機械設(shè)計：第十一章蝸桿傳動

1、機 械 設(shè)計,第十一章 蝸桿傳動,陸寧編制,第十一章 蝸桿傳動,11-1蝸桿傳動的特點,11-2 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,11-4普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,11-3 蝸桿傳動的失效形式和材料選擇,11-5 普通圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,11-6蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,11-0蝸桿傳動,作用：用于傳遞交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動和動力。 蝸桿主動、蝸輪從動,90,形成：若單個斜齒輪的齒數(shù)很少（如z1=1）而且1很大時，輪齒在圓柱體上構(gòu)成多圈完整的螺旋,所得齒輪稱為 蝸桿,而嚙合件稱為 蝸輪,二、蝸桿傳動的類型,蝸桿傳動,圓柱面蝸桿 圓弧面蝸桿 圓錐面蝸桿,阿基米德圓柱蝸桿

2、 法向直廓蝸桿 漸開線蝸桿,圓柱面蝸桿傳動 結(jié)構(gòu)簡單,易加工,環(huán)面蝸桿傳動 接觸線長，承載能力強,錐面蝸桿傳動 重合度大，間隙可調(diào),1）普通圓柱蝸桿傳動,a阿基米德蝸桿(ZA) 最常用,蝸桿齒廓,橫截面：阿基米德螺旋線,縱截面：直齒齒條,蝸輪齒廓,中間截面：漸開線,中間平面，蝸桿傳動 如同直齒齒條與漸開線齒輪嚙合,結(jié)論,b法向直廓蝸桿(ZN,蝸桿齒廓,橫截面：延伸漸開線,法截面：直廓,c漸開線蝸桿(ZI,蝸桿齒廓：橫截面：漸開線=8o45o,導(dǎo)程角小時車削方便，但磨削難用于精度不高，頭數(shù)少的場合,不管是哪一種蝸桿，它們都是直線型螺旋面蝸桿，即它們的螺旋面是一直線母線相對一軸線作圓柱螺旋運動所形

3、成。在制造時是將一直線刀刃(車刀上的刀刃)安置在恰當(dāng)?shù)奈恢?，然后用車螺紋的方法加工而成。但是在磨削蝸桿時所采用的是圓盤砂輪，是通過圓盤砂輪兩側(cè)的圓錐面來進(jìn)行磨削，不能如車刀那樣用一直線刀刃，因此砂輪側(cè)面的圓錐面將與蝸桿的螺旋面發(fā)生干涉，會將蝸桿的螺旋面多磨去一部分，造成蝸桿齒形誤差。蝸桿的頭數(shù)越多，其導(dǎo)程角越大，那么磨削時干涉就越厲害，產(chǎn)生的齒形誤差就越大,2,大功率高轉(zhuǎn)速適用，需專用機床,3,大導(dǎo)程角時采用,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,阿基米德蝸桿,漸開線蝸桿,法向直廓蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿(ZK,是一種非線性螺旋齒面蝸

4、桿。不能在車床上加工，只能在銑削或磨削，加工時工件作螺旋運動，刀具作旋轉(zhuǎn)運動,蝸桿旋向：左旋、右旋(常用,精度等級,對于一般動力傳動，按如下等級制造,v17.5 m/s 7級精度,v1 3 m/s 8級精度,v11.5 m/s 9級精度,判定方法：與螺旋和斜齒輪的旋向判斷方法相同,1）同時接觸的點數(shù)較多，重合度大,2）傳動比范圍大，一般為10360,3）承載能力和傳動效率高,4）制造安裝簡便，工藝性好,錐蝸桿傳動特點,2.圓弧圓柱蝸桿傳動(ZC,中間平面中,蝸桿齒廓：凹圓弧,蝸輪齒廓：凸圓弧,圓弧圓柱蝸桿傳動,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,阿

5、基米德蝸桿,漸開線蝸桿,法向直廓蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿,環(huán)面蝸桿傳動特點,1）傳動效率高，一般可達(dá)85%90,2）承載能力高，約為阿基米德蝸桿的24倍,3）要求制造和安裝精度高,3.環(huán)面蝸桿傳動,一主要參數(shù),1模數(shù) m 和壓力角,m a1=mt2=m(標(biāo)準(zhǔn)值,a1= t2= (標(biāo)準(zhǔn)值20o,11-2 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,2蝸桿分度圓直徑d1和直徑系數(shù)q,注意：d1 m z1,3蝸桿導(dǎo)程角,引入直徑系數(shù)q的目的？限制滾刀數(shù)目及便于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化,問題,分析：z1(q),旋向相同 ：蝸桿左(右) 蝸輪 左(右,4蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2,z1 少 i 增加 z1多 增加 加工

6、困難,一般z1=1, 2, 4, 6,z2 少 產(chǎn)生根切 z2 17 傳動平穩(wěn)性不佳 z2 28 z2 多 d2 (=m z2) 增加 蝸桿跨距增加 剛度降低 z2 80 28 z2 80,分析1,分析2,5傳動比 i 和齒數(shù)比 u,蝸桿主動,蝸輪主動,注意,6中心距 a,7變位系數(shù) x,變位目的,配湊中心距 配湊傳動比 提高傳動能力或效率,變位特點,蝸桿尺寸不變，只對蝸輪變位,原因,避免滾刀尺寸變化,注意,1)若湊中心距：變位前后齒數(shù)不變，即,2)若湊傳動比：變位前后中心距不變，即,二幾何尺寸計算(見課本,一失效形式和設(shè)計準(zhǔn)則(蝸輪,失效形式：齒面點蝕，輪齒折斷，齒面膠合，齒面磨損,滑動速度

7、 vs,11-3 蝸桿傳動的失效形式和材料選擇,由于蝸桿與蝸輪間有較大的相對滑動，滑動速度較大，潤滑、散熱不良時，溫升較高，從而增加了膠合與磨損的可能性，蝸桿傳動的承載能力往往受到抗膠合能力的限制。要進(jìn)行熱平衡計算。但充分潤滑時：有利于油膜的形成，滑動速度越大， 摩擦系數(shù)越小，提高了傳動效率,設(shè)計準(zhǔn)則,熱平衡計算（由于閉式蝸桿傳動散熱較難，溫度升高，易導(dǎo)致 膠合,蝸桿軸剛度計算（由于蝸桿受力變形，影響輪齒正確嚙合,二材料選擇,對材料的要求：足夠強度，良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性,蝸桿碳鋼 如：40 45 合金鋼如：40Cr20Cr20CrMnTi,蝸輪較軟（多選青銅）進(jìn)行時效處理,vs3m/

8、s 重要場合： 鑄錫青銅如：ZCuSn10P1 ZCuSn5Pb5Zn5 vs 4m/s 較重要場合：鋁鐵青銅如：ZCuAl10Fe3 vs 2m/s 一般場合： 灰鑄鐵 如：HT200,對蝸桿要進(jìn)行必要的合理的熱處理措施，以提高其耐磨性及抗膠合的能力,由于蝸桿輪齒的強度高于蝸輪輪齒的強度，失效經(jīng)常發(fā)生在蝸輪輪齒上，一般只對蝸輪輪齒進(jìn)行承載能力計算,三、蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則,蝸桿的剛度計算,蝸輪的齒根彎曲疲勞強度計算 * 蝸輪的齒面接觸疲勞強度計算,為了防止齒面過度磨損引起的失效，應(yīng)進(jìn)行,傳動系統(tǒng)的熱平衡計算,為了防止蝸桿剛度不足引起的失效，應(yīng)進(jìn)行,為了防止過熱引起的失效，就要進(jìn)行,一受力分析（

9、不計入摩擦力,11-4普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,左旋伸左手,右旋伸右手,四指沿主動蝸桿轉(zhuǎn)向抓握,伸出拇指為主動輪受軸向力的方向,2力的方向,Fa1,n1,各分力方向判斷口訣,1.徑向力，指圓心； 2.切向力，主相反，從相同； 3.軸向力，主螺旋規(guī)則，右從三定律,難 點,1.受力方向的判斷 2.旋轉(zhuǎn)方向的判斷（根據(jù)受力方向,二、力的方向判斷,注意：蝸桿和蝸輪各分力方向之間的關(guān)系,圓錐齒輪受力從小端指向大端,圓錐齒輪轉(zhuǎn)向為“頭對頭,尾對尾,被動輪“右旋伸左手,左旋伸右手,主動輪“左旋伸左手,右旋伸右手,被動輪“右旋伸左手,左旋伸右手,主動輪“左旋伸左手,右旋伸右手,被動輪“右旋伸左手,左旋伸右

10、手,主動輪“左旋伸左手,右旋伸右手,右旋,設(shè)蝸桿1為動力輸入端，其轉(zhuǎn)向和蝸輪2的輪齒旋向如圖所示。若要使II、III、IV軸上所受的軸向力較小，試確定并在圖上標(biāo)出： （1）各軸的轉(zhuǎn)動方向；（2）各輪的軸向力方向； （3）輪3、4、5、6的螺旋線方向,作業(yè),作業(yè)答案,二強度計算,初選蝸桿頭數(shù)和效率,Z2,6,0.95,4,0.9,2,0.8,1,0.7,715,1430,2982,29-31,29-41,29-61,29-82,z1g效率 ，但加工困難。 z1 傳動比 i，但傳動效率 。(蝸桿頭數(shù)與傳動效率關(guān)系) 常取，z11，2，4，6。 可根據(jù)傳動比，參考表,校核式,設(shè)計式,1蝸輪齒面接觸疲

11、勞強度計算,式中,接觸線長度和曲率半徑對接觸強度的影響系數(shù),使用系數(shù)表,動載荷系數(shù)V3m/s取1.11.2,載荷分布不均系數(shù)無沖擊取1,否則1.31.6,160,按d1/a的初選值查圖,灰鑄鐵,鑄鋁鐵青銅查表, 鑄錫青銅查H,a圓整后估算,根據(jù)中心距a和傳動比i以及上述估算值查表定模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1，據(jù)d1/a復(fù)算接觸系數(shù),尺寸計算,可用，否則重新取d1/a和接觸系數(shù),K 為載荷系數(shù)，取K = KA Kv K,Z 接觸系數(shù)：接觸線長度和曲率半徑對接觸強度 的影響系數(shù),H 許用接觸應(yīng)力按下表選取,蝸桿傳動一般較平穩(wěn) 動載系數(shù)Kv ， 當(dāng)V2 3 m/s , Kv=11.1,當(dāng)V23 m/

12、s , Kv=1.11.2,齒向載荷分布系數(shù)K ，當(dāng)載荷平穩(wěn)時 ,取K =1,當(dāng)載荷變化時 ,取K =1.11.6,2.75,0.20,0.45,0.50,0.55,0.60,0.30,0.35,0.25,0.20,0.32,0.28,0.24,0.36,ZC 蝸桿,ZA、ZN、ZK 蝸桿亦可近似查用,ZI 蝸桿,圓柱蝸桿傳動的接觸系數(shù)Z,d1/a,Z,0.40,2蝸輪齒根彎曲疲勞強度計算,式中,據(jù)當(dāng)量齒數(shù)Zv2,x2查圖,查表,校核計算,設(shè)計公式,F 許用彎曲應(yīng)力,蝸輪的許用彎曲應(yīng)力F,蝸輪材料 鑄造方法,鑄錫青銅 砂鑄模型 40 29 ZCuSn10P1 金屬模鑄造 56 40,鑄錫鋅青銅

13、 砂鑄模型 26 22 ZCuSn5Pb5Zn5 金屬模鑄造 32 26,鑄鋁鐵青銅 砂鑄模型 80 57 ZCuAl10Fe3 金屬模鑄造 90 64,HT150 砂鑄模型 40 28 HT200 砂模鑄造 48 34,灰鑄鐵,單側(cè)工作 雙側(cè)工作 0F -1F,為什么蝸桿傳動的強度計算僅對蝸輪進(jìn)行,三蝸桿剛度計算（略,問題,一效率,為什么隨Vs增加, v下降? （Vs增加，油帶入多,問題,11-5普通圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,二潤滑,1潤滑油粘度選擇,高速輕載選粘度小 低速重載選粘度大,2潤滑方式,vs 5m/s 油池蝸桿浸油 vs 510m/s 油池或噴油蝸輪浸油 vs 10m

14、/s 噴油,三熱平衡計算,目的：控制溫升，防止膠合,條件：發(fā)熱量H1 = 散熱量H2,若 to 80 oC時如何？（增加散熱能力,增加散熱能力的措施,增加散熱面積 高速軸上裝風(fēng)扇 裝冷卻管路,問題,一蝸桿：整體式（可車可銑,二蝸輪,齒圈式：青銅齒圈與鑄鐵輪芯配合H7/r6而成，加裝緊定螺釘 用于尺寸不太大，工作溫度變化較小的場合 螺栓聯(lián)接式：用于尺寸較大或容易磨損的蝸輪， 可用普通螺栓也可用鉸制孔用螺栓進(jìn)行聯(lián)接 整體繞鑄式：主要用于鑄鐵蝸輪或尺寸很小的青銅蝸輪 拼鑄式：在鑄鐵輪芯上加鑄青銅齒圈，然后切齒， 只用于成批制造的蝸輪,11-6蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,11-5 設(shè)計輕紡機械中的一單級蝸桿

15、減速器，傳遞功率P=8.5kw，主動輪轉(zhuǎn)速n1=1460r/min,傳動比i=20，工作載荷穩(wěn)定，單向工作，長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，潤滑情況良好，要求工作壽命為15000小時。 解：選擇蝸桿傳動類型及材料 本題選用漸開線蝸桿，蝸桿材料為20Cr,滲碳淬火，齒面硬度58HRC，蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。 按齒面接觸疲勞強度進(jìn)行設(shè)計，按齒根彎曲疲勞強度校核。 按Z1=2估取效率,設(shè)計之初，為近似計算蝸輪軸上的轉(zhuǎn)矩，可按下表選取總效率,確定載荷系數(shù),蝸輪轉(zhuǎn)矩,使用系數(shù),齒向載荷分布系數(shù),載荷平穩(wěn)時取1；載荷變化較大取1.3 -1.6,動載荷系數(shù) K V =1.1,精確制造且 蝸輪圓周速度小于3m/s時 1