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1、完整word版蜗轮蜗杆设计蜗轮蜗杆设计摘要蜗杆传动从属齿轮传动，在现代工业中应用非常广泛。蜗轮蜗杆包含两个部分：蜗杆和蜗轮，其齿形大多数由直线、平面或者平面上的曲线经过一次或两次展成运动形成。由于蜗轮蜗杆结构性特点，它用于传递空间两相错轴间的运动和动力。蜗杆传动机构多数情况下蜗杆为主动件,蜗轮为被动件。蜗杆传动具有传动比大、体积小、运转平稳、噪音小等特点。在机床制造业中，普通圆柱蜗杆传动的应用尤为普遍，并且几乎成了一般低速传动工作台和连续分度机构的唯一传动形式；冶金工业轧机压下机构都采用大型蜗杆传动；煤矿设备中的各种类型的绞车及采煤机组牵引传动;起重运输业中各种提升设备及无轨电车等都采用蜗杆传

2、动。其他，在精密仪器设备、军工、宇宙观测仪器中，蜗杆传动常用作分度机构、操纵机构、计算机构、测距机构等等，大型天文望远镜、雷达等也离不开蜗杆传动。关键词： 蜗轮 蜗杆 第一章 蜗杆传动的类型和特点蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成,用来传递空间两交错轴的运动和动力。如图1-1所示。通常两轴交错角为90,蜗杆为主动件.1.1 蜗杆传动的类型如图12所示，根据蜗杆的形状,蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动（图a)，环面蜗杆传动(图b）,和锥面蜗杆传动(图c)。图11蜗杆传动圆柱蜗杆传动,按蜗杆轴面齿型又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。普通蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制,可分为阿基米德蜗杆（Z

3、A型）、渐开蜗杆（ZI型）和法面直齿廓蜗杆（ZH型)等几种。a) b) c) 图1-2蜗杆传动的类型如图1-3所示,车制阿基米德蜗杆时刀刃顶平面通过蜗杆轴线。该蜗杆轴向齿廓为直线，端面齿廓为阿基米德螺旋线。阿基米德蜗杆易车削难磨削，通常在无需磨削加工情况下被采用,广泛用于转速较低的场合。 如图14所示，车制渐开线蜗杆时,刀刃顶平面与基圆柱相切，两把刀具分别切出左、右侧螺旋面.该蜗杆轴向齿廓为外凸曲线，端面齿廓为渐开线.渐开线蜗杆可在专用机床上磨削，制造精度较高，可用于转速较高功率较大的传动。蜗杆传动类型很多，本章仅讨论目前应用最为广泛的阿基米德蜗杆传动。1.2 蜗杆传动的特点(1）传动比大，结

4、构紧凑。单级传动比一般为1040（402。模数m和压力角由于蜗杆传动在主平面内相当于渐开线齿轮与齿条的啮合,而主平面是蜗杆的轴向平面又是蜗轮的端面(见图22），与齿轮传动相同，为保证轮齿的正确啮合，蜗杆的轴向模数ma1应等于蜗轮的端面模数mt2；蜗杆的轴向压力角应等于蜗轮的端面压力角；蜗杆分度圆导程角应等于蜗轮分度圆螺旋角,且两者螺旋方向相同。即：3.蜗杆的分度圆直径d1和导程角如图2-3所示，将蜗杆分度圆柱展开，其螺旋线与端平面的夹角称为蜗杆的导程角。可得： （2-1）式中：pa1为蜗杆轴向齿距(mm）;d1为蜗杆分度圆直径（mm）。蜗杆的螺旋线与螺纹相似也分左旋和右旋，一般多为右旋。对动力

5、传动为提高效率应采用较大的值,即采用多头蜗杆；对要求具有自锁性能的传动,应采用的蜗杆传动，此时蜗杆的头数为1。由式2-1得: (2-2）式中:称为蜗杆的直径系数，当m一定时，q值增大,则蜗杆直径d1增大，蜗杆的刚度提高。小模数蜗杆一般有较大的q值,以使蜗杆有足够的刚度。图2-2分度圆柱展开图蜗杆与蜗轮正确啮合,加工蜗轮的滚刀直径和齿形参数必须与相应的蜗杆相同，为限制蜗轮滚刀的数量，d1亦标准化。d1与m有一定的匹配如表所示。表22 蜗杆基本参数（= 90）（摘自GB/T1008588)模数m（mm)分度圆直径d1（mm)蜗杆头数z1直径系数qm2d1(mm）3模数m（mm）分度圆直径d1（mm

6、)蜗杆头数z1直径系数qm2d1（mm）3118118.000186.3(80）1, 2, 412。69831751.2520116。00031。25112117。778444522。4117.920358（63）1， 2, 47。87540321.6201, 2， 412。50051.2801, 2, 4， 610.000537628117。50071.68(100)1， 2, 412。50064002(18)1, 2， 49。00072140117。500896022。41, 2， 4， 611.20089.610（71）1, 2, 47.1007100(28）1, 2， 414。0001

7、12901， 2, 4, 69。000900035.5117.750142（112）1， 2， 411。200112002。5（22。4)1, 2, 48.960140160116.00016000281， 2， 4, 611。20017512.5（90)1, 2, 47。20014062(35.5）1, 2, 414.200221。91121, 2, 48。9601750045118。000281（140）1， 2， 411。200218753。15（28)1， 2， 48。889278200116。0003125035.51, 2, 4， 611.2735216（112)1， 2, 47。

8、00028672451, 2， 414。286447。51401, 2， 48.7503584056117。778556（180）1, 2, 411.250460804(31.5)1, 2, 47.875504250115.62564000401， 2， 4， 610。00064020(140）1， 2, 47。00056000（50）1， 2, 412。5008001601, 2, 48。0006400071117。7501136（224）1, 2， 411。200896005（40）1， 2， 48。0001000315115.750126000501, 2， 4， 610.0001250

9、25(180)1， 2, 47.200112500(63）1， 2, 412.60015752001, 2， 48。00012500090118。0002250（280)1, 2， 411.2001750006.3(50)1， 2， 47. 9361985400116.000250000631, 2， 4, 610.0002500注:表中模数和分度圆直径仅列出了第一系列的较常用数据。括号内的数字尽可能不用。4。中心距a蜗杆传动中，当蜗杆节圆与蜗轮分度圆重合时称为标准传动，其中心距为： （23）规定标准中心距为40、50、63、80、100、125、160、（180)、200、（225）、250

10、、（280)、315、(355)、400、(450）、500.在蜗杆传动设计时中心距应按上述标准圆整。2.2 蜗杆传动的几何尺寸计算表23 阿基米德蜗杆传动的几何尺寸计算名称计算公式蜗 杆蜗 轮齿顶高和齿根高ha1= ha2 = m, hf1= hf2=1。2 m分度圆直径d1= mqd2= mz2齿顶圆直径da1= m(q+2)da2= m（z2+2）齿根圆直径df1= m(q2。4）df2= m(z22。4）顶隙C = 0。2 m蜗杆轴向齿距 蜗轮端面齿距Pa1= pt2=m蜗杆分度圆导程角蜗轮分度圆螺旋角中心距a蜗杆螺纹部分长度蜗轮齿顶圆弧半径z1=1、2, L（110。06z2）mz1

11、=3、4, L(12.5+0。09z2) m蜗轮外圆直径z1=1， de2da2+2 mz1=2、3， de2da2+1。5 mz1=46, de2da2+ m蜗轮轮缘宽度z1=1、2 b0.75da1z1=46， b0。67 da1第三章 蜗轮传动的失效形式、设计准则、材料和结构3。1 蜗杆传动的失效形式和设计准则1.齿面相对滑动速度vs蜗杆传动中蜗杆的螺旋面和蜗轮齿面之间有较大的相对滑动。滑动速度vs沿蜗杆螺旋线的切线方向。如图77所示，v1为蜗杆的圆周速度，v2为蜗轮的圆周速度，作速度三角形得：较大的滑动速度vs，对齿面的润滑情况、齿面的失效形式及传动效率都有很大的影响，其概略值如图31

12、所示.图3-1蜗杆传动滑动速度2。轮齿的失效形式和设计准则蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相似,有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损和胶合等，但由于蜗杆、蜗轮的齿廓间相对滑动速度较大、发热量大而效率低，因此传动的主要失效形式为胶合、磨损和点蚀。由于蜗杆的齿是连续的螺旋线，且蜗杆的强度高于蜗轮,因而失效多发生在蜗轮轮齿上。在闭式传动中，蜗轮的主要失效形式是胶合与点蚀；在开式传动中,主要失效形式是磨损.综上所述，蜗杆传动的设计准则为：闭式蜗杆传动按齿面接触疲劳强度设计，并校核齿根弯曲疲劳强度，为避免发生胶合失效还必须作热平衡计算；对开式蜗杆传动通常只需按齿根弯曲疲劳强度设计.实践证明，闭式蜗杆传动，当载荷平

13、稳无冲击时，蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况多发生于齿数z2 80100时，所以在齿数少于以上数值时，弯曲强度校核可不考虑。图3-2滑动速度vs的概略值3。2 蜗杆、蜗轮的材料和结构1.蜗杆、蜗轮的材料选择根据蜗杆传动的主要失效形式可知，蜗杆和蜗轮材料不仅要求有足够的强度，更重要的是要具有良好的减摩性、耐磨性和抗胶合能力。蜗杆一般用碳钢或合金钢制造。对高速重载传动常用15Cr、20Cr、20CrMnTi等，经渗碳淬火，表面硬度5662HRC，须经磨削.对中速中载传动，蜗杆材料可用45、40Cr、35SiMn等，表面淬火，表面硬度4555HRC，须要磨削。对速度不高，载荷不大的蜗杆,材料可用4

14、5钢调质或正火处理,调质硬度220270HBS。蜗轮材料可参考相对滑动速度vs来选择。铸造锡青铜抗胶合性、耐磨性好,易加工，允许的滑动速度vs高，但强度较低，价格较贵。一般ZCuSn10P1允许滑动速度可25m/s, ZCuSn5Pb5Zn5常用于vs45HRCZCuSn10P1砂 型金属型1225180200200220ZCuSn5Pb5Zn5砂 型金属型1012110135125150 表42铸铝青铜及铸铁蜗轮的许用接触应力H MPa蜗轮材料蜗杆材料滑动速度vS（m/s）0。5123468ZCuAl10Fe3淬火钢25023021018016012090HT150；HT200渗碳钢1301

15、1590-HT150调质钢1109070-4.3 蜗轮轮齿的齿根弯曲疲劳强度计算由于蜗轮轮齿的齿形比较复杂，要精确计算轮齿的弯曲应力比较困难，通常近似地将蜗轮看作斜齿轮按圆柱齿轮弯曲强度公式来计算，化简后齿根弯曲强度的校核公式为： （47） 设计公式为： (4-8） 式中：YF2 蜗轮的齿形系数,按蜗轮的实有齿数Z2查表7-6；F 蜗轮材料的许用弯曲应力，F=YN 0F .0F为蜗轮材料的基本许用弯曲应力，如表77所示.YN为寿命系数，N = 60N2Lh。当N 25107时，取N =25107，当N 105时，取N=105.第五章 蜗轮传动的效率、润滑和热平衡计算5.1蜗杆传动的效率闭式蜗杆

16、传动的总效率包括：啮合效率1、搅油效率2和轴承效率3，即： （51）啮合效率1是总效率的主要部分,蜗杆为主动件时啮合效率按螺旋传动公式求出: 通常取230.950.97,故有： (5-2）式中：为蜗杆螺旋升角（导程角）；为当量摩擦角,=arctan fv其值如表5-1所示。 在初步计算时，蜗杆的传动效率可近似取下列数值：闭式传动：z112460.70。750。750.820.820。920.860。95开式传动:z11、2 ；0。600。70。5.2 蜗杆传动的润滑润滑对蜗杆传动特别重要,因为润滑不良时，蜗杆传动的效率将显著降低，并会导致剧烈的磨损和胶合。通常采用粘度较大的润滑油，为提高其抗胶

17、合能力,可加入油性添加剂以提高油膜的刚度,但青铜蜗轮不允许采用活性大的油性添加剂，以免被腐蚀.闭式蜗杆传动的润滑油粘度和润滑方法可参考表52选择.开式传动则采用粘度较高的齿轮油或润滑脂进行润滑。闭式蜗杆传动用油池润滑,在vS5m/s时常采用蜗杆下置式,浸油深度约为一个齿高，但油面不得超过蜗杆轴承的最低滚动体中心，如图7-12a、b）所示；vS 5m/s时常用上置式(图5-1c），油面允许达到蜗轮半径1/3处。表51当量摩擦系数fv和当量摩擦角v蜗轮材料锡青铜铝青铜灰铸铁蜗杆齿面硬度45HRC45HRC45HRC45HRC45HRC滑动速度vs （m/s)fvvfvvfvvfvvfvv0。010

18、.1106170。1206510.18010120。01810120。19010450。050.0905090。1005430.1407580.1407580.1609050.100.0804340.0905090。1307240。1307240。1407580.250.0653430。0754170.1005430。1005430。1206510。500.0553090.0653430。0905090。0905090.1005431。000.0452350.0553090。0704000.0704000.0905091。500.0402170。0502520.0653430。0653430.

19、0804342。000。0352000.0452350。0553090.0553090.0704002。500。0301430.0402170。0502523.000。0281360。0352000.0452354.000.0241220。0311470.0402175.000。0221160。0291400.0352008.000.0181020.0261290。03014310。00。0160550.02412215.00.0140480。02010924。00.013045注：对于硬度45HRC的蜗杆,v值系指Ra 0.321。25m，经跑合并充分润滑的情况.表5-2蜗杆传动的润滑油粘度及润滑方法滑动速度vS (m/s）12.512525工 作 条 件重载重载中载运动粘度40 （mm2/s）1000680320220150