機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第3版）課件 第6章 蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2第6章蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)古代帆船人們很早就注意到蝸桿傳動(dòng)的大減速比、增力作用和反向自鎖功能。帆船的舵起初是用纏繞在鼓輪上的繩索來驅(qū)動(dòng)的。帆船轉(zhuǎn)向時(shí)，需要幾個(gè)船工來拉動(dòng)繩索。利用了蝸桿傳動(dòng)的自鎖性能來控制船舵是帆船發(fā)展史上的一大進(jìn)步。蝸桿傳動(dòng)起源于齒輪，是工程技術(shù)人員對齒輪傳動(dòng)的又一創(chuàng)新。本章將首先介紹蝸桿傳動(dòng)類型及主要特點(diǎn)，再分析蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)及幾何尺寸計(jì)算，最后介紹蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)。

3第1節(jié)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型第2節(jié)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算第3節(jié)蝸桿和蝸輪的常用材料和結(jié)構(gòu)第4節(jié)蝸桿傳動(dòng)的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算第5節(jié)蝸桿傳動(dòng)的潤滑、效率和熱平衡計(jì)算第6章蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

4第1節(jié)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，用于傳遞空間兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，軸交錯(cuò)角通常為90度。蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)

蝸桿傳動(dòng)的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大。

傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小?？芍瞥删哂凶枣i性的蝸桿。

蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是效率較低，通常為70％~80％、發(fā)熱量大和磨損大，常需耗用有色金屬。

蝸輪的造價(jià)較高。第1節(jié)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型第1節(jié)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型阿基米德蝸桿漸開線蝸桿法向直廓蝸桿錐面包絡(luò)圓柱蝸桿圓柱蝸桿傳動(dòng)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)錐蝸桿傳動(dòng)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)其蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧形的車刀切制而成的。其蝸桿體在軸向的外形是以凹弧面為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面，這種蝸桿同時(shí)嚙合齒數(shù)多，傳動(dòng)平穩(wěn)；齒面利于潤滑油膜形成，傳動(dòng)效率較高；同時(shí)嚙合齒數(shù)多，重合度大；傳動(dòng)比范圍大(10~360)；承載能力和效率較高；可節(jié)約有色金屬。阿基米德蝸桿第1節(jié)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型法向直廓蝸桿第1節(jié)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型2011年6月第1節(jié)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型錐蝸桿傳動(dòng)第1節(jié)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算

蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)有：模數(shù)m、壓力角α、蝸桿分度圓直徑d、直徑系數(shù)q、蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2

。

這些參數(shù)不僅影響著蝸桿和蝸輪的各部分尺寸，也影響著蝸桿傳動(dòng)的性能。這些參數(shù)間是相互聯(lián)系的，故不能孤立地取確定，應(yīng)根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的工作條件和加工條件，考慮參數(shù)間的相互影響，綜合分析，合理選定。第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算蝸桿與蝸輪嚙合時(shí)，在中間平面內(nèi)蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于齒輪與齒條的嚙合傳動(dòng)，蝸桿的軸向模數(shù)、壓力角應(yīng)與蝸輪的端面模數(shù)、壓力角相等，并將此平面內(nèi)的模數(shù)和壓力角規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值。1模數(shù)m和壓力角α第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算蝸桿的導(dǎo)程：螺旋線上任一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周所移動(dòng)的軸向距離。2蝸桿分度圓直徑d1、導(dǎo)程角γ導(dǎo)程角:螺旋線切線與垂直于軸線平面的夾角為桿軸向周節(jié)（齒距）2011年6月第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算直徑系數(shù)q

為了刀具的標(biāo)準(zhǔn)化，將蝸桿分度圓圓直徑d1定為標(biāo)準(zhǔn)值，即對應(yīng)于每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m規(guī)定了一定數(shù)量的蝸桿分度圓直徑d1d1與m的比值稱為蝸桿直徑系數(shù)q:

為了刀具的標(biāo)準(zhǔn)化，將蝸桿分度圓圓直徑d1定為標(biāo)準(zhǔn)值，即對應(yīng)于每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m規(guī)定了一定數(shù)量的蝸桿分度圓直徑d12011年6月第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算1)當(dāng)m一定時(shí)，q增大，則d1變大，蝸桿的剛度及強(qiáng)度相應(yīng)提高，因此m較小時(shí)，q選較大值；2)當(dāng)q取較小值時(shí)，γ增大，效率η提高，故在蝸桿軸剛度允許的情況下，應(yīng)盡可能選較小的q值。

為了滿足各種需要，對同一m，允許q值在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，以便選用不同的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿直徑d1。2011年6月第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算3蝸桿傳動(dòng)的正確嚙合條件1)蝸桿的軸向模數(shù)mX1與蝸輪的端面模數(shù)mt2必須相等；2)蝸桿的軸向壓力角與蝸輪的端面壓力角必須相等；2011年6月第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算4傳動(dòng)比i、蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2通常蝸桿為主動(dòng)件，蝸桿與蝸輪之間的傳動(dòng)比：選擇蝸桿頭數(shù)z1時(shí)，從以下三個(gè)方面考慮。

制造：頭數(shù)越多，蝸桿制造精度越高；

效率：頭數(shù)越多，效率越高；若要求自鎖，應(yīng)選擇單頭；提高傳動(dòng)比:應(yīng)選擇較少的頭數(shù)；2011年6月第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算

為避免加工蝸輪時(shí)產(chǎn)生根切，當(dāng)z1＝1時(shí)，選z2≥17；當(dāng)z1＝2時(shí)，取z2≥27。對于動(dòng)力傳動(dòng)，為保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性，z2不應(yīng)少于28，一般選z2＝32～63。第2節(jié)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算5蝸桿傳動(dòng)幾何尺寸的計(jì)算名稱計(jì)算公式蝸桿蝸輪分度圓直徑d1＝mqd2＝mz2齒頂高h(yuǎn)a1＝mha2＝m齒根高h(yuǎn)f1＝1.2mhf2＝1.2m頂圓直徑da1＝d1＋2ha1da2＝m(z2＋2)根圓直徑df1＝d1－2hf1df2＝m(z2－2.4)徑向間隙c＝0.2m中心距a＝0.5（d1＋d2）＝0.5m(q+z2)蝸桿軸向齒距px1=pt2=mπ2011年6月第3節(jié)蝸桿和蝸輪的常用材料和結(jié)構(gòu)1蝸桿和蝸輪的常用材料

蝸桿一般用碳鋼或合金鋼制成。對于不太重要的傳動(dòng)及低速中載蝸桿，常用40、45等鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理；對高速重載蝸桿常用15Cr、20Cr、20MnTi和20MnVB等經(jīng)滲碳淬火，也可用40、45、40CrNi等經(jīng)表面淬火。

低速輕載傳動(dòng)（vs<2m/s）可用灰鑄鐵HT15、HT200等制造；低速重載傳動(dòng)，則用9-3鋁青銅制造；高速傳動(dòng)，可采用錫青銅等制造，因它具有較好的耐磨性，但價(jià)格高，一般用于vs≥3m/s的重要傳動(dòng)。對于尺寸較大的蝸輪，常采用青銅輪冠，鑄鐵輪芯。2011年6月第3節(jié)蝸桿和蝸輪的常用材料和結(jié)構(gòu)2蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)

蝸桿往往與軸做成一體，除螺旋部分的結(jié)構(gòu)尺寸決定于蝸桿的幾何尺寸外，其余的結(jié)構(gòu)尺寸按軸的結(jié)構(gòu)尺寸要求決定。當(dāng)蝸桿螺旋部分的直徑較大時(shí)，可以將軸與蝸桿分開制作。2011年6月第3節(jié)蝸桿和蝸輪的常用材料和結(jié)構(gòu)2011年6月第4節(jié)蝸桿傳動(dòng)的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算1蝸桿傳動(dòng)的受力分析和計(jì)算載荷

輪齒在受到法向載荷Fn的情況下，可分解出徑向載荷Fr、周向載荷Ft、軸向載荷Fa。2011年6月第4節(jié)蝸桿傳動(dòng)的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算

Fa2與Ft1大小相等方向相反；

Fa1與Ft2大小相等方向相反；

Fr1與Fr2大小相等方向相反。2011年6月2蝸桿傳動(dòng)的滑動(dòng)速度和失效形式1、蝸桿傳遞的滑動(dòng)速度vs蝸桿傳動(dòng)在節(jié)點(diǎn)處嚙合，蝸桿的圓周速度為v1，蝸輪的圓周速度為v2，v1與v2成90，而使齒廓之間產(chǎn)生很大的相對滑動(dòng)。由于vs比蝸桿圓周速度還大，在蝸桿傳動(dòng)齒廓之間產(chǎn)生很大的相對滑動(dòng)，引起磨損和發(fā)熱，導(dǎo)致效率較低。第4節(jié)蝸桿傳動(dòng)的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算2011年6月

在蝸桿傳動(dòng)中，蝸桿螺旋部分的強(qiáng)度總是高于蝸輪輪齒的強(qiáng)度，所以失效常發(fā)生在蝸輪輪齒上。因此，一般只對蝸輪輪齒進(jìn)行承載能力計(jì)算。蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式是蝸輪齒面產(chǎn)生膠合、點(diǎn)蝕及磨損。進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的條件性計(jì)算設(shè)計(jì)公式為：第4節(jié)蝸桿傳動(dòng)的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算2011年6月第5節(jié)蝸桿傳動(dòng)的潤滑、效率和熱平衡計(jì)算1蝸桿傳動(dòng)的潤滑

對開式蝸桿傳動(dòng)，采用粘度較高的潤滑油或潤滑脂。對閉式蝸桿傳動(dòng)，根據(jù)工作條件和滑動(dòng)速度vs，參考下表選定潤滑油和給油方式。滑動(dòng)速度<1<2.5<55～1010～1515～25>25工作條件重載重載中載－－－－粘度84056033622415011284潤滑方式油池潤滑油池或噴油潤滑用壓力噴油0.7232011年6月2蝸桿傳動(dòng)的效率

閉式蝸桿傳動(dòng)的總效率η包括：輪齒的嚙合效率η1；軸承摩擦效率η2；浸入油中的零件攪油時(shí)的濺油損耗效率η3。

當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí)，η1可近似按螺旋副效率計(jì)算第5節(jié)蝸桿傳動(dòng)的潤滑、效率和熱平衡計(jì)算2011年6月2蝸桿傳動(dòng)的效率蝸桿傳動(dòng)的效率初步估算時(shí)，可近似取下列數(shù)值：1）閉式傳動(dòng)，當(dāng)z1＝1時(shí)，η＝0.7～0.75；z1＝2時(shí)，η＝0.75～0.82；z1＝4時(shí)，η＝0.87～0.92；自鎖時(shí)，η<0.50。2）開式傳動(dòng)，當(dāng)z1＝1、2時(shí)，η＝0.60～0.70。第5節(jié)蝸桿傳動(dòng)的潤滑、效率和熱平衡計(jì)算2011年6月第5節(jié)蝸桿傳動(dòng)的潤滑、效率和熱平衡計(jì)算3蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算系統(tǒng)因摩擦功耗產(chǎn)生的熱量為：自然冷卻從箱壁散去的熱量為：Ks——箱體表面的散熱系數(shù)A

——箱體的可散熱面積t1——潤滑油的工作溫度t0——環(huán)境溫度2011年6月在熱平衡條件下可得：系統(tǒng)因摩擦功耗產(chǎn)生的熱量為：自然冷卻從箱壁散去的熱量為：Ks