渦輪蝸桿傳動設計

1、廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 第第11章蝸桿傳動章蝸桿傳動11-1蝸桿傳動概述蝸桿傳動概述11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型11-3普通蝸桿傳動的參數(shù)與尺寸普通蝸桿傳動的參數(shù)與尺寸11-4普通蝸桿傳動的承載能力計算普通蝸桿傳動的承載能力計算11-6圓柱蝸桿與蝸輪的結構設計圓柱蝸桿與蝸輪的結構設計11-5蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制11-1蝸桿傳動蝸桿傳動 概述概述 作用：作用： 用于傳遞交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動和動力。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。蝸桿主動、蝸輪從

2、動。9090形成：形成：若單個斜齒輪的齒數(shù)很少若單個斜齒輪的齒數(shù)很少（如（如z1=1）而且而且1 1很很大時，大時，輪齒在圓柱體上構成多圈完整的螺旋。輪齒在圓柱體上構成多圈完整的螺旋。11 1所得齒輪稱為所得齒輪稱為 蝸桿蝸桿, ,而嚙合件稱為而嚙合件稱為 蝸輪。蝸輪。蝸桿蝸桿22 2蝸輪蝸輪廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制改進措施：改進措施：將刀具做成蝸桿狀，用范成法切制蝸輪，將刀具做成蝸桿狀，用范成法切制蝸輪，所得蝸輪蝸桿為所得蝸輪蝸桿為線接觸線接觸。點接觸點接觸優(yōu)點：優(yōu)點： 傳動比大、結構緊湊、傳動平穩(wěn)、噪聲小。傳動比大、結構緊湊、傳動平穩(wěn)、噪聲小。分度機構：分度機構：

3、i i=1000, =1000, 通常通常i i=8=88080缺點：缺點： 傳動效率低、蝸輪齒圈用青銅制造，成本高。傳動效率低、蝸輪齒圈用青銅制造，成本高。線接觸線接觸廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 圓柱蝸桿圓柱蝸桿11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 環(huán)面蝸桿環(huán)面蝸桿錐蝸桿錐蝸桿 錐蝸桿傳動中，蝸桿是由在節(jié)錐上分布的等導程的螺旋形成的，而蝸輪在外觀上就像一個曲線錐齒輪，它是用與錐蝸桿相似的錐滾刀在普

4、通滾齒機加工而成的。廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 普通圓柱蝸桿的齒面一般是在車床上用普通圓柱蝸桿的齒面一般是在車床上用直線刀刃直線刀刃的車刀切制而成，車刀安裝位置不同，加工出的蝸桿的車刀切制而成，車刀安裝位置不同，加工出的蝸桿齒面的齒廓形狀不同。齒面的齒廓形狀不同。潘存云教授研制普通圓柱蝸桿普通圓柱蝸桿廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿

5、傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱蝸桿圓弧圓柱蝸桿圓弧圓柱蝸桿傳動與普通圓柱蝸桿傳動的區(qū)別僅圓弧圓柱蝸桿傳動與普通圓柱蝸桿傳動的區(qū)別僅是加工用的車刀為是加工用的車刀為圓弧刀刃圓弧刀刃。傳動特點：傳動特點：1）傳動效率高，一般可達傳動效率高，一般可達90%以上；以上；2）承載能力高，約為普通圓柱蝸桿的承載能力高，約為普通圓柱蝸桿的1.52.5倍；倍；3）結構緊湊。結構緊湊。廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸

6、桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿漸開線蝸桿漸開線蝸桿 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿 阿基米德螺線阿基米德螺線2阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿單刀加工單刀加工阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿(ZA)廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿漸開線蝸桿漸開線蝸桿

7、 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿 阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿(ZA)阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿雙刀加工雙刀加工潘存云教授研制阿基米德螺線阿基米德螺線廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿漸開線蝸桿漸開線蝸桿 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿 漸開線蝸桿漸開線蝸桿(ZI)漸開線蝸桿漸開線蝸桿漸開線漸開線基圓基圓廣西工學院專用 作

8、者： 潘存云教授 潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿漸開線蝸桿漸開線蝸桿 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿 潘存云教授研制dx延伸漸開線延伸漸開線車刀對中齒厚中心法面車刀對中齒厚中心法面法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿(ZN)廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳

9、動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿漸開線蝸桿漸開線蝸桿 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿(ZN) dx延伸漸開線延伸漸開線 2車刀對中齒槽中心法面車刀對中齒槽中心法面廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿漸開線

10、蝸桿漸開線蝸桿 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿(ZK)2近似于阿基米德螺線近似于阿基米德螺線是一種非線性螺旋齒面是一種非線性螺旋齒面蝸桿。不能在車床上加蝸桿。不能在車床上加工，只能在銑削或磨削，工，只能在銑削或磨削，加工時工件作加工時工件作螺旋運動螺旋運動，刀具作刀具作旋轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動。砂輪砂輪廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 阿基米德蝸桿阿基米德

11、蝸桿漸開線蝸桿漸開線蝸桿 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿 環(huán)面蝸桿傳動特點：環(huán)面蝸桿傳動特點： （1）傳動效率高，一般可達傳動效率高，一般可達85 % 90%；（2）承載能力高，約為承載能力高，約為阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿的的24倍；倍；（3）要求制造和安裝精度高。要求制造和安裝精度高。潘存云教授研制環(huán)面蝸桿環(huán)面蝸桿廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制類類型型環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動 圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動 11-2蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動 普通圓柱普通圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 圓弧圓柱圓弧圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動 阿基米德蝸桿阿基米

12、德蝸桿漸開線蝸桿漸開線蝸桿 法向直廓蝸桿法向直廓蝸桿 錐面包絡圓柱蝸桿錐面包絡圓柱蝸桿 錐蝸桿傳動特點：錐蝸桿傳動特點： 錐蝸桿錐蝸桿（1）同時接觸的點數(shù)較多，重合度大；同時接觸的點數(shù)較多，重合度大； （2）傳動比范圍大，一般為傳動比范圍大，一般為10360； （3）承載能力和傳動效率高；承載能力和傳動效率高； （4）制造安裝簡便，工藝性好。制造安裝簡便，工藝性好。 阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿最常用最常用廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制d d蝸桿旋向：蝸桿旋向：左旋、右旋左旋、右旋( (常用常用) )1 11 1精度等級：精度等級：對于一般動力傳動，按如下等級制造：對于一般動力

13、傳動，按如下等級制造：v v1 17.5 m/s 77.5 m/s 7級精度級精度v v1 1 3 m/s 8 3 m/s 8級精度級精度v v1 11.5 m/s 912 12 m/s m/s時時 ZCuSn10P1 ZCuSn10P1錫青銅制造。錫青銅制造。vS S 12 12 m/s m/s時時 ZCuSn5Pb5Zn5 ZCuSn5Pb5Zn5錫青銅錫青銅vS S 6 6 m/sm/s時時 ZCuAl10Fe3 ZCuAl10Fe3鋁青銅。鋁青銅。vS S 2 2 m/sm/s時時球墨鑄鐵、灰鑄鐵。球墨鑄鐵、灰鑄鐵。11-4普通蝸桿傳動的承載能力計算普通蝸桿傳動的承載能力計算蝸桿傳動的

14、特點是齒面相對滑動速度大，導致發(fā)熱嚴重和磨損加劇。二、蝸桿傳動的常用材料二、蝸桿傳動的常用材料 廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 三、蝸桿傳動的設計準則三、蝸桿傳動的設計準則 * 蝸桿的剛度計算蝸桿的剛度計算 * 蝸輪的齒根彎曲疲勞強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，應進行為了防止齒面過度磨損引起的失效，應進行* 傳動系統(tǒng)的熱平衡計算傳動系統(tǒng)的熱平衡計算 為了防止蝸桿剛度不足引起的失效，應進行為了防止蝸桿剛度不足引起的失效，應進行為了防止過熱引起的失效，就要進行為了防止過熱引起的失效，就要進行 廣西工學院專

15、用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制四、四、圓柱蝸桿傳動的受力分析圓柱蝸桿傳動的受力分析Ft2Fr2Fa2Ft1Fr1Fa12法向力可分解為三個分力：法向力可分解為三個分力：圓周力圓周力Ft軸向力軸向力Fa徑向力徑向力Fr且有如下關系：且有如下關系：Ft1 = Fa2 Fr1 = Fr2 Fa1 = Ft2 =2T1 / / d1 =2T2 / / d2 = Ft2 tan式中式中T1 、T1分別為作用在蝸桿與蝸輪上的扭矩。分別為作用在蝸桿與蝸輪上的扭矩。T2= T1 i 2廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授右旋蝸桿：右旋蝸桿：伸出左手，四指順蝸桿轉(zhuǎn)向，則蝸輪

16、的伸出左手，四指順蝸桿轉(zhuǎn)向，則蝸輪的 切向速切向速 度度vp2p2的方向與拇指指向相同。的方向與拇指指向相同。蝸輪由蝸桿推動，所受切向力與速度方向一致，蝸輪由蝸桿推動，所受切向力與速度方向一致，正確判別蝸輪的轉(zhuǎn)向，對進行力分析至關重要。正確判別蝸輪的轉(zhuǎn)向，對進行力分析至關重要。左旋蝸桿：左旋蝸桿：用右手判斷，方法一樣。用右手判斷，方法一樣。作者：潘存云教授設計：潘存云設計：潘存云1 11 112p12p2 22 2v2v2Ft2Fa1Ft2Fa1蝸輪的轉(zhuǎn)向可用手勢判別：蝸輪的轉(zhuǎn)向可用手勢判別：模型驗證模型驗證廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制蝸桿傳動受力方向的判定

17、蝸桿傳動受力方向的判定 12pFt2t2Fa1Fr1Fr2r22 2(2)(2)蝸輪切向力指向與其轉(zhuǎn)動方向一致，且蝸輪切向力指向與其轉(zhuǎn)動方向一致，且 Ft2=-=-Fa1 ；(4)(4)蝸輪蝸桿所受徑向力垂直于各自的軸線，蝸輪蝸桿所受徑向力垂直于各自的軸線， 且且 Ft1=-=-Fa2 。(3)(3)蝸桿切向力指向與其轉(zhuǎn)動方向相反，且蝸桿切向力指向與其轉(zhuǎn)動方向相反，且 Ft1=-=-Fa2 ； (1)(1)蝸桿所受扭矩蝸桿所受扭矩T T1 1與轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)動方向1 1一致；一致；T T1 1T T1 111 1Ft1t1Ft1Fa2a2Fa2廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 五、五、 圓柱蝸

18、桿傳動的強度計算圓柱蝸桿傳動的強度計算齒面接觸強度校核公式：齒面接觸強度校核公式：L0 KFnH = = ZE Ea3KT2= = ZE EZ H 由上式可得設計公式：由上式可得設計公式：式中式中K為載荷系數(shù)，取為載荷系數(shù)，取K = KA Kv K Z接觸線長度和曲率半徑對接觸強度的影響系數(shù)。接觸線長度和曲率半徑對接觸強度的影響系數(shù)。蝸輪齒面的接觸強度計算與斜齒輪相似，仍以赫茲公式為基礎。以蝸輪蝸桿的節(jié)點處嚙合相應參數(shù)代入即可。22212121nH1111EEbF赫茲公式赫茲公式: a KT2 H ZE EZ23 H 許用接觸應力按下表選取。許用接觸應力按下表選取。(1)接觸強度接觸強度 廣西

19、工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 d1/a3.6 3.2 2.8 2.4 2.0 影響系數(shù)影響系數(shù)ZZC蝸桿蝸桿使用系數(shù)使用系數(shù)KA工作類型工作類型 I II III I II III 載荷性質(zhì)載荷性質(zhì) 均勻、無沖擊均勻、無沖擊 不均勻、小沖擊不均勻、小沖擊 不均勻、大沖擊不均勻、大沖擊 每小時啟動次數(shù)每小時啟動次數(shù) 25 2550 50 50 起動載荷起動載荷 小小 較較 大大 大大 KA 1 1.15 1.2 1 1.15 1.2 動載系數(shù)動載系數(shù)Kv ， 當當V V2 2 3 m/s , 3 m/

20、s , Kv=1=11.1 1.1 當當V V2 233 m/s , m/s , Kv=1.1=1.11.2 1.2 齒向載荷分布系數(shù)齒向載荷分布系數(shù)K ，當載荷平穩(wěn)時，當載荷平穩(wěn)時 , ,取取K =1=1 當載荷變化時當載荷變化時 , ,取取K =1.1=1.11.3 1.3 ZA,ZI,ZN,ZK蝸桿蝸桿廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 灰鑄鐵及鑄鋁鐵青銅蝸輪的許用接觸應力灰鑄鐵及鑄鋁鐵青銅蝸輪的許用接觸應力 H H MPa MPa材材 料料 滑動速度滑動速度 vs s/(m/s)(m/s)蝸蝸 桿桿 蝸蝸 輪輪 0.25 0.25 0.5 1 2 3 445 其他情況其他情況 HRC4

21、5 HRC45 其它其它 滑動速度滑動速度 fv v v v fv v v v fv v v v fv v v v fv v v v 0.01 0.11 6 170.12 651 0.18 10120.18 10120.19 10450.10 0.08 4 34 0.09 543 0.13 724 0.14 758 0.16 9050.50 0.055 309 0.065 343 0.09 509 0.09 509 0.1 5431.00 0.045 235 0.055 309 0.07 4 0.07 4 0.09 509 2.00 0.035 2 0.045 235 0.055 309 0.

22、07 4vs /(m/s)廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 潘存云教授研制蝸桿加工困難蝸桿加工困難 過大過大當當 28 時，效率時，效率增加很少。增加很少。當當 v v 時，蝸桿具有時，蝸桿具有自鎖性，但效率自鎖性，但效率很低。很低。50%=（0.950.96）tan(tan(+v v ) )tantan 分析分析上述公式不直觀，工程上常用以下估計值。閉式傳動：閉式傳動：z1=1 =0.700.75z1=2 =0.750.82z1=4 =0.870.92z1=1、2 =0.600.70開式傳動：開式傳動：0 10 20 30 40 50 20406080100效率效率/(%) 在在=45=4

23、5- -/2 /2 處效率曲線有極大值。處效率曲線有極大值。f v v =tan=tanv v =0.12 =0.12對動力傳動，宜采用多頭蝸桿對動力傳動，宜采用多頭蝸桿自鎖極限自鎖極限一般取一般取 510 1015 1525 25 載荷類型載荷類型 重重 重重 中中 （不限）（不限）（不限）（不限） （不限）（不限）（不限）（不限）900 500 350 220 150 100 80 運動粘度運動粘度 v/cSt（40 ）蝸桿傳動的相對滑動蝸桿傳動的相對滑動速度速度vs/(m/s)給油方法給油方法 油池潤滑油池潤滑 噴油潤滑噴油潤滑或或 油池潤滑油池潤滑 噴油壓力噴油壓力 MPa 0.7 2

24、 3 表表11-5蝸桿傳動的潤滑油粘度薦用值及給油方法蝸桿傳動的潤滑油粘度薦用值及給油方法當當vs 510 m/s時，采用油池浸油潤滑。為了減少攪油時，采用油池浸油潤滑。為了減少攪油損失，下置式蝸桿不宜浸油過深，約為損失，下置式蝸桿不宜浸油過深，約為一個齒高一個齒高。當當vs 1015 m/s時，采用壓力噴油潤滑。時，采用壓力噴油潤滑。當當v1 4 m/s時，采用蝸桿在上的結構。時，采用蝸桿在上的結構。ra/3 一一個個齒齒高高廣西工學院專用 作者： 潘存云教授 三、三、蝸桿傳動的熱平衡計算蝸桿傳動的熱平衡計算由于蝸桿傳動效率低，發(fā)熱量大，若不及時散熱，會引起箱體內(nèi)，油溫升高，潤滑失效，導致輪

25、齒磨損加劇，甚至出現(xiàn)膠合。因此，對連續(xù)工作的閉式蝸桿傳動必須進行熱平衡計算由熱平衡條件由熱平衡條件HH1 1= = HH2, 2, 得：得：ta = ta + d d S S10001000P P1 1(1-(1-) ) 其中其中P P1 1 蝸桿傳遞的功率；蝸桿傳遞的功率；d d表面散熱系數(shù)；一般取表面散熱系數(shù)；一般取d d=8.1517.45 W/(m2 )S散熱面積散熱面積(m(m2 2), ), 指箱體外壁與空氣接觸而內(nèi)壁被指箱體外壁與空氣接觸而內(nèi)壁被油飛濺到的箱殼面積。對于箱體上的散熱片，其散熱油飛濺到的箱殼面積。對于箱體上的散熱片，其散熱面積按面積按50%50%計算。計算。摩擦損耗產(chǎn)生的熱量摩擦損耗產(chǎn)生的熱量 H H1 1=1000P=1000P1 1(1-(1-) ) 箱璧散發(fā)的熱量箱璧散發(fā)的熱量 H H2 2= =d d S S( (t t0 0- - t ta a ) )