1、蜗轮蜗杆传动设计讲解学习蜗轮蜗杆传动设计7 蜗杆传动7.1 蜗杆传动的特点、应用和类型 7.1.1蜗杆传动的特点和应用组成:蜗杆、蜗轮(一般蜗杆为主动件,蜗轮为从动件)作用:传递空间交错的两轴之间的运动和动力。通常=90应用: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工业中。最大传递功率为750Kw,通常用在50Kw以下。特点:1)、传动比大。单级时i=580,一般为i=1550,分度传动时i可达到1000,结构紧凑。2)、传动平稳、噪声小。3)、自锁性,当蜗杆导程角小于齿轮间的当量摩擦角时,可实现自锁。4)、蜗杆传动效率较低,其齿面间相对滑动速度大,齿面磨损严重。5)、蜗轮
2、的造价较高。为降低摩擦,减小磨损,提高齿面抗胶合能力,蜗轮常用贵重的铜合金制造。7.1.2 蜗杆传动的类型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=14,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0=20的车刀车制而成,切削刃平面通过蜗杆曲线,端面
3、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。应用: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。优、缺点: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。应用: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
4、基圆相切,端面齿廓为渐开线。优、缺点: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。应用: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1.54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 7.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸垂直于蜗轮轴线且通
5、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x1应与蜗轮的端面模数、压力角相等,即 mx1= mt2 = m x1=t2=20 = :为蜗轮的螺旋角,: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 px1:为蜗杆轴向齿距,px1=m(mm);为导程角()。导程角越大,传动效率越高, =3.555。传动效率高时,常取=1530,采用多头蜗杆。若要求传动时反向自锁时,取340。
6、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= i z1 。 z2不宜太小(
7、如z228),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3280。z1、z2之间最好互质,利于磨损均匀。传动比 i:(7.1)传动比 i的公称值有:5,7.5,10*,12.5,15,20*,25,30,40*,50,60,70,80*。带*的为基本传动比,优先选用。5、中心距: (7.2) 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
8、),400,(450),500。 7.2.2 蜗杆传动何尺寸表7-2 蜗杆传动何尺寸 7.3 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: (7.3) 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,
9、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
10、于相对滑动速度vs25m/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GB 1008988对普通圆柱蜗杆传动规定了112个精度等级1级精度最高,其余等级依次降低,12级为最低,69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v25m/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v27.5m/s,8级精
11、度一般用于一般的动力传动中,蜗轮圆周速度v23m/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v21.5m/s。 7.4 蜗杆传动的强度计算7.4.1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 : (7.4) 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: (7.5)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: (7.6) 设计公式为: (7.7) 7.5 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 (7.8) 1轮齿啮合齿面间摩擦损失的效率; 2考虑油的搅动和飞溅损耗时的效率; 3考虑轴承摩擦损失时的效率;1是对总效率影响最大的因素,可由下式确定: (7.9
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