-蝸輪蝸桿傳動課件

1、第十二章 蝸桿傳動機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 12-1 蝸桿傳動的特點(diǎn)和類型12-2 圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸12-3 蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)12-4 圓柱蝸桿傳動的受力分析12-5 圓柱蝸桿傳動的強(qiáng)度計算12-6 圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算第1頁，共44頁。第一節(jié) 蝸桿傳動的特點(diǎn)和類型第十二章 蝸桿傳動蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成的，用于傳遞空間交錯兩軸之間的運(yùn)動和動力。交錯角一般為90。傳動中一般蝸桿是主動件，蝸輪是從動件。第2頁，共44頁。1傳動比大，一般 i =1080，最大可達(dá)1000；2重合度大，傳動平穩(wěn)，噪聲低；4 蝸桿傳動的主要缺點(diǎn)齒面的相對滑動速度大，效率低； 主要

2、用于中小功率，間斷工作的場合。 廣泛用于機(jī)床、冶金、礦山及起重設(shè)備中。一、蝸桿傳動的特點(diǎn)：3結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)反行程自鎖；5. 蝸輪的造價較高。第一節(jié) 蝸桿傳動的特點(diǎn)和類型第十二章 蝸桿傳動第3頁，共44頁。其齒面一般是在車床上用直線刀刃的車刀切制而成，車刀安裝位置不同，加工出的蝸桿的齒廓形狀不同。蝸桿的外形是圓弧回轉(zhuǎn)面，同時嚙合的齒數(shù)多，傳動平穩(wěn)；齒面利于潤滑油膜形成，傳動效率較高；重合度大；承載能力和效率較高。阿基米德蝸桿（ ZA蝸桿）漸開線蝸桿 （ZI蝸桿）法向直廓蝸桿（ZN蝸桿） 普通圓柱蝸桿傳動圓弧圓柱蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動錐蝸桿傳動二、蝸桿傳動的類型本章主要介紹普通圓柱蝸桿

3、及其設(shè)計。三、蝸桿傳動的精度等級分為12個精度等級，常用59級。第一節(jié) 蝸桿傳動的特點(diǎn)和類型第十二章 蝸桿傳動第4頁，共44頁。蝸桿分左旋和右旋。左旋右旋蝸桿還有單頭和多頭之分。第一節(jié) 蝸桿傳動的特點(diǎn)和類型第十二章 蝸桿傳動第5頁，共44頁。圓柱蝸桿環(huán)面蝸桿 普通圓柱蝸桿（按刀具位置不同）阿基米德蝸桿延伸漸開線（法向直廓）蝸桿漸開線蝸桿圓錐蝸桿蝸桿的類型第6頁，共44頁。阿基米德螺線阿基米德蝸桿(ZA)軸面-直線延伸漸開線蝸桿(ZI)延伸漸開線 加工：刀具平面垂直于螺線法面-直線特點(diǎn)：端面-延伸漸開線第十二章 蝸桿傳動第一節(jié) 蝸桿傳動的特點(diǎn)和類型第7頁，共44頁。漸開線基圓漸開線蝸桿(ZI)加

4、工：刀刃與蝸桿的基圓柱相切特點(diǎn)：端面-漸開線 后兩種蝸桿的加工，刀具安裝較困難，生產(chǎn)率低，故常用阿基米德蝸桿。第十二章 蝸桿傳動第一節(jié) 蝸桿傳動的特點(diǎn)和類型第8頁，共44頁。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第十二章 蝸桿傳動一、圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù):1. 模數(shù)m和壓力角主平面=1中間平面：通過蝸桿軸線并與蝸輪軸線垂直的平面。第9頁，共44頁。第十二章 蝸桿傳動由于蝸輪是用與蝸桿形狀相仿的滾刀，按范成原理切制輪齒，所以ZA蝸桿傳動中間平面內(nèi)蝸輪與蝸桿的嚙合就相當(dāng)于漸開線齒輪與齒條的嚙合。中間平面：通過蝸桿軸線并與蝸輪軸線垂直的平面。是蝸桿的軸面是蝸輪的端面 蝸桿、蝸輪的參數(shù)和尺寸大多在中

5、間平面（主平面）內(nèi)確定。BLp主平面第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第10頁，共44頁。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第十二章 蝸桿傳動在主平面內(nèi)，蝸輪蝸桿的傳動相當(dāng)于齒輪齒條的嚙合傳動。蝸輪蝸桿正確嚙合條件是：蝸桿的軸面模數(shù) ma1和軸面壓力角a1應(yīng)分別等于蝸輪的端面模數(shù)mt2和端面壓力角t2，即 ma1 =mt2 =m a1=t2= 模數(shù)m的標(biāo)準(zhǔn)值，見表12-1；壓力角標(biāo)準(zhǔn)值為20，ZA蝸桿取軸向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值，ZI蝸桿取法向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值。如圖上圖所示，齒厚與齒槽寬相等的圓柱稱為蝸桿分度圓柱(或稱為中圓柱)。蝸桿分度圓(中圓)直徑用d1表示，其值見表12-1。蝸輪分度圓直徑

6、以d2表示。第11頁，共44頁。在兩軸交錯角為90的蝸桿傳動中，蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角應(yīng)與蝸輪分度圓上的螺旋角大小相等旋向相同，即 =2. 傳動比i、蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2設(shè)蝸桿頭數(shù)為z1，蝸輪齒數(shù)為z2，當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)一周時，蝸輪轉(zhuǎn)過 z1 個齒( z1 / z2周)。因此，其傳動比為 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 12-2中的薦用值選取。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第十二章 蝸桿傳動第12頁，共44頁。z2= i z1 。 如 z2太小，將使傳動平穩(wěn)性變差。如 z2太大，蝸輪直徑

7、將增大，使蝸桿支承間距加大，降低蝸桿的彎曲剛度。一般取 z23280。（Z1與Z2的薦用值表：12-2）3. 蝸桿直徑系數(shù)q和導(dǎo)程角由于蝸輪是用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀配對加工而成的，為了限制滾刀的數(shù)目，國家標(biāo)準(zhǔn)對每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿分度圓直徑d1（參見表12-1）。直徑d1與模數(shù)m的比值稱為蝸桿的直徑系數(shù)q。即：是導(dǎo)出值d1 = q mz1m當(dāng)模數(shù)m一定時，q值增大則蝸桿直徑d1增大，蝸桿的剛度提高。因此，對于小模數(shù)蝸桿，規(guī)定了較大的q值，以保證蝸桿有足夠的剛度。 第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第十二章 蝸桿傳動第13頁，共44頁。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺

8、寸如圖所示蝸桿螺旋面與分度圓柱的交線為螺旋線。第十二章 蝸桿傳動但制造困難自鎖性好第14頁，共44頁。4.齒面間滑動速度vs蝸桿傳動即使在節(jié)點(diǎn)C處嚙合，齒廓之間也有較大的相對滑動，滑動速度vs 沿蝸桿螺旋線方向。設(shè)蝸桿圓周速度為v l、蝸輪圓周速度為v 2 ，由圖12-6可得滑動速度的大小，對齒面的潤滑情況、齒面失效形式、發(fā)熱以及傳動效率等都有很大影響。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第十二章 蝸桿傳動第15頁，共44頁。5. 中心距a當(dāng)蝸桿節(jié)圓與分度圓重合時稱為標(biāo)準(zhǔn)傳動，其中心距計算式為 a=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2) (12-4)注意： a0.5m(z1+z2) 。中

9、心距的常用值見表12-3注。 二、圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算設(shè)計蝸桿傳動時，一般是先根據(jù)傳動的功用和傳動比的要求，選擇蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2，然后再按強(qiáng)度計算確定模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1(或q)，再根據(jù)表12-3計算出蝸桿、蝸輪的幾何尺寸(兩軸交錯角為90、標(biāo)準(zhǔn)傳動)。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第十二章 蝸桿傳動第16頁，共44頁。表12-3 蝸桿傳動的幾何尺寸計算標(biāo)準(zhǔn)中心距徑向間隙蝸輪螺旋角蝸桿導(dǎo)程角齒根圓直徑齒頂圓直徑齒根高齒頂高分度圓直徑蝸輪蝸桿計算公式符號名稱第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第十二章 蝸桿傳動第17頁，共44頁。蝸輪的轉(zhuǎn)向左右手法：左旋左手，右旋

10、右手，四指轉(zhuǎn)向1，拇指反向；即為v2。第十二章 蝸桿傳動第18頁，共44頁。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸第十二章 蝸桿傳動例12-1 在帶傳動和蝸桿傳動組成的傳動系統(tǒng)中，初步計算后取蝸桿模數(shù) m=4mm、頭數(shù) z1=2、分度圓直徑d1 =40mm，蝸輪齒數(shù) z2=39，試計算蝸桿直徑系數(shù)q、導(dǎo)程角及蝸桿傳動中心距 a 。解(1) 蝸桿直徑系數(shù) =40/4=10(2) 導(dǎo)程角 由式（12-2）得 =2/10=0.2 =11.3099(111836“)(3) 傳動中心距 a =0.5(q + z2 ) =0.54(10+39)=98mm第19頁，共44頁。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾

11、何尺寸第十二章 蝸桿傳動討論 也可將蝸輪齒數(shù)改為z2=40，即中心距圓整為 a =0.54(10+40)=100mm。由此引起的傳動比的變化可在傳動系統(tǒng)內(nèi)部作適當(dāng)調(diào)整。 如果是單件生產(chǎn)又允許采用非標(biāo)準(zhǔn)中心距，就取 a=98mm。 在不改變傳動比的情況下，若想將中心距圓整為 a=100mm，就只能采用變位傳動了。方法是在切制蝸輪時將滾刀外移2mm，即將滾刀與被切蝸輪的中心距由98mm增加到100mm。有關(guān)變位蝸桿傳動的計算，參見機(jī)械設(shè)計手冊。第20頁，共44頁。第三節(jié)蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)第十二章 蝸桿傳動 一、蝸桿傳動的失效形式及材料選擇1. 主要失效形式：膠合、磨損、點(diǎn)蝕等。 在潤滑

12、良好的閉式傳動中，若不能及時散熱，膠合是其主要的失效形式。在開式和潤滑密封不良的閉式傳動中，蝸輪輪齒的磨損尤其顯著。2. 設(shè)計準(zhǔn)則按蝸輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計；之后校核蝸輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并進(jìn)行熱平衡計算。 通常只計算蝸輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。閉式傳動：開式傳動：第21頁，共44頁。3.常用材料由于蝸桿傳動的特點(diǎn)，蝸桿副的材料不僅要求有足夠的強(qiáng)度，更重要的是具有良好的減摩耐磨和抗膠合性能。為此常采用青銅作蝸輪齒圈，并與淬硬磨削的鋼制蝸桿相匹配。蝸桿的常用材料為碳鋼和合金鋼。高速重載的蝸桿常用15Cr、20Cr滲碳淬火，或45鋼、40Cr淬火。低速中輕載的蝸桿可用45鋼調(diào)質(zhì)。精度要求高的蝸

13、桿需經(jīng)磨削。適用于齒面滑動速度 較高的傳動。錫青銅：鋁青銅：灰鑄鐵：蝸輪常用材料有：vs 8 m/s 的場合。（抗膠合能力差）vs 2 m/s 的場合。（抗膠合能力強(qiáng)，抗點(diǎn)蝕能力差）第三節(jié)蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)第十二章 蝸桿傳動第22頁，共44頁。二、蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu) 由于蝸桿的直徑不大，所以常和軸做成一個整體（蝸桿軸），當(dāng)蝸桿的直徑較大時，可以將軸與蝸桿分開制作。 無退刀槽，加工螺旋部分時只能用銑制的辦法。 有退刀槽，螺旋部分可用車制，也可用銑制加工，但該結(jié)構(gòu) 的剛度 較前一種差。第三節(jié)蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)第十二章 蝸桿傳動第23頁，共44頁。組合式蝸輪 為了減摩的需要，蝸

14、輪通常要用青銅制作。為了節(jié)省銅材，當(dāng)蝸輪直徑較大時，采用組合式蝸輪結(jié)構(gòu)，齒圈用青銅，輪芯用鑄鐵或碳素鋼。常用蝸輪的結(jié)構(gòu)形式如下：第三節(jié)蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)第十二章 蝸桿傳動第24頁，共44頁。第四節(jié)圓柱蝸桿傳動的受力分析第十二章 蝸桿傳動 蝸桿傳動的受力分析與斜齒圓柱齒輪相似，輪齒所受法向力Fn可分解為：徑向力Fr、周向力Ft、軸向力Fa。1. 力的大小當(dāng)兩軸交錯角為90時，各力大小為：式中：T2=T1i，為蝸桿傳動的效率。第25頁，共44頁。2.力的方向當(dāng)蝸桿主動時，各力方向判斷如下：蝸桿上的圓周力 Ft1的方向與蝸桿轉(zhuǎn)向相反。蝸桿上的軸向力 Fa1的方向可以根據(jù)蝸桿的螺旋線旋向和

15、蝸桿轉(zhuǎn)向，用（左）右手定則判斷。蝸輪上的圓周力 Ft2 的方向與蝸輪的轉(zhuǎn)向相同（與蝸桿上的軸向力 Fa1的方向相反）。蝸輪上的軸向力 Fa2 的方向與蝸桿上的圓周力 Ft1的方向相反。蝸桿和蝸輪上的徑向力 Fr1 、Fr2的方向分別指向各自的軸心。第四節(jié)圓柱蝸桿傳動的受力分析第十二章 蝸桿傳動第26頁，共44頁。主動輪（ 蝸桿） ：左旋用左手 右旋用右手 四指-方向 拇指-Fa1方向從動輪（ 蝸輪） ： Ft2與Fa1反向，由此確定其轉(zhuǎn)向。第四節(jié)圓柱蝸桿傳動的受力分析第十二章 蝸桿傳動第27頁，共44頁。第四節(jié)圓柱蝸桿傳動的受力分析第十二章 蝸桿傳動例1：標(biāo)出各圖中未注明的蝸桿或蝸輪的轉(zhuǎn)動方向

16、，繪出蝸桿和蝸輪在嚙合點(diǎn)處的各分力的方向（均為蝸桿主動）。n112n221n2Ft2Fa1Ft1Fa2n112Ft1Fa2n2Ft2Fa1n1Ft2Fa1Ft1Fa2徑向力Fr 的方向：略第28頁，共44頁。傳動系統(tǒng)如圖，已知輪4為輸出輪，轉(zhuǎn)向如圖，試：1、合理確定蝸桿、蝸輪的旋向；2、標(biāo)出各輪受力方向。1234n4n3n2Fa3Fa2Ft1Fa1Ft2Ft3Ft4例Fa4n1徑向力Fr 的方向：略第四節(jié)圓柱蝸桿傳動的受力分析第十二章 蝸桿傳動第29頁，共44頁。圖示為一起重裝置，欲使重物上升，試在圖上畫出：n2n3Fa2Fa3Ft3Ft2Ft3Fa4n3n2n1Fa2Fa1Fa3Ft4Ft2

17、Ft1433221電機(jī)例1、電機(jī)轉(zhuǎn)向n1 ； 2、斜齒輪2的旋向； 3、嚙合點(diǎn)受力方向。n4徑向力Fr 的方向：略第四節(jié)圓柱蝸桿傳動的受力分析第十二章 蝸桿傳動第30頁，共44頁。第五節(jié)圓柱蝸桿傳動的強(qiáng)度計算第十二章 蝸桿傳動蝸桿傳動的主要失效形式是膠合和磨損。但目前依據(jù)膠合和磨損的強(qiáng)度計算缺乏可靠的方法和數(shù)據(jù)，因而通常沿用接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計算蝸桿傳動的承載能力，而在選用許用應(yīng)力時適當(dāng)考慮膠合和磨損失效因素的影響，故其強(qiáng)度計算公式是條件性的。由于蝸桿齒是連續(xù)的螺旋，其材料的強(qiáng)度又很高，因而失效總是出現(xiàn)在蝸輪上，所以蝸桿傳動只需對蝸輪輪齒進(jìn)行強(qiáng)度計算。第31頁，共44頁。第五節(jié)圓柱蝸桿

18、傳動的強(qiáng)度計算 1. 蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算目的：防止“點(diǎn)蝕”和“膠合”失效。強(qiáng)度條件：HH以蝸桿蝸輪節(jié)點(diǎn)為計算點(diǎn)，計算齒面接觸應(yīng)力 H 。校核公式:設(shè)計公式：上兩式 中KA 為載荷系數(shù)，一般取KA=1.11.3。當(dāng)載荷平穩(wěn)，蝸輪圓周速度 v23m/s和 7級精度以上時，取小值，否則取大值。第十二章 蝸桿傳動第32頁，共44頁。當(dāng)蝸輪材料為錫青銅時，其材料具有良好的抗膠合能力,蝸輪的損壞形式主要是疲勞點(diǎn)蝕，其承載能力取決于輪齒的接觸疲勞強(qiáng)度。因此，許用接觸應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、材料及相對滑動速度v2有關(guān)?？砂幢?2-4 選擇。當(dāng)蝸輪材料為無錫青銅、黃銅或鑄鐵時，材料的強(qiáng)度較高，抗點(diǎn)蝕能力強(qiáng)，

19、蝸輪的損壞形式主要是膠合，其承載能力取決于其抗膠合能力，與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無關(guān)，因此，許用接觸應(yīng)力可從表12-5查取。 2. 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算目的：防止“疲勞斷齒”。第五節(jié)圓柱蝸桿傳動的強(qiáng)度計算第十二章 蝸桿傳動第33頁，共44頁。強(qiáng)度條件：FF校核公式：設(shè)計公式：第五節(jié)圓柱蝸桿傳動的強(qiáng)度計算第十二章 蝸桿傳動第34頁，共44頁。3. 蝸桿的剛度計算: 蝸桿較細(xì)長，支承距離大，若受力后產(chǎn)生的撓度過大，則會影響正常的嚙合傳動。蝸桿產(chǎn)生的撓度應(yīng)小于許用撓度。由切向力和徑向力產(chǎn)生的撓度分別為：合成總撓度為：第五節(jié)圓柱蝸桿傳動的強(qiáng)度計算第十二章 蝸桿傳動第35頁，共44頁。第六節(jié)圓柱蝸桿傳動的效率

20、、潤滑和熱平衡計算第十二章 蝸桿傳動 一、蝸桿傳動的效率與齒輪傳動類似，閉式蝸桿傳動的功率損耗包括三部分：輪齒嚙合摩擦損耗，軸承中摩擦損耗以及攪動箱體內(nèi)潤滑油的油阻損耗。其總效率為 =123其中最主要的是嚙合效率，當(dāng)蝸桿主動時，嚙合效率可按螺旋傳動的效率公式求出。第36頁，共44頁。式中：為蝸桿導(dǎo)程角；為當(dāng)量摩擦角，=arctgf。當(dāng)量摩擦系數(shù) f主要與蝸桿副材料、表面狀況以及滑動速度等有關(guān)(見表12-7)。因此考慮 23后，蝸桿傳動的總效率為所以 z1估計蝸桿傳動的總效率時，可取下列數(shù)值：閉式傳動 z1=1 2 4 =0.700.75 0.750.82 0.870.92開式傳動 z1=1 、

21、2 =0.600.70 第六節(jié)圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算第十二章 蝸桿傳動第37頁，共44頁。二、蝸桿傳動的潤滑目的：減摩、散熱。潤滑油的粘度和給油方法可參照表11-5選取。一般根據(jù)相對滑動速度選擇潤滑油的粘度和給油方法。蝸桿下置時，浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個齒高；蝸桿上置時，浸油深度約為蝸輪外徑的 1/61/3。給油方法：油池潤滑：噴油潤滑為減小攪油損失，下置式蝸桿不宜浸油過深。蝸桿線速度v24m/s時，常將蝸桿置于蝸輪之上，形成上置式傳動，由蝸輪帶油潤滑。第六節(jié)圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算第十二章 蝸桿傳動第38頁，共44頁。潤滑方式的選擇：當(dāng)vs 510 m/s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。當(dāng)vs 1015 m