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1、第7章 蜗杆传动,蜗杆传动,蜗杆蜗轮机构是由蜗杆和蜗轮组成的，传递的是空间 两交错轴之间的运动和动力，如图7-1所示。通常两轴交 错角为90，蜗杆是主动件。蜗杆传动广泛应用于各种 机器和仪器设备中。,图7-1 蜗杆蜗轮机构,蜗杆传动,7.1 蜗杆传动的类型和特点,7.2 蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,7.3 蜗杆与蜗轮的材料和结构,7.4 蜗杆传动的强度计算,7.5 蜗杆传动的传动效率、润滑和热平衡计算,7.6 蜗杆传动的安装与维护,7.1.1 蜗杆传动的类型,蜗杆蜗轮机构的类型很多，其主要区别在于蜗杆形状的不同。常用的主要有圆柱面蜗杆传动(如图7-2(a)所示)、圆弧面蜗杆传动(如图7-
2、2(b)所示)和锥面蜗杆传动(如图7-2(c)所示)。 按螺旋面形状的不同，圆柱面蜗杆又可分为阿基米德蜗杆(ZA型)、渐开线蜗杆(ZI型）等。,图7-2 蜗杆传动的类型,图7-3 阿基米德蜗杆,图7-4 渐开线蜗杆,7.1.2 蜗杆蜗轮机构传动的特点,(1) 传动比大，结构紧凑。单级传动比i=880，在分度机构中可达1 000。 (2) 传动平稳、噪声小。蜗杆上的是连续不断的螺旋齿，蜗轮轮齿与蜗杆的啮合是逐渐进入并逐渐退出的，同时啮合的齿数较多，所以传动平稳、噪声小。 (3) 在一定条件下可以自锁。当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。 (4) 传动效率低，磨损严重，
3、易发热。由于蜗轮和蜗杆在啮合处有较大的相对滑动，因而磨损严重，发热量大，效率较低。蜗杆机构传动效率一般为70%80%，当具有自锁性时，效率小于50%。 (5) 蜗杆轴向力较大，轴承易磨损，蜗轮造价较高。,蜗杆传动,7.1 蜗杆传动的类型和特点,7.2 蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,7.3 蜗杆与蜗轮的材料和结构,7.4 蜗杆传动的强度计算,7.5 蜗杆传动的传动效率、润滑和热平衡计算,7.6 蜗杆传动的安装与维护,7.2 蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,如图7-5所示，通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面 称为中间平面。在中间平面内，蜗杆齿廓为直线，相当 于齿条，而与之啮合的蜗轮齿廓则为渐
4、开线，蜗轮与蜗 杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。因此规定， 设计蜗杆传动时，其参数和尺寸均在中间平面内确定， 并沿用渐开线圆柱齿轮传动的计算公式。,图7-5 阿基米德蜗杆传动的主要参数和几何尺寸,7.2.1 蜗杆传动的主要参数及其选择,7.2.2 蜗杆传动的几何尺寸计算,表7-3 标准阿基米德蜗杆传动的几何尺寸计算,蜗杆传动,7.1 蜗杆传动的类型和特点,7.2 蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,7.3 蜗杆与蜗轮的材料和结构,7.4 蜗杆传动的强度计算,7.5 蜗杆传动的传动效率、润滑和热平衡计算,7.6 蜗杆传动的安装与维护,7.3.1 蜗杆与蜗轮的材料,蜗杆与蜗轮的材料不仅要求具有
5、足够的强度，更重要的是要有良好的减摩、耐磨性和良好的抗胶合能力。,(1) 低速，不太重要的场合常用40、45钢调质处理，硬度为220300HBS。 (2) 一般传动时采用40、45、40Cr并经表面淬火，硬度为4555HRC。 (3) 高速重载蜗杆常用15Cr、20Cr、12CrNiA、20CrMnTi、O20CrK并经渗碳淬火，硬度为5863HRC。,(1) 铸锡青铜(ZCuSn10P1，ZCuSn5P65Zn5)，用于vs3m/s时，减摩性好，抗胶合性好，但是价格较贵，强度稍低。 (2) 铸铝铁青铜(ZCuAl10Fe3)用于vs4m/s时，减摩性、抗胶合性稍差，但强度高，价格较低。 (3
6、) 灰铸铁和球墨铸铁只能用于vs2m/s的场合，且要进行时效处理、防止变形。,7.3.2 蜗杆与蜗轮的结构,蜗杆直径较小，常和轴制成一个整体，如图7-7所示。螺旋部分常用车削加工，也可铣削。车削加工时需要有退刀槽，故刚性较差。 蜗轮的结构根据材料和尺寸的不同分为多种型式。,蜗杆传动,7.1 蜗杆传动的类型和特点,7.2 蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,7.3 蜗杆与蜗轮的材料和结构,7.4 蜗杆传动的强度计算,7.5 蜗杆传动的传动效率、润滑和热平衡计算,7.6 蜗杆传动的安装与维护,7.4.1 蜗杆传动的失效形式及计算准则,(1) 蜗杆传动的失效形式。 蜗杆传动类似于螺旋传动，啮合效率较低
7、且相对滑动速度vs较大。 因此齿面点蚀、磨损和胶合是蜗杆传动最常见的失效形式，尤其当润滑不良时出现的可能性更大。又由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度。故一般只对蜗轮轮齿承载能力和蜗杆传动的抗胶合能力进行计算。 (2) 蜗杆传动的计算准则。 开式传动中主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断，要按齿根弯曲疲劳强度进行设计。 闭式传动中主要失效形式是齿面胶合或点蚀。要按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核。此外，闭式蜗杆传动由于散热较为困难，还应作热平衡核算。,7.4.2 蜗杆传动的受力分析,蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似。若不计齿面间的摩擦力，作用
8、在蜗杆齿面上的法向力Fn1在节点C处可以分解成3个互相垂直的分力：圆周力 Ft1、径向力Fr1 和轴向力Fa1。由于蜗杆轴和蜗轮轴成90夹角，故蜗杆的圆周力Ft1与蜗轮的轴向力Fa2、蜗杆的轴向力Fa1与蜗轮的圆周力Ft2、蜗杆的径向力Fr1与蜗轮的径向力Fr2分别大小相等，方向相反，即 蜗杆蜗轮受力方向的判别与斜齿轮相同。蜗杆为主动件时，其圆周力Ft1与转向相反，径向力Fr1由啮合点指向蜗杆中心，轴向力Fa1的方向由螺旋线的旋向和蜗杆的转向确定，可按“蜗杆左右手法则”判定。,7.4.3 蜗杆传动的强度计算,(1) 蜗轮齿面接触疲劳强度计算。 蜗轮与蜗杆啮合处的齿面接触应力与齿轮传动相似，利用
9、赫兹应力公式，考虑蜗杆和蜗轮齿廓特点，可以推导出齿面接触疲劳强度的校核公式为 适用于钢制蜗杆与青铜或铸铁蜗轮的啮合传动，设计公式为 (2) 蜗轮轮齿的齿根弯曲疲劳强度计算。 蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核公式为 设计公式为,7.4.4 蜗轮材料的许用应力,(1) 蜗轮材料的许用接触应力h 。 蜗轮材料的许用接触应力h由材料的抗失效能力决定。 若蜗轮材料为锡青铜时，主要失效形式为疲劳点蚀，此时 (2) 蜗轮材料的许用弯曲应力f 。 蜗轮的许用弯曲应力f 的计算公式为,蜗杆传动,7.1 蜗杆传动的类型和特点,7.2 蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,7.3 蜗杆与蜗轮的材料和结构,7.4 蜗杆传动的强
10、度计算,7.5 蜗杆传动的传动效率、润滑和热平衡计算,7.6 蜗杆传动的安装与维护,7.5.1 蜗杆传动的效率,蜗杆传动类似于螺旋传动，具有相对滑动，啮合效率较低，效率可按下式计算 通常取23=0.950.97，则蜗杆传动的总效率为 导程角是影响蜗杆传动啮合效率的最主要的参数之一。从式(7-17)不难看出，1随增大而提高，但28后，1随 的变化就比较缓慢，而大导程角的蜗杆制造困难，所以一般取 28。当导程角小于当量摩擦角v时，蜗杆传动能自锁，此时蜗杆的传动效率一般小于50%。,7.5.2 蜗杆传动的润滑,润滑油可以减小摩擦和磨损，提高蜗轮副传动效率及使用寿命。若润滑不良，传动效率显著降低，并且
11、会使轮齿早期发生磨损和胶合。 开式蜗杆传动，采用黏度较高的齿轮油或润滑脂进行润滑。 对于闭式蜗杆传动，润滑油的黏度和给油方法，主要是根据滑动速度和载荷类型进行选择，见表7-10(此略)。若采用油池润滑，在保证搅油损失不至过大的情况下，应保持一定的浸油深度，以利于蜗杆传动散热。上置式蜗杆，润滑较差，但搅油损失小，浸油深度约为蜗轮外径的1/3；下置式蜗杆，润滑较好，但搅油损失大，浸油深度约为蜗杆的一个齿高。,7.5.3 蜗杆传动的热平衡计算,蜗杆传动效率较低，摩擦发热较大，温升较高。过高的温度会使润滑油黏度下降，加剧磨损和胶合，因此要进行热平衡计算。 设蜗杆传动功率为P1(kW)，效率为，蜗杆传动
12、单位时间的发热量为Q1，则 Q1=1 000P1(1-) Q1的单位为W。若以自然冷却方式，单位时间散热量为Q2，则 Q2=KdA(t1-t0) 蜗杆传动达到热平衡时，有 1 000P(1-)=KdA(t1-t0) 所以热平衡时润滑油的工作温度,7.5.3 蜗杆传动的热平衡计算,如果润滑油的温度超过允许范围时可采取下列措施： (1) 加散热片以增大散热面积。 (2) 蜗杆轴端加风扇，用强制风冷却(如图7-10(a)所示)。 (3) 在传动箱内安装循环冷却管路(如图7-10(b)所示)。 (4) 采用压力喷油润滑(如图7-10(c)所示)。,图7-10 蜗轮传动的散热方式,蜗杆传动,7.1 蜗杆
13、传动的类型和特点,7.2 蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算,7.3 蜗杆与蜗轮的材料和结构,7.4 蜗杆传动的强度计算,7.5 蜗杆传动的传动效率、润滑和热平衡计算,7.6 蜗杆传动的安装与维护,7.6 蜗杆传动的安装与维护,根据蜗杆传动的啮合特点，安装时应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线(如图7-11所示)，故蜗杆传动的安装精度要求较高。,图7-11 蜗轮传动的安装位置,7.6 蜗杆传动的安装与维护,蜗杆传动的维护很重要。蜗杆传动装置发热量大，应经常检查通风散热情况是否良好，若发现油温超过允许范围应停机检查，改善散热条件。此外还要检查蜗轮齿面是否保持完好，发现擦伤、胶合及显著磨损，必须采取有效措施解决这些问题。 良好的润滑有利于保证蜗杆传动的正常运行，并能延长其使用寿命。蜗杆下置时，需采用刮油板、溅油轮等方法对蜗轮进行润滑。,一、填空 二、选择 三、判断 四、简答 五、计算,【习 题】,谢 谢！,
