華中科技大學機械設計4-蝸桿

1、機械設計機械設計傳遞動力時，傳動比傳遞動力時，傳動比 i 880用于空間交錯軸間的傳動，通常用于空間交錯軸間的傳動，通常=90蝸桿傳動的特點：蝸桿傳動的特點：結構緊湊結構緊湊;工作平穩(wěn)、噪聲小工作平穩(wěn)、噪聲小;傳動比大傳動比大但效率低；制造成本較高但效率低；制造成本較高4- -1 蝸桿傳動的特點及類型蝸桿傳動的特點及類型機械設計機械設計蝸桿蝸桿蝸蝸輪輪普通圓柱蝸桿傳動：普通圓柱蝸桿傳動：阿基米德蝸桿傳動（阿基米德蝸桿傳動（ZA）漸開線蝸桿傳動（漸開線蝸桿傳動（ZI）法向直廓蝸桿傳動（法向直廓蝸桿傳動（ZN）第四章第四章 蝸桿傳動主要參數(shù)蝸桿傳動主要參數(shù)圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動蝸桿傳動的類型：蝸

2、桿傳動的類型：環(huán)面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動錐蝸桿傳動錐蝸桿傳動普通圓柱蝸桿傳動普通圓柱蝸桿傳動圓弧圓柱蝸桿傳動圓弧圓柱蝸桿傳動機械設計機械設計第四章第四章 蝸桿傳動主要參數(shù)蝸桿傳動主要參數(shù)蝸桿傳動類型的選擇：蝸桿傳動類型的選擇： 本章主要討論阿基米德蝸桿傳動的設計本章主要討論阿基米德蝸桿傳動的設計機械設計機械設計4- -2 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算一、主要參數(shù)一、主要參數(shù) 模數(shù)模數(shù) m 和壓力角和壓力角中間平面中間平面 包含蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面包含蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面蝸輪加工蝸輪加工 滾刀滾制，滾刀幾何參數(shù)同相配蝸桿滾刀滾

3、制，滾刀幾何參數(shù)同相配蝸桿正確嚙合條件：正確嚙合條件：在中間平面內(nèi)在中間平面內(nèi)mx1 = mt 2 = mx1 = t 2 = = 20蝸桿軸面蝸桿軸面模數(shù)模數(shù)蝸輪端面蝸輪端面模數(shù)模數(shù)標準模數(shù)標準模數(shù)蝸桿軸面蝸桿軸面壓力角壓力角蝸輪端面蝸輪端面壓力角壓力角第四章第四章 蝸桿傳動主要參數(shù)蝸桿傳動主要參數(shù)對于蝸桿：中間平面是軸面對于蝸桿：中間平面是軸面對于蝸輪：中間平面是端面對于蝸輪：中間平面是端面機械設計機械設計 蝸桿導程角蝸桿導程角與蝸輪螺旋角與蝸輪螺旋角之關系之關系=90 時：時： = 且旋向相同且旋向相同 蝸桿分度圓直徑蝸桿分度圓直徑 d1 及直徑系數(shù)及直徑系數(shù) q d1 標準系列值標準系

4、列值 限制蝸輪滾刀數(shù)量，便于刀具標準化限制蝸輪滾刀數(shù)量，便于刀具標準化 蝸桿直徑系數(shù)：蝸桿直徑系數(shù)：q = d1 / m d1 = m qq 與導程角與導程角之關系：之關系：1tandpz 11x1dpz mqmz 1 qz1 第四章第四章 蝸桿傳動主要參數(shù)蝸桿傳動主要參數(shù)蝸桿導程蝸桿導程 pz蝸桿頭數(shù)蝸桿頭數(shù)軸向齒距軸向齒距px1 m 而而 d2 = m z2 d1機械設計機械設計小小大，走刀快大，走刀快大大根據(jù)根據(jù) i 查表查表49 d2 / d1 mz2/(mq) z2/qz1 = 1 6 蝸桿頭數(shù)蝸桿頭數(shù) z1、蝸輪齒數(shù)、蝸輪齒數(shù) z2 及傳動比及傳動比 ii = n1/n2 = z2

5、/z1 = d2 / d1 ? z1 少，則少，則小，效率低小，效率低重載時取重載時取 z1 1 要求自鎖要求自鎖 z1 = 1 z1 過多過多,則則大，制造困難大，制造困難z2 = i z1=28 80常取常取 z2 = 32 63第四章第四章 蝸桿傳動主要參數(shù)蝸桿傳動主要參數(shù)n1起起吊吊裝裝置置要要求求反反行行程程自自鎖鎖機械設計機械設計 齒面間相對滑動速度齒面間相對滑動速度 vss/msincos21s vvv 由此可見，由此可見，vs v1、v2所以蝸桿傳動摩擦損失大，所以蝸桿傳動摩擦損失大，效率低。效率低。21svvv 第四章第四章 蝸桿傳動主要參數(shù)蝸桿傳動主要參數(shù)機械設計機械設計嚙

6、合線的方嚙合線的方向不會改變向不會改變CC圓圓柱柱齒齒輪輪傳傳動動蝸蝸桿桿傳傳動動二、蝸桿傳動的變位二、蝸桿傳動的變位目的：湊中心距目的：湊中心距 或或 湊傳動比。湊傳動比。特點：只對蝸輪進行變位，而蝸桿不變位。特點：只對蝸輪進行變位，而蝸桿不變位。蝸輪的分度圓仍與節(jié)圓重合，即蝸輪的分度圓仍與節(jié)圓重合，即d2d2=mz2；變位后變位后:若只改變中心距：若只改變中心距：（湊中心距）（湊中心距） 蝸桿的分度圓與節(jié)圓分離，即蝸桿的分度圓與節(jié)圓分離，即d1d1。例：例：maax 2蝸輪變位蝸輪變位系數(shù)系數(shù)變位后的變位后的中心距中心距變位前的變位前的中心距中心距25. 041241252 x若只改變蝸輪

7、齒數(shù)：若只改變蝸輪齒數(shù)：（湊傳動比）（湊傳動比） 中心距不變中心距不變2222zzx 變位前的變位前的齒數(shù)齒數(shù)變位后的變位后的齒數(shù)齒數(shù)5 . 0241402 x例：例：第四章第四章 蝸桿傳動變位蝸桿傳動變位幾種變位情況幾種變位情況x2可取可取11，故，故 z2 最多只能改變兩個齒。最多只能改變兩個齒?；蚧?mz2機械設計機械設計三、幾何尺寸計算三、幾何尺寸計算中心距中心距 a =(d1+d2)/2 + x2m = m(q+z2)/2x2m 其他尺寸計算見表其他尺寸計算見表4- -3和和4- -4傳動比傳動比 i 齒輪傳動齒輪傳動蝸桿傳動蝸桿傳動 i = d2 / d1 i d2 / d1 m、

8、 法面為標準值法面為標準值中間平面為標準值中間平面為標準值 1= 2 =, 旋向相同旋向相同 d1 d1= mnz1/cosd1=mq,且為標準值且為標準值 第四章第四章 蝸桿傳動幾何尺寸計算蝸桿傳動幾何尺寸計算機械設計機械設計4- -3 蝸桿傳動的失效形式、材料及結構蝸桿傳動的失效形式、材料及結構第四章第四章 蝸桿傳動材料及結構蝸桿傳動材料及結構一、失效形式及設計準則一、失效形式及設計準則齒面點蝕齒面點蝕 蝸輪材料為鑄錫青銅時，蝸輪材料為鑄錫青銅時，此種材料強度稍低此種材料強度稍低齒面膠合齒面膠合 蝸輪材料為鑄鋁青銅或鑄鐵時蝸輪材料為鑄鋁青銅或鑄鐵時齒面磨損齒面磨損 開式傳動或潤滑不良開式傳

9、動或潤滑不良輪齒折斷輪齒折斷 蝸輪齒數(shù)過多或強烈沖擊載荷蝸輪齒數(shù)過多或強烈沖擊載荷對于大多數(shù)閉式蝸桿傳動，其承載能力主要取決于接觸強度對于大多數(shù)閉式蝸桿傳動，其承載能力主要取決于接觸強度設計準則：設計準則： 閉式蝸桿傳動，按齒面接觸疲勞強度設計，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；并進行熱平衡計算；z2 80或強烈沖擊載荷時校核彎曲強度或強烈沖擊載荷時校核彎曲強度機械設計機械設計材料要求：減摩性好、耐摩、抗膠合、足夠的強度材料要求：減摩性好、耐摩、抗膠合、足夠的強度碳碳 鋼鋼 45鋼鋼 調(diào)質(zhì)或淬火調(diào)質(zhì)或淬火蝸蝸 桿桿合金鋼合金鋼 20Cr、20CrMnTi、40Cr鑄錫青銅

10、鑄錫青銅 ZCuSn10P1 適合高速適合高速蝸蝸 輪輪鑄鋁青銅鑄鋁青銅 ZCuAl 9Fe3 中速重載中速重載灰鑄鐵灰鑄鐵 HT200 低速輕載低速輕載減摩性好減摩性好蝸桿結構蝸桿結構蝸輪結構蝸輪結構第四章第四章 蝸桿傳動材料及結構蝸桿傳動材料及結構滲碳淬火滲碳淬火表面淬火表面淬火二、蝸桿、蝸輪的材料及結構二、蝸桿、蝸輪的材料及結構機械設計機械設計第四章第四章 蝸桿傳動材料及結構蝸桿傳動材料及結構三、許用應力三、許用應力主要失效形式是點蝕主要失效形式是點蝕 蝸輪為鑄錫青銅時蝸輪為鑄錫青銅時)MPa300(b NHPHPZ 壽命系數(shù)壽命系數(shù) 87N10NZ 應力循環(huán)次數(shù)應力循環(huán)次數(shù) tnN26

11、0 主要失效形式是膠合主要失效形式是膠合 蝸輪為鋁青銅或鑄鐵時蝸輪為鋁青銅或鑄鐵時 )MPa300(b 與材料組合及與材料組合及 有關有關 HP sv應保證蝸輪的抗膠合能力應保證蝸輪的抗膠合能力 承載能力取決于承載能力取決于蝸輪的接觸強度蝸輪的接觸強度 3211s45401nPv 機械設計機械設計第四章第四章 蝸桿傳動材料及結構蝸桿傳動材料及結構NFPFPY 96N10NY 壽命系數(shù)壽命系數(shù) 若若N 25107，則取則取N 25107齒根彎曲齒根彎曲應力視為應力視為脈動循環(huán)脈動循環(huán)齒根彎曲齒根彎曲應力視為應力視為對稱循環(huán)對稱循環(huán)機械設計機械設計蝸輪的轉動方向與蝸蝸輪的轉動方向與蝸桿的軸向力方向

12、相反桿的軸向力方向相反各力關系：各力關系：2a1tFF 2t1aFF 各力方向：各力方向：Ft、Fr 同斜齒輪同斜齒輪Fa用主動輪左、右用主動輪左、右手定則判斷，通常，手定則判斷，通常，蝸桿是主動輪。蝸桿是主動輪。2r1rFF 各力大?。焊髁Υ笮。?12a1t/2dTFF tan2t2r1rFFF 222t1a/2dTFF coscos/2tnFF 第四章第四章 蝸桿傳動受力分析蝸桿傳動受力分析例例14- -4 蝸桿傳動的強度計算蝸桿傳動的強度計算例例2機械設計機械設計計算載荷：計算載荷：12TT1122/9550/9550nPnP 2111nPnP 21nn i 則則 T2 = i T1K

13、T2 = i K T1 K = 1.01.3載荷平穩(wěn)、載荷平穩(wěn)、vs3m/s時時取小值取小值特點：特點：因此，因此， 蝸輪輪齒的強度計算與斜齒輪相似，蝸輪輪齒的強度計算與斜齒輪相似，其強度公式可仿照斜齒輪的計算方法推導其強度公式可仿照斜齒輪的計算方法推導第四章第四章 蝸桿傳動受力分析蝸桿傳動受力分析蝸桿傳動蝸桿傳動的效率的效率P1 蝸桿功率蝸桿功率P2 蝸輪功率蝸輪功率機械設計機械設計蝸輪齒面接觸蝸輪齒面接觸疲勞強度條件疲勞強度條件MPa9HP22122EH zdmKTZ設計式設計式 32HP2E212mm9 zZKTdm說明：說明：第四章第四章 蝸桿傳動接觸強度計算蝸桿傳動接觸強度計算ZE

14、彈性系數(shù)，青銅或鑄鐵蝸輪與鋼蝸桿彈性系數(shù)，青銅或鑄鐵蝸輪與鋼蝸桿 ZE 160MPa如：計算值如：計算值 m2d14350；則查得；則查得 m2d15120； 相應的相應的 m8、d1 80 機械設計機械設計(1) 齒形系數(shù)齒形系數(shù)YFa按按 查表查表47； 32vcoszz 第四章第四章 蝸桿傳動彎曲強度計算蝸桿傳動彎曲強度計算3FaFP2212mm64. 1YYzKTdm MPa64. 1FPFa2122F YYzdmKT齒形系數(shù)齒形系數(shù)螺旋角系數(shù)螺旋角系數(shù)(2) 螺旋角系數(shù)螺旋角系數(shù) ;14010 Y(3)一般情況下，不用計算蝸輪的彎曲疲勞強度。一般情況下，不用計算蝸輪的彎曲疲勞強度。機

15、械設計機械設計4- -5 蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算一、效率一、效率 = 1 2 3 )tan(tanv1 230.950.97)tan(tan)97.095.0(v vvarctan f 當量摩擦系數(shù)當量摩擦系數(shù)第四章第四章 蝸桿傳動效率計算蝸桿傳動效率計算蝸桿制造困難蝸桿制造困難 )tan(1qz 1z v 故故采用減摩性好的材料，如青銅；采用減摩性好的材料，如青銅；保證良好的潤滑狀態(tài)，保證良好的潤滑狀態(tài)，vs 較大時嚙合齒面間易于形成油膜。較大時嚙合齒面間易于形成油膜。o28 v 當量摩擦角當量摩擦角（表（表48）機械設計機械設計設計之初，設計之初，

16、未知未知z1 = 1 時，時， = 0.70.75 z1 = 2 時，時， = 0.750.82 z1 = 3 時，時， = 0.820.87 自鎖蝸桿，自鎖蝸桿， 4 m/s時蝸桿上置時蝸桿上置有利于潤滑有利于潤滑 避免過大的攪油損失避免過大的攪油損失 三、蝸桿傳動的熱平衡計算三、蝸桿傳動的熱平衡計算對象對象 t1油溫油溫時間時間t1 熱平衡時的油溫熱平衡時的油溫目的目的 應使應使 t1 許用油溫許用油溫第四章第四章 蝸桿傳動潤滑蝸桿傳動潤滑機械設計機械設計通風不好通風不好 Kt = 8.710.5H1 = P1 P2單位時間內(nèi)的發(fā)熱量：單位時間內(nèi)的發(fā)熱量：單位時間內(nèi)的散熱量：單位時間內(nèi)的散

17、熱量：H2 = Kt A（t1 t 0 ）= Kt A t WKt 散熱系數(shù)，散熱系數(shù)，W/(m2.) 自然方式冷卻時：自然方式冷卻時： A 箱體散熱面積箱體散熱面積 箱體暴露在空氣中的部分箱體暴露在空氣中的部分 近似計算：近似計算： 275.1m)100/(33.0aA 蝸桿傳動蝸桿傳動中心距中心距 t 0 環(huán)境溫度環(huán)境溫度 常取常取 t 0 = 20 t 溫溫 升升 第四章第四章 蝸桿傳動熱平衡計算蝸桿傳動熱平衡計算= P1 P1 (kW)= 1000P1（1 ）W通風良好通風良好 Kt = 1417.5熱平衡時，單位時間內(nèi)：發(fā)熱量熱平衡時，單位時間內(nèi)：發(fā)熱量 = 散熱量散熱量機械設計機械

18、設計熱平衡時：熱平衡時：1000P1（1 - - ）= Kt A（t1 t 0 ）0t11)1(1000tAKPt 則熱平衡計算式：則熱平衡計算式：7060p t若若 t1 tp ，則采取措施提高散熱能力：則采取措施提高散熱能力：自然通風時自然通風時豎直布置豎直布置第四章第四章 蝸桿傳動熱平衡計算蝸桿傳動熱平衡計算 K許用油溫許用油溫機械設計機械設計第四章第四章 蝸桿傳動小結蝸桿傳動小結 蝸桿傳動的主要參數(shù)及其選擇蝸桿傳動的主要參數(shù)及其選擇主要討論普通圓柱蝸桿傳動；與斜齒圓柱齒輪傳動主要討論普通圓柱蝸桿傳動；與斜齒圓柱齒輪傳動的區(qū)別和聯(lián)系；蝸桿分度圓直徑為標準值，蝸桿、的區(qū)別和聯(lián)系；蝸桿分度圓直徑為標準值，蝸桿、蝸輪螺旋角旋向相同但大小不等；蝸桿頭數(shù)與傳動蝸輪螺旋角旋向相同但大小不等；蝸桿頭數(shù)與傳動效率的關系；效率的關系；變位的目的變位的目的?材料、失效形式材料、失效形式為減小摩擦磨損，鋼蝸桿與青銅蝸輪配對；為減小摩擦磨損，鋼蝸桿與青銅蝸輪配對；失效主要發(fā)生在蝸輪上失效主要發(fā)生在蝸輪上受力分析受力分析各分力的對應關系及方向的判斷，與斜齒圓柱齒輪各分力的對應關系及方向的判斷，與斜齒圓柱齒輪的區(qū)別；蝸輪或蝸桿轉動方向的判斷的區(qū)別；蝸輪或