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1、第第6章章 蜗杆传动蜗杆传动机械设计基础 蜗杆传动 6-1 概述 6-2 基本参数和几何尺寸 6-3 运动学及效率 6-4 蜗杆、蜗轮的材料及结构 6-5 蜗杆传动的强度计算 6-6 热平衡计算v基本要求基本要求: :v掌握蜗杆传动的几何参数的计算、选择方法掌握蜗杆传动的几何参数的计算、选择方法v掌握进行蜗杆传动的力分析、强度计算掌握进行蜗杆传动的力分析、强度计算v了解蜗杆传动的热平衡原理和计算方法了解蜗杆传动的热平衡原理和计算方法6-1 概述概述一、蜗杆传动及其特点二、蜗杆传动的类型机械设计基础 蜗杆传动一、蜗杆传动及其特点一、蜗杆传动及其特点机械设计基础 蜗杆传动2 特点特点v传动比大：一
2、般传传动比大：一般传动动 i=780; v结构紧凑结构紧凑v传动平稳，噪声小传动平稳，噪声小v效率低效率低v成本高成本高1 组成和应用组成和应用v通常二轴交角通常二轴交角 90v蜗杆主动，蜗轮被动蜗杆主动，蜗轮被动蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮二、蜗杆传动的类型二、蜗杆传动的类型机械设计基础 蜗杆传动v环面蜗杆环面蜗杆v锥蜗杆锥蜗杆 按蜗杆整体形状分：按蜗杆整体形状分：v圆柱蜗杆圆柱蜗杆二、蜗杆传动的类型二、蜗杆传动的类型机械设计基础 蜗杆传动v环面蜗杆环面蜗杆v锥蜗杆锥蜗杆 按蜗杆整体形状分：按蜗杆整体形状分：v圆柱蜗杆圆柱蜗杆圆柱蜗杆圆柱蜗杆机械设计基础 蜗杆传动v渐开线蜗杆渐开线蜗杆(ZI蜗杆蜗杆)v
3、法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆(ZN蜗杆蜗杆)v锥面包络蜗杆锥面包络蜗杆(ZK蜗杆蜗杆)v圆弧面蜗杆圆弧面蜗杆(ZC蜗杆蜗杆)按螺旋面形状分按螺旋面形状分v阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆(ZA蝇杆蝇杆)2轴面呈齿条（直廓）阿基米德螺旋线刃面过轴面渐开线dbIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII凸廓直廓刃面切于基圆柱面凸廓6-2 基本参数和几何尺寸基本参数和几何尺寸一、主要参数及几何尺寸二、正确啮合条件机械设计基础 蜗杆传动一、主要参数及几何尺寸一、主要参数及几何尺寸机械设计基础 蜗杆传动1 模数2 压力角3 导程角4 分度圆直径5 中心距d1p2da2d2df 2df1da1hahfh1 1 模
4、数模数机械设计基础 蜗杆传动vmx1 = mt2=mv具体见表具体见表6-1（GB/T 10085-88）v从主平面看，蜗从主平面看，蜗杆齿形是标准齿杆齿形是标准齿条齿形，蜗轮齿条齿形，蜗轮齿形是渐开线齿轮形是渐开线齿轮齿形齿形v啮合传动类似于啮合传动类似于齿轮齿条运动齿轮齿条运动d1p2 2 压力角压力角机械设计基础 蜗杆传动vGB/T 10088-88规定：规定：v阿基米德蜗杆：阿基米德蜗杆：a a=20v动力传动：动力传动： a a=25v分度传动：分度传动：a a=12、15v从主平面看，蜗杆从主平面看，蜗杆齿形是标准齿条齿齿形是标准齿条齿形，蜗轮齿形是渐形，蜗轮齿形是渐开线齿轮齿形开
5、线齿轮齿形v啮合传动类似于齿啮合传动类似于齿轮齿条运动轮齿条运动d1Bp23 3 导程角导程角机械设计基础 蜗杆传动v根据正确啮合条件，根据正确啮合条件， 1= 2（蜗轮的螺旋角）蜗轮的螺旋角）v从整体看，蜗杆蜗轮从整体看，蜗杆蜗轮齿面间的相对运动类齿面间的相对运动类似于螺旋传动似于螺旋传动v蜗杆的导程角相当于蜗杆的导程角相当于螺纹的螺旋升角螺纹的螺旋升角pz1pz1pd14 4 分度圆直径分度圆直径机械设计基础 蜗杆传动v蜗轮分度圆直径同齿轮蜗轮分度圆直径同齿轮vd2=mz2v蜗杆分度圆标准化，蜗杆分度圆标准化，以限制刀具数以限制刀具数vd1与模数相匹配与模数相匹配v见表见表6-1d1Bpa
6、2da2d2df 2df1da1hahfhda25 5 中心距中心距机械设计基础 蜗杆传动v其余几何尺寸见表其余几何尺寸见表6-2v反映功率大小反映功率大小ad1Bpde22da2d2df 2df1da1hahfh二、正确啮合条件二、正确啮合条件机械设计基础 蜗杆传动v正确啮合条件：正确啮合条件：mx1 = mt2=m x1 = t2= 1= 2v旋向相同旋向相同, 即蜗杆、蜗轮同为左旋，或同为右旋即蜗杆、蜗轮同为左旋，或同为右旋v主平面主平面( (中间平面中间平面):):通过蜗杆轴线并垂直与蜗轮轴线的平面通过蜗杆轴线并垂直与蜗轮轴线的平面啮合特点啮合特点机械设计基础 蜗杆传动v几何尺寸计算上
7、，按主平面的参数仿照齿轮进行计算几何尺寸计算上，按主平面的参数仿照齿轮进行计算v受力上，与斜齿轮相似受力上，与斜齿轮相似v从整体看，蜗杆蜗轮从整体看，蜗杆蜗轮齿面间的相对运动类齿面间的相对运动类似于螺旋传动似于螺旋传动v从主平面看，蜗杆齿从主平面看，蜗杆齿形是标准齿条齿形，形是标准齿条齿形，蜗轮齿形是渐开线齿蜗轮齿形是渐开线齿轮齿形，啮合传动类轮齿形，啮合传动类似于齿轮齿条运动似于齿轮齿条运动d1Bpda2a2da2d2df 2Ldf1da1hahfh三、齿数和传动比三、齿数和传动比机械设计基础 蜗杆传动vz2 = i12 z1, (通常通常2970)v从整体看，蜗杆蜗从整体看，蜗杆蜗轮齿面间
8、的相对运轮齿面间的相对运动类似于螺旋传动动类似于螺旋传动v蜗杆的齿数即蜗杆蜗杆的齿数即蜗杆的头数，的头数，z1 = 1, 2, 4、6，取小，取小 i ， , 自锁性好自锁性好d1v2 ,va1? ?6-3 蜗杆、蜗轮的蜗杆、蜗轮的材料材料及结构及结构v材料要求：减摩性好、耐磨、抗胶合、足够的强度材料要求：减摩性好、耐磨、抗胶合、足够的强度一、蜗杆的材料一、蜗杆的材料v高的强度、刚度及光洁度高的强度、刚度及光洁度v碳碳 钢钢 45号钢号钢 调质或淬火调质或淬火v合金钢合金钢 20Cr、20CrMnTi(渗碳淬火渗碳淬火)、40Cr (表面淬火表面淬火)二、蜗轮的材料二、蜗轮的材料 v减摩、抗胶
9、合、抗点蚀减摩、抗胶合、抗点蚀v铸锡青铜铸锡青铜 ZCuSn10P1 适合高速适合高速v铸铝青铜铸铝青铜 ZCuAl 9Fe3 低速重载低速重载v灰铸铁灰铸铁 HT200 低速轻载低速轻载机械设计基础 蜗杆传动三、蜗杆结构三、蜗杆结构机械设计基础 蜗杆传动v通常为整体式通常为整体式蜗杆轴蜗杆轴四、蜗轮结构四、蜗轮结构机械设计基础 蜗杆传动v通常为组合式通常为组合式6-4 蜗杆传动蜗杆传动受力分析及强度计算受力分析及强度计算一、失效形式及设计准则二、受力分析三、轮齿表面的接触强度计算四、轮齿的弯曲强度计算机械设计基础 蜗杆传动一、失效形式及设计准则一、失效形式及设计准则机械设计基础 蜗杆传动2
10、设计准则设计准则主要考虑蜗轮主要考虑蜗轮v开式齿轮传动：开式齿轮传动：齿面磨损、轮齿折断齿面磨损、轮齿折断v 保证齿根疲劳强度保证齿根疲劳强度v闭式齿轮传动：闭式齿轮传动：齿面胶合、点蚀齿面胶合、点蚀v 按齿面接触疲劳强度设计，齿根疲劳强度校核按齿面接触疲劳强度设计，齿根疲劳强度校核v另外，还应作热平衡计算另外，还应作热平衡计算1 失效形式失效形式v失效：失效：胶合、磨损、点蚀、齿根折断胶合、磨损、点蚀、齿根折断蜗轮轮齿蜗轮轮齿v开式齿轮传动：开式齿轮传动：齿面磨损、轮齿折断齿面磨损、轮齿折断v闭式齿轮传动：闭式齿轮传动：齿面胶合、点蚀齿面胶合、点蚀v由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿
11、上由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上二、受力分析二、受力分析机械设计基础 蜗杆传动v作用力的大小作用力的大小：受力分析类似斜齿传动受力分析类似斜齿传动蜗杆、蜗轮旋向相同蜗杆、蜗轮旋向相同蜗杆三个分力：蜗杆三个分力：Fr1, Ft1, Fa1蜗轮三个分力：蜗轮三个分力：Fr2, Ft2, Fa2Ft1Fa2Ft1Fa2Ft1Fa2Fr1Fr2Fr1Fr2Ft1Fa1Fr1Fa2Ft2Fr2Fr1Fr2Fa1Ft2Fa1Ft2Fa1Ft2v径向力径向力的判断方法：的判断方法：v指向各自圆心指向各自圆心v圆周力圆周力的判断方法：的判断方法：v利用转向判断利用转向判断v轴向力轴向力的判断方法
12、：的判断方法：v蜗杆左、右手方法蜗杆左、右手方法v主动轮为右旋，握紧右手，四指弯曲主动轮为右旋，握紧右手，四指弯曲方向表示主动轮的回转方向，拇指的方向表示主动轮的回转方向，拇指的指向即为作用在主动轮上轴向力的方指向即为作用在主动轮上轴向力的方向；若主动轮为左旋，用左手向；若主动轮为左旋，用左手作用力的方向作用力的方向机械设计基础 蜗杆传动v蜗轮的转向：与蜗轮的转向：与F Fa1a1反向反向Ft1Fa2Ft1Fa2Ft1Fa2Fr1Fr2Fr1Fr2Ft1Fa1Fr1Fa2Ft2Fr2Fr1Fr2Fa1Ft2Fa1Ft2Fa1Ft2三、轮齿表面的接触强度计算三、轮齿表面的接触强度计算机械设计基础
13、 蜗杆传动v校核公式校核公式：v设计公式设计公式：特点：特点：v强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）强度计算主要针对蜗轮轮齿（材料原因）v中间平面内相当于齿条与齿轮啮合，蜗轮类似于斜齿轮中间平面内相当于齿条与齿轮啮合，蜗轮类似于斜齿轮v蜗轮轮齿的强度计算与斜齿轮相似蜗轮轮齿的强度计算与斜齿轮相似v说明：说明：1 z1、 z1的选择：的选择： z1 查表查表6-1, 根据传动比选择；根据传动比选择； z2 26282 载荷系数载荷系数K：据经验选择：据经验选择, 见见p2443 许用接触应力：表许用接触应力：表6-3、6-4四、轮齿的弯曲强度计算四、轮齿的弯曲强度计算机械设计基础 蜗杆传动v说明
14、：说明：v由于齿形的原因，通常蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大由于齿形的原因，通常蜗轮轮齿的弯曲强度比接触强度大得多得多v故在受强烈冲击、故在受强烈冲击、z2特多或开式传动中计算弯曲强度才有意特多或开式传动中计算弯曲强度才有意义义v校核公式校核公式：v设计公式设计公式：6-6 热平衡计算热平衡计算一、目的及对象二、计算方法三、提高散热能力方法机械设计基础 蜗杆传动一、目的及对象一、目的及对象机械设计基础 蜗杆传动v二、计算方法二、计算方法v热平衡时，单位时间内：发热量热平衡时，单位时间内：发热量 = 散热量散热量v单位时间内的发热量单位时间内的发热量(由于摩擦损耗引起由于摩擦损耗引起)：vQ1=
15、1000P1(1- )v单位时间内的散热量：单位时间内的散热量：vQ2=htA(t-t0)vQ1=Q2，则温升，则温升v对象对象 连续工作的闭式蜗杆传动连续工作的闭式蜗杆传动v目的目的 控制油温，防止胶合控制油温，防止胶合v使用时控制：使用时控制：v油温油温t一般限制在一般限制在6070，不超过，不超过80v温升温升D Dt5060三、提高散热能力方法三、提高散热能力方法机械设计基础 蜗杆传动v增大散热面积；增大散热面积；v提高散热系数：在蜗杆轴端加装风扇提高散热系数：在蜗杆轴端加装风扇v箱内装冷却水管箱内装冷却水管四、滑动速度四、滑动速度机械设计基础 蜗杆传动v润滑、散热不良时：易产生磨损、
16、润滑、散热不良时：易产生磨损、胶合胶合v 充分润滑时：有利于油膜的形充分润滑时：有利于油膜的形成，滑动速度越大，成，滑动速度越大， 摩擦系数摩擦系数越小，提高了传动效率越小，提高了传动效率v相对滑动速度很大产生的利弊：相对滑动速度很大产生的利弊：d1v2 ,va1v1v2vs五、传动效率五、传动效率机械设计基础 蜗杆传动v轴承及搅油损失效率轴承及搅油损失效率 2：v滚动轴承：滚动轴承： 2=0.980.99v滑动轴承：滑动轴承： 2=0.970.98v设计之初，设计之初， 未知，可按未知，可按 z1 初选：初选：vz1 = 1 时，时， = 0.70.75 vz1= 2 时，时， = 0.750.82 vz1= 4 时，时， = 0.850.92 v啮合效率啮合效率 1类似于螺旋副：类似于螺旋副：d1v2 ,va1提示：提示：提示：提示：设计完成后，需验设计完成后，需验设计完成后，需验设计完成后，需验算算算算 ，若与初选值若与初选值若与初选值若与初选值相差太远，则需重相差太远，则需重相差太远，则需重相差太远，则需重选选选选再设计。再设计。再设计。再设计。
