环面蜗轮蜗杆减速器设计讲解.docx
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环面蜗轮蜗杆减速器设计讲解
环面蜗轮蜗杆减速器设计
摘要
本文主要阐述的是一种应用在汽车无级变速器中的环面蜗轮蜗杆减速器的设计方法。
环面蜗轮蜗杆减速器在降速同时能提高输出扭矩，减速同时降低了负载惯量本文首先对蜗轮蜗杆作了简单的介绍，阐述了蜗轮蜗杆的设计原理和理论计算。
然后按照应用方向设计了环面蜗轮蜗杆减速器。
接着对减速器的部件组成进行了尺寸计算和校核。
该设计代表了环面蜗轮蜗杆设计的一般过程。
对其他的蜗轮蜗杆的设计工作也有一定的价值。
目前，在环面蜗轮蜗杆减速器的设计、制造以及应用上，国内与国外先进水平相比仍有较大差距。
国内在设计制造环面蜗轮蜗杆减速器过程中存在着一些缺点。
关键词：
蜗轮蜗杆减速器；蜗杆；滚动轴承
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第1章绪论
1.1课题背景及意义
减速器在原动机和工作机之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。
减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类，二者的设计、制造和使用特点各不相同。
促进减速器水平提高的主要因素有：
（1）硬齿面技术的发展和完善。
（2）用好的材料。
（3）结构设计更合理。
（4）加工精度提高到ISO5-6级。
（5）轴承质量和寿命提高。
（6）润滑油质量提高。
1.2国内外发展现状
它始于1921年的美国造船业，其代表产品是美国CONEDRIVE，50年代起在我国得到推广应用。
与普通圆柱蜗杆传动相比，这种蜗杆同时包容齿数多，双线接触线形成油膜条件好，两齿面接触线诱导法曲率半径大。
因此，承载能力是相同中心矩普通蜗杆的1.5～3倍。
在传递同样功率时，中心矩可缩小20%-40%。
由于性能优良，美国、日本、俄罗斯等国都将这种传动作为动力传动中的主要形式之一广泛使用。
美国生产产品系列中心矩为15～1320㎜；速比为5～343000；最高传动效率可达97%。
我国经过40年的研究和发展，目前这种蜗杆的生产品种也十分可观，最大中心矩可达到1200㎜；最少齿数比为5；蜗杆头数达6；最高传动效率可达94%。
这种蜗杆传动分为“原始型”和“修整型”两种。
“原始型”直廓环面蜗杆的螺旋齿面的形成为：
一条与成形圆相切、位于蜗杆轴线平面内的直线，在绕成形圆的圆心作等角速的旋转运动的同时，又与成形圆一起围绕蜗杆的轴线作等角速的旋转运动，这条直线在空间形成的轨迹曲面，就是直廓环面蜗杆的齿面。
由于蜗杆齿面的发生线是直线刀刃，蜗杆螺旋面是直线刀刃形成的不可展直纹面而不是由包络产生的，难以实现磨削，这种蜗杆制造钢筋工艺比较复杂，不易获得高精度的传动，这是直廓环面蜗杆传动的主要缺点。
1.3主要内容及特点
蜗杆传动是在空间交错的两轴之间传递运动和动力的一种机构，两轴交错的夹角可为任意值，常用的为90度，这种传动由于具有下述特点，故应用颇为广泛。
（1）当使用单头蜗杆时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过了一个齿距，因而能实现大的传动比。
在动力传动中，一般传动比I=5-80;在分度机构或手动机构中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000。
由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。
（2）在杆蜗传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。
（3）当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动更具有自锁性。
（4）蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。
当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的磨擦和磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。
因此磨损较大，效率低；当蜗杆传动具有自锁性时，效率仅为0.4左右。
同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮，以便与钢制的蜗杆配对组合成减磨性良好的滑动摩擦剂。
第2章选定设计方案
根据设计要求并结合以上分析，本文在设计中采用准平行啮合线环面蜗杆减速器。
具体设计方案是：
选用的电动机输出转速是940r/min，由凸缘联轴器将电动机轴和准平行啮合线环面蜗杆减速器的输入轴相联接，经过减速器的减速，电动机输出的转速降为18.8r/min，再有凸缘联轴器将减速器的输出轴与滚筒轴联接，将减速器输出轴的转速传给滚筒，滚筒转动带动绕在其上面的钢丝绳旋转，由钢丝绳提起具有一定质量的灯具。
1—电动机；2—联轴器；3—蜗轮蜗杆减速器；4—联轴器；5—滚筒
图2-1减速器
2.1初选电动机类型和结构型式
电动机是专门工厂批量生产的标准部件，设计时要根据工作机的工作特性、电源种类、工作条件、载荷大小和性质、起动性能和起动、制动、正反转的频繁程度等条件来选择电动机的类型、结构、容量和转速，并在产品目录中选出其具体型号和尺寸。
电动机分交流电动机和直流电动机两种。
由于生产单位一般多采用三相交流电源，因为此，无特殊要求时均应选用三相交流电动机，其中以三相异步交流电动机应用最广泛。
根据不同防护要求，电动机有开启式、防护式、封闭自扇冷式和防爆式等不同的结构型式。
Y系列三相笼型异步电动机是一般用途的全封闭自扇冷式电动机，由于其结构简单、工作作可靠、价格低廉、维护方便，因此广泛应用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上，如金属切削机床、运输机、风机、搅拌机等。
对于经常起动，制动正反转的机械，如起重、提升设备，要求电动机具有较小的转动惯量和较大过载能力，应选用冶金及起重用三相异步电动机Yz型YzR型。
电动机的容量选择的是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。
容量选得过小，不能保证工作机正常工作，或使电动机因超载而过早损坏；而容量选得过大，则电动机的价格高，能力又不能充分利用，而且由于电动机经常不满载运行，其效率和功率因数较低，增加电能消耗而造成能源的浪费。
电动机的容量主要根据电动机运行时的发热条件来决定。
由以上的选择经验和要求，我选用：
三相交流电Y系列笼型三相异步交流电动机。
2.2电动机的容量
由滚筒圆周力F和滚筒速度v，得
把数据代入式中得0.1665KW
传动装置的效率由以下的要求：
（1）轴承效率均指一对轴承而言；
（2）同类型的几对运动副或传动副都要考虑其效率，不要漏掉；
（3）蜗杆传动的效率与蜗杆头数z1有关，应先初选头数后，然后估计效率。
此外，蜗杆传动的效率中已包括了蜗杆轴上一对轴承的效率，因此在总效率的计算中蜗杆轴上轴承效率不再计入。
各传动机构和轴承的效率为：
法兰效率：
一级环面蜗杆传动效率:
一对滚动轴承传动效率：
凸缘联轴器效率：
从电动机至工作机主动轴之间的总效率故传动装置总效率：
电动机的输出功率
考虑传动装置的功率损耗，电动机输出功率
代入数据，得电动机的输出功率为1.3KW
2.3电动机的技术数据
根据计算的功率可选定电动机额定功率，取同步转速1000转，6级
由【2】选用Y100L－6三相异步电动机，其主要参数如下
表2-1电动机主要参数
D
28mm
E
60mm
H
100mm
A
160mm
B
140mm
C
63mm
K
12mm
AB
205mm
AD
180mm
AC
105mm
HD
245mm
AA=40
40mm
2.4本章小结
（1）了解了减速器。
（2）确定了设计方案。
（3）选用电动机的功率
（4）选取出适合的适合的电动机
（5）计算电动机的主要参数
第3章减速器部件的选择计算
3.1蜗杆传动设计计算
3.1.1选择蜗杆、蜗轮材料
由于应用的的范围是车用所以本文采用准平行环面蜗杆传动。
考虑蜗杆传动中，传递的功率不大，速度只是中等，根据【8】表5－2，蜗杆选用40Cr，因希望效率高些，耐磨性好故蜗杆螺旋齿面要求：
调质HB265
285.蜗轮选用铸锡磷青铜ZQSn10-1，金属模铸造，为了节约贵重有色金属，仅齿圈用锡磷青铜制造，轮芯用灰铸铁HT100制造由【8】表查得蜗轮材料的许用接触应力，蜗轮材料的许用弯曲应力,传动比在误差允许范围内
3.1.2确定蜗杆蜗轮中心距
确定蜗杆的计算功率代入数据得
以等于或略大于蜗杆计算功率
所对应的中心距作为合理的选取值，选取蜗杆的中心距：
a＝100mm.a＝100mm由于准平行二次包络环面蜗杆为新型得蜗杆
3.1.3蜗杆传动几何参数设计
准平行二次包络环面蜗杆的几何参数和尺寸计算表
表3-1涡轮参数
蜗轮齿根圆直径
蜗杆齿根圆直径
.蜗轮喉圆直径
蜗轮齿根圆弧半径
蜗轮喉母圆半径
蜗轮外缘直径
=164.95mm
表3-2蜗杆的主要参数
中心距
a=100mm
蜗轮端面模数
蜗轮齿数
径向间隙
蜗杆头数
齿顶高
h=0.75m=2.233mm
蜗杆齿顶圆直径
齿根高
h=h+C=2.7434m
蜗轮轮缘宽度
全齿高
蜗轮齿距角
蜗杆分度圆直径：
蜗杆齿宽
蜗轮分度圆直径
蜗杆齿顶圆弧半径
蜗轮齿根圆直径
3.2环面蜗轮蜗杆校核计算
环面蜗杆传动承载能力主要受蜗杆齿面胶合和蜗轮齿根剪切强度的限制。
因而若许用传动功率确定中心距，则然后校核蜗轮齿根剪切强度。
由于轴承变形增加了蜗杆轴向位移，使蜗轮承受的载荷集中在2－3个齿上。
而且，由于蜗轮轮齿的变形，造成卸载，引起载荷沿齿高方向分布不均，使合力作用点向齿根方向偏移。
因而，蜗轮断齿主要由于齿根剪切强度不足造成的
校核：
式中
—作用于蜗轮齿面上的及摩擦力影响的载荷;
—蜗轮包容齿数
—蜗杆与蜗轮啮合齿间载荷分配系数;
—蜗轮齿根受剪面积;
式中：
—作用在蜗轮轮齿上的圆周力，
—蜗杆喉部螺旋升角
—当量齿厚，
蜗轮齿根受剪面积：
蜗轮齿根圆齿厚；
由上可知代入数据得
对于锡青铜齿圈
查手册取铸锡磷青铜，砂模铸造，抗拉强度=225则：
<
3.3轴的结构设计
3.3.1轴的材料选择
依据减速器用途选用45号钢，调质。
输出轴的最小直径是按照联轴器处轴的直径，为了使所选的轴的直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。
联轴器的计算转距查表15—3，考虑到转距变化很小，故取Ka=1.3，按照计算转距应小于联轴器公称转矩的条件，查标准手册（GB5843-86）选用YL4型凸缘联轴器，半联轴器的孔径，故取，半联轴器的长度L=52mm。
根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度拟订轴上零件的装配方案：
本题的装配方案已经在前面分析比较，现选用如图所示的装配方案。
为了满足半联轴器的轴向定位要求，1-2轴段右端制出一轴肩，左端用轴端挡定位，按轴端直径取挡圈直径D=30mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度保证轴端挡圈只压在半联轴器上，而不压在轴的端面上，故1-2段的长度应比略短一些，
初步选择滚动轴承，因轴承同时受有径向力和轴向力
的作用，故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据
由轴承产品目录中初步选取标准精度级的单列圆锥滚子轴承30207，其尺寸为d×D×T=18.25mm，已求得蜗杆喉部齿顶圆直径，最大齿顶圆直径，蜗杆螺纹部分长度，蜗杆齿宽，所以取。
轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。
根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴的右端面间的距l=20mm
为避免蜗轮与箱体内壁干涉，应取箱体内壁凸台之间距离略大于蜗轮的最大直径，取内壁距离考虑到箱体的
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