蜗轮蜗杆设计.docx

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蜗轮蜗杆设计

第12章蜗杆传动

基本内容：

类型、应用、失效形式、材料选择、力的分析、强度计算、效率、润滑和热平衡计算等。

基本要求：

掌握蜗杆传动的受力分析及强度计算、了解热平衡原理和计算方法、蜗杆传动的类型、特点等。

学时：

课堂教学：

3学时。

第一讲

§12-1概述

一、特点和应用

在大多数情况下，两轴在空间是互相垂直的，轴交角∑＝90°。

广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门。

▲结构组成：

蜗杆——一般为主动件

蜗轮——

根据蜗杆与蜗轮的相互位置：

——上置蜗杆传动

——下置蜗杆传动

——旁置蜗杆传动

▲特点：

1）能得到很大的单级传动比。

2）结构紧凑

3）工作平稳、无噪声、冲击振动小。

4）可以实现自锁。

缺点：

5）传动效率较低——

一般η＝0.7～0.9

具有自锁性能η≈0.4

6）需用贵重的减摩材料（如青铜）制造。

材料价格较高。

二、分类

▲按蜗杆形状不同可分为三类

——圆柱蜗杆传动：

——环面蜗杆传动

——锥蜗杆传动，见图

▲按蜗杆螺旋线方向不同：

——左旋蜗杆

——右旋蜗杆

▲按蜗杆头数不同：

——单头蜗杆：

主要用于传动比较大的场合，要求自锁的传动必须采用单头蜗杆。

——多头蜗杆：

主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。

▲对于圆柱蜗杆传动：

根据加工时刀具位置的不同，可以分为三种

1、阿基米德蜗杆：

2、渐开线蜗杆：

3、法向直廓蜗杆：

§12-2圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸

中间平面——通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面

对于阿基米德圆柱蜗杆传动在中间平面上为齿条与齿轮啮合传动。

一、主要参数

模数m、压力角α、蜗杆分度圆直径d1、蜗杆直径系数q、蜗杆导程角γ、螺旋角β。

蜗杆头数Z1、蜗轮齿数Z2、传动比i、齿速比u、中心距a、变位系数x。

1、模数m和压力角α

在中间平面上

蜗杆的模数——轴向模数mx

蜗轮的模数——端面模数mt

（因蜗杆的轴向齿距px应与蜗轮端面齿距pt相等，故mx＝mt＝m为标准模数）

蜗杆的压力角——轴向压力角αx

蜗轮的压力角——端面压力角αt（αx＝αt＝20°）

2、蜗杆分度圆直径d1，亦称蜗杆中圆直径。

由于蜗轮的加工，采用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀切制，故

为了蜗轮刀具规定尺寸的标准化、系列化，将蜗杆分度圆直径d1定为标准值。

3、蜗杆直径系数q和导程角γ

将蜗杆由分度圆展开，设蜗杆头数为Z1，

则

q＝Z1/

式中程角γ角的范围为3．5°～33°

▲由于蜗杆传动的交错角为90°，故γ≤β2

4、蜗杆头数Z1、蜗轮齿数Z2、传动比i

——蜗杆头数Z1

当要求反行程自锁时，可取Z1＝1。

但重载传动不宜采用单头蜗杆。

常用的蜗杆头数为l、2、4、6。

——蜗轮齿数Z2

根据齿数比和蜗杆头数决定：

Z2＝i·Z1。

蜗轮齿数一般取Z2＝32～80齿。

——传动比i

因为蜗杆转一圈，蜗轮转圈，所以蜗杆传动的传动比i和齿数比u分别为：

5、中心距a

对于标准蜗杆传动

▲蜗杆传动的正确啮合条件

模数相等

压力角相等

旋向相同蜗杆的导程角等于蜗轮的螺旋角。

二、圆桩蜗杆传动的几何尺寸计算

圆柱蜗杆传动的基本几何尺寸见图，有关尺寸的计算公式见表。

第二讲

§12-3蜗杆传动的失效形式、材料和结构

一、失效形式

蜗杆传动的失效形式和齿轮传动类似，但由于蜗轮和蜗杆之间的相对滑动较大，因摩擦产生热量大，使润滑油温度升高，润滑条件变坏，更容易产生胶合和磨粒磨损。

——对闭式蜗杆传动，如果不能及时散热，往往因胶合而影响其工作

——对开式蜗杆传动或润滑条件不良闭式蜗杆传动，则磨损就显得突出

——在蜗杆传动中，点蚀通常只出现在蜗轮轮齿上。

二、材料

1、对材料的基本要求：

1具有足够的强度

2具有足够的刚度

3其材料的匹配（或组合）上应具有良好的减磨性、耐磨性和抗胶合能力。

2、常用材料

——蜗杆材料：

考虑到蜗杆应具有一定强度和刚度要求，一般采用钢制造。

按材料分：

有碳钢和合金钢

1对高速重载或比较重要的、要求持久性高的动力传动的蜗杆传动，采用硬面蜗杆

采用低碳合金钢：

20Cr、20CrMnTi等，表面渗碳淬火，表面硬度58HRC～63HRC

或采用中碳钢、中碳合金钢：

40、45、42SIMn等，表面淬火，硬度45HRC～55HRC，32CrMo50CrV，渗氮，65HRC～70HRC

在制造时必须磨削，用氮化钢渗氮处理的蜗杆可以不磨削，但需要抛光。

2受短时冲击载荷的蜗杆，中低速、中等载荷的蜗杆传动，用调质蜗杆

45、40Cr、40CrNi、42CrMo等，调质，硬度＜270HB

3蜗轮直径很大时，也可以采用青铜蜗杆，蜗轮则用铸铁。

——蜗轮材料，通常是指蜗轮齿冠部分的材料。

鉴于与蜗杆材料之间的匹配关系，主要有以下几种：

1青铜

ZCusnl0PI——砂型铸造；（10—l铸锡青铜）——离心铸造

ZCusnl0ZnZ——砂型铸造；（l—2铸锡青铜）——离心铸造

锡青铜的特点：

其强度极限小于300MPa，减摩性，耐磨性、抗胶合性能好，但价格较高。

适用与滑动速度Vs12～15m/s的重要传动中。

无锡青铜的特点：

其强度极限大于300MPa，机械性能较高，耐冲击，但抗胶合性能较差（容易发生胶合），价格较低，适用与滑动速度Vs小于6m/s的传动中。

2黄铜抗点蚀强度高，但磨损性能差，宜用于低滑动速度场合。

3灰铸铁HT300

球墨铸铁QT800－2

适用于滑动速度Vs小于2m/s的工况。

，

直径较大的蜗轮常用铸铁。

三、蜗杆和蜗轮的结构

蜗杆——通常与轴做成整体，常见的蜗杆结构例见图

a图结构既可以车制，也可以铣制，b图结构只能铣制。

蜗轮——可制成整体的或组合的。

§12-4圆柱蜗杆传动受力分析

与斜齿轮相似，蜗杆传动中作用在齿面上的法向压力Fn仍可分解为圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。

显然，作用于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；

蜗杆上的径向力则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。

已知：

T1、T2、d1、d2

作用于蜗轮轮齿上的圆周力Ft2、轴向力Fa2、径向力Fr2分别为：

式中：

第三讲

§12-5圆柱蜗杆传动的强度计算

蜗杆传动的强度计算与齿轮传动一样，其计算的理论依据同齿轮传动相同。

蜗轮齿面接触强度的计算——仍以赫之公式为理论计算基础。

——对于钢制蜗杆和青铜或铸铁蜗轮

校核式

设计式

许用应力的确定：

——当蜗轮材料为锡青铜制造时，蜗轮的失效形式主要是疲劳点蚀

其许用应力由表12-4确定

——当蜗轮材料为无锡青铜或铸铁制造时，蜗轮的失效形式主要是胶合（不属于疲劳性质）

其许用应力由表12-5确定

§12-6圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算

一、蜗杆传动的效率

闭式蜗杆传动的效率与齿轮传动的效率类似，即

式中：

η1——传动啮合效率；

η2——油的搅动和飞溅损耗时的效率；

η3——轴承效率。

蜗杆主动总效率：

式中ρ’——当量摩擦角。

可根据滑动速度由表12—2查取

滑动速度根据下式计算：

▲在作初步设计时，蜗杆传动的总效率可取下列数值：

对于闭式传动Z1=1η=0．70～0．75

Z1=2η=0．75～0．82

Z1=4η=0．87～0．92

对于开式传动Z1=1、2η=0．60～0．70

二、蜗杆传动的润滑

1、润滑剂的选择——润滑油粘度指标是选择润滑剂的主要依据，可参考表11—5确定。

2、润滑方法

蜗杆传动的润滑方法主要根据滑动速度大小确定

Vs＜5m/s——浸油润滑；

5m/s＜Vs＜10m/s——浸油润滑或压力喷油润滑，

Vs＞10m/s——压力喷油润滑

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要进行热平衡计算。

根据热功当量原理：

传动的发热量为1000Pl（1－η）

箱体的散热量为αtA（t一to）

根据热平衡条件：

单位时间内，蜗杆传动的发热量等于散发出去的热量

由此得1000Pl（1－η）＝αtA（t一to）

△t[△t]

此处：

P1——蜗杆传递功率；η——传动效率

（t一to）＝△t——温度差，一般为60～70℃

to——工作环境温度，通常取20℃；t——箱体内的工作温度；t＜90℃

αt—一表面传热系数，根据箱体周围通风条件：

一般取αt＝10～17W/（m2·℃）

A——箱体的散热面积m2

若油温过高，达不到热平衡的条件，可采取下列措施：

——在不增大箱体尺寸的前提下，设法增加散热而积。

如增加散热片等

——在蜗杆轴端装设风扇：

这是最简单的强制冷却的方法。

——外冷却压力喷油润滑：

需配置润滑油循环系统。

——油池内安装冷却水管。