《第七章 蜗杆传动设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章 蜗杆传动设计（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 蜗杆传动设计 机械设计基础教案（机电技术教育 90 学时）132第七章第七章 蜗杆传动设计蜗杆传动设计1 1教学目标教学目标1了解掌握蜗杆传动的啮合特点、运动关系和几何参数；2掌握蜗杆传动的受力分析、强度计算和热平衡计算方法；2 2教学重点和难点教学重点和难点重点：普通圆柱蜗杆传动的啮合特点、运动关系和几何参数；难点：蜗杆传动的受力分析。3 3讲授方法：讲授方法：多媒体和演示柜教学正正 文文7.17.1 蜗杆传动概述蜗杆传动概述蜗杆传动是由蜗杆 1 和涡轮 2 组成，如图所示。常用于交错轴90的两轴之间传递运动和动力。一般蜗杆为主动件，作减速运动。蜗杆运动具有传动比大而结构紧凑等优点，
2、所以在各类机械，如机床、冶金、矿山、起重运输机械中得到广泛使用。蜗杆传动是在齿轮传动的基础上发展起来的，它具有齿轮传动的某些特点，即在中间平面（通过蜗杆轴线并垂直于涡轮轴线的平面）内的啮合情况与齿轮齿条的啮合相类似，又有区别与齿轮传动的特性，即其运动特性相当于螺旋副的工况。蜗杆相当于单头或多头螺杆，涡轮相当于一个“不完整的螺母”包在蜗杆上。蜗杆本身轴线转动一周，蜗轮相应转过一个或多个齿（如图所示）。一、一、蜗蜗杆杆传动传动的特点的特点与齿轮传动相比较，蜗杆传动具有传动比大，在动力传递中传动比在 8100 之间，在分度机构中传动比可以达到 1000；传动平稳、噪声图 7-1图 7-2第七章 蜗杆
3、传动设计 机械设计基础教案（机电技术教育 90 学时）133低；结构紧凑；在一定条件下可以实现自锁等优点而得到广泛使用。但蜗杆传动有效率低、发热量大和磨损严重，涡轮齿圈部分经常用减磨性能好的有色金属（如青铜）制造，成本高等缺点。二、二、蜗蜗杆杆传动传动的的类类型型按蜗杆分度曲面的形状不同，蜗杆传动可以分为：圆柱蜗杆传动（如图 a）、环面蜗杆传动（如图 b）、锥蜗杆传动（如图 c）三种类型。1、 、圆圆柱柱蜗蜗杆杆传动传动圆柱蜗杆传动可以分为普通圆柱蜗杆传动（如前图 71 所示）和圆弧圆柱蜗杆传动（如后图75 所示）。（ （1）普通）普通圆圆柱柱蜗蜗杆杆传动传动普通圆柱蜗杆传动主要分为如图 73
4、 所示的三种。a.阿基米德阿基米德圆圆柱柱蜗蜗杆（杆（ZA 蜗蜗杆）杆）如图 74 所示，其齿面为阿基米德螺旋面。加工时，梯形车刀切削刃的顶平面通过蜗杆轴线，在轴向剖面 I-I具有直线齿廓，法向剖面 N-N 上齿廓为外凸线，端面上齿廓为阿基米德螺线。这种蜗杆切制简单，但难以用砂轮磨削出精确齿形，精度较低。b.渐渐开开线圆线圆柱柱蜗蜗杆（杆（ZI 蜗蜗杆）杆）如图 74b 所示。加工时，车刀刀刃平面与基圆或上或下相切，被切出的蜗杆齿面是渐开线螺旋面，端面上齿廓为渐开线。这种蜗杆可以磨削，易保证加工精度。c.法向直廓法向直廓圆圆柱柱蜗蜗杆（杆（ZN 蜗蜗杆）杆）又称延伸渐开线蜗杆，如图 63c 所
5、示。车制时刀刃顶面置于螺旋线的法面上，蜗杆在法向剖面上具有直线齿廓，在端面上为延伸渐开线齿廓。这种蜗杆可用砂轮磨齿，加工较简单，常用作机床的多头精密蜗杆传动。（ （2） ）圆圆弧弧圆圆柱柱蜗蜗杆杆传动传动图 7-3图 7-4图 7-5第七章 蜗杆传动设计 机械设计基础教案（机电技术教育 90 学时）134圆弧圆柱蜗杆（ZC 蜗杆）传动是一种非直纹面圆柱蜗杆，在中间平面上蜗杆的齿廓为凹圆弧，与之相配的涡轮齿廓为凸圆弧，如图76 所示。这种蜗杆的传动特点是：a.蜗杆与涡轮两共轭齿面是凹凸啮合，增大了综合曲率半径，因而单位齿面接触应力减小，接触强度得以提高。b.瞬时啮合时的接触线方向与相对滑动速度方
6、向的夹角（润滑角）大，易于形成和保持共轭齿面间的动压油膜，使摩擦系数减小，齿面磨损小，传动效率可达 95以上。c.在蜗杆强度不削弱的情况下，能增大涡轮的齿根厚度，使涡轮轮齿的弯曲强度增大。d.传动比范围大（最大可以达到 100），制造工艺简单，重量轻。e.传动中心距难以调整，对中心距误差的敏感性强。2 环环面面蜗蜗杆杆传动传动蜗杆分度曲面是圆环面的蜗杆称为环面蜗杆，和相应的涡轮组成的传动称为环面蜗杆传动（如图 77）。它又分为：直廓环面蜗杆传动（俗称球面蜗杆传动）；平面包络环面蜗杆传动（又称为一、二次包络）；渐开线包络环面蜗杆传动和锥面包络环面蜗杆传动。下面我们看一下直廓环面蜗杆传动的特点。一
7、个环面蜗杆，当其轴向齿廓为直线时称为直廓环面蜗杆，和相应的涡轮组成的传动称为直廓环面蜗杆传动，如图 77 所示。这种蜗杆传动的特点是：由于其蜗杆和涡轮的外形都是环面回转体，可以互相包容，实现多齿接触和双接触线接触，接触面积大；又由于接触线与相对滑动速度之间的夹角约为 90，sv易于形成油膜，齿面间综合曲率半径也增大等。因此，在相同的尺寸下，其承载能力可提高1.53 倍（小值适于小中心距，大值适于大中心距）；若传递同样的功率，中心距可减小2040。它的缺点是点是：制造工艺复杂，不可展齿面难以实现磨削，故不宜获得精度很高的传动。只有批量生产时，才能发挥其优越性，其应用现在已日益增加。3 锥蜗锥蜗杆
8、杆传动传动图 7-6图 7-7第七章 蜗杆传动设计 机械设计基础教案（机电技术教育 90 学时）135锥蜗杆传动中的蜗杆为一等导程的锥形螺旋，涡轮则与一曲线齿圆锥齿轮相似（如图 62c）。由于普通由于普通圆圆柱柱蜗蜗杆杆传动传动加工制造加工制造简单简单，用的最，用的最为为广泛，所以我广泛，所以我们们主要介主要介绍绍以阿基米德以阿基米德蜗蜗杆杆为为代表的普通代表的普通圆圆柱柱蜗蜗杆杆传动传动。 。7.27.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸如图 71 所示，在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动。故此，在设计蜗杆传动时，均取中间平面上
9、的参数（如模数、压力角）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的计算关系，其主要依据是国家标准 GB10087-88 和 GB1008888。一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择择普通圆柱蜗杆传动的主要参数有：模数 m、压力角、蜗杆头数 z1和涡轮齿数 z2及蜗杆的直径 d1 等。进行蜗杆传动设计时，首先要正确地选择参数。这些参数之间是相互联系地，不能孤立地去确定，而应该根据蜗杆传动地工作条件和加工条件，考虑参数之间地相互影响，综合分析，合理选定。1、模数、模数 m 和和压压力角力角蜗杆传动的尺寸计算与齿轮传动一样，也是以模数 m 作为计算的主要参
10、数。在中间平面内蜗杆传动相当于齿轮和齿条传动，蜗杆的轴向模数和轴向压力角分别与涡轮的端面模数和端面压力角相等，为此将此平面内的模数和压力角规定为标准值，标准模数见书中所附表格，标准压力角为20 。2、 、蜗蜗杆的分度杆的分度圆圆直径直径 d1在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆相同尺寸的蜗轮滚刀来加工与其配对的涡轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就需要一种对应的涡轮滚刀。对于同一模数，可以有很多不同直径的蜗杆，因而对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀。显然，这样很不经济。为了限制涡轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化，就对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径 d1 ，而把比值称为
11、蜗杆直径系数。mdq1图 7-1第七章 蜗杆传动设计 机械设计基础教案（机电技术教育 90 学时）136由于 d1与 m 均已取为标准值，故 q 就不是整数，见表格所示。3、 、蜗蜗杆杆头头数数 z1蜗杆头数 z1可根据要求的传动比和效率来选定。单头蜗杆传动的传动比可以较大，但效率较低。如果要提高效率，应增加蜗杆的头数。但蜗杆头数过多，又会给加工带来困难。所以，通常蜗杆头数取为 1、2、4、6。4、 、导导程角程角 蜗杆的直径系数 q 和蜗杆头数 z1选定之后，蜗杆分度圆柱上的导程角 也就确定了，如图 78 所示。显然有：qz dmz dmz dpz dpaz11111111tan 其中：为蜗
12、杆的导程，为蜗杆的轴向齿距（周节）。zpap由上面的公式可知，当 m 一定时，q 增大，则 d1变大，蜗杆的刚度给强度相应提高，因此 m较小时，q 选较大值；又因为 q 取小值时， 增大，效率随之提高，故在蜗杆刚度允许的情况下，应尽可能选小的 q 值。5、 、传动传动比比 和和齿齿数比数比 ui通常蜗杆为主动件，蜗杆与蜗轮之间的传动比为1221 zz nni其中：z2为蜗轮的齿数6、 、蜗蜗杆杆传动传动的的标标准中心距准中心距mzqdda)(21)(21221设计普通圆柱蜗杆减速装置时，在按接触强度或弯曲强度确定了中心距之后，再进行蜗杆蜗轮参数的配置。7、 、蜗蜗杆杆传动传动的正确的正确啮啮合
13、条件合条件从上述可知，蜗杆传动的正确正确啮啮合条件合条件为为：蜗杆的轴向模数与蜗轮的端面模数必须相等；蜗杆的轴向压力角与蜗轮的端面压力角必须相等；两轴线交错 90时，蜗杆分度圆柱的导程角与蜗轮分度圆柱螺旋角等值且方向相同。选择蜗杆头数 z1时，主要考虑传动比、效率和制造三个方面。从制造方面看，头数越多，蜗图 7-8第七章 蜗杆传动设计 机械设计基础教案（机电技术教育 90 学时）137杆的制造精度要求越高；从提高效率方面看，头数越多，效率越高；若要求自锁，应选择单头；从提高传动效比出发，也应该选择较少的头数。换言之，如果要求传动比一定，z1较少，则 z2也较少，这样蜗杆传动结构就紧凑。因此，在
14、选择 z1和 z2时要全面分析上述因素。一般来说，在动力传动中，在考虑结构紧凑的前提下，应很好的考虑提高效率。所以，当传动比较小时，宜采用多头蜗杆，而在传递运动要求自锁时，常选用单头蜗杆。通常推荐采用值：当 814 时，选iz14； 1628 时，选 z12； 3080 时，选 z11；ii为了避免加工蜗轮时产生根切，当 z11 时，选 z217；当 z12 时，选 z227。对于动力传动，为保证传动的平稳性，选 z228，一般取 z23263 为宜。蜗轮直径越大，蜗杆越长时，则蜗杆刚度小而易于变形，故 z280 为宜。对于分度机构，传动比和齿数不受此限制。必须指出：蜗杆传动的传动比不等于蜗轮
15、蜗杆的直径之比，也不等于蜗杆与蜗轮的分度圆直径之比。一般圆柱蜗杆传动减速装置的传动比的公称值按下列选择：5、7.5、10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、70、80。其中 10、20、40 和 80 为基本传动比，应优先选用。二、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择二、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择其几何尺寸按教材上表格中列出公式进行计算。同学们下去要认真熟悉公式。7.37.3 蜗杆传动的强度计算与设计蜗杆传动的强度计算与设计一蜗杆传动的失效形式、设计准则及材料选择一蜗杆传动的失效形式、设计准则及材料选择1、失效形式、失效形式和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式主要有：胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。由于蜗杆传动啮合面间的相对滑动速度较大，效率低，发热量大，再润滑和散热不良时，胶合和磨损为主要失效形式。2、 、设计设计准准则则由于蜗轮无论在材料的强度和结构方面均较蜗杆弱，所以失效多发生在蜗轮轮齿上，设计时只需要对蜗轮进行承载能力计算。由于目前对胶合与磨损的计算还缺乏适当的方法和数据，因而还是按照齿轮传动中弯曲和接触疲劳强度进行。蜗蜗杆杆传动传动的的设计设计准准则为则为：闭式蜗杆传动按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度进行设计计算，按
