蜗杆传动的失效形式和设计准则1齿面相对滑动速度vs课件.ppt

主讲教师：何彩颖,15-1 蜗杆传动的类型和特点,一、蜗杆传动的类型,蜗杆（根据蜗杆的形状分类）,圆柱蜗杆传动,锥蜗杆传动,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动，按蜗杆轴面齿型又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。普通蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制，可分为阿基米德蜗杆（ZA型）、渐开线蜗杆（ZI型）和法面直齿廓蜗杆（ZN型）等几种。其中，阿基米德蜗杆应用最为广泛。,二、蜗杆机构的特点,1、传动比大。蜗杆传动的单级传动比在传递动力时，i=580，常用的为i=1550。分度传动时i可达1000，因而结构紧凑。2、传动平稳，噪声低。蜗杆与涡轮的啮合连续，同时啮合的齿对数较多。3、具有自锁性。当蜗杆的螺旋角小于轮齿间的当量摩擦角时，蜗杆传动能自锁，即只能由蜗杆带动涡轮，而涡轮不能够带动蜗杆。4、传动效率低。蜗杆传动在啮合处有相对滑动，当滑动速度较大时，则会产生较严重的摩擦磨损，发热大，效率低。一般只有0.70.8。具有自锁功能的蜗杆机构，它的效率一般不大于0.5。5、制造成本较高。涡轮常用贵重的减摩材料（如青铜）制成。因此，蜗杆传动适用于传动比大，传递功率不大的机械上。,15-2 蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算,一、蜗杆传动的主要参数,1、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2和传动比i,蜗杆头数根据传动比和传动蜗杆的效率来确定。一般取1、2、4、6，当要求自锁和大传动比时，取1；当传动功率较大，为提高传动效率取大值，但蜗杆的头数过多，加工精度难以保证。蜗轮的齿数一般取z22780，齿数过少将发生根切，齿数过多将导致与之相应的蜗杆长度增加，刚度减小。,传动比,2、模数m和压力角,由于蜗杆传动在中间平面内相当于渐开线齿轮与齿条的啮合，而中间平面是蜗杆的轴向平面又是蜗轮的端面，与齿轮传动相同，为保证轮齿的正确啮合，蜗杆的轴向模数 应等于蜗轮的端面模数；蜗杆的轴向压力角 应等于蜗轮的端面压力角；蜗杆分度圆导程角 应等于蜗轮分度圆螺旋角，且两者螺旋方向相同。即阿基米德蜗杆传动的正确啮合条件为：,3、蜗杆的分度圆直径d1和导程角,蜗杆传动的效率与导程角有关，导程角越大，传动效率越高。当传递动力时，要求高效率，取，此时采用多头蜗杆；若蜗杆传动要求具有自锁性能时，常取 的单头蜗杆。,称为蜗杆的直径系数,当m一定，q值增大，蜗杆的直径增大，刚度提高。小模数蜗杆一般具有大的q值，以使蜗杆具有足够的刚度。为保证蜗轮于蜗杆的正确啮合，加工蜗轮的滚刀直径和齿形参数必须于相应的蜗杆相同，为限制蜗轮滚刀的数目，蜗杆直径d1已标准化。,4、中心距a,蜗杆传动中，当蜗杆分度圆与蜗轮分度圆重合时称为标准传动，其中心距为：,规定标准中心距为40、50、63、80、100、125、160、（180）、200、（225）、250、（280）、315、（355）、400、（450）、500。在蜗杆传动设计时，中心距按上述标准元整。,二、蜗杆传动的几何尺寸计算,15-3 蜗杆传动的失效形式、设计准则、材料和结构,一、蜗杆传动的失效形式和设计准则,1、齿面相对滑动速度vs,滑动速度的大小，对齿面的润滑情况、齿面实效形式、发热以及传动效率都有很大的影响。,2、轮齿的失效形式和设计准则,1）轮齿的失效形式,蜗杆传动的失效形式主要有胶合、点蚀、磨损等。由于蜗杆的齿是连续的螺旋线，因而失效多发生在蜗轮轮齿上。在闭式传动中，主要失效形式是胶合与点蚀；在开式传动中，主要失效形式是磨损。,实践证明：当载荷平稳无冲击时，蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况多发生于齿数80100时，所以在齿数少于上述数值时，弯曲强度校核可不考虑。,由于蜗杆常与轴做成一体，设计时可按一般轴对蜗杆强度进行验算，必要时进行刚度验算。,2）设计准则,闭式蜗杆传动按齿面接触疲劳强度设计，并校核齿根弯曲疲劳强度，为避免发生胶合还必须作热平衡计算；开式蜗杆传动通常只需按齿根弯曲疲劳强度设计。,二、蜗杆、蜗轮的材料和结构,1、蜗杆、蜗轮的材料选择,蜗杆常用的材料为碳钢和合金钢，要求表面光洁并且有高硬度。对一般蜗杆传动可采用45、40等碳钢调质处理，硬度为220250HBS。对高速重载的传动，常用20Cr、20CrMnTi渗碳淬火到5665HRC，或40Cr、38SiMnMo表面淬火到4555HRC，并磨削。蜗轮常用材料为青铜和铸铁。,由于蜗杆传动的特点，蜗杆副的材料不仅要求有足够的强度，更重要的是具有良好的减摩耐磨和抗胶合性能。为此常采用青铜作蜗轮齿圈，并与淬硬磨削的钢制蜗杆相匹配。,2、蜗杆、蜗轮的结构,谢 谢!,主讲教师：何彩颖,15-4 蜗杆传动的强度计算,一、蜗杆传动的受力分析,式中：T2=T1i，为蜗杆传动的效率。,二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,对于钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮（指齿圈），蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为：,蜗轮齿面接触疲劳强度的设计公式为：,上两式中K 为载荷系数，一般取K=1.11.5。当载荷平稳，相对滑动速度较小时，取小值，否则取大值。H为蜗轮材料的许用接触应力。,三、蜗轮齿面弯曲疲劳强度计算,由于蜗轮轮齿的齿形比较复杂，通常近似地将蜗轮看作斜齿轮按圆柱齿轮弯曲强度公式来计算，化简后齿根弯曲强度的校核公式为：,蜗轮齿面接触疲劳强度的设计公式为：,YF2为蜗轮的齿形系数 F为蜗轮材料的许用弯曲应力。,15-5 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,一、蜗杆传动的效率,闭式蜗杆传动总效率包括：考虑轮齿啮合齿面间摩擦损失时的效率；（主要考虑）考虑轴承摩擦损失的效率；考虑浸入油池中的零件搅动润滑油时的溅油损耗率。蜗杆传动的总效率为：其中 蜗杆导程角；当量摩擦角，为当量摩擦系数,主要与蜗杆传动的材料、表面硬度和相对滑动速度有关。,由此可知，增大导程角 可提高效率，故常采用多头蜗杆。但导程角过大，会引起蜗杆加工困难，而且导程角 时，效率提高很少。时，蜗杆传动具有反向自锁性，但效率很低(50)。必须注意，在振动条件下，值的波动可能很大，因此不宜单靠蜗杆传动的自锁作用来实现制动。在重要场合应另加制动装置。估计蜗杆传动的总效率时，可取下列数值：,开式传动,闭式传动,二、蜗杆传动的润滑,蜗杆传动的润滑不仅能够提高传动效率，还可避免轮齿的胶合与磨损。闭式蜗杆传动的润滑油粘度和给油方法，一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。给油方法包括：油池润滑、喷油润滑等。若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控制一定的油压。为了提高传动的抗胶合性能，应选用粘度高的润滑油。对青铜涡轮，不允许采用抗胶合能力强的活性润滑油，以免腐蚀青铜齿面。,三、热平衡计算,原因效率低，发热大，温升高，润滑油粘度下降，润滑油在齿面间被稀释，加剧磨损和胶合。,蜗杆传动转化为热量所消耗的功率：,经箱体散发热量的相当功率：,达到热平衡时,式中：P1蜗杆传动传递的功率(KW)；Ks散热系数，一般取Ks=1017W/(m2)；A散热面积(m2)，指箱体外壁与空气接触而内壁被油飞溅到的箱壳面积,对于箱体上的散热片,其散热面积按50%计算;t0环境温度(),一般取20;t1润滑油的工作温度()；t1润滑油许用温度()，一般取7090。,如果工作温度超过许可温度，可采用下述冷却措施：,蜗杆传动的精度选择,GB 1008988对普通圆柱蜗杆传动规定了112个精度等级；,1级精度最高，其余等级依次降低，12级为最低，69级精度应用最多；,6级精度传动一般用于中等精度的机床传动机构，圆周速度V25m/s；,7级精度用于中等精度的运输机或高速传递动力场合,速度v27.5m/s；,8级精度一般用于一般的动力传动中，圆周速度v23m/s；,9级精度一般用于不重要的低速传动机构或手动机构。,蜗杆传动安装要求精度高。应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线。如右图所示。,为保证传动的正确啮合，工作时蜗轮的中间平面不允许有轴向移动，因此蜗轮轴支撑应采用两端固定的方式。,蜗杆传动的维护很重要，又注意周围的通风散热情况。,蜗杆传动安装,例题 设计一运输机的闭式蜗杆传动。蜗杆输入功率，蜗杆的转速，传动比，载荷平稳，连续单向运转。,解：（1）选择材料并确定许用应力 蜗杆：由于功率不大，采用45钢表面淬火，硬度45HRC。蜗轮：采用铸铝青铜，ZcuAl10Fe3，砂模铸造，估计。查表可知，蜗轮材料的基本许用接触应力为,（2）确定蜗杆头数和蜗轮齿数,根据传动比i值，查表取,（3）计算蜗轮转矩,取,（4）确定模数和分度圆直径,由于载荷平稳，取载荷系数，按公式可得,得m=8，q=10,蜗杆分度圆直径,（5）计算主要尺寸,蜗轮分度圆直径,蜗杆导程角,中心距,（6）验算传动效率,蜗杆分度圆速度,齿面相对滑动速度,查表得：,（7）热平衡计算,取室温,取散热系数：通风散热条件好，故取,符合要求。,根据题意，箱体散热面积,谢 谢!,