蜗轮蜗杆传动设计Word下载.docx

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按照蜗杆的形状不同分为：

圆柱蜗杆传动（a）、环面蜗杆传动（b）、锥面蜗杆传动（c）。

（a）圆柱蜗杆传动 

（b）环面蜗杆传动 

（c）锥面蜗杆传动

图7-1蜗杆传动的类型

1、圆柱蜗杆传动

蜗杆有左、右旋之分。

螺杆的常用齿数（头数）z1=1~4，头数越多，传动效率越高。

蜗杆加工由于安装位置不同，产生的螺旋面在相对剖面内的齿廓曲线形状不同。

1）、阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）

如图所示，阿基米德蜗杆是齿面为阿基米德螺旋面的圆柱蜗杆。

通常是在车床上用刃角α0=20°

的车刀车制而成，切削刃平面通过蜗杆曲线，端面齿廓为阿基米德螺旋线。

其齿面为阿基米德螺旋面。

优、缺点：

蜗杆车制简单，精度和表面质量不高，传动精度和传动效率低。

头数不宜过多。

头数较少，载荷较小，低速或不太重要的场合。

图7-2阿基米德蜗杆

（2）、法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）

如图所示，法向直廓蜗杆加工时，常将车刀的切削刃置于齿槽中线（或

齿厚中线）处螺旋线的法向剖面内，端面齿廓为延伸渐开线。

常用端铣刀或小直径盘铣刀切制，加工简便，利于加工多头蜗杆，可以用砂轮磨齿，加工精度和表面质量较高。

用于机场的多头精密蜗杆传动。

3）、渐开线蜗杆（ZI蜗杆）

如图所示，渐开线蜗杆是齿面为渐开线螺旋面的圆柱蜗杆。

用车刀加工时，刀具切削刃平面与基圆相切，端面齿廓为渐开线。

可以用单面砂轮磨齿，制造精度、表面质量、传动精度及传动效率较高。

用于成批生产和大功率、高速、精密传动，故最常用。

2、环面蜗杆传动特点：

（1）、齿轮表面有较好的油膜形成条件，抗胶合的承载能力和效率都较高；

（2）、同时接触的齿数较多，承载能力为圆柱蜗杆传动的~4倍；

（3）、制造和安装较复杂，对精度要求高；

（4）、需要考虑冷却的方式。

3、锥面蜗杆传动

特点：

（1）、啮合齿数多，重合度大，传动平稳，承载能力强；

（2）、蜗轮用淬火钢制造，节约有色金属。

图7-6锥面蜗杆 

图7-7蜗轮蜗杆的主要参数

蜗杆传动的主要参数和几何尺寸

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。

在蜗杆传动的设计计算中，均以中间平面上的基本参数和几何尺寸为基准。

7.2.1主要参数

1、模数m和压力角a

蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴向模数mx1、压力角αx1应与蜗轮的端面模数、

压力角相等，即　　　mx1=mt2=m

　　　　　　　　αx1=αt2=α=20°

β=γ

β：

为蜗轮的螺旋角，γ：

螺杆的导程角。

表7-1圆柱蜗杆的基本尺寸和参数

2、螺杆导程角γ

px1：

为蜗杆轴向齿距，px1=πm（mm）；

γ为导程角（°

）。

导程角越大，传动效率越高，γ=°

~55°

。

传动效率高时，常取γ=15°

~30°

，采用多头蜗杆。

若要求传动时反向自锁时，取γ≤3°

40′。

3、蜗杆分度圆直径d1

由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。

导程角γ大，其传动效率高，但会使蜗杆的强度、刚度降低。

在蜗杆刚度允许的情况下，设计蜗杆传动时，要求传动效率高时，d1可以选小值，当要求强度和刚度大时，d1选大值。

4、蜗杆的头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i

较少的蜗杆头数（如：

单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低，可以实现自锁；

蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。

通常蜗杆头数取为1、2、4、6。

蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2=iz1。

z2不宜太小（如z2＜28），否则将使传动平稳性变差。

z2也不宜太大，否则在模数一定时，蜗轮尺寸越大，刚度越小，影响传动的啮合精度，所以蜗轮齿数不大于100，常取32~80。

z1、z2之间最好互质，利于磨损均匀。

传动比i：

（）

传动比i的公称值有：

5，，10*，，15，20*，25，30，40*，50，60，70，80*。

带*的为基本传动比，优先选用。

5、中心距：

（）

为便于大批生产，减少箱体类型，有利于标准化、系列化，国标中对一般圆柱蜗杆减速装置的中心距推荐为：

40，50，63，80，100，125，160，（180），200，（225），250，（280），315，（335），400，（450），500。

7.2.2蜗杆传动何尺寸

表7-2蜗杆传动何尺寸

蜗杆传动的失效形式、材料和精度

7.3.1蜗杆传动的失效形式及设计准则

1、失效形式

主要失效形式有：

齿面疲劳点蚀、胶合、磨损及轮齿折断。

齿面间相对滑动速度vs：

（）

在润滑及散热不良时，闭式传动易出现胶合，但由于蜗轮的材料通常

比蜗杆材料软，发生胶合时，蜗轮表面金属粘到蜗杆的螺旋面上，使、

蜗轮工作齿面形成沟痕。

蜗轮轮齿的磨损严重，尤其在开式传动和润滑油不清洁的闭式传动中。

2、计算准则

对于闭式蜗轮传动，通常按齿面接触疲劳强度来设计，并校核齿根弯曲疲劳强度。

对于开式蜗轮传动，或传动时载荷变动较大，或蜗轮齿数z2大于90时，通常只须按齿根弯曲疲劳强度进行设计。

由于蜗杆传动时摩擦严重、发热大、效率低，对闭式蜗杆传动还必须作热平衡计算，以免发生胶合失效。

7.3.2蜗杆蜗轮常用材料及热处理

蜗轮和蜗杆材料要有一定的强度，还要有良好的减摩性、耐摩性和抗胶合能力。

蜗杆传动常用青铜（低速时用铸铁）做蜗轮齿圈，与淬硬并磨制的钢制蜗杆相匹配。

1、蜗杆材料及热处理

一般不重要的蜗杆用45钢调质处理；

高速、重载但载荷平稳时用碳钢、合金钢，表面淬火处理；

高速、重载且载荷变化大时，可采用合金钢渗碳淬火处理。

表7-3蜗杆材料及热处理

2、蜗轮材料及许用应力

锡青铜：

减摩性、耐磨性好，抗胶合能力强，但价格高，用于相对滑动速度vs≤25m/s的高速重要蜗杆传动中；

铸铝青铜：

强度好、耐冲击而且价格便宜，但抗胶合能力和耐磨性不如锡青铜，一般用于vs≤10m/s的蜗杆传动中；

灰铸铁：

用于vs≤2m/s的低速、轻载、不重要的蜗杆传动中。

表7-3锡青铜蜗轮的许用应力

表7-4铝铁青铜及铸铁蜗轮的许用应力

7.3.3蜗杆传动的精度等级

GB10089－88对普通圆柱蜗杆传动规定了1~12个精度等级

1级精度最高，其余等级依次降低，12级为最低，6~9级精度应用最多，6级精度传动一般用于中等精度的机床传动机构，蜗轮圆周速度v2＞5m/s，7级精度用于中等精度的运输机或高速传递动力场合,蜗轮圆周速度v2＜7.5m/s，8级精度一般用于一般的动力传动中，蜗轮圆周速度v2＜3m/s，9级精度一般用于不重要的低速传动机构或手动机构，蜗轮圆周速度v2＜1.5m/s。

蜗杆传动的强度计算

蜗杆传动的受力分析

蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似，轮齿在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向

载荷Fa。

在不计摩擦力时，有以下关系：

图7-8蜗杆传动的受力分析

7.4.2蜗杆传动的强度计算

1、蜗轮齿面接触疲劳强度计算

蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为：

适用于钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮（齿圈）配对

蜗轮轮齿面接触疲劳强度的设计公式为：

2、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算

蜗轮齿根弯曲强度的校核公式为：

设计公式为：

蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算

7.5.1蜗杆传动的效率

η1——轮齿啮合齿面间摩擦损失的效率；

η2——考虑油的搅动和飞溅损耗时的效率；

η3——考虑轴承摩擦损失时的效率；

η1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：

式中：

l——蜗杆的导程角；

jv——当量摩擦角。

效率与蜗杆头数的大致关系为：

闭式传动Z1　１　　　２　　　４　　　　

总效率η~~~

自锁时：

η＜

开式传动：

z1=1、2时η=~　

7.5.2蜗杆传动的润滑

润滑的主要目的在于减摩与散热。

具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。

润滑油：

润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。

润滑油粘度及给油方式：

一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。

给油方法包括：

油池润滑、喷油润滑等，若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控制一定的油压。

润滑油量：

润滑油量的选择既要考虑充分的润滑，又不致产生过大的搅油损耗。

对于下置蜗杆或侧置蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；

当蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。

蜗杆传动的热平衡计算

由于传动效率较低，对于长期运转的蜗杆传动，会产生较大的热量。

如果产生的热量不能及时散去，则系统的热平衡温度将过高，就会破坏润滑状态，从而导致系统进一步恶化。

系统因摩擦功耗产生的热量为：

自然冷却从箱壁散去的热量为：

K——箱体表面的散热系数，自然通风良好时：

K＝（14~W/（m2℃）；

在没有循环空气流动的场所：

K＝~W/（m2℃）；

A——箱体的可散热面积（m2）；

A=A1+,A1指箱体外壁与空气接触而内壁能被油飞溅到的箱壳面积，A2指箱体的散热片面积。

t1——润滑油的工作温度（℃）；

　t2——环境温度（℃），一般取20℃。

在热平衡条件下可得：

可用于系统热平衡验算，一般t1≤90℃

散热措施：

如果工作温度t1超过了[t1],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。

如不能满足要求可用下列强制措施解决。

1）在蜗杆轴端装设风扇；

2）采用循环压力喷油冷却；

3）在箱体油池内装蛇形官。

蜗杆和蜗轮的结构

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体。

当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。

无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法，如图7-9所示；

有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度较前一种差，如图7-10所示。

图7-9无退刀槽时螺旋部分的加工 

图7-10有退刀槽时螺旋部分的加工

7.6.2蜗轮的结构

为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。

为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。

常用蜗轮的结构形式如下：

图7-11蜗轮的结构