蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)

1、蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)摘要蝸桿傳動(dòng)從屬齒輪傳動(dòng)，在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。蝸輪蝸桿包含兩個(gè)部分：蝸桿和蝸輪，其齒形大多數(shù)由直線(xiàn)、平面或者平面上的曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)一次或兩次展成運(yùn)動(dòng)形成。由于蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)，它用于傳遞空間兩相錯(cuò)軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下蝸桿為主動(dòng)件，蝸輪為被動(dòng)件。蝸桿傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音小等特點(diǎn)。在機(jī)床制造業(yè)中，普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的應(yīng)用尤為普遍，并且?guī)缀醭闪艘话愕退賯鲃?dòng)工作臺(tái)和連續(xù)分度機(jī)構(gòu)的唯一傳動(dòng)形式；冶金工業(yè)軋機(jī)壓下機(jī)構(gòu)都采用大型蝸桿傳動(dòng);煤礦設(shè)備中的各種類(lèi)型的絞車(chē)及采煤機(jī)組牽引傳動(dòng);起重運(yùn)輸業(yè)中各種提升設(shè)備及無(wú)軌電車(chē)等都采用蝸桿傳動(dòng)。其他，在精密儀器設(shè)備、

2、軍工、宇宙觀測(cè)儀器中，蝸桿傳動(dòng)常用作分度機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)構(gòu)、測(cè)距機(jī)構(gòu)等等，大型天文望遠(yuǎn)鏡、雷達(dá)等也離不開(kāi)蝸桿傳動(dòng)。關(guān)鍵詞： 蝸輪 蝸桿 目錄第一章 蝸桿傳動(dòng)的類(lèi)型和特點(diǎn)11.1 蝸桿傳動(dòng)的類(lèi)型11.2 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)2第二章 蝸輪傳動(dòng)的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算32.1 蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)32.2 蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算6第三章 蝸輪傳動(dòng)的失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料和結(jié)構(gòu)73.1 蝸桿傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則73.2 蝸桿、蝸輪的材料和結(jié)構(gòu)8第四章 蝸輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算104.1蝸桿傳動(dòng)的受力分析104.2 蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算114.3 蝸輪輪齒的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算12第五章 蝸輪傳動(dòng)的

3、效率、潤(rùn)滑和熱平衡計(jì)算135.1蝸桿傳動(dòng)的效率135.2 蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑135.3 蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算15結(jié)論17致謝18參考文獻(xiàn)19西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 蝸桿傳動(dòng)的類(lèi)型和特點(diǎn)蝸桿傳動(dòng)由蝸桿、蝸輪和機(jī)架組成，用來(lái)傳遞空間兩交錯(cuò)軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。如圖1-1所示。通常兩軸交錯(cuò)角為90,蝸桿為主動(dòng)件。1.1 蝸桿傳動(dòng)的類(lèi)型如圖1-2所示，根據(jù)蝸桿的形狀，蝸桿傳動(dòng)可分為圓柱蝸桿傳動(dòng)（圖a），環(huán)面蝸桿傳動(dòng)（圖b）,和錐面蝸桿傳動(dòng)(圖c)。圖1-1蝸桿傳動(dòng)圓柱蝸桿傳動(dòng)，按蝸桿軸面齒型又可分為普通蝸桿傳動(dòng)和圓弧齒圓柱蝸桿傳動(dòng)。普通蝸桿傳動(dòng)多用直母線(xiàn)刀刃的車(chē)刀在車(chē)床上切制，可分為阿基

4、米德蝸桿（ZA型）、漸開(kāi)蝸桿（ZI型）和法面直齒廓蝸桿（ZH型）等幾種。a) b) c) 圖1-2蝸桿傳動(dòng)的類(lèi)型如圖1-3所示，車(chē)制阿基米德蝸桿時(shí)刀刃頂平面通過(guò)蝸桿軸線(xiàn)。該蝸桿軸向齒廓為直線(xiàn)，端面齒廓為阿基米德螺旋線(xiàn)。阿基米德蝸桿易車(chē)削難磨削，通常在無(wú)需磨削加工情況下被采用，廣泛用于轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合。如圖1-4所示，車(chē)制漸開(kāi)線(xiàn)蝸桿時(shí)，刀刃頂平面與基圓柱相切，兩把刀具分別切出左、右側(cè)螺旋面。該蝸桿軸向齒廓為外凸曲線(xiàn)，端面齒廓為漸開(kāi)線(xiàn)。漸開(kāi)線(xiàn)蝸桿可在專(zhuān)用機(jī)床上磨削，制造精度較高，可用于轉(zhuǎn)速較高功率較大的傳動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)類(lèi)型很多，本章僅討論目前應(yīng)用最為廣泛的阿基米德蝸桿傳動(dòng)。1.2 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)(1)

5、傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。單級(jí)傳動(dòng)比一般為1040(40228322752287250812880402.模數(shù)m和壓力角由于蝸桿傳動(dòng)在主平面內(nèi)相當(dāng)于漸開(kāi)線(xiàn)齒輪與齒條的嚙合，而主平面是蝸桿的軸向平面又是蝸輪的端面（見(jiàn)圖2-2），與齒輪傳動(dòng)相同，為保證輪齒的正確嚙合，蝸桿的軸向模數(shù)ma1應(yīng)等于蝸輪的端面模數(shù)mt2；蝸桿的軸向壓力角應(yīng)等于蝸輪的端面壓力角；蝸桿分度圓導(dǎo)程角應(yīng)等于蝸輪分度圓螺旋角，且兩者螺旋方向相同。即：3.蝸桿的分度圓直徑d1和導(dǎo)程角如圖2-3所示，將蝸桿分度圓柱展開(kāi)，其螺旋線(xiàn)與端平面的夾角稱(chēng)為蝸桿的導(dǎo)程角?？傻茫?(2-1)式中：pa1為蝸桿軸向齒距(mm)；d

6、1為蝸桿分度圓直徑（mm）。蝸桿的螺旋線(xiàn)與螺紋相似也分左旋和右旋，一般多為右旋。對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)為提高效率應(yīng)采用較大的值，即采用多頭蝸桿；對(duì)要求具有自鎖性能的傳動(dòng)，應(yīng)采用80100時(shí)，所以在齒數(shù)少于以上數(shù)值時(shí)，彎曲強(qiáng)度校核可不考慮。圖3-2滑動(dòng)速度vs的概略值3.2 蝸桿、蝸輪的材料和結(jié)構(gòu)1.蝸桿、蝸輪的材料選擇根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式可知，蝸桿和蝸輪材料不僅要求有足夠的強(qiáng)度，更重要的是要具有良好的減摩性、耐磨性和抗膠合能力。蝸桿一般用碳鋼或合金鋼制造。對(duì)高速重載傳動(dòng)常用15Cr、20Cr、20CrMnTi等，經(jīng)滲碳淬火，表面硬度5662HRC,須經(jīng)磨削。對(duì)中速中載傳動(dòng)，蝸桿材料可用45、40Cr

7、、35SiMn等，表面淬火，表面硬度4555HRC，須要磨削。對(duì)速度不高，載荷不大的蝸桿，材料可用45鋼調(diào)質(zhì)或正火處理，調(diào)質(zhì)硬度220270HBS。蝸輪材料可參考相對(duì)滑動(dòng)速度vs來(lái)選擇。鑄造錫青銅抗膠合性、耐磨性好，易加工，允許的滑動(dòng)速度vs高，但強(qiáng)度較低，價(jià)格較貴。一般ZCuSn10P1允許滑動(dòng)速度可25m/s, ZCuSn5Pb5Zn5常用于vs12m/s的場(chǎng)合。鑄造鋁青銅，如ZCuAl10Fe3,其減磨性和抗膠合性比錫青銅差，但強(qiáng)度高，價(jià)格便宜，一般用于vs4m/s的傳動(dòng)?；诣T鐵（HT150、HT200），用于vs2m/s的低速輕載傳動(dòng)中。2.蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)a） b）圖3-3蝸桿軸結(jié)構(gòu)

8、蝸桿常和軸做成一體，稱(chēng)為蝸桿軸，如圖3-3所示（只有df /d 1.7時(shí)才采用蝸桿齒圈套裝在軸上的型式）。車(chē)制蝸桿需有退刀槽，d=df (24)mm，故剛性較差（圖a）；銑削蝸桿無(wú)退刀槽時(shí)d可大于df (圖b)，剛性較好。 a) b) c) d) 圖3-4 蝸輪結(jié)構(gòu)蝸輪結(jié)構(gòu)分為整體式和組合式兩種，如圖3-4所示。圖a)所示的整體式蝸輪用于鑄鐵蝸輪及直徑小于100mm的青銅蝸輪。圖b)、c)、d)均為組合式結(jié)構(gòu)，其中圖b）為齒圈式蝸輪，輪芯用鑄鐵或鑄鋼制造，齒圈用青銅材料，兩者采用過(guò)盈配合（H7/s6或H7/r6），并沿配合面安裝46個(gè)緊定螺釘，該結(jié)構(gòu)用于中等尺寸而且工作溫度變化較小的場(chǎng)合。圖c

9、）為螺栓式蝸輪，齒圈和輪芯用普通螺栓或鉸制孔螺栓連接，常用于尺寸較大的蝸輪。圖d）為鑲鑄式蝸輪，將青銅輪緣鑄在鑄鐵輪芯上然后切齒，適用于中等尺寸批量生產(chǎn)的蝸輪。第四章 蝸輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算4.1蝸桿傳動(dòng)的受力分析圖4-1 蝸桿傳動(dòng)受力分析蝸桿傳動(dòng)受力分析與斜齒圓柱齒輪的受力分析相似，齒面上的法向力Fn可分解為三個(gè)相互垂直的分力：圓周力Ft 、軸向力Fa、徑向力Fr ，如圖4-1所示。蝸桿為主動(dòng)件，軸向力Fa1的方向由左、右手定則確定。圖4-1為右旋蝸桿，用右手四指指向蝸桿轉(zhuǎn)向，拇指所指方向就是軸向力Fa1的方向。圓周力Ft1與主動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)向相反；徑向力Fr1指向蝸桿中心。蝸輪受力方向，由Ft1與F

10、a2、Fa1與Ft2、Fr1與Fr2的作用力與反作用力關(guān)系確定（圖4-1）。各力的大小可按下式計(jì)算： N （4-1） N (4-2) N (4-3) Nmm (4-4)式中：T1、T2分別為作用在蝸桿和蝸輪上的轉(zhuǎn)矩，為蝸桿傳動(dòng)的總效率。4.2 蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算與斜齒輪相似，以赫茲公式為計(jì)算基礎(chǔ)，按節(jié)點(diǎn)處的嚙合條件計(jì)算齒面接觸應(yīng)力，可推出對(duì)鋼制蝸桿與青銅蝸輪或鑄鐵蝸輪校核公式如下： （4-5）設(shè)計(jì)公式為： （4-6）式中：T2為蝸輪軸的轉(zhuǎn)矩，Nmm；K為載荷系數(shù)K=11.5,當(dāng)載荷平穩(wěn)相對(duì)滑動(dòng)速度較小時(shí)（vS 3m/s）取較小值，反之取較大值，嚴(yán)重沖擊時(shí)取K=1.

11、5；H 蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力，MPa。當(dāng)蝸輪材料為錫青銅（b25107時(shí)應(yīng)取N=25107,時(shí)應(yīng)取。當(dāng)蝸輪的材料為鋁青銅或鑄鐵（b300MPa）時(shí)，蝸輪的主要失效形式為膠合，許用應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無(wú)關(guān)其值如表4-1所示。表4-1 錫青銅蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力0H (N=107) MPa蝸輪材料鑄造方法適用的滑動(dòng)速度vSm/s蝸桿齒面硬度350HB45HRCZCuSn10P1砂 型金屬型1225180200200220ZCuSn5Pb5Zn5砂 型金屬型1012110135125150 表4-2鑄鋁青銅及鑄鐵蝸輪的許用接觸應(yīng)力H MPa蝸輪材料蝸桿材料滑動(dòng)速度vS（m/s）0.5123468Z

12、CuAl10Fe3淬火鋼25023021018016012090HT150；HT200滲碳鋼13011590HT150調(diào)質(zhì)鋼11090704.3 蝸輪輪齒的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算由于蝸輪輪齒的齒形比較復(fù)雜，要精確計(jì)算輪齒的彎曲應(yīng)力比較困難，通常近似地將蝸輪看作斜齒輪按圓柱齒輪彎曲強(qiáng)度公式來(lái)計(jì)算，化簡(jiǎn)后齒根彎曲強(qiáng)度的校核公式為： （4-7） 設(shè)計(jì)公式為： （4-8） 式中：YF2 蝸輪的齒形系數(shù)，按蝸輪的實(shí)有齒數(shù)Z2查表7-6；F 蝸輪材料的許用彎曲應(yīng)力，F(xiàn)=YN 0F 。0F為蝸輪材料的基本許用彎曲應(yīng)力，如表7-7所示。YN為壽命系數(shù)，N = 60N2Lh。當(dāng)N 25107時(shí)，取N =25107

13、，當(dāng)N 5m/s時(shí)常用上置式（圖5-1c），油面允許達(dá)到蝸輪半徑1/3處。表5-1當(dāng)量摩擦系數(shù)fv和當(dāng)量摩擦角v蝸輪材料錫青銅鋁青銅灰鑄鐵蝸桿齒面硬度45HRC45HRC45HRC45HRC45HRC滑動(dòng)速度vs (m/s)fvvfvvfvvfvvfvv0.010.1106170.1206510.18010120.01810120.19010450.050.0905090.1005430.1407580.1407580.1609050.100.0804340.0905090.1307240.1307240.1407580.250.0653430.0754170.1005430.1005430.

14、1206510.500.0553090.0653430.0905090.0905090.1005431.000.0452350.0553090.0704000.0704000.0905091.500.0402170.0502520.0653430.0653430.0804342.000.0352000.0452350.0553090.0553090.0704002.500.0301430.0402170.0502523.000.0281360.0352000.0452354.000.0241220.0311470.0402175.000.0221160.0291400.0352008.000.

15、0181020.0261290.03014310.00.0160550.02412215.00.0140480.02010924.00.013045注：對(duì)于硬度45HRC的蝸桿，v值系指Ra 0.321.25m，經(jīng)跑合并充分潤(rùn)滑的情況。表5-2蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑油粘度及潤(rùn)滑方法滑動(dòng)速度vS (m/s)12.551011512525工 作 條 件重載重載中載運(yùn)動(dòng)粘度40 (mm2/s)100068032022015010068潤(rùn) 滑 方 法浸 油浸油或噴油噴油潤(rùn)滑，油壓（MPa）0.070.20.35.3 蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算蝸桿傳動(dòng)效率低，發(fā)熱量大，若產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散逸，將使油溫升高，油粘度下

16、降，油膜破壞，磨損加劇，甚至產(chǎn)生膠合破壞。因此對(duì)連續(xù)工作的蝸桿傳動(dòng)應(yīng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算。在單位時(shí)間內(nèi)，蝸桿傳動(dòng)由于摩擦損耗產(chǎn)生的熱量為： W式中：P1 蝸桿傳動(dòng)的輸入功率（KW）； 蝸桿傳動(dòng)的效率。自然冷卻時(shí)單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)箱體外壁散逸到周?chē)諝庵械臒崃繛椋?W式中：KS為散熱系數(shù)，可取Ks=(817)W/m2，通風(fēng)良好時(shí)取大值；A為散熱面積（m2）；t1為箱體內(nèi)的油溫，一般取許用油溫t1=6080，最高不超過(guò)90；t0為周?chē)諝獾臏囟?，通常取t0=20。按熱平衡條件Q1= Q2，可得工作條件下的油溫為： （5-3）a） b) c)圖5-1蝸桿傳動(dòng)的散熱方法若工作溫度超過(guò)許用溫度，可采用下列措施：在箱

17、體殼外鑄出散熱片，增加散熱面積A。在蝸桿軸上裝風(fēng)扇（圖5-1a），提高散熱系數(shù)，此時(shí)Ks2028W/m2。加冷卻裝置。在箱體油池內(nèi)裝蛇形冷卻管，或用循環(huán)油冷卻。結(jié)論在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，使我發(fā)現(xiàn)了自己不足的地方，也遇到了很多問(wèn)題，往往通過(guò)課本上的知識(shí)是不能解決問(wèn)題的。其中許多知識(shí)不需要死記硬背，只要能正確理解它們中的含意，并能在設(shè)計(jì)時(shí)正確使用即可。同時(shí)在自己不能解決的時(shí)候通過(guò)和指導(dǎo)老師，同學(xué)討論，最終解決了問(wèn)題。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我學(xué)到了更多的知識(shí)，來(lái)彌補(bǔ)自己在學(xué)習(xí)上的不足，同時(shí)也使自己學(xué)有所用，把這三年來(lái)在學(xué)校所學(xué)運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中。在這里我感謝指導(dǎo)老師多年來(lái)的悉心教導(dǎo)，以及同學(xué)的大力幫助。

18、經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)讓我明白了只有通過(guò)不斷的努力才能取地更大的進(jìn)步。致謝在老師的熱心幫助下和作者的努力下完成了這次作業(yè)。在這過(guò)程中，我把作業(yè)所涉及到的課本都系統(tǒng)地復(fù)習(xí)了一遍，有的比以前學(xué)的更透徹，而且有了整體概念。同時(shí)還把這些課本的內(nèi)容都聯(lián)系了起來(lái)，整合到了一份作業(yè)上，真可謂全兵演練，真的受益非淺。然而，通過(guò)這次作業(yè)也暴露出了不足之處，概念模糊、工作原理搞不清、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、缺乏創(chuàng)新理念等等。這些不足在以后的工作中肯定起到很大的反作用，阻礙工作進(jìn)展，所以我會(huì)狠下功夫，改掉這些不足。 在學(xué)習(xí)和生活期間，我始終感受著導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和無(wú)私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。同時(shí)我在網(wǎng)上也搜集了不少資料，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成?？傊?通過(guò)這么長(zhǎng)時(shí)間的合作我們的團(tuán)