机械设计课件第11章蜗杆传动.ppt
中国地质大学专用 作者：潘存云教授,第11章蜗杆传动,11-1蜗杆传动概述,11-2蜗杆传动的类型,11-3普通蜗杆传动的参数与尺寸,11-4普通蜗杆传动的承载能力计算,11-6圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计,11-5蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,11-1蜗杆传动 概述,作用：用于传递交错轴之间的回转运动和动力。蜗杆主动、蜗轮从动。,90,形成：若单个斜齿轮的齿数很少（如z1=1）而且1很大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。,所得齿轮称为 蜗杆,而啮合件称为 蜗轮。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,改进措施：将刀具做成蜗杆状，用范成法切制蜗轮，所得蜗轮蜗杆为线接触。,优点：传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小。,分度机构：i=1000,通常i=880,缺点：传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,圆柱蜗杆,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆,锥蜗杆,锥蜗杆传动中，蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋形成的，而蜗轮在外观上就像一个曲线锥齿轮，它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机加工而成的。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀切制而成，车刀安装位置不同，加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆,圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅是加工用的车刀为圆弧刀刃。,传动特点：,1）传动效率高，一般可达90%以上；,2）承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的1.52.5倍；,3）结构紧凑。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,阿基米德蜗杆,单刀加工,阿基米德蜗杆(ZA),中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,阿基米德蜗杆(ZA),阿基米德蜗杆,双刀加工,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,渐开线蜗杆(ZI),渐开线蜗杆,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,法向直廓蜗杆(ZN),中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,法向直廓蜗杆(ZN),dx,延伸渐开线,车刀对中齿槽中心法面,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆(ZK),是一种非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加工，只能在铣削或磨削，加工时工件作螺旋运动，刀具作旋转运动。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,环面蜗杆传动特点：,（1）传动效率高，一般可达85%90%；,（2）承载能力高，约为阿基米德蜗杆的24倍；,（3）要求制造和安装精度高。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,锥蜗杆传动特点：,（1）同时接触的点数较多，重合度大；,（2）传动比范围大，一般为10360；,（3）承载能力和传动效率高；,（4）制造安装简便，工艺性好。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,蜗杆旋向：左旋、右旋(常用),精度等级：,对于一般动力传动，按如下等级制造：,v17.5 m/s 7级精度,v1 3 m/s 8级精度,v11.5 m/s 9级精度,判定方法：与螺旋和斜齿轮的旋向判断方法相同。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,1.正确啮合条件,中间平面：过蜗杆轴线垂直于蜗轮轴线。,正确啮合条件是中间平面内参数分别相等：,mt2=ma1=m，t2=a1=取标准值,在中间平面内，蜗轮蜗杆相当于齿轮齿条啮合。,一、圆柱蜗杆传动的主要参数,11-3普通蜗杆传动的参数与尺寸,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,ZA蜗杆：a=20轴向,模数m取标准值，与齿轮模数系列不同。,2.模数m和压力角,压力角,轴向压力角与法向压力角之间的关系：推导过程见机械原理斜齿条,tann=tann/cos,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,为了减少加工蜗轮滚刀的数量，规定d1只能取标准值。,蜗轮蜗杆轮齿旋向相同.,若 90,12,1+1 90,蜗轮右旋,蜗杆右旋,1+2,定义s=e的圆柱称为蜗杆的分度圆柱。,3.蜗杆的分度圆直径d1,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,摘自GB-1008588,括号中的数字尽可能不采用,称比值 为蜗杆的特性系数。,q=d1/m,一般取:q=818,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,4.蜗杆头数z1,蜗杆头数z1 即螺旋线的数目。,蜗杆转动一圈，相当于齿条移动z1个齿，推动蜗轮转过z1个齿。,通常取 z1=1 2 4 6,5.蜗杆的导程角,将分度圆柱展开得,=z1pa1/d1,=mz1/d1,tan1=l/d1,=z1/q,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,6.传动比 i 和齿数比 u,传动比,若想得到大 i,可取：z1=1，但传动效率低。,对于大功率传动,可取：z1=2，或 4。,蜗轮齿数 z2=i z1,为避免根切 z2 26,一般情况 z2 80,z2过大,蜗杆长度,刚度、啮合精度,结构尺寸,=u,齿数比,7.蜗轮齿数z2,a=(d1+d1)/2,8.蜗杆传动的标准中心距,=m(q+z1)/2,二、蜗杆传动变位的特点普通圆柱蜗杆传动变位的主要目的是配凑中心距或微量改变传动比，使之符合标准值或推荐值。为了保持刀具尺寸不变，不能改变蜗杆的尺寸，因而只能对蜗轮进行变位。1、凑中心距未变位时蜗杆传动中心距为时，变位后蜗杆传动中心距蜗轮变位系数x2为,2、凑传动比变位前、后的传动中心距不变，即a=a，用改变蜗轮齿数z2来达到传动比略作调整的目的。变位系数x2为 利用这种变位方法，蜗杆传动的传动比调整范围极其有限。由于变位系数x2 过大会引起齿顶变尖，而过小又会引起轮齿根切，因此通常考虑到接触情况和曲率大小等因素，蜗杆变位系数通常在推荐范围一0.5 x 0.5内取值。采用正变位系数有利于提高蜗轮轮齿强度，采用负变位系数能改善蜗杆传动的摩擦、磨损。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,三、圆柱蜗杆传动几何尺寸的计算,由蜗杆传动的功用，以及给定的传动比 i,z1,z2,计算求得 m、d1,计算几何尺寸,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,一、蜗杆传动的失效形式及材料选择,主要失效形式：胶合、点蚀、磨损。,材料,蜗轮齿圈采用青铜：减摩、耐磨性、抗胶合。,蜗杆采用碳素钢与合金钢：表面光洁、硬度高。,材料牌号选择,高速重载蜗杆：20Cr,20CrMnTi(渗碳淬火5662HRC)或 40Cr 42SiMn 45(表面淬火4555HRC),一般蜗杆：40 45 钢调质处理(硬度为220250HBS),蜗轮材料：vS 12 m/s时 ZCuSn10P1锡青铜制造。,vS 12 m/s时 ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜,vS 6 m/s时 ZCuAl10Fe3铝青铜。,vS 2 m/s时球墨铸铁、灰铸铁。,11-4普通蜗杆传动的承载能力计算,蜗杆传动的特点是齿面相对滑动速度大，导致发热严重和磨损加剧。,二、蜗杆传动的常用材料,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,三、蜗杆传动的设计准则,*蜗杆的刚度计算,*蜗轮的齿根弯曲疲劳强度计算*蜗轮的齿面接触疲劳强度计算,为了防止齿面过度磨损引起的失效，应进行,*传动系统的热平衡计算,为了防止蜗杆刚度不足引起的失效，应进行,为了防止过热引起的失效，就要进行,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,四、圆柱蜗杆传动的受力分析,法向力可分解为三个分力：,圆周力Ft,轴向力Fa,径向力Fr,且有如下关系：,Ft1=Fa2,Fr1=Fr2,Fa1=Ft2,=2T1/d1,=2T2/d2,=Ft2 tan,式中T1、T1分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。,T2=T1 i,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,右旋蜗杆：伸出左手，四指顺蜗杆转向，则蜗轮的 切向速 度vp2的方向与拇指指向相同。,蜗轮由蜗杆推动，所受切向力与速度方向一致，正确判别蜗轮的转向，对进行力分析至关重要。,左旋蜗杆：用右手判断，方法一样。,作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,蜗轮的转向可用手势判别：,模型验证,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,蜗杆传动受力方向的判定,(2)蜗轮切向力指向与其转动方向一致，且 Ft2=-Fa1；,(4)蜗轮蜗杆所受径向力垂直于各自的轴线，且 Ft1=-Fa2。,(3)蜗杆切向力指向与其转动方向相反，且 Ft1=-Fa2；,(1)蜗杆所受扭矩T1与转动方向1一致；,圆柱蜗杆传动,例：,Fa1,Fa2,Fr2,Fr1,Ft1,Ft2,n1,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,五、圆柱蜗杆传动的强度计算,齿面接触强度校核公式：,由上式可得设计公式：,式中K为载荷系数，取K=KA Kv K,Z接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数。,蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，仍以赫兹公式为基础。以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可。,赫兹公式:,H 许用接触应力按下表选取。,(1)接触强度,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,动载系数Kv，当V2 3 m/s,Kv=11.1,当V23 m/s,Kv=1.11.2,齿向载荷分布系数K，当载荷平稳时,取K=1,当载荷变化时,取K=1.11.3,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,（2）蜗轮齿根弯曲强度 计算,校核计算,设计公式,F 许用弯曲应力；,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,2）蜗轮齿根弯曲强度 计算,校核计算,设计公式,YFa2 为蜗轮齿形系数，按当量齿数以及蜗轮变位系数选取,详见下页线图。,Y 为螺旋角影响系数，Y=1-/140,F 许用弯曲应力；,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,一、蜗杆传动的效率,功率损耗：啮合损耗、轴承摩擦损耗、搅油损耗。,蜗杆主动时，总效率计算公式为,式中:为蜗杆导程角;,v称为当量摩擦角，v=tan-1 f v,f v为当量摩擦系数，,11-5蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,Z1,效率与蜗杆头数的大致关系为：蜗杆头数Z1 总 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95,tan1=Z1/q,v，f v取值见下页表,六、蜗杆的刚度计算,如果蜗杆变形过大，会影响蜗杆、蜗轮的正确啮合，应进行刚度校核。计算特点：把蜗杆螺旋部分当作以蜗杆齿根圆直径为直径的轴段：式中：I，危险截面的惯性距，I=d4f1/64；l，蜗杆两端支承间的跨距；，许用最大挠度，=0.004m0.01m。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,蜗杆加工困难,过大,当 28 时，效率增加很少。,当 v 时，蜗杆具有自锁性，但效率很低。50%,上述公式不直观，工程上常用以下估计值。,闭式传动：,z1=1=0.700.75,z1=2=0.750.82,z1=4=0.870.92,z1=1、2=0.600.70,开式传动：,在=45-/2 处效率曲线有极大值。,f v=tanv=0.12,一般取,25,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,二、蜗杆传动的润滑,若润滑不良，,效率显著降低,早期胶合或磨损,润滑对蜗杆传动而言，至关重要。,润滑油：,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当vs 510 m/s时，采用油池浸油润滑。为了减少搅油损失，下置式蜗杆不宜浸油过深，约为一个齿高。,当vs 1015 m/s时，采用压力喷油润滑。,当v1 4 m/s时，采用蜗杆在上的结构。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,三、蜗杆传动的热平衡计算,由于蜗杆传动效率低，发热量大，若不及时散热，会引起箱体内，油温升高，润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。因此，对连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算,由热平衡条件H1=H2,其中P1 蜗杆传递的功率；,d表面散热系数；一般取d=8.1517.45 W/(m2),S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。,摩擦损耗产生的热量 H1=1000P1(1-),箱璧散发的热量 H2=d S(t0-ta),蜗杆传递的效率；,t0工作油温，一般取60 70,ta工作环境温度，一般取20,保持工作温度所需散热面积,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当工作油温 t0 80 或散热面积不足时，应采取散热措施：,（1）增加散热面积加散热片；,（2）提高表面传热系数 加风扇、冷却水管、循环油冷却。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,蜗杆的结构:,通常与轴制成一体,z1=1或2时：b1(11+0.06z2)m,z1=4时:b1(12.5+0.09z2)m,蜗杆轴,蜗杆长度b1的确定：,12-6 圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计,(1)无退刀槽结构：加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,(2)有退刀槽：加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,蜗轮齿宽角 90130,轮圈厚度 C 1.6m+1.5 mm,轮缘宽度B 0.75da 0.67 da,蜗轮顶圆直径de2 da2+2m da2+1.5m da2+2m,蜗轮的常用结构,整体式,组合式过盈配合,组合式螺栓联接,组合式铸造,潘存云教授研制,
