第8章 圆柱蜗杆减速器装配草图设计要点.doc

第一部份 机械设计课程设计指导书

第8章 圆柱蜗杆减速器装配草图设计要点
与圆柱齿轮减速器比较，蜗杆减速器设计的特性内容主要是蜗杆轴系部件、箱体某些结构以及蜗杆、蜗轮的结构等。蜗杆减速器的设计步骤与圆柱齿轮减速器基本相同。本章以常见的下置式蜗杆减速器为例，按设计步骤，并着重介绍蜗杆减速器设计的特性内容。因此，在设计蜗杆减速器时，除学习本章内容外，其它共性问题须仔细参阅第五、六章圆柱齿轮减速器设计的有关内容。
在结构视图表达方面，蜗杆减速器要以最能反映轴系部件及减速器箱体结构特征的主、左视图为主。
蜗杆减速器有关箱体结构尺寸见图4-4和表4-1。
减速器结构设计涉及减速器的润滑方式。在开始画装配图之前，按第四章第二节减速器润滑所述内容，确定蜗杆传动副及轴承的润滑方式。
减速器结构设计，包括轴系部件、箱体和附件等结构设计。轴系部件设计是装配图设计第一阶段的内容。轴系部件包括轴、轴承组合和传动件。
8.1 轴系部件设计——装配图设计第一阶段
8.1.1 确定传动件及箱体轴承座位置
传动件安装在轴上，轴通过轴承支承在箱体轴承座孔中。设计轴系部件，首先要确定传动件和箱体轴承座的位置。
1．确定传动件中心线位置 参照参考图例，根据计算所得中心距数值，估计所设计减速器的长、宽、高外形尺寸（见第5章图5-3），并考虑标题栏、明细表、技术特性、技术要求以及零件编号、尺寸标注等所占幅面，确定三个视图的位置，画出各视图中传动件的中心线。
2．按蜗轮外圆de2确定蜗杆轴承座位置 按所确定的中心线位置，首先画出蜗轮和蜗杆的轮廓尺寸，见图8-1。取蜗轮外圆与箱体内壁间的距离Δ1≈δ（δ为箱体壁厚），在主视图中确定两侧内壁及外壁的位置。取蜗杆轴承座外端面凸台高4～8mm，确定蜗杆轴承座外端面F1的位置。M1为蜗杆轴承座两外端面间距离。
为了提高蜗杆的刚度，应尽量缩短支点间的距离，为此，蜗杆轴承座需伸到箱内。内伸部分长度与蜗轮外径及蜗杆轴承外径或套杯外径有关。内伸轴承座外径与轴承盖外径D2相同。为使轴承座尽量内伸，常将圆柱形轴承座上部靠近蜗轮部分铸出一个斜面（见图8-1及图8-2），使其与蜗轮外圆间的距离Δ1≈δ，再取b=0.2(D2－D)，从而确定轴承座内端面E1的位置。
3．按蜗杆轴承座径向尺寸确定蜗轮轴承座位置 如图8-1左视图所示，常取蜗杆减速器宽度等于蜗杆轴承盖外径（等于蜗杆轴承座外径），即N2≈D2。由箱体外表面宽度可确定内壁E2的位置，即蜗轮轴承座内端面位置。其外端面F2的位置或轴承座的宽度B2，由轴承旁螺栓直径及箱壁厚度确定，即B2＝δ＋c1＋c 2＋(5～10)mm，式中的δ、c1和c2值见表4－1。M2为蜗轮轴承座两外端面间距离。

图8-1 传动件、轴承座端面及箱壁面的位置

图8-2 蜗杆轴承座
4．确定其余箱壁位置 在此之前，与轴系部件结构有关的箱体轴承座位置已经确定。从绘图的方便以及热平衡计算的需要考虑，其余箱壁位置也在此一并确定。如图8-1所示， 取Δ1≈δ 确定上箱壁位置。对下置式蜗杆减速器，为保证散热，常取蜗轮轴中心高H2＝(1.8～2)a , a为传动中心距。此时蜗杆轴中心高还需满足传动件润滑要求（见4.2节），中心高H1、H2需圆整。有时蜗轮、蜗杆伸出轴用联轴器直接与工作机、原动机联接。如相差不大时，最好与工作机、原动机中心高相同，以便于在机架上安装。
8.12 热平衡计算
由于发热大，蜗杆减速器在箱体长、宽和高尺寸确定后，需进行热平衡计算。若经热平衡计算不符合要求，可适当增加箱体尺寸或增设散热片和风扇。散热片方向应与空气流动方向一致，其结构尺寸如图8-12所示。发热严重时还可在油池中设置蛇形冷却管，或改用循环润滑系统，以降低油温。
8.1.3 轴的结构设计和滚动轴承选择
1．轴的结构设计
轴的结构设计基本与圆柱齿轮减速器相同，见5.3节。
2．滚动轴承类型选择
(1)轴承类型的选择 蜗轮轴轴承类型选择的考虑与圆柱齿轮减速器相同，这里只介绍蜗杆轴承类型的选择。
蜗杆轴承支点与齿轮轴承支点受力情况不同。蜗杆轴承承受轴向力大，因此不宜选用深沟球轴承承受蜗杆的轴向力，一般可选用能承受较大轴向力的角接触球轴承或圆锥滚子轴承。角接触球轴承较相同直径系列的圆锥滚子轴承的极限转数高。但在一般蜗杆减速器中，蜗杆转速常在3000r／min以下，而内径为90mm以下的圆锥滚子轴承，在油润滑条件下，其极限转速都在3000r／min以上。同时，圆锥滚子轴承较相同直径系列的角接触球轴承基本额定动负荷值高，而且价格又低。因此，蜗杆轴承多选用圆锥滚子轴承。当转数超过圆锥滚子轴承的极限转数时，才选用角接触球轴承。当轴向力非常大而且转速又不高时，可选用双向推力球轴承承受轴向力，同时选用向心轴承承受径向力。
(2)轴承尺寸的选择 在轴的径向尺寸设计过程中，根据轴颈尺寸，选择轴承的内径尺寸。因蜗杆轴轴向力大，且转速较高，故开始常初选03（中窄）系列轴承。
8.1.4 确定支点及受力点，并校核轴、键、轴承
受力点和支反力点如图8-3所示。轴、键、轴承校核计算与圆柱齿轮减速器相同（见5.3节）。

图8-3 蜗杆减速器初步装配草图
8.1.5 蜗杆轴系部件的轴承组合设计
1．轴承支点结构设计
(1)两端固定 当蜗杆轴较短（支点跨距小于 300 mm ) ，温升又不太大时，或虽然蜗杆轴较长，但间歇工作，温升较小时，常采用圆锥滚子轴承正装的两端固定结构，见图8-3及图8-4。
(2)一端固定和一端游动 当蜗杆轴较长时，轴的热膨胀伸长量大，如采用两端固定结构，则轴承将承受较大附加轴向力，使轴承运转不灵活，甚至卡死压坏。这种情况下宜采用一端固定另一端游动的支点结构，如图8-5所示。固定端常采用两个圆锥滚子轴承正装的支承形式。外圈用套杯凸肩和轴承盖双向固定，内圈用套筒（或轴肩）和圆螺母双向固定。游动端可采用如图8-5a所示的深沟球轴承，内圈用套筒（或轴肩）和弹性挡圈双向固定，外圈在座孔中轴向游动的结构。或者采用如图8-5b所示的圆柱滚子轴承，内外圈双向固定，滚子在外圈内表面轴向游动的结构。

图8-4两端固定式蜗杆轴系结构

图8-5 一端固定和一端游动式蜗杆轴系结构
在设计蜗杆轴承座孔时，应使座孔直径大于蜗杆外径以便蜗杆装入。为便于加工，常使箱体两轴承座孔直径相同。

图8-6 圆螺母固定圆锥滚子轴承的结构
蜗杆轴系中的套杯，主要用于固定支点轴承外圈的轴向固定。套杯的结构和尺寸设计可参考图7-9。由于蜗杆轴的轴向位置不需要调整，因此，可以采用如图8-5中所示的径向结构尺寸较紧凑的小凸缘式套杯。
固定端的轴承承受的轴向力较大，宜用圆螺母而不用弹性挡圈固定。游动端轴承可用弹性挡圈固定。
用圆螺母固定正装的圆锥滚子轴承时，如图8-6所示，在圆螺母与轴承内圈之间，必须加一个隔离短套筒，否则圆螺母将与保持架干涉。短套筒的外径和宽度，见圆锥滚子轴承标准中的安装尺寸。
2．润滑与密封
1)润滑 下置蜗杆的轴承用浸油润滑。为避免轴承搅油功率损耗过大，最高油面h0max不能超过轴承最下面的滚动体中心，见图8-7；最低油面高度h0min应保证最下面的滚动体在工作中能少许浸油。
蜗杆圆周速度v＜4～5m/s时，下置蜗杆多采用浸油润滑。蜗杆齿浸油深度为(0.75～1)h，h为全齿高。当油面高度能同时满足轴承和蜗杆浸油深度要求，则两者均采用浸油润滑，如图8-7a所示。为防止由于浸入油中蜗杆螺旋齿的排油作用，迫使过量的润滑油冲入轴承，需在蜗杆轴上装挡油盘，如图8-7a所示。挡油盘与箱座孔间留有一定间隙，既能阻挡冲来的润滑油，又能使适量的油进入轴承。

a） b） c）
图8-7下置式蜗杆减速器的油面高度
在油面高度满足轴承浸油深度的条件下，蜗杆齿尚未浸入油中（图8-7b）或浸入深度不足(图8-7c)，则应在蜗杆两侧装溅油盘（图8-7b），使蜗杆在飞溅润滑条件下工作。这时滚动轴承浸油深度可适当降低，以减少轴承搅油损耗。在蜗杆浸油深度不足时，也可以在蜗杆两侧装设两个结构简单的溅油盘（图8-4），辅以溅油润滑。
蜗轮轴承转速较低，可用脂润滑或用刮板润滑（见图8-8中的俯视图）。
上置式蜗杆减速器的润滑，参阅第四章第二节及有关资料。
(2)密封 下置蜗杆应采用较可靠的密封形式，如采用橡胶密封圈（见18.3节表18-15）密封。蜗轮轴轴承的密封与齿轮减速器相同。
8.1.6 蜗杆和蜗轮结构
1．蜗杆结构
如表19-3所示，由于蜗杆径向尺寸小而常与轴制成一体，称为蜗杆轴。蜗杆根圆直径df1略大于轴径d，其螺旋部分可以车制（df1－d≥2～4mm），也可以铣制。当df1＜d时，只能铣制（d可大于df1）。
2．蜗轮结构
蜗轮结构分装配式和整体式两种。为节省有色金属，大多数蜗轮做成装配式结构，只有铸铁蜗轮或直径de2＜100mm的青铜蜗轮才用整体式结构。装配式结构有：螺钉联接和铰制孔螺栓联接。表19-4中图a为青铜轮缘用过盈配合装在铸铁轮芯上的装配式蜗轮结构，其常用的配合为H7/s6或H7/r6。为增加联接的可靠性，在配合表面接缝处装4～8个螺钉。为避免钻孔时钻头偏向软金属青铜轮缘，螺孔中心宜稍偏向较硬的铸铁轮心一侧。表19-4中图b为轮缘与轮芯用铰制孔用螺栓联接的装配式蜗轮结构，其螺栓直径和个数由强度计算确定。这种组合结构工作可靠、装配方便，适用于较大直径的蜗轮。为节省青铜和提高联接强度，在保证必需的轮缘厚度的条件下，螺栓位置应尽量靠近轮缘。
图8-8为蜗杆减速器装配草图设计第一阶段完成的内容。
8.2 箱体及附件设计——装配图设计第二阶段
剖分式蜗杆减速器箱体结构设计，除前面所述蜗杆、蜗轮轴承座确定方法之外，其它结构与齿轮减速器设计相似，附件结构设计也与圆柱齿轮减速器相似，可参阅第六章。这里只简单介绍一下整体式箱体结构。如图8-9所示，整体式箱体两侧一般设两个大端盖孔，蜗轮由此装入，该孔径要稍大于蜗轮外圆的直径。为保证传动啮合的质量，大端盖与箱体间的配合采用H7/js6或H7/g6。

图8-8 蜗杆减速器第一阶段装配草图
为增加蜗轮轴承座的刚度，大端盖内侧可加肋。
为使蜗轮跨过蜗杆装人箱体，蜗轮外圆与箱体上壁间应留有相应的距离s（图8-9）。
当蜗杆减速器需要加设散热片时，散热片的布置一般取竖直方向。若在蜗杆轴端装风扇，则散热片布置方向应与风扇气流方向一致。散热片的结构和尺寸见图8-10。

图8-10 散热片结构和尺寸
H＝（4～5）δ，a＝2δ，b＝δ，r＝0.5δ，r1＝025δ
图8-9 整体式蜗杆减速器箱体结构
图8-11为蜗杆减速器装配草图设计完成第二阶段后的内容。

图8-11 圆柱蜗杆减速器装配草图

第8章 圆柱蜗杆减速器装配草图设计要点
8.1 轴系部件设计——装配图设计第一阶段
8.1.1 确定传动件及箱体轴承座位置
8.1.2 热平衡计算
8.1.3 轴的结构设计和滚动轴承选择
8.1.4 确定支点及受力点，并校核轴、键、轴承
8.1.5 蜗杆轴系部件的轴承组合设计
8.1.6 蜗杆和蜗轮结构
8.2 箱体及附件设计——装配图设计第二阶段
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