機(jī)械原理-蝸桿傳動

1、第11章 蝸桿傳動蝸桿傳動概述蝸桿傳動的類型普通蝸桿傳動的參數(shù)與尺寸普通蝸桿傳動的承載能力計算普通蝸桿傳動的效率、潤滑與熱平衡圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計蝸桿傳動的特點(diǎn)和應(yīng)用第11章 蝸桿傳動優(yōu)點(diǎn)：單級傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊；傳動平穩(wěn)、噪聲和振動小；適當(dāng)選取蝸桿傳動參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)反行程自鎖等。缺點(diǎn)：傳動效率低，一般只有0.700.92，當(dāng)有自鎖時其效率低于0.5；需用較貴重的有色金屬制造蝸輪。1 蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型圓柱蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動錐蝸桿傳動普通圓柱蝸桿圓弧齒圓柱蝸桿阿基米德蝸桿漸開線蝸桿延伸漸開線蝸桿7-2阿基米德蝸桿傳動(ZA型)阿基米德蝸桿又稱為軸向直齒廓蝸桿，這種蝸桿切削時的刀

2、具切削平面通過蝸桿軸線，所切出的蝸桿齒廓在軸面內(nèi)為直線；在與軸線垂直的平面內(nèi)，為阿基米德螺旋線。該類型蝸桿具有加工、測量簡單、方便等優(yōu)點(diǎn)；單齒面不便于磨削，不宜采用硬齒面，傳動效率低，只是用于低速輕載的傳動中。a)單刀加工（當(dāng)導(dǎo)程角3時）b)雙刀加工（當(dāng)導(dǎo)程角3時）漸開線蝸桿傳動(ZI型)漸開線蝸桿是使刀具切削平面通過蝸桿基圓的切平面時，所切出的蝸桿。其齒廓在基圓的切平面內(nèi)為直線，而齒廓與垂直于蝸桿軸線的平面交線為漸開線。這種蝸桿可用滾刀滾銑，也可進(jìn)行磨削。因而，制造精度較高，也可采用硬齒面。適用于批量生產(chǎn)、大功率、高速傳動的場合。延伸漸開線蝸桿傳動（ZN型)延伸漸開線蝸桿又稱為法向直廓蝸桿，

3、切削時刀具的切削平面在垂直于齒槽（或齒厚）中點(diǎn)螺旋線的法平面內(nèi)，在法面內(nèi)的齒形為直線。而在垂直于軸線平面內(nèi)的齒形為延伸漸開線。這種蝸桿容易實(shí)現(xiàn)磨削，可采用硬齒面，精度和傳動效率較高。適用于螺旋線數(shù)較多、導(dǎo)程較大的蝸桿傳動。a)單刀加工b)雙刀加工圓弧齒圓柱蝸桿傳動（ZC型）圓弧齒圓柱蝸桿（ZC）與上述蝸桿不同，其齒闊的形狀為圓弧。用于傳遞動力的圓弧齒圓柱蝸桿，在螺旋線的法平面內(nèi)齒廓為凹圓??；在蝸桿的軸面內(nèi)為近似的凹圓弧。蝸輪齒廓在蝸桿的軸面內(nèi)為近似的凸圓弧。因此，蝸桿蝸輪嚙合時為凹凸圓弧齒嚙合傳動，承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高，是目前我國推廣使用的一種蝸桿傳動。b)蝸桿法面齒形c)蝸桿軸面

4、齒形主要參數(shù)2 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)壓力角 = 20標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m 查表1、模數(shù)m、壓力角 中間平面（主平面）通過蝸桿軸線并垂 直于蝸輪軸線的平面 ：正確嚙合條件 mx1 = mt2 = m x1 = t2 = =20 = 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)中間平面內(nèi)相當(dāng)于齒輪齒條嚙合取中間平面的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù) 蝸桿的軸（x面） 蝸輪的端面（t面）2、蝸桿分度圓直徑d1和直徑系數(shù)q為了限制滾刀數(shù)目 d1標(biāo)準(zhǔn)化（見表）蝸桿直徑系數(shù)： q=d1/m主要參數(shù)2 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)壓力角 = 20標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m 查表1、模數(shù)m、壓力角 中間平面（主平面）通過蝸桿軸線并垂 直于蝸輪軸線的平面 ：

5、正確嚙合條件 mx1 = mt2 = m x1 = t2 = =20 = 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)中間平面內(nèi)相當(dāng)于齒輪齒條嚙合取中間平面的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù) 蝸桿的軸（x面） 蝸輪的端面（t面）2、蝸桿分度圓直徑d1和直徑系數(shù)q為了限制滾刀數(shù)目 d1標(biāo)準(zhǔn)化（見表）蝸桿直徑系數(shù)： q=d1/m4.蝸桿分度圓柱導(dǎo)程角5.中心距a（傳動比和中心距薦用值見教材或國家標(biāo)準(zhǔn)。）3.蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2z1，自鎖，但效率； z1，效率，但制造困難。因此，要求傳動效率高的蝸桿傳動選較多的頭數(shù)；而要求自鎖的蝸桿傳動則選單頭為宜。z2 iz1 =2880。但需注意：規(guī)定 z228 （z2 min17 ）。當(dāng)z226時，嚙合區(qū)，

6、傳動平穩(wěn)性；當(dāng)z230時，可實(shí)現(xiàn)兩對齒以上的嚙合。傳遞動力時，要求z280。 當(dāng)d2不變時， z2，m，蝸輪輪齒彎曲強(qiáng)度；而當(dāng)m不變時， z2, d2，蝸桿長度蝸桿剛度。此外還應(yīng)避免蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)之間存有公因數(shù)，以使蝸桿蝸輪磨損均勻。6.傳動比 i 和齒數(shù)比u蝸桿傳動變位的目的： 湊配中心距（變位前后，z2=z2 ，即i不變， a a ）蝸桿傳動變位的方法：在切制蝸輪時，使刀具相對于加工標(biāo)準(zhǔn)蝸輪時的位置沿徑向進(jìn)行移位來實(shí)現(xiàn)。蝸桿傳動的變位為了有利于提高蝸輪輪齒的強(qiáng)度，最好取x20改變傳動比（變位前后， a =a ，但z2z2 ，即i改變， ）變位前：變位后：a =a ，有：當(dāng) z2z2 時

7、 x0 i當(dāng) z2z2 時 x0 i顯然：如： 蝸輪齒數(shù)只能為整數(shù)x 只能取0.5 和1 ，而不能取其他的值。蝸桿傳動的幾何計算3蝸桿傳動的承載能力計算閉式蝸桿傳動：膠合、點(diǎn)蝕和磨損； 開式蝸桿傳動：磨料磨損；失效通常發(fā)生在蝸輪輪齒上；2、蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則1、蝸桿傳動的主要失效形式 閉式傳動：先按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 再按齒根彎曲強(qiáng)度校核 熱平衡計算 細(xì)長蝸桿軸需作剛度計算 開式傳動：只按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算出m，然后將模數(shù)加大10%左右。3、蝸桿傳動材料的選擇及其性能對蝸桿副材料的要求是：有足夠的強(qiáng)度、良好的抗膠合性能、耐磨性、減磨性及跑和性能好。因此常采用青銅作蝸輪的齒圈，與淬硬后經(jīng)磨削的鋼

8、制蝸桿相配。1）蝸桿材料及選擇，見表蝸桿常用材料主要有優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼。2）蝸輪材料及其選擇，一般地：vs1225m/s的重要傳動錫青銅（CuSn10P1）vs610m/s的傳動鋁青銅（CuAl10Fe3）vs2m/s的傳動灰鑄鐵（HT200）（一）蝸桿傳動的失效形式、設(shè)計準(zhǔn)則及常用材料Ft2Ft1Fx2Fx1Fr1Fr2T2n2n1T1主動輪上與嚙合點(diǎn)速度方向相反從動輪上與嚙合點(diǎn)速度方向相同指向各自的輪心力的方向：主動輪Fx1用左、右手定則從動輪用對應(yīng)關(guān)系求：Fx2=-Ft1圓周力：徑向力：軸向力：圓周力：徑向力：力的大?。狠S向力：Fr1 = Ft2 tan t= Fr2力的對應(yīng)關(guān)系：旋向

9、（蝸桿蝸輪嚙合時） ： 蝸桿右旋蝸輪也是右旋蝸桿左旋蝸輪也是左旋（二） 蝸桿傳動的受力分析（三）蝸桿傳動的計算載荷PcK =KA K KvKA使用系數(shù)；查表K 齒向載荷分配系數(shù)；載荷平穩(wěn)時，K =1；有沖擊、振動時，K =1.31.6。Kv動載系數(shù)；v23m/s時，Kv=1.01.1;v23m/s時，Kv=1.11.2;Lmin最小接觸線長度min接觸線長度變化系數(shù)，取min=0.75；端面重合度，取=2；蝸輪包角，取=100（三） 圓柱蝸桿傳動的設(shè)計計算1.蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算強(qiáng)度條件式：式中：ZE材料彈性系數(shù)，查表7-9； T蝸輪轉(zhuǎn)矩，工作載荷不變時：許用接觸應(yīng)力。設(shè)計公式：（一） 圓

10、柱蝸桿傳動的設(shè)計計算蝸輪的許用接觸應(yīng)力式中： j蝸輪每轉(zhuǎn)一圈每個輪齒的嚙合次數(shù)；當(dāng)N25107時，取N=25107；當(dāng)N2.6105時，取N=2.6105；KHN接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)， ， ； 鑄造錫青銅的基本許用接觸應(yīng)力，MPa，見表。1、當(dāng)蝸輪材料為鑄造錫青銅時：主要失效形式為疲勞點(diǎn)蝕2、當(dāng)蝸輪材料為鑄造鋁鐵青銅或灰鑄鐵時：主要失效形式為蝸輪齒面的膠合按滑動速度查 （見表）。蝸輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度計算當(dāng)蝸輪齒數(shù)過多（z280）, m 時, 可能出現(xiàn)輪齒折斷蝸桿軸的剛度計算 蝸桿軸剛度計算的目的蝸桿屬于比較細(xì)長的零件，工作中受到載荷作用后會產(chǎn)生彈性變形。如果彈性變形過大，就將影響蝸桿與蝸輪的正

11、確嚙合，導(dǎo)致輪齒偏載，甚至?xí)a(chǎn)生干涉。因此，在蝸桿傳動設(shè)計中，應(yīng)對蝸桿的彈性變形進(jìn)行計算、并加以限制。 蝸桿軸剛度計算影響蝸桿傳動性能的彈性變形主要是蝸桿的撓曲變形。引起蝸桿產(chǎn)生撓取變形的作用力主要有徑向力Fr和圓周力Ft。在這兩個力的作用下，蝸桿將在兩個方向上產(chǎn)生彈性變形。為簡化計算，通常把蝸桿螺紋部分視為以蝸桿齒根圓直徑為直徑的軸段。于是可得式中：y最大許用撓度，y=d1/1000 ；其余參數(shù)見教材。蝸桿傳動總效率蝸桿傳動嚙合效率攪油或?yàn)R油效率軸承效率一對滾動軸承為30.990.995滑動軸承為30.90.9普通圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算（一）蝸桿傳動的效率根據(jù)蝸桿傳動的滑動速度

12、由表11-8選取，1、潤滑油及其添加劑2、潤滑油粘度及給油方法為提高蝸桿傳動的抗膠合性能，常采用黏度較大的礦物油、或在潤滑油中加入適量的添加劑，如抗氧化劑、抗磨劑、油性極壓添加劑等。在表11-20中列出了蝸桿傳動常用的潤滑油牌號。在表11-21中列出了不同滑動速度時推薦選用的潤滑油運(yùn)動粘度值，供設(shè)計時選用。閉式蝸桿傳動常用潤滑方法主要有油池浸油潤滑、循環(huán)噴油潤滑等方式。具體選擇可根據(jù)蝸桿傳動的滑動速度大小確定。若采用壓力噴油潤滑，應(yīng)注意控制油壓，并應(yīng)使噴油嘴對準(zhǔn)蝸桿嚙入端；蝸桿正反轉(zhuǎn)時兩邊都要裝噴油嘴。3、潤滑油供油量為保證蝸桿傳動的正常潤滑、又不致因浸入油池深度過大，過分?jǐn)噭訚櫥投鴮?dǎo)致功率

13、損失較大和潤滑油溫升較高而過早失效，必須保證一定的油量。蝸桿下置時，浸油深度應(yīng)不超過一個齒高；蝸桿上置時，蝸輪進(jìn)入深度約為蝸輪外徑的三分之一。同時還應(yīng)使齒頂與箱底保持適當(dāng)距離，以防止沉入箱底的雜質(zhì)被攪起而降低潤滑性能。潤滑的目的：由于蝸桿傳動滑動速度大、效率低、產(chǎn)生的熱量大，如果潤滑不當(dāng)就會導(dǎo)致過渡磨損、甚至產(chǎn)生膠合。為防止上述問題出現(xiàn)，如何保證蝸桿傳動具有良好的潤滑狀態(tài)，就成為蝸桿傳動設(shè)計時必須考慮的一個至關(guān)重要的問題。（二）蝸桿傳動的潤滑（三） 蝸桿傳動的熱平衡計算蝸桿傳動熱平衡計算的目的熱平衡條件及其計算式12傳動產(chǎn)生的熱量11000P(1-)散發(fā)出去的熱量2dS(t-t0)熱平衡計算的

14、參數(shù)選取及有關(guān)說明：工作環(huán)境溫度t a一般取為20；一般工況下取表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) d8.1517.45W/(m2 ) ；散熱面積S-箱體能被空氣冷卻、且其內(nèi)壁又能被油飛濺到的面積。散熱片及散熱肋的面積均只計入其面積的一半（50%)。對于散熱肋布置良好的固定式蝸桿減速器， S 可用下式估算：1、見P2632、熱平衡條件：生成的熱量1 =散發(fā)的熱量2問題：1、為什么閉式蝸桿傳動必須進(jìn)行熱平衡計算？2、熱平衡條件是什么？不能滿足熱平衡時可采取的措施在蝸桿軸上加裝風(fēng)扇在箱體內(nèi)加裝蛇形冷卻水管采用壓力噴油循環(huán)冷卻潤滑 蝸桿的布置 蝸桿下量時，浸油量至少為一個齒高，但不能超過最低滾動體的中心。一般情況下，油量大些為好，這樣可沉淀油屑，便于冷卻散熱。速度高時，浸油量可少些，否則攪油損失增加。 蝸桿傳動有蝸桿上置和蝸桿下置兩種布置（圖 當(dāng)采用浸油潤滑時，蝸桿盡量下置； 當(dāng)蝸桿的速度大于45ms時，為避免蝸桿的攪油損失過大，采用蝸桿上