第七章　蝸桿傳動

機械設(shè)計教程第3版機械工業(yè)出版社第七章蝸桿傳動第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

第二節(jié)蝸桿傳動的失效形式和材料選擇第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算第四節(jié)蝸桿傳動的受力分析和效率計算第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算第六節(jié)蝸桿傳動的潤滑與熱平衡計算第七節(jié)圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)

第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

蝸桿傳動用于傳遞空間交錯兩軸之間的運動和轉(zhuǎn)矩,通常用于兩軸交錯成90°的減速傳動。如圖7-1所示,蝸桿傳動主要由蝸桿與蝸輪組成。蝸桿的形狀類似螺旋,有左旋和右旋之分,常用右旋,要求蝸桿和蝸輪的螺旋線方向相同,蝸桿一般為主動;蝸輪是一個具有特殊形狀的斜齒輪。蝸輪傳遞的轉(zhuǎn)矩可達2MN·m,直徑可達2m以上。目前蝸桿傳動在機床、起重、運輸、冶金、礦山、輕工、化工等各個行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。蝸桿傳動的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無噪聲、沖擊振動小,以及能得到很大的單級傳動比。在傳遞動力時,傳動比一般為5~80,常用15~50;在分度機構(gòu)或手動機構(gòu)中,傳動比可達300;若只傳遞運動,傳動比可達1000。蝸桿導(dǎo)程角很小時能實現(xiàn)反行程自鎖。蝸桿傳動的主要缺點是:傳動效率較低,發(fā)熱大,不宜大功率、長時間連續(xù)工作;為了減小摩擦和磨損,蝸輪常需要用較貴重的青銅制造,故成本較高。第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

圖7-1蝸桿傳動a)蝸桿蝸輪均為右旋b)蝸桿蝸輪均為左旋第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

按照蝸桿形狀的不同,蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動(圖7-2a)、環(huán)面蝸桿傳動(圖7-2b)和錐蝸桿傳動(圖7-2c)。環(huán)面蝸桿和錐蝸桿的制造較困難,安裝要求較高,因而應(yīng)用不如圓柱蝸桿廣泛。下面主要介紹圓柱蝸桿傳動。圓柱蝸桿傳動包括普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動兩大類。圖7-2蝸桿傳動類型a)圓柱蝸桿傳動b)環(huán)面蝸桿傳動c)錐蝸桿傳動第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

一、普通圓柱蝸桿傳動普通圓柱蝸桿的齒形多用成形線為直線的刀具加工而成。根據(jù)刀具安裝位置的不同,所加工出的蝸桿齒面在不同截面中的齒廓曲線形狀也不同。根據(jù)蝸桿齒廓曲線的形狀,普通圓柱蝸桿可分為阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)、漸開線蝸桿(ZI蝸桿)、法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)和錐面包絡(luò)蝸桿(ZK蝸桿)等四種。GB/T10085—1988中推薦采用ZI蝸桿和ZK蝸桿兩種。下面分別介紹以上四種蝸桿齒形。

(1)阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)這種蝸桿的齒面為阿基米德螺旋面。在垂直蝸桿軸線的平面(即端面)上,齒廓為阿基米德螺旋線(圖7-3),在包含軸線的平面(即軸面)上的齒廓為直線,其齒形角α0=20°。此種蝸桿可用直刃的單刀(當(dāng)導(dǎo)程角γ≤3°時)或雙刀(當(dāng)導(dǎo)程角γ>3°時)在車床上加工。安裝刀具時,切削刃的頂面必須通過蝸桿的軸線。阿基米德蝸桿難以用直廓砂輪磨削出精確齒形,當(dāng)導(dǎo)程角較大(γ>15°)時,徑向車削也較困難。第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

一、普通圓柱蝸桿傳動圖7-3阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)

a)單刀加工b)雙刀加工第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

一、普通圓柱蝸桿傳動(2)法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)此種蝸桿的法面(N—N面)齒廓為直線,端面齒廓為延伸漸開線(圖7-4a),軸面齒廓為凸廓線。ZN蝸桿也是用直刃的單刀或雙刀在車床上車削加工而成的,刀具的安裝形式如圖7-4所示。此種蝸桿也難以磨削。圖7-4法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)a)車刀對中齒厚中線法面b)車刀對中齒槽中線法面第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

一、普通圓柱蝸桿傳動(3)漸開線蝸桿(ZI蝸桿)此種蝸桿的齒面為漸開線螺旋面,端面齒廓為漸開線(圖7-5),可視為一個齒數(shù)等于蝸桿頭數(shù)的大螺旋角漸開線圓柱斜齒輪。此種蝸桿可以用兩把直刃車刀在車床上車削加工,也可以用齒輪滾刀滾削,還可以用單面或錐面砂輪磨削,制造精度較高,適用于成批生產(chǎn)和大功率傳動,是普通圓柱蝸桿傳動中較理想的傳動,故在GB/T10085—1988標(biāo)準(zhǔn)中被推薦采用。圖7-5漸開線蝸桿(ZI蝸桿)第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

一、普通圓柱蝸桿傳動(4)錐面包絡(luò)蝸桿(ZK蝸桿)此種蝸桿螺旋面由錐面盤狀銑刀或砂輪包絡(luò)而成(圖7-6),是一種非線性螺旋齒面,不能在車床上加工,只能在銑床和磨床上加工。加工時,除工件做螺旋運動外,刀具同時繞其自身的軸線做回轉(zhuǎn)運動。這種蝸桿可以磨削,制造精度較高,也在國家標(biāo)準(zhǔn)中被推薦采用。圖7-6錐面包絡(luò)蝸桿(ZK蝸桿)第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

一、普通圓柱蝸桿傳動用上述不同類型的蝸桿與其相應(yīng)的蝸輪一起就組成了不同類型的圓柱蝸桿傳動。蝸輪的齒廓隨蝸桿齒廓而異。切削蝸輪的滾刀的參數(shù)和形狀必須和工作蝸桿一致,滾銑中心距也應(yīng)和傳動中心距相同。由于制造誤差,切出的蝸輪齒形不可能與蝸桿精確嚙合,所以必須經(jīng)過裝配后的磨合來改善和適應(yīng)。第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

二、圓弧圓柱蝸桿傳動(ZC蝸桿)圓弧圓柱蝸桿是一種非直紋面圓柱蝸桿。這種蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧形的刀具切制的,其齒面一般為圓弧形凹面,而蝸輪是用展成法制造的,其齒面為圓弧形凸面。由圖7-7可以看出,圓弧圓柱蝸桿傳動是一種凸凹弧齒廓相嚙合的傳動,也是一種線接觸的嚙合傳動。其主要特點為:制造工藝簡單;承載能力高,一般可較普通圓柱蝸桿傳動高出50%~150%;傳動效率高,一般可達90%以上;體積小;結(jié)構(gòu)緊湊;重量輕。這種傳動已廣泛應(yīng)用到起重、運輸、冶金、礦山、輕工、化工、建筑等機械設(shè)備的減速機構(gòu)中。圖7-7圓弧圓柱蝸桿傳動第一節(jié)蝸桿傳動的類型及特點

三、圓柱蝸桿傳動的精度等級及其選擇GB/T10089—1988中對蝸輪、蝸桿和蝸桿傳動規(guī)定了12個精度等級;第1級精度最高,第12級精度最低。按照公差的特性對傳動性能的主要保證作用,將蝸輪、蝸桿和蝸桿傳動的公差分成了三個公差組。對于動力蝸桿傳動,一般按照6~9級精度制造。6級精度的傳動可用于中等精密機床的分度機構(gòu)和發(fā)動機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳動。7級精度的傳動可用于中等精度的運輸機及中等功率的蝸桿傳動。8級精度的傳動可用于圓周速度較低、每天只有短時工作的次要傳動。9級精度的傳動只能用于不重要的低速傳動及手動傳動。第二節(jié)蝸桿傳動的失效形式和材料選擇一、失效形式蝸桿傳動的失效形式和齒輪傳動類似,也有齒面點蝕、磨損、膠合及輪齒的彎曲折斷。由于材料和結(jié)構(gòu)上的原因,蝸桿螺旋齒部分的強度總是高于蝸輪輪齒的強度,所以失效經(jīng)常發(fā)生在蝸輪輪齒上。在閉式傳動中,蝸桿副多因齒面膠合或點蝕而失效。在開式傳動中,蝸輪的失效形式主要是齒面磨損和過度磨損引起的輪齒折斷。第二節(jié)蝸桿傳動的失效形式和材料選擇二、材料選擇由蝸桿副必須經(jīng)過磨合后才能正常使用及蝸桿傳動的失效形式可知,蝸桿、蝸輪的材料首先要有優(yōu)良的磨合性、減摩性和耐磨性,其次還要有一定的強度。蝸桿材料主要有碳鋼和合金鋼。高速重載蝸桿常用15Cr和20Cr并經(jīng)滲碳淬火,硬度為58~63HRC;也可用40鋼、45鋼或40Cr并經(jīng)淬火,硬度為45~55HRC。這樣可以提高表面硬度,增加耐磨性。對于一般不太重要的低速中載的蝸桿,可采用40鋼或45鋼,并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,硬度為220~300HBW。第二節(jié)蝸桿傳動的失效形式和材料選擇二、材料選擇常用的蝸輪材料有:1)鑄造錫青銅(ZCuSn10P1、ZCuSnPb5Zn5),耐磨性最好,價格較高,用于滑動速度vs≥3m/s的重要傳動。2)鑄造鋁鐵青銅(ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2),耐磨性較鑄造錫青銅差一些,但價格便宜,一般用于滑動速度vs≤4m/s的傳動。3)鑄鋁黃銅(ZCuZn25Al6Fe3Mn3),抗點蝕性能好,但耐磨性能差,宜用于低滑動速度場合。4)灰鑄鐵(HT150、HT200),適用于滑動速度不高(vs<2m/s)、效率也要求不高的場合。為了防止變形,蝸輪通常要進行時效處理。5)微晶合金(LZA3805、LZA4205),是一種合金晶粒細化至微米級的合金材料,具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、超強的尺寸穩(wěn)定性、減摩性和耐磨性,在很多場合下可用于替代銅合金制造蝸輪。第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)1.模數(shù)和壓力角

第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)2.蝸桿分度圓直徑d1為了減少蝸輪滾刀的規(guī)格數(shù)量,GB/T10088—1988中將蝸桿分度圓直徑d1規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值,與模數(shù)相對應(yīng),見表7-1。過去人們常采用蝸桿直徑系數(shù)q來確定d1,其關(guān)系式為d1=mq。現(xiàn)在規(guī)定d1為標(biāo)準(zhǔn)值,則q為導(dǎo)出值,即q=d1/m。d1大,蝸桿強度和剛性好,但傳動效率低。因此,在滿足強度和剛性的前提下,為了提高傳動效率,應(yīng)選用較小的d1。第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)2.蝸桿分度圓直徑d1第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)3.蝸桿頭數(shù)z1蝸桿頭數(shù)推薦值為z1=1、2、4、6。當(dāng)要求傳動比大或傳遞轉(zhuǎn)矩大時,z1取小值;要求自鎖時取z1=1。蝸桿頭數(shù)多時,傳動效率高,但頭數(shù)過多時,導(dǎo)程角大,制造困難。通常蝸桿頭數(shù)可根據(jù)傳動比按表7-2選擇。第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)4.蝸桿導(dǎo)程角γ

圖7-8導(dǎo)程角與導(dǎo)程的關(guān)系第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)5.傳動比i和齒數(shù)比u

第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)6.蝸輪齒數(shù)z2蝸輪齒數(shù)z2=iz1,在動力傳動中,為增加同時嚙合齒對數(shù),使傳動平穩(wěn),通常規(guī)定z2≥28。對于動力傳動,z2一般不大于80。z2過大會導(dǎo)致模數(shù)過小,使蝸輪齒根彎曲強度不足或使蝸輪直徑過大,蝸桿支承間距加長而剛度不足。z2的選擇可參考表7-2,同時還要考慮表7-3中的基本參數(shù)匹配關(guān)系。進行非標(biāo)準(zhǔn)或分度傳動設(shè)計時,z2的選擇可不受此表的限制。第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)6.蝸輪齒數(shù)z2第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)6.蝸輪齒數(shù)z2第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)7.蝸桿傳動的標(biāo)準(zhǔn)中心距a

第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)8.變位系數(shù)

第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)8.變位系數(shù)

第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算一、普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)8.變位系數(shù)圖7-9蝸桿傳動的變位a)減小中心距變位傳動x2<0,z2'=z2,a'<a

b)標(biāo)準(zhǔn)傳動x2=0,z2'=z2,a'=a,中心距a=0.5m(q+z2)

c)加大中心距變位傳動x2>0,z2'=z2,a'>a第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算二、普通圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸如圖7-10所示,有關(guān)計算公式見表7-4。圖7-10普通圓柱蝸桿傳動的基本幾何尺寸第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算二、普通圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算二、普通圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算第三節(jié)普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)和幾何尺寸計算三、蝸桿、蝸輪及其傳動的尺寸規(guī)格的標(biāo)記方法蝸桿的標(biāo)記內(nèi)容包括:蝸桿的類型(ZA、ZI、ZN、ZK),模數(shù)m,分度圓直徑d1,螺旋方向(右旋R或左旋L),頭數(shù)z1,齒形角度數(shù)(20°時可不標(biāo)出)。蝸輪的標(biāo)記內(nèi)容包括:相配的蝸桿類型(ZA、ZI、ZN、ZK),模數(shù)m,齒數(shù)z2,齒形角度數(shù)(20°時可不標(biāo)出)。蝸桿傳動的標(biāo)記方法用分式表示,其中分子為蝸桿的代號,分母為蝸輪的齒數(shù)z2。例蝸桿的類型ZN,模數(shù)m=10mm,分度圓直徑d1=90mm,蝸桿頭數(shù)z1=2,螺旋方向為右旋,蝸輪齒數(shù)z2=81,齒形角αn=15°的圓柱蝸桿傳動。蝸桿的標(biāo)記:蝸桿ZN10×90R2×15°蝸輪的標(biāo)記:蝸輪ZN10×81×15°蝸桿傳動的標(biāo)記:ZN10×90R2×15°/81第四節(jié)蝸桿傳動的受力分析和效率計算一、蝸桿傳動的受力分析

第四節(jié)蝸桿傳動的受力分析和效率計算一、蝸桿傳動的受力分析第四節(jié)蝸桿傳動的受力分析和效率計算二、蝸桿傳動的效率

第四節(jié)蝸桿傳動的受力分析和效率計算二、蝸桿傳動的效率

第四節(jié)蝸桿傳動的受力分析和效率計算二、蝸桿傳動的效率第四節(jié)蝸桿傳動的受力分析和效率計算二、蝸桿傳動的效率圖7-12蝸桿傳動滑動速度第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算蝸桿傳動的強度計算通常包括蝸輪齒面接觸疲勞強度計算、蝸輪輪齒彎曲疲勞強度計算、蝸桿傳動的溫升驗算和蝸桿軸的剛度驗算等。對于閉式傳動,主要進行蝸輪齒面的接觸疲勞強度計算,以防止齒面的點蝕和膠合,同時還要進行輪齒的彎曲疲勞強度的校核。此外,還需進行溫升和蝸桿剛度的驗算。對于開式傳動,蝸輪齒面多因過度磨損和輪齒折斷而導(dǎo)致傳動失效,因此主要進行蝸輪的彎曲疲勞強度計算。第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算一、蝸輪齒面接觸疲勞強度計算

第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算一、蝸輪齒面接觸疲勞強度計算

第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算一、蝸輪齒面接觸疲勞強度計算第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算二、蝸輪齒根彎曲疲勞強度計算

第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算二、蝸輪齒根彎曲疲勞強度計算

第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算二、蝸輪齒根彎曲疲勞強度計算第五節(jié)蝸桿傳動的強度計算三、蝸桿軸的剛度驗算

第六節(jié)蝸桿傳動的潤滑與熱平衡計算一、蝸桿傳動的潤滑當(dāng)蝸桿傳動潤滑不良時,傳動效率將顯著降低,并會產(chǎn)生劇烈的磨損,同時還帶來膠合破壞的危險,所以常采用黏度大的礦物油進行良好的潤滑,在潤滑油中還常加入添加劑,提高其抗膠合能力。1.潤滑油及給油方式潤滑油的種類很多,需根據(jù)蝸桿、蝸輪配對材料和運轉(zhuǎn)條件合理選用。潤滑油黏度及給油方法,一般根據(jù)滑動速度及載荷類型進行選擇。在鋼蝸桿配青銅蝸輪的閉式傳動中,常用的潤滑油黏度及給油方式見表7-11;對于開式傳動,則采用黏度較高的齒輪油或潤滑脂。如果采用噴油潤滑,噴油嘴要對準(zhǔn)蝸桿嚙入端。蝸桿正反轉(zhuǎn)時,兩邊都要裝有噴油嘴,而且要控制一定的油壓。第六節(jié)蝸桿傳動的潤滑與熱平衡計算一、蝸桿傳動的潤滑2.潤滑油量對閉式蝸桿傳動采用油池潤滑時,在攪油損耗不至過大的情況下,應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠土?。這樣不僅有利于動壓油膜的形成,而且有助于散熱。對于蝸桿下置式或蝸桿側(cè)置式的傳動,浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個齒高;對于蝸桿上置式的傳動,浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。蝸桿減速箱油池注油量也可以根據(jù)傳動中心距參考表7-12選取。第六節(jié)蝸桿傳動的潤滑與熱平衡計算二、蝸桿傳動的熱平衡計算蝸桿傳動由于傳動效率低,工作時會產(chǎn)生較多的熱量。在閉式傳動中,若產(chǎn)生的熱量不能及時散出,則易于造成潤滑油工作溫度過高,導(dǎo)致黏度降低,加速潤滑油的老化和添加劑的析出,密封圈損壞,摩擦損失增加,甚至有可能發(fā)生膠合。因此,有必要進行蝸桿傳動的熱平衡計算。保持溫升不超過一定值的必要條件是單位時間內(nèi)的發(fā)熱量Q1與散熱量Q2平衡。由摩擦損耗功率Pf=P(1-η)產(chǎn)生的熱流量為Q1=P(1-η)(7-20)式中,P為蝸桿傳遞的功率(kW)。以自然冷卻方式,從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中的熱流量Q2(W)為Q2=αdA(t0-ta)(7-21)式中,αd為箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),可取αd=(12~18)W/(m2·℃),箱體周圍空氣流通良好時取偏大值;A為箱體的散熱面積(m2),箱體有好的散熱肋片時,可近似取A≈9×10-5a1.85,散熱肋片較少時,可近似取A≈9×10-5a1.5,其中a為蝸桿傳動中心距(mm);t0為油的工作溫度,一般限制在60~70