第11章蜗杆传动ppt课件.ppt

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1、第11章蜗杆传动,11-1蜗杆传动的类型,11-2普通蜗杆传动的参数与尺寸,11-3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,潘存云教授研制,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。,2,2,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。,能自锁。分度机构：i=1000,通常i=580,缺点

2、：传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。啮合处有相对滑动，效率低。,健身增肌 二次发育,WeiXin,TaoBao,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,11-1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。,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

3、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。,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。,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(

4、ZA),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,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,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

5、廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,法向直廓蜗杆(ZN),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,车刀对中齿槽中线法面,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

6、工，只能铣削或磨削，加工时工件作螺旋运动，刀具作旋转运动。,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。,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；,（

7、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。,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。,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计算,ZA蜗杆

8、：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,tana=tann/cos,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,为保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，加工蜗轮的滚刀应与蜗杆的几何参数完全相同，为使刀具标准化并减少刀具的数量，GB/T10088-1988将蜗杆分度圆直径d1规定为标准值。,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,潘存云教授研制,摘自GB-1008588,括号中的数字尽可能不采用,称

9、比值 为蜗杆的直径系数。,q=d1/m,一般取:q=818,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,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,为避免根切和传动平稳性 z2 28,一般动力传动情况 z2 80,z2过大,蜗杆长度,刚度、啮合精度,结构尺

10、寸,=u,齿数比,7.蜗轮齿数z2,a=(d1+d2)/2,8.蜗杆传动的标准中心距,=m(q+z2)/2,二、蜗杆传动的变位,1、变位目的：配凑中心距；凑传动比。,2、变位方法：与齿轮变位相同,靠刀具的移位实现变位。,故：蜗杆尺寸不能变动，只能对蜗轮变位。,加工蜗轮时的滚刀与蜗杆尺寸相同，加工时滚刀只作径向移动，尺寸不变。,3、变位结果,蜗杆和蜗轮滚刀尺寸相同，蜗轮滚铣节圆就是装配后与蜗杆的啮合节圆。,蜗轮滚刀的滚铣节线不再是刀具中线(分度圆柱上母线),蜗杆各部分尺寸不变，但节线变化,4、变位类型,1)变中心距、齿数不变,2）a不变，齿数变化，凑i,蜗杆传动变位的特点普通圆柱蜗杆传动变位的主

11、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，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，蜗轮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

12、损。,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,11-3 普通圆柱蜗轮传动承载能力计算,一、失效形式、设计准则和常用材料,1、失效形式,与齿轮传动类似：点蚀、胶合、磨损、折断,vs、发热 主要为：胶合、磨损、点蚀,蜗轮强度较弱，失效主要发生在蜗轮上。因此只对蜗轮进行 承载计算。,2、设计准则,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)

13、,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锡磷青铜,vS 12 m/s时 ZCuSn5Pb5Zn5锡铅青铜,vS 6 m/s时 ZCuAl10Fe3铝青铜。,vS 2 m/s时球墨铸铁、灰铸铁。,二、蜗杆传动的常用材料,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,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

14、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、T2分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。,T2=T1 i,各力关系：,各力大小：,作者：潘存云教授,右旋蜗杆：伸出右手，四指顺蜗杆转向，则蜗杆的 轴向力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，正确判别蜗杆的转向，对进行力分析至关重要。,左旋蜗杆：用左手判断，方法一样。,作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,蜗杆的轴向力可用左右手定则判别：,模型验证,潘存云教授研制,潘存云教授研制,蜗杆传动受力方

15、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 Fr1=-Fr2。,(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；,练习：,已知：蜗杆轴为输入，II轴向力有所抵消，大锥齿轮轴为输出轴转向如图。试：确定各轮转向、旋向及受力方向,1.n4 n3 n2 Ft2 Fa1,2.Fa3 Fa2 Ft1 n1,五、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：,K为载荷系数，K=KA Kv K；ZE=160Mpa,Z为接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数；,

16、赫兹公式:,H为许用接触应力，按表11-6、表11-7选取。,1）蜗轮齿面接触疲劳强度计算,潘存云教授研制,0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6,d1/a,3.6 3.2 2.8 2.4 2.0,影响系数Z,表11-5 使用系数KA,工作类型 I II III,载荷性质 均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击,每小时启动次数 25 2550 50,起动载荷 小 较 大 大,KA 1 1.15 1.2,动载系数Kv，当V2 3 m/s,Kv=11.1,当V2 3 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，

17、取K=1.11.3,图11-18 圆柱蜗杆传动的接触系数,基本许用接触应力。,接触强度寿命系数：,设计公式：,定m,q,(1)当蜗轮材料,失效形式为胶合。许用应力与循环次数N无关,许用应力 查表11-6。,(2)若蜗轮材料,失效形式为点蚀。许用应力与循环次数N有关,（表11-2）,蜗轮齿面许用接触应力,2.蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算,计算原则：按主平面内斜齿轮与齿条啮合进行强度计算！,蜗轮看作斜齿轮，由斜齿轮齿根弯曲应力计算公式得：,校核公式：,B2:蜗轮轮齿弧长，d1/3600cos其中蜗轮齿宽角取1000,Mn=mcos,Y重合度系数取0.667,Y螺旋角系数取1-/1400,多发生在齿数较

18、多或开式传动中,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；,仿式10-16,2）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zv2=z2/cos3 以及蜗轮变位系数选取，详见图11-19；,Y-为螺旋角影响系数，Y=1-/140。,F-许用弯曲应力；,蜗轮基本许用应力,蜗轮许用弯曲应力,弯曲强度寿命系数：,设计公式：,定m,d1，q,（表11-2）,潘存云教授研制,潘存云教授研制,3.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.7,3.73

19、.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.7,10 11 12 13 14 15 16 18 20 25 30 40 50 80 100 400 Zv,图11-19 蜗轮的齿形系数YFa2,x2=-0.5,-0.3,-0.2,0.3,0.2,0.1,0.4,0.5,0.7,0.8,0.9,0.6,-0.3,-0.4,x=1,x2=0,四、蜗杆的刚度计算,集中载荷：,刚度计算条件：,计算目的：防止弹性变形过大而造成蜗杆蜗轮 不能正确啮合，加剧齿面磨损。,许用最大挠度:,蜗杆截面惯性矩:,l，蜗杆两端支承间的跨距；初步计算取

20、l=0.9d2,精度等级：1，2，6，7，8，9，10，11，12,五、普通圆柱蜗杆传动精度等级及其选择,高 低,常用,6级中等机床分度机构(插齿机滚齿机)、读数装置精密传动机构；V25m/s。,7级一般精度要求的动力传动，中等速度V27m/s。,8级短时工作低速传动 V23m/s。,9级低速、低精度，简易机构中。,一、蜗杆传动的效率,功率损耗：啮合摩擦损耗、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

21、效 率 0.70 0.80 0.90 0.95,tan1=Z1/q,v，f v取值见表11-18,蜗杆传动的效率,由啮合摩擦损耗所决定的效率,轴承的效率,蜗杆或蜗轮搅油引起的效率,当量摩擦角,蜗杆传动的滑动速度,V1 蜗杆节点圆周速度,V2蜗轮节点圆周速度,蜗杆蜗轮齿面间相对滑动速度Vs 沿轮齿齿向。,1、易发生齿面磨损和胶合。,较大的滑动速度易引起：,2、若润滑条件良好，则有助 于形成润滑油膜，减少摩 擦，提高传动效率。,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：,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当vs 510 m

22、/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。,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1=2,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

23、量 1=1000P1(1-),箱璧散发的热量 2=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,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。,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

24、工螺旋部分时只能用铣制的办法。,(2)有退刀槽：加工螺旋部分时可用车，也可用铣制的办法。,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,思考题,1。蜗杆传动的传动比是否等于d2/d1?2。与齿轮传动相比,蜗杆传动的主要失效形式有何特点？为什么?3。与齿轮传动相比，为什么说蜗杆传动平稳、噪声低？4。为什么闭式蜗杆传动要进行热平衡

25、计算？,作业,题,如图蜗杆传动和圆锥齿轮传动的系统，已知输入轴1的转向，求：(1)要使蜗杆轴上的轴向力能部分抵消，试确定蜗杆的螺旋线方向和蜗杆、蜗轮的转向；(2)画出各轮轴向力的方向。,蜗杆传动如图所示，z12，z241，m=8mm，d1=63mm，n1=1460r/min，蜗杆功率P15kW，当量摩擦系数v=0.1，求：1）蜗杆分度圆导程角。2）蜗杆传动效率（忽略搅油及轴承损失）。3）蜗杆正、反转时蜗轮所受三个分力的大小，并在图上表示其方向。,解：,练习：1当两轴线_时，可采用蜗杆传动。在蜗杆传动中，通常_为主动件。2、蜗杆头数越多升角（），传动效率（），自锁性能愈（）。3、为了减少蜗轮刀具数目，有利于刀具标准化，规定_为标准值。1）蜗轮齿数（2）蜗轮分度圆直径（3）蜗杆头数（4）蜗杆分度圆直径。4、根据_来选择蜗杆传动的润滑方式和润滑剂。5、当蜗杆齿数增加时，传动效率_。(1)增加(2)减小(3)不变6、阿基米德蜗杆的_模数，应符合标准数值。（1）法向（2）端面（3）轴向判断图示蜗杆传动中蜗杆的转向、螺旋线方向及蜗轮所受各分力的方向（蜗杆主动）,