蜗杆传动设计新方案.ppt

,用于空间交错轴间的传动，通常=90,第四章 蜗杆传动设计,一、蜗杆传动的特点,4-1 概述,从运动关系看，相当于螺杆与螺母运动,传动比大，i=1080，故结构紧凑；,传动平稳，噪声小；,摩擦发热大、传动效率低；,可实现自锁；,制造成本较高(蜗轮常用青铜合金制造),第四章 蜗杆传动设计概述,按蜗杆形状分,圆柱蜗杆传动,二、蜗杆传动的类型,环面蜗杆传动,锥面蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,本章主要讨论圆柱蜗杆传动的设计,圆弧圆柱蜗杆,圆柱蜗杆,环面蜗杆,锥面蜗杆,第四章 蜗杆传动设计概述,1、普通圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆传动（ZA）,渐开线蜗杆传动（ZI）,法向直齿廓蜗杆传动（ZN）,锥面包络蜗杆传动（ZK）,蜗杆用直母线刀刃车制,车刀切削平面通过蜗杆轴线，横截面内齿廓为阿基米德螺旋线,用盘铣刀加工蜗杆。铣刀放置在齿槽的法面内，各剖面齿廓均为曲线,车刀切削平面与基圆相切，横截面内齿廓为渐开线,车刀切削平面位于螺旋面的法面上，适合于大导程角的蜗杆加工,蜗轮用滚刀滚制,第四章 蜗杆传动设计概述,2、圆弧圆柱蜗杆传动（ZC型）,用圆弧刃车刀车削,用环面砂轮磨削,轴向剖面内蜗杆齿廓呈凹弧形，而蜗轮齿廓呈凸弧形，承载能力较普通型高50150%，传动效率达90%,目前正推广应用,第四章 蜗杆传动设计概述,三、蜗杆传动类型的选择,1、载荷较小、精度要求较低、不重要的场合,可选阿基米德蜗杆传动（不易磨削，难获高精度）,2、载荷大、精度要求高、速度高的重要场合,可选圆弧圆柱蜗杆传动,3、精度较高、速度较高、蜗杆头数较多、加工工艺简单,可选渐开线、法向直廓或锥面包络蜗杆传动,4、要求传动效率高、蜗杆不磨削的大功率传动,可选环面蜗杆传动,5、要求自锁的低速、轻载传动,可选阿基米德蜗杆传动,第四章 蜗杆传动设计主要参数,4-2 圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸,一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数（以 ZA 蜗杆传动为例）,模数 m 和压力角,中间平面 包含蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面,蜗轮滚刀的几何参数与相配蜗杆的几何参数相同,在中间平面内相当于齿条与齿轮的啮合,对于蜗杆：中间平面是轴面对于蜗轮：中间平面是端面,对于阿基米德蜗杆传动，定义中间平面内的模数和压力角为标准值,第四章 蜗杆传动设计主要参数,正确啮合条件：,mx1=mt2=m,x1=t 2=20,在中间平面内,蜗杆导程角与蜗轮螺旋角,=90 时：=,且旋向相同,蜗杆分度圆直径 d1 及直径系数 q,d1 标准系列值，,并与模数 m 匹配,蜗杆直径系数：,d1=m q,蜗轮分度圆直径：d2=m z2,目的：减少蜗轮滚刀数量，便于刀具标准化,第四章 蜗杆传动设计主要参数,q 与导程角之关系：,蜗杆头数,轴向齿距px m,z1=1 6,传动比 i 及蜗杆头数 z1、蜗轮齿数 z2,z1 少，则小，效率低,z1 过多,则大，制造困难,蜗杆导程 pz,通常取 z1 1，,要求自锁或传动比大时取 z1=1,第四章 蜗杆传动设计主要参数,蜗轮齿数 z2=i z1,常取 z2=32 63,=28 80,齿面间相对滑动速度 vs,由此可见，vs v1、v2,所以蜗杆传动摩擦损失大，效率低。,第四章 蜗杆传动设计主要参数,蜗杆传动的变位及蜗轮变位系数2,目的：凑中心距 a 或 凑传动比 i。,特点：只对蜗轮进行变位，蜗杆不变位；,变位后，d2d2，而 d1d1,凑中心距的变位（a 改变，z2 不变）：,例：m4 mm，a124 mm，需凑标准中心距 125 mm。,变位后,蜗轮变位系数,a 变位前中心距,a 变位后中心距,m 模数,滚刀远离蜗轮中心,第四章 蜗杆传动设计主要参数,凑传动比的变位（a a，z2z2）：,蜗轮齿数：变位前是 z2，变位后是 z2,要求：,故：,注意：,变位前：,变位后：,例：已知 z14，z239，要求 i 10。,2 太大，齿顶会变尖；太小，则会产生根切,改变蜗轮齿数，使 i 符合推荐值,取 z240，则,滚刀靠近蜗轮中心,先改变传动比，再凑中心距,普通圆柱蜗杆传动：2 1+1,故最多改变两个齿,常取：2 0.7+0.7,第四章 蜗杆传动设计主要参数,喉圆直径(同齿轮齿顶圆),顶圆直径,二、普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,基本尺寸与齿轮传动类似，计算公式见表 42,(1)蜗轮的2个圆,(2)蜗轮轮缘宽度B,(3)蜗杆螺纹部分的长度b1,m,第四章 蜗杆传动设计主要参数,阿基米德蜗杆传动与齿轮传动的区别：,传动比 i,齿轮传动,蜗杆传动,i=d2/d1,i d2/d1,m、,法面为标准值,中间平面为标准值,1=-2,=,旋向相同,d1,d1=mnz1/cos,d1=mq,且为标准值,第四章 蜗杆传动设计主要参数,三、圆弧圆柱蜗杆传动的主要参数,蜗杆轴向截面齿廓为内凹圆弧形,轴向模数 m、蜗杆分度圆直径 d1 为标准值,2、齿廓圆弧半径,1、齿形角0,推荐02024，常取023,推荐（55.5）m,z112时，取5m；z14时，取5.5m,3、蜗轮变位系数2,推荐2 0.71.2，,应使21.5，以免齿顶变尖,几何尺寸计算与普通圆柱蜗杆传动相仿，详见表 42,2 的计算方法同普通圆柱蜗杆传动,第四章 蜗杆传动设计失效形式,4-3 蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料,一、失效形式及设计准则,齿面点蚀,蜗轮材料为锡青铜时，,此种材料强度稍低,齿面胶合,蜗轮材料为铝铁青铜或铸铁时,齿面磨损,开式传动或润滑不良,轮齿折断,蜗轮齿数过多或强烈冲击载荷,由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上,对于闭式蜗杆传动，其承载能力主要取决于接触强度,设计准则：,闭式蜗杆传动，按齿面接触疲劳强度设计，,并进行热平衡计算（防止胶合）；,z2 80或强烈冲击载荷时校核弯曲强度,对于蜗杆，主要是防止蜗杆轴发生过大的的弹性变形,第四章 蜗杆传动设计材料及热处理,二、材料选择及热处理,材料组合要求：减摩性好、耐磨、抗胶合、足够的强度,碳 钢 45钢,蜗 杆,合金钢 20Cr、20CrMnTi、40Cr,铸锡磷青铜 ZCuSn10P1 适合高速,蜗 轮,铸铝铁青铜 ZCuAl10Fe3 中速重载,灰铸铁 HT200 低速轻载,减摩性好,蜗杆为细长轴零件，选材时应保证足够的强度和刚度,45钢、40Cr 调质(350HBS)或表面淬火(4555HRC),20Cr、20CrMnTi 渗碳淬火(5863HRC),第四章 蜗杆传动设计许用应力,三、许用应力,1、许用接触应力HP,主要失效形式是蜗轮齿面点蚀,蜗轮为锡青铜时,寿命系数,应力循环次数,承载能力取决于蜗轮的齿面接触疲劳强度,基本许用应力,当 N 25107 时，取 N25107,硬齿面磨削蜗杆HP 提高20,第四章 蜗杆传动设计许用应力,减摩性较差，主要失效形式是胶合。,蜗轮为铝铁青铜或铸铁时,HP 与材料组合及滑动速度 vs 有关，,许用接触应力按抗胶合的条件确定。,估算滑动速度：,不用乘 ZN,查表时需用线性插值法,第四章 蜗杆传动设计许用应力,2、许用弯曲应力FP,寿命系数,应力循环次数,若 N 25107，,则取 N 25107,弯曲应力视为脉动循环,弯曲应力视为对称循环,第四章 蜗杆传动设计受力分析,4-4 圆柱蜗杆传动的强度计算,一、受力分析,1、力的分解,3、力的方向（蜗杆主动）,法面内：,圆周力：,径向力：,蜗杆上Ft 1与转向相反,蜗轮上Ft 2与转向相同,Fr1和Fr2指向各自的轮心,切面内：,径向力,圆周力,轴向力,2、力的关系,同齿轮,轴向力：,左旋蜗杆用左手定则,右旋蜗杆用右手定则,蜗杆上Fa1用主动轮左右手定则判定,第四章 蜗杆传动设计受力分析,蜗轮转向的判断：,因 Ft2-Fa1，所以蜗轮的转动方向与蜗杆的轴向力方向相反,4、力的大小,T1、T2 蜗杆、蜗轮所传递的名义转矩(N.mm),则：T2=i T1,计算载荷：KA T2=i KAT1,使用系数 KA同圆柱齿轮,P1、P2 为蜗杆、蜗轮的名义功率；,为蜗杆传动的效率，P2P1,第四章 蜗杆传动设计受力分析,各力应画在受力点上,例 1：已知蜗轮的转向及蜗杆的螺旋方向，试确定：,(1)蜗轮轮齿的螺旋方向；,(2)蜗杆(主动)的转动方向；,(3)各分力的方向。,蜗杆左旋,蜗轮亦左旋,蜗杆的转向、螺旋线方向、轴向力方向,知其二必知其一,第四章 蜗杆传动设计受力分析,蜗杆、蜗轮均为右旋,输出,输入,例 2：图示为蜗杆传动与锥齿轮传动组合。已知输出轴的转向，欲使中间轴上的轴向力能部分抵消，试确定蜗杆的转向和蜗轮蜗杆的螺旋线方向；各分力的方向。,径向力均指向各自轮心,中间轴,第四章 蜗杆传动设计强度条件,利用赫兹公式、考虑蜗杆传动特点可推得,二、普通圆柱蜗杆传动齿面接触疲劳强度计算,校核式：,弹性系数,设计式：,1）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）,2）中间平面内相当于齿条与齿轮啮合,蜗轮类似于斜齿轮,特点：,因此，蜗轮轮齿的强度计算与斜齿轮相似，,其强度公式可仿照斜齿轮的计算方法推导、整理,钢制蜗杆与青铜或铸铁蜗轮组合,第四章 蜗杆传动设计强度条件,三、普通圆柱蜗杆传动齿根弯曲疲劳强度计算,借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点,注,校核式：,设计式：,(2)螺旋角系数,(4)计算蜗轮强度，且效率低，故用 T2=i T1。,(3)蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大，所以只是在受强烈冲击、z2 特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义；,第四章 蜗杆传动设计强度条件,计算出 m2d1 值后，按表 4-1 选取标准值 d1、m。,为保证安全，表中查得的值应大于计算值,如：计算值 m2d198,则查得 m2d1112,相应 m2、d1 28,第四章 蜗杆传动设计圆弧蜗杆,四、圆弧圆柱蜗杆传动强度计算要点,特点：,凸凹弧齿廓啮合且23，承载能力强,1、圆弧圆柱蜗杆齿面接触疲劳强度条件,失效以胶合为主,接触系数，据（d1/a）查图4-9,弹性系数，查表4-8,中心距设计式：,a 应圆整或按表 4-4 取推荐值,第四章 蜗杆传动设计圆弧蜗杆,2、圆弧圆柱蜗杆齿根弯曲疲劳强度条件,许用 U 系数,齿形复杂，难以精确计算弯曲应力，,按 U 系数法，进行条件性近似计算。,极限 U 系数，查表4-8,安全系数，SFmin=11.7,3、圆弧圆柱蜗杆传动的许用应力,自学,弯曲强度远远大于接触强度，一般不需计算,蜗轮齿宽,第四章 蜗杆传动设计效率,4-5 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,一、效率,与齿轮传动相同,轴承摩擦损耗,搅油损耗,轮齿啮合摩擦损耗,故：,啮合效率类似于螺旋副：,当量摩擦角,当量摩擦系数,效率随导程角 的增大而增大，但 28以后变化缓慢。,自锁条件：,第四章 蜗杆传动设计效率,提高效率的途径：,但蜗杆制造困难,通常使,采用减摩性好的材料，如青铜合金；,保证良好的润滑状态，vs 较大时齿面间易于形成油膜。,设计之初,未知。,z1=1 时，=0.70.75,z1=2 时，=0.750.82,z1=4 时，=0.870.92,自 锁 时，0.5,提示：设计完成后，需验算，若与估选值相差太远，则需重选后再设计,z1=3 时，=0.820.87,需按 z1 估选，以便计算 T2=iT1。,圆弧蜗杆传动提高 510,第四章 蜗杆传动设计润滑,二、润滑,一般情况下，采用浸油润滑；,vs 很大时，采用喷油润滑。,v1 小时，蜗杆下置,v1 4 m/s时蜗杆上置,有利于润滑,避免过大的搅油损失,蜗杆下置,蜗杆上置,第四章 蜗杆传动设计热平衡计算,三、蜗杆传动的热平衡计算,目的 控制油温，防止胶合,t1 热平衡时的油温,对象 连续工作的闭式蜗杆传动,热平衡概念：达到热平衡时，单位时间内的发热量=散热量,单位时间内发热量：,单位时间内散热量：,Kt 散热系数，W/(m2.)，,自然方式冷却时：,A 箱体散热面积，,箱体暴露在空气中的部分,近似计算：,蜗杆传动中心距,环境温度，一般取 20,温升,通风不好 Kt=8.710.5,通风良好 Kt=1417.5；,要求：t1 tp,第四章 蜗杆传动设计热平衡计算,热平衡时：,1000P1（1-）=Kt A（t1 t 0）,则热平衡计算式：,若 t1 tp，则采取措施提高散热能力：,在箱壳外表面加铸散热片,蜗杆轴端装风扇加速空气流通,同时沿气流方向配置散热片,箱体油池内放置蛇形冷却水管,喷油润滑循环冷却,自然通风时竖直布置,增加散热面积 A，按50计算,增大散热系数 Kt 2028,许用油温,4-6 蜗杆传动的设计步骤和方法,第四章 蜗杆传动设计设计方法,1、已知条件：P、n1、n2（或 i）、预期寿命、工况等,2、选择蜗杆蜗轮材料及热处理方法、选择蜗杆头数z1、估选效率、估算vs（铝铁青铜）、确定蜗杆传动精度,3、计算：z2、m、d1、d2、a、v1、v2、vs、v、等,4、验算：效率、齿面间相对滑动速度 vs(铝铁青铜)，与估计值是否接近？,N,5、对于闭式蜗杆传动，进行热平衡计算，验算油温,6、结构设计，绘制蜗杆、蜗轮零件工作图,Y,第四章 蜗杆传动设计传动类型,齿轮传动类型一览,两轴线相交,两轴线交错,直齿轮,斜齿轮,人字齿轮,锥齿轮,螺旋齿轮,蜗杆蜗轮,两轴线平行,圆弧齿,第四章 蜗杆传动设计设计实例,实例：,1)材料、热处理,设计一闭式普通圆柱蜗杆传动，载荷平稳、通风条件良好、工作寿命 5 年、8 h/天、,蜗杆材料及热处理,蜗轮材料,表4-6（磨削蜗杆提高20）,200 1.2 1251.2,蜗轮基本许用接触应力,73.5 73.5,蜗轮转速,12000 12000,蜗轮工作小时,蜗轮应力循环次数N,0.81 0.81,接触寿命系数,许用接触应力,194.4 121.5,40Cr表面淬火后磨削,表4-6，,ZCuSn10P1 砂模铸造,ZCuSnPb5Zn5 砂模铸造,估计 vs 10m/s,240 150,第四章 蜗杆传动设计设计实例,2)确定有关参数,2 2,蜗杆头数,蜗轮齿数,40 40,初估传动效率,0.82 0.82,蜗轮转矩,2024340 2024340,弹性系数,160 160,3)接触强度设计,计算,值,8485 21721,表4-1,9000 21875,10 12.5,模数,表4-1,表4-1,蜗杆分度圆直径,90 140,蜗轮分度圆直径,400 500,=0.750.82（因 z12）,钢制蜗杆与青铜蜗轮,第四章 蜗杆传动设计设计实例,中心距,245 320,1.54 1.92,蜗轮圆周速度,导程角,123144,10729,7.1 10.9,滑动速度,与选材时假定相符,与假定基本相符,当量摩擦角,120,110,表4-9,总效率,0.855 0.85,与初选值基本相符,与初选值基本相符,第四章 蜗杆传动设计设计实例,箱体散热面积 A(m2),1.583 2.527,热平衡油温 t 1(),129,90,取 t 020,散热能力不足,4)热平衡计算,方案 1 体积小、结构紧凑，较为合理,措施：加装风扇并加铸散热片,实际温升须在箱体结构设计后确定,5）几何尺寸计算、结构设计,略,若自然通风，取K t16,第四章 蜗杆传动设计小结,本 章 小 结,蜗杆传动的主要参数及其选择,主要讨论普通圆柱蜗杆传动；,材料、失效形式,为减小摩擦磨损，钢蜗杆与青铜蜗轮配对；,失效主要发生在蜗轮上,与斜齿圆柱齿轮传动的区别与联系；,蜗杆分度圆直径为标准值，蜗杆、蜗轮螺旋角旋向相同但大小不等，蜗杆导程角蜗轮螺旋角；,蜗杆头数与传动效率的关系；,变位的目的：凑中心距、凑传动比；仅对蜗轮变位。,第四章 蜗杆传动设计小结,强度条件,强度计算针对蜗轮轮齿；,热平衡计算,蜗杆传动效率低，发热量大，容易产生胶合，故要控制热平衡时的油温；,在中间平面上蜗杆传动类似于齿条齿轮传动，故强度计算公式按斜齿轮推导；,一般不用校核齿根弯曲强度。,油温过高应采取相应措施。,受力分析,各分力的对应关系及方向的判断，与斜齿圆柱齿轮及锥齿轮的区别；蜗轮或蜗杆转动方向的判断。,作 业 三,41、43,1）“间歇工作”改成“连续工作”；,题 43 说明：,2）“2 小时”改成“8 小时”；,3）要进行热平衡计算；,4）本题的蜗杆与书中例题的蜗杆不同；,5）不要求自锁。,