蜗杆传动的失效形式.ppt

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1、13.1 概述13.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构13.3 蜗杆传动的基本参数13.4 蜗杆传动的几何计算13.5 蜗杆传动的受力分析和效率计算13.6 蜗杆传动的强度计算13.7 蜗杆轴挠度计算13.8 温度计算13.9 蜗杆传动得润滑,第11章 蜗杆传动,13.1 概述,13.1.1 特点和应用,蜗杆传动多用于减速，以蜗杆为原动件。也可用于增速，齿轮比单级为515，但应用很少。,蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。在绝大多数情况下，两轴在空间是相互垂直的，轴交角为90度。,最大传动功率可达750kW，通常用在50kW以下；最高滑动速度可达35m/s。,13.1 概述,蜗杆传动的特

2、点,蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。但传动比大的时候传动效率很低，只能用在功率小的场合。,传动平稳，无噪声，冲击振动小。,缺点：在制造精度和传动比相同的条件下，效率比齿轮传动低，同时蜗杆一般需用贵重的减磨（如青铜）制造。,与多级齿轮传动相比，蜗杆传动零件数目少，结构尺寸小，重量轻。,13.1 概述,同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；详见13.11节,13.1.2 蜗杆传动的类型,同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10360)；承载能力和效率较高；可节约有色金属。,按蜗杆形状不同分类,13.1 概述,13.1.2 蜗杆传动的类型,一般采用右旋。两者原理相

3、同，计算方法也相同，只是作用力的方向不同（径向力除外）。,按蜗杆螺旋线不同分类,按蜗杆头数不同分类,13.1 概述,13.1.3 精度等级的选择,蜗杆的制造 蜗杆可以在车床上切制，也可在特种铣床上 用圆盘铣刀或指形铣刀铣制。为了保证正确的啮合，蜗轮要用与蜗杆同样大小的滚刀来切制。,蜗杆的等级选择 由于蜗杆传动啮合轮齿的刚度较齿轮传 动大，所以制造等级对它的影响比齿轮传动的更显著。蜗杆传动规定了12个精度等级，对于动力传动要按照 69级精度制造。对于测量、分度等要求运动精度高的传动要按照5级或5 级以上的精度制造。,表13.1列出了6到9级精度等级的应用范围、制造方法、表面粗糙度和许用滑动速度。

4、,13.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构,13.2.1 蜗杆传动的失效形式,蜗杆传动的失效形式和齿轮传动类似，有疲劳点蚀、胶合、磨损、轮齿折断等。,在蜗杆传动中，点蚀通常只出现在蜗轮轮齿上。,蜗轮轮齿的磨损比齿轮传动严重得多。这是由于啮合处得相对滑动较大所致。在开式传动和润滑油不清洁得比试传动中，磨损尤其明显。,一般地，蜗轮地强度较弱，所以失效总是在蜗轮上发生。又，蜗轮和蜗杆间地相对滑动较大，比齿轮传动更容易产生胶合和磨粒磨损。而，蜗轮轮齿地材料通常比蜗杆材料软得多，发生胶合时蜗轮表面的金属会粘到蜗杆螺旋面上。,13.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构,13.2.2 材料选择,考虑到

5、蜗杆传动难于保证高的接触精度，滑动速度又较大，以及蜗杆变形等因素，蜗杆和蜗轮材料不能都用硬材料制造：其一（通常是蜗轮）用减摩性良好的软材料来制造。,蜗轮材料,铸锡青铜 适用于滑动速度在1226m/s范围内和持续运转的工况。离心铸造可得到致密的结晶粒组织，可取大值；砂型铸造的取小值。铸铝青铜 适用于滑动速度小于10m/s的工况。抗胶合能力差，蜗杆硬度应不低于45HRC。铸铝黄铜 点蚀强度高，但抗磨性差，宜用于低滑动速度场合。灰铸铁和球墨铸铁 适用于滑动速度小于2m/s的工况。前者表面硫化处理有利于减轻磨损，后者与淬火蜗杆配对能用于重载场合；直径较大的蜗轮常用铸铁。,蜗轮材料的力学性能和设计数据参

6、看表13.2。,13.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构,蜗杆材料,若按热处理不同分：硬面蜗杆和调质蜗杆。首先应考虑选用硬面蜗杆。渗碳钢淬火或碳钢表面/整体淬火磨削；氮化钢渗氮处理抛光，用于要求持久性高的传动中。只有在缺乏磨削设备时才选用调质蜗杆。受短时冲击的蜗杆，不宜用渗碳钢淬火，最好用调质钢。铸铁蜗轮与镀铬蜗杆配对时有利于提高传动的承载能力和滑动速度。,蜗杆材料数据参看表13.3,若按材料分类，主要有碳钢和合金钢。若蜗轮直径很大，可采用青铜蜗杆，同时蜗轮用铸铁。,13.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构,蜗杆和蜗轮的结构,1.蜗杆的结构,蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整

7、体，很少做成装配式的。下面是两个常见的蜗杆结构。,齿根圆直径小于轴径，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,齿根圆直径大于轴径，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工。,2.蜗轮的结构,可以制成整体的或组合的。组合齿轮的齿冠可以铸在或用过盈配合装在铸铁或铸钢的轮心上，常用的配合是H7/r6。当蜗轮直径较大时，可采用螺栓联接，最好采用受剪螺栓（铰制孔）联接。,13.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构,观看涡轮照片,13.3 圆柱蜗杆传动的基本参数,垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面，称为中间平面。在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合就相当于渐开线齿条与齿轮的啮合。（参阅课本第206页表12.2）只是顶隙c0.

8、2m（必要时0.15mc 0.35m），齿根圆半径f等于0.3m（必要时0.2m f 0.4m）。,基本齿廓,13.3 圆柱蜗杆传动的基本参数,13.3 圆柱蜗杆传动的基本参数,蜗杆直径系数q,式中，px 蜗杆齿向齿距（参看图13.7）；z1 蜗杆系数；u齿数比，见下面的式13.3。,蜗杆导程角,因d1和m 均为标准值，故q 为导出值，不一定是整数。对于动力蜗杆传动，q 值均为718；对于分度蜗杆传动，q 值约为1630。,角的范围为3.535度，其越大传动效率越高。一般认为，当 小于或等于3度40秒时，蜗杆传动具有自锁性。但实际工作中，蜗杆传动的自锁性还和蜗杆支承轴承有关。要求传动效率较高时

9、，常取导程角为1530度，此时常采用非阿基米德蜗杆。,13.3 圆柱蜗杆传动的基本参数,蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2,蜗杆头数少，易于得到大传动比，但导程角小，效率低，发热多，故重载不宜采用单头蜗杆。要求反向自锁时头数取1。蜗杆头数多，效率高，但导程角大，制造困难。常用的蜗杆头数有1、2、4、6等。,蜗轮齿数：z2 uz1。传递动力时，为增加传动平稳性，蜗轮齿数宜取多些，不少于28。齿数越多，蜗轮尺寸越大，蜗杆轴越长且刚度越小，故齿数不宜多于100，一般取3280齿。z2 和z1 间最好避免有公因数，以利于均匀磨损。当蜗轮齿数大于30时，至少要有两对齿同时啮合，有利于传动趋于稳定。,13.3 圆

10、柱蜗杆传动的基本参数,传动比i、齿数比u,式中，n1、n2 蜗杆、蜗轮的转速，r/min。上式用于减速传动比，蜗杆主动；下式可用于减速或增速，齿数比不变。应当指出：蜗杆传动的传动比不等于蜗轮、蜗杆的直径比。蜗杆传动减速装置，传动比的公称值为：5 7.5 10 12.5 1520 25 30 40 50 60 70 80。其中，10、20、40、80为基本传动比，应优先选用。,13.3 圆柱蜗杆传动的基本参数,中心距 a,圆柱蜗杆传动装置的中心距a（单位mm）一般按下列数值选取：40 50 63 80 100 125 160（180）200（225）250（280）315（355）400（450

11、）500宜优先选用未带括号的数字。大于500mm时，可按R20优先数系选用（R20）为公比 的级数。,变位系数,蜗杆传动的变位方式和齿轮传动相同，也是在切削时把刀具移位。但在蜗杆传动中，蜗杆相当于齿条，蜗轮相当于齿轮，所以被变位的只是蜗轮尺寸，蜗杆尺寸保持不变。具体可以参看课本图13.6。,下面分三种情况列出中心距和变位系数的计算公式：,13.3 圆柱蜗杆传动的基本参数,未变位蜗杆传动的中心距,13.3 圆柱蜗杆传动的基本参数,当中心距不变，传动比需略做调整时，可将蜗轮齿数增加或减少一二个齿，由 z 变位。这时传动的啮合节点变化了，其中心距公式为由此变位系数为式中，蜗杆、蜗轮的节圆直径，比较式

12、13.4和式13.7可得,13.4 圆柱蜗杆传动的几何计算,从上图中可以看到圆柱蜗杆传动的基本几何尺寸，有关尺寸的计算公式见表13.5,13.5 蜗杆传动的受力分析和效率计算,普通蜗杆传动的承载能力计算2,13.5.1 蜗杆传动中的作用力,蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似，作用在齿面上的法向压力Fn仍可分解出径向力Fr、圆周力Ft和轴向力Fa。作用在蜗杆上的轴向力等于蜗轮上的圆周力；蜗杆上的圆周力等于蜗轮上的轴向力；蜗杆上的径向力等于蜗轮上的径向力。这些对应力的数值相等，方向彼此相反。它们以下的关系。,13.5 蜗杆传动的受力分析和效率计算,普通蜗杆传动的承载能力计算2,上页式中，T2 蜗

13、轮工作转矩：蜗杆主动时，T2T1 1，蜗轮主动时，T2T1/1；T1蜗杆工作转矩；1传动啮合效率；v当量摩擦角，tan vv cosn；摩擦系数，v、v值参看表13.6；n 蜗轮法向压力角；t 蜗轮端面压力角。计算Fa2时，蜗杆主动取正号，蜗轮主动取负号。,法向力：,从表13.6可以看到v 较小，忽略摩擦力Fn的计算误差不大。将近似式代入Fr2的计算式就可以得到Fr2的近似式。,13.5 蜗杆传动的受力分析和效率计算,普通蜗杆传动的承载能力计算2,蜗杆传动受力方向判断,蜗杆传动中的作用力的方向判断：当蜗杆为主动件（多数情况如此），判断上述六个力的方向：蜗杆上的圆周力的方向与蜗杆齿在啮合点的运动

14、方向相反；蜗轮上的圆周力的方向与蜗轮齿在啮合点的运动方向相同；径向力的方向在蜗杆、蜗轮上都是由啮合点分别指向轴心。当蜗杆的回转方向和螺旋方向已知时，蜗轮的回转方向可根据螺旋幅的运动规律来确定。,13.5 蜗杆传动的受力分析和效率计算,普通蜗杆传动的承载能力计算2,13.5.1 蜗杆传动的效率,h1传动啮合效率；,h2油的搅动和飞溅损耗时的效率；,h3轴承效率。,考虑到齿面间相对滑动的功率损失，啮合效率可近似地按螺旋幅地效率计算：,式中，v 除了决定于蜗杆蜗轮材料、润滑油的种类、啮合角等以外，还决定与滑动速度Vs。Vs v。表13.6列出了钢蜗杆和青铜蜗杆的当量摩擦角。若钢蜗杆和铸铁蜗轮的传动，

15、摩擦系数应比表13.6增大30，且Vs 1m/s时应取小值。表13.6中的滑动速度按下式计算：,13.5 蜗杆传动的受力分析和效率计算,普通蜗杆传动的承载能力计算2,导程角式影响蜗杆传动啮合效率最主要的参数之一。由式13.12可以解出当导程角为（45 v/2）度时，啮合效率最大。再有，从图13.10可以看出当导程角超过28度时，效率随导程角的变化很慢，考虑制造上的问题，实际中导程角一般小于27度。,由以上分析可见，蜗杆传动的效率主要时是传动的啮合效率，影响啮合效率的因素中，导程角起着主导作用。,13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算,蜗杆传动的强度计算主要为齿面接触、轮齿弯曲疲劳强度计算。在这两个计

16、算中，蜗轮轮齿都是薄弱环节。,闭式传动：传动尺寸主要取决于齿面的接触疲劳强度以防止齿面的点蚀和胶合，但须校核轮齿的弯曲疲劳强度。,开式传动，传动尺寸主要取决于轮齿的弯曲疲劳强度，毋须进行齿面疲劳强度计算。,此外，蜗杆传动还须进行蜗杆挠度和传动温度的计算，两者都是验算性质的。,在进行蜗杆强度计算之前，除应知道传动功率和载荷性质、转速及其变动的情况等数据外，还要知道其他一些情况，如蜗杆主动或被动，蜗杆上置或下置，蜗杆齿形，环境通风状况，允许传动最高温度等。,13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算,初选d1/a值,中心距a在蜗杆传动中是最基本的尺寸，其大小决定了传动的承载能力和传动的外廓尺寸。蜗杆的d1/

17、a值是蜗杆传动的重要参数，其大小将影响传动的工作性能，如：齿面接触疲劳强度，蜗杆轴的刚度，传动的啮合效率和传动的工作温度等。,选取：按照图13.11进行。选取时注意：在按照传动比任意选择了A点以后，采用 d1/a，齿面接触疲劳强度，传动中心距，蜗杆刚度，但啮合效率，润滑油温度。为此，建议在图13.11中间区域选取A点为宜。,13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算,蜗轮齿面接触疲劳强度计算,蜗杆传动不产生接触疲劳点蚀的强度条件为,上式适合于校核计算。用作设计计算时，传动中心距可用下式计算,13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算,式13.14和式13.15中，T2蜗轮转矩，Nmm；KA使用系数，和齿轮传动一样

18、，可见表12.9；ZE弹性系数，（MPa）1/2，可以根据蜗杆副材料由表13.2查出，或用式12.8计算出；Z考虑齿面曲率和接触线长度影响的接触系数，可由图13.12查出；Zn转速系数；Zh寿命系数；Hlim接触疲劳极限，MPa，由表13.2选取；SHlim接触疲劳强度的最小安全系数，可取11.3。,下面讨论式13.14和式13.15中的几个参数。,蜗杆转矩T2。,13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算,转速系数Zn。,这是计及齿面曲率和接触线长度对接触应力的影响系数，系由沿啮合线的赫兹应力平均值得来。,d1和m均取标准值，z1和z2均取整数。利用tanm z1/d1的关系求出蜗杆导程角,设计计算时

19、，求得中心距a需圆整为标准值，进而用下列公式求蜗杆直径、蜗杆头数和模数,13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算,寿命系数Zh。,式中Lh为载荷不变时的寿命时数，h。因寿命不宜过短，故规定寿命系数应小于1.6，即Lh应大于1500h。只有在间歇、短时运转下工作的蜗杆传动才允许寿命系数大于1.6。,上式中Thv为与Lhv相应的当量蜗轮转矩，通常取载荷最大或工作时间最长的蜗轮转矩作为当量蜗轮转矩。,在变载情况下，式13.19中的Lh应为当量寿命Lhv。可按下式计算,13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算,接触系数Z。,这是计及齿面曲率和接触线长度对接触应力的影响系数，系由沿啮合线的赫兹应力平均值得来。,d1和m

20、均取标准值，z1和z2均取整数。利用tanm z1/d1的关系求出蜗杆导程角,设计计算时，求得中心距a需圆整为标准值，进而用下列公式求蜗杆直径、蜗杆头数和模数,13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算,蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度取决于轮齿模数的大小。由于轮齿结构比较复杂，其弯曲疲劳强度难于精确计算，只好进行条件性的估算。,式中,Flim齿根弯曲疲劳极限，见表13.2；SFlim最小安全系数，可取1.4；b2、d2蜗轮的宽度和直径，计算公式参见表13.5。,蜗轮轮齿弯曲疲劳强度计算,13.7 蜗杆轴挠度计算,蜗杆轴的挠曲主要是由圆周力和径向力造成的，轴向力的影响可以忽略。假设轴两端为自由支撑，则圆周力和径向

21、力在轴的啮合部分的挠去量为,两者合成，得蜗杆轴得最大挠去量应满足下列条件,式中，I蜗杆轴中间截面得惯性距；l两支撑间得距离；最大许用挠度；淬火蜗杆取0.004m，调质蜗杆取0.01m，m为模数。,13.8 温度计算,润滑油工作温度,蜗杆传动效率一般比齿轮传动和其他几种机械传动都要低，工作时会产生较多的热量。闭式箱体若散热条件不足，则易于造成润滑油工作温度过高而导致使用寿命降低，甚至有使蜗杆副发生胶合的危险。因此对蜗杆传动有必要进行温度计算。,油池润滑的蜗杆传动，在同一单位时间内，传动的发热量为1000P1(1-)，箱体的散热量为wA(t1-t0)。,此处P1蜗杆功率；A箱体的散热面积；t1箱体

22、的工作温度；t0工作环境温度，通常取20 C；w表面传热系数，系单位箱体面积、单位温度差时由箱体传给大气的热量。传动经过若干小时运转后即可达到热平衡，由此可求出箱体的工作温度和应满足的要求为,（13.26）,13.8 温度计算,上式计算时，应取单位；P1kW；Am2；t0、t1 C；wW/（m2.C）。一般工况下可取w1218。,油池的润滑油工作温度一般要比箱体温度高15 C 左右。油温的最高温度不宜超过100 C，故t1最好低于80 C 如果忽略油温与箱体温度之差，则上式t1可作为润滑油工作温度的计算公式。,散热面积系指箱体能被空气冷却，而内壁又能被油飞溅到的外壁面积。油散热肋的箱体，则散热

23、肋以及联接用凸缘的外表面积均按50计算。对于散热肋布置良好的固定式蜗杆减速器，其散热面积可用下式估算,（13.27）,式中a为传动中心距，mm。,若蜗杆为上置，则因飞溅冷却作用较差，故表面传热系数w应乘以0.8。式13.26适用于蜗杆主动的情况。若蜗轮主动，则式中P1应代以蜗轮输入功率P2，应代以（123，1 见式13.12）。,13.8 温度计算,冷却方法和计算,若油温过高，则首先考虑在不增大箱体尺寸的前提下，设法增加散热面积。若仍未能满足要求，则可采用下列强制冷却的措施以增大其散热能力：,13.8 温度计算,13.9 蜗杆传动的润滑,润滑油粘度和润滑方法,为提高蜗杆传动的抗胶合性能，宜选用

24、粘度较高的润滑油。在矿物油中适当加些油性添加剂，有利于提高油膜厚度，减轻胶合危险。用青铜制造的蜗轮，则不允许采用活性大的极压添加剂以免腐蚀青铜。采用聚乙二醇、聚醚合成油时，摩擦系数较小，有利于提高传动效率，承受较高的工作温度，减少磨损。蜗杆传动推荐使用的润滑油粘度和润滑方法见表13.7。喷油润滑时的供油量可参考表13.8。,13.9 蜗杆传动的润滑,蜗杆布置与润滑方式,采用油池润滑时，蜗杆最好布置在下方。蜗杆浸入油中的深度至少能浸入螺旋的牙高，且油面不应超过滚动轴承最低滚动体的中心。油池容量宜适当大些，以免蜗杆工作时泛起箱内沉淀物和油很快老化。只有在不得已的情况下，蜗杆才布置在上方。这时，浸入油池的蜗轮深度允许达到蜗轮半径的1/61/3。若速度高于10m/s，必须采用压力喷油润滑，由喷油嘴向传动的啮合区供油。为增强冷却效果，喷油嘴宜放在啮出侧，双向转动的应布置在双侧。例题13.3见275页,附页1：,附页2：,