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1、- 269 -第 5 章 蜗杆传动机构本章主要介绍蜗杆传动的组成、结构、特点、类型和应用、阿基米德蜗杆传动的主要参数和几何尺寸。 在运动转换中，常需要进行空间交错轴之间的运动转换，在要求大传动比的同时，又希望传动机构的结构紧凑，采用蜗杆传动机构则可以满足上述要求。图 1-1 需要在小空间内实现上层 X 轴到下层 Y 轴的大传动比传动，所选择的就是蜗杆传动。蜗杆传动广泛应用于机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造工业中，其最大传动功率可达 750kW，但通常用在 50kW 以下。图 1-1 图 1-21.1 蜗杆传动机构概述1.1.1 蜗杆传动的组成蜗杆传动主要由蜗杆和蜗轮组成
2、，如图 1-2 所示，主要用于传递空间交错的两轴之间的运动和动力，通常轴间交角为 90。一般情况下，蜗杆为主动件，蜗轮为从动件。1.1.2 蜗杆传动特点（1）传动平稳 因蜗杆的齿是一条连续的螺旋线，传动连续，因此它的传动平稳，噪声小。（2）传动比大 单级蜗杆传动在传递动力时，传动比 i580，常用的为 i=1550。分度传动时 i 可达 1000，与齿轮传动相比则结构紧凑。（3）具有自锁性 当蜗杆的导程角小于轮齿间的当量摩擦角时，可实现自锁。即蜗杆能带动蜗轮旋转，而蜗轮不能带动蜗杆。（4）传动效率低 蜗杆传动由于齿面间相对滑动速度大，齿面摩擦严重，故在制造精度和传XY- 270 -动比相同的条
3、件下，蜗杆传动的效率比齿轮传动低，一般只有 0.70.8。具有自锁功能的蜗杆机构，效率则一般不大于 0.5。（5）制造成本高 为了降低摩擦，减小磨损，提高齿面抗胶合能力，蜗轮齿圈常用贵重的铜合金制造，成本较高。1.1.3 蜗杆传动的类型蜗杆传动按照蜗杆的形状不同，可分为圆柱蜗杆传动(图 1-3a)、环面蜗杆传动(图 1-3b)。圆柱蜗杆传动除与图 1-3a 相同的普通蜗杆传动，还有圆弧齿蜗杆传动 (图 1-3c) 。圆柱蜗杆机构又可按螺旋面的形状，分为阿基米德蜗杆机构和渐开线蜗杆机构等。圆柱蜗杆机构加工方便，环面蜗杆机构承载能力较高。c)图 1-31.1.4 蜗杆传动的失效形式及设计准则由于蜗
4、杆传动中的蜗杆表面硬度比蜗轮高，所以蜗杆的接触强度、弯曲强度都比蜗轮高；而蜗轮齿的根部是圆环面，弯曲强度也高、很少折断。蜗杆传动的主要失效形式有胶合、疲劳点蚀和磨损。由于蜗杆传动在齿面间有较大的滑动速度，发热量大，若散热不及时，油温升高、粘度下降，油膜破裂，更易发生胶合。开式传动中，蜗轮轮齿磨损严重，所以蜗杆传动中，要考虑润滑与散热问题。蜗杆轴细长，弯曲变形大，会使啮合区接触不良。需要考虑其刚度问题。蜗杆传动的设计要求：（1）计算蜗轮接触强度；（2）计算蜗杆传动热平衡，限制工作温度，（3）必要时验算蜗杆轴的刚度。1.1.5 蜗杆、蜗轮的材料选择基于蜗杆传动的失效特点，选择蜗杆和蜗轮材料组合时，
5、不但要求有足够的强度，而且要有良好的减摩、耐磨和抗胶合的能力。实践表明，较理想的蜗杆副材料是：青铜蜗轮齿圈匹配淬硬磨削的钢制蜗杆。（1）蜗杆材料- 271 -对高速重载的传动，蜗杆常用低碳合金钢（如 20Cr、20CrMnTi）经渗碳后，表面淬火使硬度达 56 62HRC，再经磨削。对中速中载传动，蜗杆常用 45 钢、40Cr、35SiMn 等，表面经高频淬火使硬度达 4555HRC，再磨削。对一般蜗杆可采用 45、40 等碳钢调质处理（硬度为210230HBS）。（2）蜗轮材料常用的蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSnl0Pl，ZCuSn6Zn6Pb3）、铸造铝铁青铜（ZCuAl10F e3）及
6、灰铸铁 HTl50、HT200 等。锡青铜的抗胶合、减摩及耐磨性能最好，但价格较高，常用于 vs3m/s的重要传动；铝铁青铜具有足够的强度，并耐冲击，价格便宜，但抗胶合及耐磨性能不如锡青铜，一般用于 vs6m/s的传动；灰铸铁用于 vs 2ms 的不重要场合。1.2 蜗杆传动机构的基本参数和尺寸1.2.1 蜗杆机构的正确啮合条件1中间平面 我们将通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面定义为中间平面，如图 1-4 所示。在此平面内，蜗杆传动相当于齿轮齿条传动。因此这个下面内的参数均是标准值，计算公式与圆柱齿轮相同。图 1-42正确啮合条件 根据齿轮齿条正确啮合条件，蜗杆轴平面上的轴面模数 mx1 等
7、于蜗轮的端面模数 mt2；蜗杆轴平面上的轴面压力角 x1 等于蜗轮的端面压力角 t2；蜗杆导程角 等于蜗轮螺旋角 ，且旋向相同，即mx1=mt2=m x1=t2= （1-1）=- 272 -1.2.2 基本参数1蜗杆头数 z1 ，蜗轮齿数 z2 蜗杆头数 z1 一般取 1、2、4。头数 z1 增大，可以提高传动效率，但加工制造难度增 加。蜗轮齿数一般取 z2 =2880。若 z2 45HRC砂型 12 180 200ZCuSn10P1金属型 25 200 220砂型 10 110 125ZCuSn6Zn6Pb3金属型 12 135 150表 1-4 铝铁青铜及铸铁蜗轮的许用接触应力 H MPa
8、滑动速度 vs/(m/s)蜗轮材料 蜗杆材料0.5 1 2 3 4 6 8ZCuAl10Fe3 淬火钢 250 230 210 180 160 120 90HT150HT200 渗碳钢 130 115 90 HT150 调质钢 110 90 70 *蜗杆未经淬火时，需将表中许用应力值降低 20%。1.3.2 蜗杆传动的热平衡计算1. 蜗杆传动时的滑动速度蜗杆和蜗轮啮合时，齿面间有较大的相对滑动，相对滑动速度的大小对齿面的润滑情况、齿面失效形式及传动效率有很大影响。相对滑动速度愈大，齿面间愈容易形成油膜，则齿面间摩擦系数愈小，当量摩擦角也愈小；但另一方面，由于啮合处的相对滑动，加剧了接触面的磨损
9、，因而应选用恰当的蜗轮蜗杆的配对材料，并注意蜗杆传动的润滑条件。滑动速度计算公式为（1-7） m/sco106sndv式中： 为普通圆柱蜗杆分度圆上的导程角n1（r/min）为蜗杆转速 d1 为普通圆柱蜗杆分度圆上的直径2. 蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的功率损失包括：啮合摩擦损失、轴承摩擦损失和润滑油被搅动的油阻损失。因此总效率为啮合效率 1、轴承效率 2、油的搅动和飞溅损耗效率 3 的乘积，其中啮合效率 1 是主要的。总效率为=123 （1-8）当蜗杆主动时，啮合效率 1 为:- 277 -v1tan式中： 为普通圆柱蜗杆分度圆上的导程角。v 为当量摩擦角，可按蜗杆传动的材料及滑动速度查表
10、1-5 得出。由于轴承效率 2、油的搅动和飞溅损耗时的效率 3 不大，一般取 23=0.950.96，在开始设计时，为了近似地求出蜗轮轴上的转矩 T2，则总效率 常按以下数值估取：当蜗杆齿数 z1=1 时，总效率估取 =0.7；当蜗杆齿数 z1=2 时，总效率估取 =0.8；当蜗杆齿数 z1=4 时，总效率估取 =0.9；表 1-5 当量摩擦系数 fv 当量摩擦角 v蜗轮材料 锡青铜 无锡青铜蜗杆齿面硬度 45HRC 350HBS 45HRC滑动速度 vs/(m/s) fv v fv v fv v1.00 0.045 235 0.055 309 0.07 4002.00 0.035 200 0
11、.045 235 0.055 3093.00 0.028 136 0.035 200 0.045 2354.00 0.024 122 0.031 147 0.04 2175.00 0.022 116 0.029 140 0.035 2008.00 0.018 102 0.026 129 0.03 143注：1. 蜗杆齿面粗糙度 Ra0.8 0.2。2. 蜗轮材料为灰铸铁时，可按无锡青铜查取 fv、 v3. 蜗杆传动的热平衡计算由于蜗杆传动的效率低，因而发热量大，在闭式传动中，如果不及时散热，将使润滑油温度升高、粘度降低，油被挤出、加剧齿面磨损，甚至引起胶合。因此，对闭式蜗杆传动要进行热平衡计算
12、，以便在油的工作温度超过许可值时，采取有效的散热方法。由摩擦损耗的功率变为热能，借助箱体外壁散热，当发热速度与散热速度相等时，就达到了热平衡。通过热平衡方程，可求出达到热平衡时，润滑油的温度。该温度一般限制在 6070， 最高不超过 80。热平衡方程为： 01t10AP式中：P 1（kW ）为蜗杆传递的功率； 为传动总效率；A 为散热面积，可按长方体表面积估算，但需除去不和空气接触的面积，凸缘和散热片面积按 50计算。t0 为周围空气温度，常温情况下可取 20。t1 为润滑油的工作温度，一般限制在 6070， 最高不超过 80。- 278 -t 为箱体表面传热系数，其数值表示单位面积、单位时间
13、、温差 1所能散发的热量，根据箱体周围的通风条件一般取 t =1017W/（m 2）， 通风条件好时取大值。由热平衡方程得出润滑油的工作温度 t1 为：（1-9）0t)(0tAP也可以由热平衡方程得出该传动装置所必需的最小散热面积 Amin： )(10t如果实际散热面积小于最小散热面积 Amin， ，或润滑油的工作温度超过 80，则需采取强制散热措施。1.3.3 蜗杆传动机构的散热蜗杆传动机构的散热目的是保证油的温度在安全范围内，以提高传动能力。常用下面几种散热措施：1）在箱体外壁加散热片以增大散热面积；2）在蜗杆轴上装置风扇（图 1-8a）；3）采用上述方法后，如散热能力还不够，可在箱体油池
14、内铺设冷却水管，用循环水冷却（图 1-8b）；4）采用压力喷油循环润滑。油泵将高温的润滑油抽到箱体外，经过滤器、冷却器冷却后，喷射到传动的啮合部位（图 1-8c）。图 1-8*1.3.3 普通圆柱蜗杆和蜗轮设计计算设计时，通常给出传递的功率 P1、传动比 i 和蜗杆转速 n1 及工作情况等条件。设计步骤：合理选择蜗杆及蜗轮的材料，并查表确定许用应力值。按蜗轮齿面接触强度公式计算 m3q，并查表确定模数 m 及蜗杆直径系数 q 值。（）选择蜗杆齿数，计算蜗轮齿数，并取整数。- 279 -（）根据蜗杆齿数，估计总效率值，并计算蜗轮转矩。（）计算 m3q，并查表确定模数 m 及蜗杆直径系数 q 值。确定传动的基本参数并计算蜗杆传动尺寸。按热平衡方程计算，给出适当的散热措施建议。选择蜗杆蜗轮的结构，并画出工作图。 例： 试设计一混料机的闭式蜗杆传动。已知：蜗杆输入的传递功率 P1=3kW、转速 n1=13
