1、第11章 蜗杆传动,重点：1）阿基米德蜗杆传动的主要参数及强度计算。2）蜗杆传动的效率与热平衡计算。 难点：传动设计及受力分析,11.1.1 蜗杆传动的类型和特点,蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的，用于传递空间交错两轴之间的运动和动力。交错角一般为90°。传动中一般蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。,11.1 蜗杆传动的类型和特点,其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形 的车刀切制而成的。,其蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转曲面，这种蜗杆同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；,11.1.1 蜗杆传动的类型,同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10360)；承
2、载能力和效率较高；可节约有色金属。,阿基米德蜗杆（ ZA蜗杆） 渐开线蜗杆 （ZI蜗杆） 法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）,11.1 蜗杆传动的类型和特点,阿基米德蜗杆,11.1 蜗杆传动的类型和特点,渐开线蜗杆,11.1 蜗杆传动的类型和特点,法向直廓蜗杆,11.1 蜗杆传动的类型和特点,11.1.2 蜗杆传动的特点,蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。,传动平稳、噪声小。,可制成具有自锁性的蜗杆。,蜗杆传动的主要缺点是效率较低。,蜗轮的造价较高。,11.1 蜗杆传动的类型和特点,11.1.3 蜗轮的加工,蜗轮通常在滚齿机上用蜗轮滚刀或飞刀加工成形。为了保证蜗轮与蜗杆正确啮合，蜗轮滚刀几何尺寸理
3、论上同配对蜗杆完全相同。,11.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面，称为中间平面。在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合就相当于渐开线齿条与齿轮的啮合。在蜗杆传动的设计计算中，均以中间平面上的基本参数和几何尺寸为基准 。,11.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,11.2.1 蜗杆传动的主要参数及其选择,1.蜗杆的头数z1、蜗轮齿数z2和传动比 i,较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效 率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通 常蜗杆头数取为1、2、4、6。,蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2= i z1 。 z2不宜
4、太小（如z226)，否则将使传动平稳性变差。 z2也不宜太大，否则在模数一定时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。,传动比 i,11.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,2.模数m和压力角a,蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力角应与蜗轮的端面模数、 压力角相等，即 ma1= mt2 = maa1= at2=20°,3.导程角l,在m和d1为标准值时，z1l,正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且lb,11.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,4.蜗杆分度圆直径d1和蜗杆直径系数q,由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制
5、滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆 直径d1。,直径d1与模数m的比值称为蜗杆的直径系数。,当模数m一定时，q值增大则蜗杆直径d1增大，蜗杆的刚度提高。因此，对于小模数蜗杆，规定了较大的q值，以保证蜗杆有足够的刚度。,11.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,5.中心距,11.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,11.2.2 蜗杆传动的几何尺寸计算,11.3 蜗杆传动的失效形式和计算准则,11.3.1 蜗杆传动的失效形式,1.齿面间相对滑动速度v；,蜗杆传动的主要问题是摩擦磨损严重，这是设计中要解决的主要问题。,蜗轮磨损、系统过热、蜗杆刚度不足是主要的失效形式
6、。,2.齿轮的失效形式；,11.3 蜗杆传动的失效形式和计算准则,11.3.2 蜗杆传动的计算准则,对于闭式蜗轮传动，通常按齿面接触疲劳强度来设计，并校核齿根弯曲疲劳强度。,对于开式蜗轮传动，或传动时载荷变动较大，或蜗轮齿数z2大于90时，通常只须按齿根弯曲疲劳强度进行设计。,由于蜗杆传动时摩擦严重、发热大、效率低，对闭式蜗杆传动还必须作热平衡计算，以免发生胶合失效。,11.4 蜗杆传动的材料和结构,11.4.1 蜗杆传动的材料,为了减摩，通常蜗杆用钢材，蜗轮用有色金属（铜合金、铝合金）。,高速重载的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳淬火，或45钢、40Cr淬火。,低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。
7、,蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。,11.4 蜗杆传动的材料和结构,11.4.2 蜗杆、蜗轮的结构,1.蜗杆的结构,蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。,无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度较前一种差。,2.蜗轮的结构,为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：,11.4 蜗杆传动的材料和结构,11.4 蜗杆传动的材料和结构,11.5 蜗杆传动的
8、强度计算,普通蜗杆传动的承载能力计算2,11.5.1 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，轮齿在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向载荷Fa。,蜗杆传动受力方向判断,在不计摩擦力时，有以下关系：,11.5 蜗杆传动的强度计算,11.5.2 蜗轮齿面接触疲劳强度计算,蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为 ：,适用于钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮,蜗轮齿面接触疲劳强度的设计公式为,11.5 蜗杆传动的强度计算,11.5.3 蜗轮轮齿的齿根弯曲疲劳强度计算,蜗轮齿根弯曲强度的校核公式为：,设计公式为：,11.5 蜗杆传动的强度计算,11.5. 4 蜗轮材料的
9、许用应力,1.蜗轮材料的许用应力sH,蜗轮材料的许用应力sH由材料的抗失效能力决定。其计算公式为,2.蜗轮的许用弯曲应力sF,11.6 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,11.6.1 蜗杆传动的效率,h1计及啮合摩擦损耗的效率；,H2计及轴承摩擦损耗的效率；,H3计及溅油损耗的效率；,h1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：,所以 Z1,效率与蜗杆头数的大致关系为： 闭式传动Z1 总 效 率 0.7 0.75 0.750.82 0.820.92,式中：l 蜗杆的导程角；v当量摩擦角。,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡2,11.6.2 蜗杆传动的润滑,润滑的主要目的在于减摩与散热。具体润滑方法
10、与齿轮传动的润滑相近。,润滑油,润滑油粘度及给油方式,润滑油量,润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。,一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。给油方法包括：油池润 滑、喷油润滑等，若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控 制一定的油压。,润滑油量的选择既要考虑充分的润滑，又不致产生过大的搅油损耗。对于下置蜗杆或侧置蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。,11.6 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,11.6 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,11.6.3 蜗杆传动的热平衡计算,由于传动效率较低，对于长期运转的蜗杆传动，会产
11、生较大的热量。 如果产生的热量不能及时散去，则系统的热平衡温度将过高，就会破坏润 滑状态，从而导致系统进一步恶化。,系统因摩擦功耗产生的热量为：,自然冷却从箱壁散去的热量为：,Ks箱体表面的散热系数，可取Ks (8.1517.45)W/(m2)；,A 箱体的可散热面积(m2)；,t1润滑油的工作温度()； t0环境温度()。,在热平衡条件下可得：,可用于系统热平衡验算，一般t17090,可用于结构设计,效率、润滑及热平衡计算,11.6 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算,11.7 蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,蜗杆传动的精度选择,GB 1008988对普通圆柱蜗杆传动规定了112个精度等级
12、,1级精度最高，其余等级依次降低，12级为最低，69级精度应用最多,6级精度传动一般用于中等精度的机床传动机构，圆周速度v25m/s,7级精度用于中等精度的运输机或高速传递动力场合,速度v27.5m/s,8级精度一般用于一般的动力传动中，圆周速度v23m/s,9级精度一般用于不重要的低速传动机构或手动机构,蜗杆传动安装,蜗杆传动安装要求精度高。应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线。如右图所示。,为保证传动的正确啮合，工作时蜗轮的中间平面不允许有轴向移动，因此蜗轮轴支撑应采用两端固定的方式。,蜗杆传动的维护很重要，又注意周围的通风散热情况。,解：（1）选择材料并确定许用应力蜗杆：由于功率不大，采用4
13、5钢表面淬火，硬度45HRC。蜗轮：因转速较高，采用抗胶合性能好的铸锡青铜，ZcuSn10P1，砂 模铸造。查表11.6，蜗轮材料的基本许用接触应力为,查表11.8，蜗轮材料的基本许用弯曲应力为,11.7 蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,计算寿命系数,计算许用应力：,11.7 蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,（2）确定蜗杆头数和蜗轮齿数,由表11.1，根据传动比i值取,（3）计算蜗轮转矩,取,（4）按齿面接触疲劳强度计算,11.7 蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,得m=8，q=10,由式（11.11）得,齿根的弯曲疲劳强度校核合格。,11.7 蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,（
14、5）验算传动效率,蜗杆分度圆速度为,查表11.9得,11.7 蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,（6）热平衡计算,符合要求。,（7）中心距a及各部分尺寸,各部分尺寸计算略。,11.7 蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,（8）精度选择,由v2选择精度等级。精度等级选择参考GB1008988。,故选8级精度。,（9）绘制蜗杆、蜗轮零件工作图,11.7 蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护,11.8 常用各类齿轮传动的选择,11.8.1 各类齿轮传动性能的比较,11.8 常用各类齿轮传动的选择,11.8.2 传动类型的选择,在选择传动类型时应考虑以下几个方面,传递大功率时，一般均采用圆柱齿轮。,在联合使用圆柱、圆锥齿轮时，应将圆锥齿轮放在高速级,圆柱齿轮和谐齿轮相比，一般斜齿轮的强度比直齿轮高，且传动平稳，所以用于高速场合。直齿轮用于低速场合,直齿圆锥齿轮仅用于v5m/s的场合，高速时可采用曲面齿等。,由工作条件确定选用开式传动或闭式传动。,蜗杆的圆周速度v4m/s时采用上置式蜗杆传动。,联合使用齿轮、蜗杆传动时，有齿轮传动在高速级和蜗杆传动在高速级两种布置形势。前者结构紧凑，后者传动效率较高。,
