武汉理工大学机械设计考研课件蜗杆传动设计

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,,*,第六章 蜗杆传动设计,,一．蜗杆传动组成,——,由蜗轮和蜗杆组成,蜗轮,蜗杆,a,）,蜗杆下置,b,）,蜗杆上置,,二．蜗杆传动的应用,,蜗杆传动用于传递空间两交错轴之间的运动和转矩，两轴,,线之间交错的夹角可以是任意的，但最常用的是两轴在空,,间相互垂直，轴交角,∑,为,90,°,。,,三．本章,,主要内容,,,蜗杆,,传动,类型、特点，几何尺寸计算,主要参数及其选择，轮齿受力分析,—,重点,蜗杆传动承载能力计算,—,,蜗轮轮齿强度、蜗杆刚,,度计算,蜗杆传动热平衡计算,——,控制温升，

2、防止胶合破坏,1.,结构紧凑，传动比大,(,动力传动中，,,一般单级传动比,,i,=8,～,80,，,在分度传,,动中，可达,1000),，,2.,传动平稳，振动、冲击和噪声均很,,小，在一定的条件下具有自锁性等,,蜗杆,传动缺点,——,在制造精度和传动比相同的情况下，蜗杆传动的摩擦发热大，效率比齿轮传动低，只宜用于中、小功率的场合,一．蜗杆传动的特点,,蜗杆传动优点,,§,3-1,蜗杆传动概述,二、蜗杆传动的分类,,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,n,1,n,2,,,圆柱蜗杆传动,,,,,,,,,,,,,,

3、,,,,,,,n,1,n,2,,,,,,,,,,,,,,,,,环面蜗杆传动,,,,,,,n,1,n,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,锥蜗杆传动,,普通圆柱蜗杆的齿,,面一般是在车床上用直,,线刀刃的车刀车制的,(,zK,,型,蜗杆除外,),。车刀,安装,,位置,的不同，所加工出,,的蜗杆齿面在不同截面,,中的,齿廓曲线,也不同,。,,,,,一）普通圆柱蜗杆传动,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2,,0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,阿基米德螺旋线,直廓,,,,,,,,,,2,,0,,

4、,,,,凸廓,,,,,N-N,I-I,1.,阿基米德蜗杆（,ZA,）,一）普通圆柱,蜗杆传动,蜗杆齿廓特点：,垂直于轴线的剖面,,上齿廓为阿基米德,,螺旋线；,通过蜗杆轴线的剖,,面上为直线齿廓；,,不便加工，且难于磨削，不易保证精度，用于低速、轻载或不太重要的传动。,蜗轮齿廓及,蜗杆蜗轮传动,特点：,蜗轮齿廓,——,在中间平面上（,通过蜗杆轴线且垂直于蜗轮轴线,,的平面,）,蜗轮齿廓为渐开线,蜗杆蜗轮传动,特点,——,在中间平面上蜗杆蜗轮的啮合如齿轮、齿,,条的啮合关系,阿基米德圆柱蜗杆传动,,,A,A,,,中间平面,2.,渐开线蜗杆（,ZI,）,蜗杆齿廓特点：,蜗杆齿面为渐开螺旋面，端面齿

5、廓为渐开线,一）普通圆柱,蜗杆传动,,蜗杆可以磨削，易保证加工精度，用于头数较多、转速较高和较精密的传动。,,,,,,,,,,,,,,,,,,d,b,渐开线,,,,I-I,凸廓,,,,,0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,直廓,凸廓,,,,,,,0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,,,,蜗杆可用两把直,,线刀刃的车刀在车床,,上车制。加工时，两,,把车刀的刀刃平面一,,上一下与基圆相切，,,被切出的蜗杆齿面是,,渐开线螺旋

6、面，端面,,的齿廓为渐开线。,,3.,法向直廓蜗杆（,ZN,）,蜗杆齿廓特点：,蜗杆法面齿廓为直线，端面齿廓为延伸渐开线,一）普通圆柱,蜗杆传动,蜗杆加工简单，可以磨削，用于头数、精密的蜗杆传动。,,,,,,,,,,,,,,,,,N,N,,,,I,I,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I-I,凸廓,,,,,,,,2,0,,,,直廓,N-N,,,,,,,,,,,,,,,,,,d,0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,延伸渐开线,,,,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

7、线齿廓。,,二,),圆弧圆柱,蜗杆传动,圆弧圆柱,,蜗杆的齿,,形分为,,圆弧圆柱,蜗杆轴向剖面为,圆弧形齿廓，用车刀车削,用轴向剖面为,圆弧的环面砂轮，装在,蜗杆螺旋线的,,法面上，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,阿基米德螺旋线,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,I,I-I,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.

8、,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,,,,,,,,,,,,,,,,,.,,,,.,.,,,,,,,,.,.,,,,,,.,.,.,.,,,,,,,,,N-N,,,,,,,,,,,N,N,,,,,圆弧圆柱,蜗杆,与普通圆柱,蜗杆的区别：,1,）在主剖面上蜗杆齿廓为凹弧形，与之配合的蜗轮齿廓,,为凸弧形；,2,）凹凸弧齿廓啮合传动，也是线接触的啮合传动，接触,,处的综合曲率半径大，承载能力高，比,普通圆柱,蜗杆,,高,50,%~150%,；,3,）瞬时接触线与滑动速

9、度交角大，有利于啮合面间油膜,,形成，摩擦小，效率高，蜗杆可磨削，精度高，用于,,冶金、矿山、化工、起重运输机械。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,接触线,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,v,s,v,t,,§,3-2,普通圆柱蜗杆传动基本参数及几何尺寸计算,,一．,普通圆柱蜗杆传动的基本参数及,及其选择,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

10、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,b,1,,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,d,2,,,,,,,d,f1,,,,d,1,,,,d,a1,,p,z,,,,,,,,,,,,,,,,,,,d,f2,d,a2,,,,,,,,,,,R,1,R,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,b,2,,B,,阿基米德蜗杆在主剖面内相当于齿轮与齿条的啮合传动。,,主要参数有：模数,m,、,压力角,α,、,蜗杆头数,Z,1,、,蜗轮齿数,Z,2,、,,蜗杆直径系数,

11、q,、,蜗杆分度圆柱导程角,γ,等。,,一）,模数,m,和压力角,,蜗杆轴面压力角,,x1,=,蜗轮端面压力角,,t2,=,标准压力角,,,=20,º,A,A,,蜗杆轴面,模数,m,x1,=,蜗轮端面模数,m,t2,=,标准模数,m,中间平面,,二）蜗杆分度圆直径,(,又称中圆直径,),d,1,和直径系数,q,,,蜗杆传动中，为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，常用与,,蜗杆具有同样参,数的蜗轮滚刀来加工与其配对的蜗轮。这样，,,只要有一种尺寸的蜗杆，就必须有一种对应的蜗轮滚刀。为,,了减少蜗轮滚刀的数目，为便于蜗轮滚刀的标准化，,规定,蜗,,杆直径,d,1,为标准值，且与,m,搭配。,d,

12、1,与,m,的比值称为蜗杆直径,,系数，用,q,表示，即： 。,注意：,由于,d,1,与,m,均为标准值，故,q,是,d,1,、,m,两个参数的导出值，,,不一定是整数，,d,1,、,m,、,q,之间关系见表,6-1,。,,因此，蜗杆分度圆直径,,:,蜗杆分度圆,导程角, ——,蜗杆轮齿的切线与其端面之间的夹角,导,程,（,同一条螺旋线上相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）,：,p,z,=z,1,p,x,蜗杆轴向齿距,（相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）,：,p,x,=,m,,,，,效率高，,330,的蜗杆具有自速性。,,,,,,d,1,,导程,p,z,,p,x,,

13、,,d,1,,,,,,d,1,γ,,,,,γ,导程角与导程的关系,,导程角,,：,p,x,,tan,= = = = =,p,z,d,1,z,1,p,x,d,1,z,1,m,d,1,z,1,m,qm,z,1,q,,三）,蜗杆分度圆柱导程角,γ,,三）传动比,i,、,蜗杆头数,Z,1,及蜗轮齿数,Z,2,2,．蜗杆头数,Z,1,,——,,蜗杆螺旋线数,对结构尺寸：,i,一定时，,Z,1,↑,则,Z,2,↑,尺寸,↑,，且加工困难,对效率,—,Z,1,↑,时，,γ↑,其效率,η,啮,,=,tanγ/tan,（,γ+ρ,

14、v,）,↑,对自锁,——,Z,1,↓,时，,γ↓,自锁性好,Z,1,影响,,考虑传动比,—,i↑,则,Z,1,↓,，,i↓,时,Z,1,↑,见表,6-2,考虑用途,——,对,反行程,有自锁要求的传动取,Z,1,=1,考虑效率要求,——,要求,η,啮,↑,时宜选,Z,1,↑,一般取＝,1,～,4,Z,1,选,,择原则,,,通常蜗杆传动是以蜗杆为主动的减速装,,置，故传动比与齿数比相等，即：,1,．,传动比,i,注意：,i,= =,n,2,z,1,n,1,z,2,d,1,d,2,≠,i,= =,n,2,z,1,n,1,z,2,=,u,∵,d,1,=,qm,,≠Z,1,m,3

15、.,蜗轮齿数,Z,2,具体选择时，还应考虑,i,、,,z,1,、,,z,2,匹配关系,对蜗杆刚度,—,M,不变时，,Z,2,↑,则,d,2,↑,，,蜗杆轴跨距,↑,，刚度,↓,对蜗轮加工,——,,Z,2,↓↓,蜗轮轮齿根切,,影响,避免产生根切，与单头蜗杆啮合的蜗轮，其齿数,≥17,增大啮合区提高平稳性，通常规定＞,28,（保持两对齿啮合）,为,防止,蜗轮尺寸过大造成蜗杆轴跨距大,降低蜗杆的弯曲刚度,,——,,Z,2max,≤ 80,。,,Z,2,,,选,,择,蜗杆头数与蜗轮齿敷的荐用值,,,,,,,,,,,,,,,4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,传动比,蜗杆头数,蜗轮齿数,28,～

16、,40,14,～,27,9,～,13,7,～,8,28,～,32,27,～,52,28,～,81,28,～,80,3,～,4,2,～,3,1,～,2,,,,,,,≽,40,1,≽,40,二,.,蜗杆传动的正确啮合条件,当两轴线交错角,∑=90,⁰,时，导程角,γ,应与蜗轮分度圆柱螺旋角,β,等值且方向相同。,,1,=,,2,蜗杆传动的正,,确啮合条件,,O,1,O,1,,,,,,,,,,,,,,,,,,β,1,,γ,1,,,,O,2,,,,,,1,=,,2,,,,,,,,,,,,,,,,,O,1,O,1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,O,2,O,2,,β,1,,β

17、,2,三,.,普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,,一） 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸,,,,,,b,1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,d,f1,,,,d,1,,,,d,a1,,,,p,z,,,,,,,,,,,,,R,1,R,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,B,,d,2,,d,f2,,d,a2,,,b,2,,中间平面,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,普

18、通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表,-2,注意：,1.,蜗杆分度圆直径：,d,1,=,qm,≠Z,1,m,2 .,蜗杆传动的中心距：,,a,=0.5,（,d,1,+d,2,）,=0.5m,（,q+Z,2,）,,,≠,0.5m,（,Z,1,+Z,2,）,分度圆直径,d,2,顶圆直径,d,a,2,根圆直径,d,f2,3 .,蜗轮的,,,指,蜗轮中间,,平面上的值,,中间平面,,,,,,,d,2,d,f2,d,a,2,一．蜗杆、蜗轮配对材料选择,§,3-,3,蜗杆传动的,材料选择,、失效形式及设计准则,特点,——,,结构细而长易变形，一般为主动件，,n,1,↑,应力,,循环次数,N,1,↑,，,且

19、连续运转；,要求,——,材料的抗变形能力强（,E↑,）；,轮齿强度要高,,（,σ,B,↑σ,S,↑,）；,冲击大,—,20,Cr,、,20CrMnTi,、,12CrNi3A,表,,面渗碳淬火,(,齿面硬度,56,62HRC,）,冲击小,—,40,、,45,钢和,40,Cr,、,40CrNi,、,,,42SiMn,表面淬火,(,齿面硬度,4,5,55HRC,）,不太重要的低速中载蜗杆,——,用,45,、,40,等碳素钢调,,质处理（,硬度为,220,300,HBS,）,。,蜗杆,,常用,,材料,,高速重,,载蜗杆,,,一）蜗杆材料选择,:,二）蜗轮的材料选择,强度足够,减摩性好（,f,V,

20、↓,）：,,f,V,钢,-,青铜,＜,f,V,钢,-,铸铁,＜,f,V,钢,-,钢,,对材料,,要求,,,常用,,材料,,锡青铜,ZCuSn10PI,等,——,耐磨性最好，但价格,,较高用于高速或重要传动,铝铁青铜,ZcuAl10Fe3Mn2——,耐磨性较好，但,,价格便宜，用于中速，较重要传动,灰铸铁,(,HTl50,或,HT200)—,用于低速轻载,V,S,,＞,4m,／,s,选锡青铜,作蜗轮的齿圈,V,S,,＞,2,～,4m,／,s,选铝铁青铜,V,S,≤2m,／,s,选灰铸铁,选择方法,:,初估滑动速度,,V,S,=,（,0.02,～,0.03,）,,青铜,,蜗轮,,二．蜗杆传动的失效

21、形式及计算准则,一）蜗杆传动的失效形式,蜗杆传动的失效特点,——,由于材料和结构上的原因，在一般情况下，失,,效多发生在蜗轮上。,闭式蜗杆传动主要失效形式：,,蜗,轮,齿面点蚀,——,齿面接触应力,σ,H,,循环作用引起,,当,z,2,>80,时也会出现轮齿的弯曲折断,,,,,,,,,,,,d,1,d,2,,,,,,2,,1,,,,,,,,,,,,,,,,1,,,,v,1,v,s,v,2,,,,,开式蜗杆传动的主要失效形式,——,蜗轮轮齿的磨损。,齿面胶合,——,由于蜗杆蜗轮齿面间的相对滑,,动速度较大（,）,,，,效率低发热量大，使润滑油粘度因温度升,,高而下降，润滑条件变坏，容易发生胶合。,开式蜗杆传动,——,主要是控制因磨损而引起的蜗轮轮齿的,,折断,，按,齿根,弯曲,疲劳强度,条件,设计,计算,或校核,计算,。,二）计算准则,闭式蜗杆传动,——,按齿面接触强度设计，校核齿根弯曲强,,度，连续工作的闭式传动，摩擦发热大，效率低，温,,度升高，散热不好，引起润滑条件恶化而产生胶合，,,还需进行传动效率和热平衡计算以控制温升。,结束,制作：,