章蝸桿傳動設計新方案PPT學習教案

1、會計學1第四章 蝸桿傳動設計概述圓柱蝸桿傳動二、蝸桿傳動的類型環(huán)面蝸桿傳動錐面蝸桿傳動普通圓柱蝸桿傳動圓弧圓柱蝸桿傳動本章主要討論圓柱蝸桿傳動的設計圓弧圓柱蝸桿圓柱蝸桿環(huán)面蝸桿錐面蝸桿第1頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計概述1、普通圓柱蝸桿傳動阿基米德蝸桿傳動（ZA）漸開線蝸桿傳動（ZI）法向直齒廓蝸桿傳動（ZN）錐面包絡蝸桿傳動（ZK）蝸桿用直母線刀刃車制車刀切削平面通過蝸桿軸線，橫截面內齒廓為阿基米德螺旋線用盤銑刀加工蝸桿。銑刀放置在齒槽的法面內，各剖面齒廓均為曲線車刀切削平面與基圓相切，橫截面內齒廓為漸開線車刀切削平面位于螺旋面的法面上，適合于大導程角的蝸桿加工蝸輪用滾刀滾制第2頁/共4

2、2頁第四章 蝸桿傳動設計概述2、圓弧圓柱蝸桿傳動（ZC型）用圓弧刃車刀車削用環(huán)面砂輪磨削軸向剖面內蝸桿齒廓呈凹弧形，而蝸輪齒廓呈凸弧形，承載能力較普通型高50150% ，傳動效率達90%第3頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計概述三、蝸桿傳動類型的選擇 可選阿基米德蝸桿傳動（不易磨削，難獲高精度） 可選圓弧圓柱蝸桿傳動 可選漸開線、法向直廓或錐面包絡蝸桿傳動 可選環(huán)面蝸桿傳動 可選阿基米德蝸桿傳動第4頁/共42頁蝸桿蝸輪第四章 蝸桿傳動設計主要參數4-2 圓柱蝸桿傳動的主要參數及幾何尺寸一、普通圓柱蝸桿傳動的主要參數（以 ZA 蝸桿傳動為例） 模數 m 和壓力角中間平面 包含蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸

3、線的平面蝸輪滾刀的幾何參數與相配蝸桿的幾何參數相同對于蝸桿：中間平面是軸面對于蝸輪：中間平面是端面第5頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計主要參數正確嚙合條件：mx1 = mt2 = mx1 = t 2 = = 20在中間平面內蝸桿軸面模數蝸輪端面模數標準模數蝸輪端面壓力角蝸桿軸面壓力角 蝸桿導程角與蝸輪螺旋角=90 時： = d1 蝸桿分度圓直徑 d1 及直徑系數 q d1 標準系列值， 并與模數 m 匹配 蝸桿直徑系數： d1 = m q 蝸輪分度圓直徑： d2 = m z2 目的：減少蝸輪滾刀數量，便于刀具標準化mdq1 第6頁/共42頁小大，走刀快大第四章 蝸桿傳動設計主要參數q 與導程角

4、之關系：1ztandp 1x1dpz mqmz 1 蝸桿頭數軸向齒距px mqz1 z1 = 1 6 傳動比 i 及蝸桿頭數 z1、蝸輪齒數 z2 z1 少，則小，效率低 z1 過多,則大，制造困難)(212mqmzdd因因蝸桿導程 pz通常取 z1 1，要求自鎖或傳動比大時取 z1 = 1 1221zznni ?12dd 12dd n1起吊裝置要求反行程自鎖第7頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計主要參數蝸輪齒數 z2 = i z1常取 z2 = 32 63= 28 80提高運動平穩(wěn)性避免蝸桿軸過長而剛度不足 齒面間相對滑動速度 vss/msincos21s vvv 由此可見，vs v1、v2所

5、以蝸桿傳動摩擦損失大，效率低。21svvv 第8頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計主要參數 蝸桿傳動的變位及蝸輪變位系數2目的： 或 。特點：只對蝸輪進行變位，蝸桿不變位；變位后，d2d2，而 d1d1湊中心距的變位（a 改變，z2 不變）：例：m4 mm， a124 mm，需湊標準中心距 125 mm。maa 2 25. 041241252 maa 幾種變位情況變位后2 maa 蝸輪變位系數a 變位前中心距a 變位后中心距m 模數滾刀遠離蝸輪中心第9頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計主要參數湊傳動比的變位（a a，z2z2）：蝸輪齒數：變位前是 z2 ，變位后是 z2 221mzda 221mz

6、da 要求：aa 故：2222zz 變位前：變位后：5 . 0240392222 zz 例：已知 ，齒頂會變尖；，則會產生根切取 z240，則滾刀靠近蝸輪中心先改變傳動比，再湊中心距故最多改變兩個齒2 m 第10頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計主要參數喉圓直徑(同齒輪齒頂圓)2ad頂圓直徑2ed二、普通圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算 基本尺寸與齒輪傳動類似，計算公式見表 42(1) 蝸輪的2個圓(2) 蝸輪輪緣寬度B (3) 蝸桿螺紋部分的長度b1 m第11頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計主要參數傳動比 i 齒輪傳動蝸桿傳動 i = d2 / d1 i d2 / d1 m、 法面為標準值中間平面為

7、標準值 1= 2 =, 旋向相同 d1 d1= mnz1/cosd1=mq,且為標準值 第12頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計主要參數三、圓弧圓柱蝸桿傳動的主要參數 蝸桿軸向截面齒廓為內凹圓弧形軸向模數 m、蝸桿分度圓直徑 d1 為標準值推薦 2024，常取 23推薦（55.5）mz112時，取5m ； z14時 ，取5.5m 推薦2 0.71.2 ，應使21.5，以免齒頂變尖2 的計算方法同普通圓柱蝸桿傳動第13頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計失效形式4-3 蝸桿傳動的失效形式、設計準則和材料 一、失效形式及設計準則齒面點蝕 蝸輪材料為錫青銅時，此種材料強度稍低齒面膠合 蝸輪材料為鋁鐵青銅或

8、鑄鐵時齒面磨損 開式傳動或潤滑不良輪齒折斷 蝸輪齒數過多或強烈沖擊載荷對于閉式蝸桿傳動，其承載能力主要取決于接觸強度設計準則：閉式蝸桿傳動，按齒面接觸疲勞強度設計，并進行熱平衡計算（防止膠合）；z2 80或強烈沖擊載荷時校核彎曲強度對于蝸桿，主要是防止蝸桿軸發(fā)生過大的的彈性變形第14頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計材料及熱處理二、材料選擇及熱處理材料組合要求：減摩性好、耐磨、抗膠合、足夠的強度碳 鋼 45鋼 蝸 桿合金鋼 20Cr、20CrMnTi、40Cr鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 適合高速蝸 輪鑄鋁鐵青銅 ZCuAl10Fe3 中速重載灰鑄鐵 HT200 低速輕載45鋼、 40Cr 調

9、質(350HBS)或表面淬火(4555HRC)20Cr、20CrMnTi 滲碳淬火(5863HRC)第15頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計許用應力三、許用應力 主要失效形式是蝸輪齒面點蝕 蝸輪為錫青銅時)MPa300(b NHPHPZ 壽命系數 87N10NZ 應力循環(huán)次數 tnN260 承載能力取決于蝸輪的齒面接觸疲勞強度 當 N 25107 時，取 N25107 硬齒面磨削蝸桿HP 提高20第16頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計許用應力減摩性較差，主要失效形式是膠合。 蝸輪為鋁鐵青銅或鑄鐵時 )MPa300(b HP 與材料組合及滑動速度 vs 有關， 3211s45401nPv 許用接觸

10、應力按抗膠合的條件確定。估算滑動速度：蝸桿功率(kW)蝸桿轉速不用乘 ZN查表時需用線性插值法第17頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計許用應力NFPFPY 96N10NY 壽命系數 tnN260 應力循環(huán)次數若 N 25107，則取 N 25107彎曲應力視為脈動循環(huán)彎曲應力視為對稱循環(huán)第18頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計受力分析4-4 圓柱蝸桿傳動的強度計算一、 受力分析 法面內： nF圓周力：徑向力：蝸桿上與轉向相反蝸輪上與轉向相同和指向各自的輪心切面內： 徑向力 1rF1F圓周力 1tF軸向力 1aF1F2a1tFF 2t1aFF 2r1rFF 同齒輪軸向力： 蝸桿上用主動輪左右手定則判

11、定第19頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計受力分析蝸輪轉向的判斷：因 Ft2 -Fa1，所以蝸輪的轉動方向與蝸桿的軸向力方向相反2a111t2FdTF 222t1a2dTFF tan2t2r1r FFF12TT113223/109550/109550nPnP 2111nPnP 21nn i 則：T2 = i T1計算載荷： KA T2 = i KAT1 使用系數 KA同圓柱齒輪P1、P2 為蝸桿、蝸輪的名義功率；為蝸桿傳動的效率，P2P1第20頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計受力分析Fa 1Ft 2Fa2Ft 1n1Fr 2Fr 1n2n1各力應畫在受力點上12已知蝸輪的轉向及蝸桿的螺旋方向，試

12、確定：(1)蝸輪輪齒的螺旋方向；(2)蝸桿(主動)的轉動方向；(3)各分力的方向。蝸桿左旋蝸輪亦左旋蝸桿的轉向、螺旋線方向、軸向力方向知其二必知其一第21頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計受力分析Ft 1n1z2z1z4z3n4n3Fa4Fa3Fa2Ft 2Fa1Ft 3Ft 4蝸桿、蝸輪輸出輸入圖示為蝸桿傳動與錐齒輪傳動組合。已知輸出軸的轉向，欲使中間軸上的軸向力能部分抵消，試確定蝸桿的轉向和蝸輪蝸桿的螺旋線方向； 各分力的方向。n2徑向力均指向各自輪心向外向里中間軸第22頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計強度條件)MPa(9HP22122AEH zdmTKZ二、普通圓柱蝸桿傳動齒面接觸疲勞強度

13、計算 MPa160E Z)mm(932HP2E2A12 zZTKdm特點： 鋼制蝸桿與青銅或鑄鐵蝸輪組合第23頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計強度條件三、普通圓柱蝸桿傳動齒根彎曲疲勞強度計算 )mm(64. 13FaFP22A12YYzTKdm (1) 齒形系數YFa按 查表4-5； 32coszzv )MPa(64. 1FPFa2122AF YYzdmTK(2) 螺旋角系數 ;14010 Y(4) = i T1 。(3)第24頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計強度條件 如：計算值 m2d198則查得 m2d1112相應 m2、d1 28 2HP2E2A129 zZTKdmFaFP22A1264

14、. 1YYzTKdm 第25頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計圓弧蝸桿四、圓弧圓柱蝸桿傳動強度計算要點 特點： 凸凹弧齒廓嚙合且23，承載能力強1、圓弧圓柱蝸桿齒面接觸疲勞強度條件 失效以膠合為主MPaHP32AEH aTKZZ接觸系數，據（d1/a）查圖4-9彈性系數，查表4-8中心距設計式：mm32HPE2A ZZTKa 初選 d1/a 當 i 7020 時, 取 d1/a0.30.4；當 i 205 時, 取 d1/a0.40.5a 應圓整或按表 4-4 取推薦值第26頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計圓弧蝸桿2、圓弧圓柱蝸桿齒根彎曲疲勞強度條件p22tAUmbFKU 許用 U 系數齒形復雜

15、，難以精確計算彎曲應力，按 U 系數法，進行條件性近似計算。minFlimSU 極限 U 系數，查表4-8安全系數，SFmin=11.73、圓弧圓柱蝸桿傳動的許用應力自學彎曲強度遠遠大于接觸強度，一般不需計算蝸輪齒寬第27頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計效率vvtan 4-5 蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算 一、效率 與齒輪傳動相同321 )tan(tanv1 故：)tan(tan)96. 095. 0(v 96. 095. 032 嚙合效率類似于螺旋副：當量摩擦角當量摩擦系數效率隨導程角 的增大而增大，但 28以后變化緩慢。v 第28頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計效率但蝸桿制造困難 )t

16、an(1qz 1z v 通常使采用減摩性好的材料，如青銅合金；保證良好的潤滑狀態(tài)，vs 較大時齒面間易于形成油膜。o28 設計之初,未知。z1 = 1 時， = 0.70.75 z1 = 2 時， = 0.750.82 z1 = 4 時， = 0.870.92 自 鎖 時， 4 m/s時蝸桿上置有利于潤滑 避免過大的攪油損失 第30頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計熱平衡計算三、蝸桿傳動的熱平衡計算目的 t1油溫時間t1 熱平衡時的油溫對象 熱平衡概念：達到熱平衡時，單位時間內的發(fā)熱量 = 散熱量211PPH W)(t01t2tAKttAKH W/(m2.)自然方式冷卻時 ：箱體暴露在空氣中的部

17、分 近似計算： 275.1m10033.0 aA蝸桿傳動中心距W)(100011PP W)1(10001 P通風不好 Kt = 8.710.5通風良好 Kt = 1417.5；要求：t1 tp第31頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計熱平衡計算熱平衡時：1000P1（1 - ）= Kt A（t1 t 0 ）0t11)1(1000tAKPt 則熱平衡計算式：7060p t若 t1 tp ，則采取措施提高散熱能力：自然通風時豎直布置 K許用油溫)90(第32頁/共42頁4-6 蝸桿傳動的設計步驟和方法第四章 蝸桿傳動設計設計方法1、已知條件：P、n1、n2（或 i）、預期壽命、工況等2、選擇蝸桿蝸輪材

18、料及熱處理方法、選擇蝸桿頭數z1 、估選效率、估算vs（鋁鐵青銅）、確定蝸桿傳動精度3、計算：z2、m、d1、d2、a、v1、v2、vs、v、等4、驗算：效率 、齒面間相對滑動速度 vs(鋁鐵青銅)，與估計值是否接近？N5、對于閉式蝸桿傳動，進行熱平衡計算，驗算油溫6、結構設計，繪制蝸桿、蝸輪零件工作圖Y第33頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計傳動類型兩軸線相交兩軸線交錯兩軸線平行第34頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計設計實例設計一閉式普通圓柱蝸桿傳動，載荷平穩(wěn)、通風條件良好、工作壽命 5 年、8 h/天、。，。20minr/1470kW1911 inP蝸桿材料及熱處理蝸輪材料表4-6（磨削蝸桿

19、提高20）200 1.2 1251.2 蝸輪基本許用接觸應力)MPa(HP 73.5 73.5蝸輪轉速min)/r (2n20/1470/12 inn12000 12000年年）天天/300(83005 t蝸輪工作小時 )h( t蝸輪應力循環(huán)次數N120005 .7360602 tnN71029. 5 71029. 5 0.81 0.81NZ接觸壽命系數887N29. 5/1/10 NZ設計內容 設計依據 方案 1 方案 2 許用接觸應力HP NHPHPZ 194.4 121.5 40Cr表面淬火后磨削表4-6，ZCuSn10P1 砂模鑄造ZCuSnPb5Zn5 砂模鑄造 估計 vs 10m/

20、s240 150第35頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計設計實例使用系數 KA 表3-1 1.1 1.12 2蝸桿頭數1z411 z蝸輪齒數2z)8028(20212 izz40 40初估傳動效率 0.82 0.82蝸輪轉矩)Nmm(2T2024340 202434011612/1055. 9nPiTiT )MPa(EZ彈性系數160 160 計算12dm值)mm(32HP2E2A12)/(9 zZTKdm 8485 2172112dm取標準值表4-19000 2187510 12.5)mm(m模數表4-1 設計內容 設計依據 方案 1 方案 2表4-1蝸桿分度圓直徑1d90 140蝸輪分度圓直徑2d22mzd 400 500 = 0.750.82（因 z12）鋼制蝸桿與青銅蝸輪 第36頁/共42頁第四章 蝸桿傳動設計設計實例中心距)mm(a)(5 . 021dda 245 320設計內容 設計依據 方案 1 方案 21.54 1.9260000/222ndv 蝸輪圓周速度)m/s(2v導程角 123144)/arctan(11dmz 107297.1 10.9)cos60000/(11S ndv 滑動速度)m/s(Sv當量摩