1、江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,第13章 蜗杆传动,13-1 蜗杆传动概述,13-2 蜗杆传动的参数与尺寸,13-3 蜗杆传动的失效形式、材料和结构,13-5 蜗杆传动的强度计算,13-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,13-4 蜗杆传动的受力分析,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,13-1 蜗杆传动 概述,作用： 用于传递交错轴之间的回转运动和动力。蜗杆主动、蜗轮从动。,90,形成：若单个斜齿轮的齿数很少（如z1=1）而且1很大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。,所得齿轮称为 蜗杆,而啮合件称为 蜗轮。,一、特点和应用,江苏科技大学专用 作者
2、： 潘存云教授,潘存云教授研制,改进措施：将刀具做成蜗杆状，用范成法切制蜗轮，所得蜗轮蜗杆为线接触。,优点： 传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小。,分度机构：i=1000, 通常i=81000,缺点： 传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,圆柱蜗杆,二、分类,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆,锥蜗杆,锥蜗杆传动中，蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋形成的，而蜗轮在外观上就像一个曲线锥齿轮，它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机加工而成的。,江苏科
3、技大学专用 作者： 潘存云教授,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,二、分类,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀切制而成，车刀安装位置不同，加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,二、分类,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆,圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅是加工用的车刀为圆弧刀刃。,传动特点：,1）传动效率高，一般可达90%以上；,2）承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的1.52.5倍；,3）结构紧凑。,江苏科技大学专用
4、作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,二、分类,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,阿基米德蜗杆,单刀加工,阿基米德蜗杆(ZA),江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,二、分类,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,渐开线蜗杆(ZI),渐开线蜗杆,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,二、分类,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗
5、杆,法向直廓蜗杆,法向直廓蜗杆(ZN),江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,二、分类,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,环面蜗杆传动特点：,（1）传动效率高，一般可达85 % 90%；,（2）承载能力高，约为阿基米德蜗杆的24倍；,（3）要求制造和安装精度高。,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,二、分类,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥蜗杆传动特点：,（1）同时接触的点数较多，重合度大；,（2）
6、传动比范围大，一般为10360；,（3）承载能力和传动效率高；,（4）制造安装简便，工艺性好。,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,三、切制,四、精度等级：,对于一般动力传动，按如下等级制造：,v17.5 m/s 7级精度,v1 3 m/s 8级精度,v11.5 m/s 9级精度,蜗杆：车床切制,蜗轮：类同于斜齿轮，用与它相啮合的蜗杆同样大小的滚刀切制。,12个等级，常用69级,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,ZA蜗杆： a=20轴向,模数m取标准值，与齿轮模数系列不同。,1. 模数m和压力角,压力角,轴向压力角与法向压力角之间的关系：推导过程见机械原理斜齿条,tana=tann /c
7、os,一、圆柱蜗杆传动的主要参数,13-2 普通蜗杆传动的参数与尺寸,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,正确啮合条件,中间平面：过蜗杆轴线垂直于蜗轮轴线。,正确啮合条件是中间平面内参数分别相等：,mt2=ma1=m ，t2 =a1= 取标准值,在中间平面内，蜗轮蜗杆相当于齿轮齿条啮合。,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,为了减少加工蜗轮滚刀的数量，规定d1只能取标准值。,蜗轮蜗杆轮齿旋向相同.,若 90, 12, 1+1 90,蜗轮右旋,蜗杆右旋,1+2,定义s=e的圆柱称为蜗杆的分度圆柱。,2.蜗杆的分度
8、圆直径d1,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,摘自GB-1008588,括号中的数字尽可能不采用,称比值 为蜗杆的直径系数。,q=d1/m,一般取:q=818,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,3. 蜗杆的导程角,将分度圆柱展开得,=z1pa1/d1,=mz1/d1,tan1=l/d1,=z1/q,4. 蜗杆头数z1,蜗杆头数z1 即螺旋线的数目。,通常取 z1=1 2 4 6,z1 ,i, ，易自锁,z1 , , ，制造困难,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,5. 传动比 i 和齿数比 u,传动比,若想得到大 i , 可取： z1=
9、1，但传动效率低。,对于大功率传动 , 可取： z1=2，或 4。,蜗轮齿数 z2= i z1,为避免根切 z2 28,z2过大 , 蜗杆长度, 刚度、啮合精度,结构尺寸,6. 蜗轮齿数z2,a =(d1 +d2 )/2,7. 蜗杆传动的标准中心距,= m(q+ z2) /2,d1,d2,一般情况 z2 80,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,二、圆柱蜗杆传动几何尺寸的计算,由蜗杆传动的功用，以及给定的传动比 i , z1, z2,计算求得 m、d1,计算几何尺寸,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,一、蜗杆传动的失效形式,主要失效形式： 胶合、点蚀、磨损。,材料,蜗轮齿圈采用青铜：减摩
10、、耐磨性、抗胶合。,蜗杆采用碳素钢或合金钢：表面光洁、硬度高。,材料牌号选择,高速重载蜗杆：20Cr,20CrMnTi(渗碳淬火5662HRC)或 40Cr 42SiMn 45 (表面淬火4555HRC),一般蜗杆：45 钢调质处理(硬度为220250HBS),蜗轮材料： vS 12 m/s时 铸锡青铜制造。,vS 10 m/s时 铸铝青铜。,vS 2 m/s时 球墨铸铁、灰铸铁。,13-3 蜗杆传动的失效形式、材料和结构,蜗杆传动的特点是齿面相对滑动速度大，导致发热严重和磨损加剧。,二、蜗杆传动的常用材料,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,三、蜗杆传动的设计准则,* 蜗杆的刚度计算,*
11、蜗轮的齿根弯曲疲劳强度计算 * 蜗轮的齿面接触疲劳强度计算,为了防止齿面过度磨损引起的失效，应进行,* 传动系统的热平衡计算,为了防止蜗杆刚度不足引起的失效，应进行,为了防止过热引起的失效，就要进行,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,蜗杆的结构:,通常与轴制成一体,z1=1或2时：b1 (11+0.06z2)m,z1= 4时: b1 (12.5+0.09z2)m, 蜗杆轴,蜗杆长度b1的确定：,(1)无退刀槽结构：加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,(2) 有退刀槽：加工螺旋部分时可以车制，也可铣制。,四、圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云
12、教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,蜗轮齿宽角 90130,轮圈厚度 C 1.6m+1.5 mm,轮缘宽度B 0.75da 0.67 da,蜗轮顶圆直径de2 da2 +2m da2 +1.5m da2 +2m,蜗轮的常用结构,整体式,组合式 过盈配合,组合式 螺栓联接,组合式铸造,潘存云教授研制,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,法向力可分解为三个分力：,圆周力 Ft,轴向力 Fa,径向力 Fr,且有如下关系：,Ft1 = Fa2,Fr1 = Fr2,Fa1 = Ft2,=2T1 / d1,=2T2 / d2,= Ft2 tan,式中
13、 T1 、T2分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。,T2= T1 i ,13-4 蜗杆传动的受力分析,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,右旋蜗杆：伸出左手，四指顺蜗杆转向，则蜗轮的切向速 度vp2的方向与拇指指向相同。,蜗轮由蜗杆推动，所受切向力与速度方向一致， 正确判别蜗轮的转向，对进行力分析至关重要。,左旋蜗杆：用右手判断，方法一样。,作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,蜗轮的转向可用手势判别：,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,蜗杆传动受力方向的判定,(2)蜗轮切向力指向与其转动方向一致，且 Ft2=-Fa1 ；,(4)蜗轮
14、蜗杆所受径向力垂直于各自的轴线， 且 Fr1=-Fr2 。,(3)蜗杆切向力指向与其转动方向相反，且 Ft1=-Fa2 ；,(1)蜗杆所受扭矩T1与转动方向1一致；,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,13-5 蜗杆传动的强度计算,计算准则：取定d1/aH 校核F 校核,蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，仍以赫兹公式为基础。以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可。,由于蜗杆传动的失效多发生在蜗轮上，所以只需进行蜗轮轮齿的强度计算，而对蜗杆必要时应进行刚度校核。,一、引言,二、d1/a取值,d1/a, H，蜗杆轴刚度，但效率,d1 ， a ,为此，建议在图中中间区域取值为宜。,江苏科技大学专
15、用 作者： 潘存云教授,齿面接触强度校核公式：,由上式可得设计公式：,式中T2为蜗轮转矩， KA为使用系数,Z接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数。,蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，仍以赫兹公式为基础。以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可。,a KAT2,2,3,H 许用接触应力,三、蜗轮齿面接触强度,ZE为弹性系数,Zn为转速系数,Zh为寿命系数,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,四、蜗轮齿根弯曲强度计算,校核计算,b2 为蜗轮宽度,F 许用弯曲应力；,d2 为蜗轮直径,五、蜗轮传动设计的几何计算,计算出a,圆整,d1=d1
16、/aa或d10.68a0.875,m=（1.41.7)a/Z2,Z2=uZ1,其中d1,m均取标准值， Z1和Z2应为整数,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,一、蜗杆传动的效率,功率损耗：啮合损耗、轴承摩擦损耗、搅油损耗。,蜗杆主动时，总效率计算公式为,式中: 为蜗杆导程角;,v称为当量摩擦角， v=tan-1 f v,f v为当量摩擦系数 ，,13-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算, Z1,效率与蜗杆头数的大致关系为： 蜗杆头数Z1 总 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95, tan1 =Z1 /q,v， f v取值见下页表,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,江苏科技大
17、学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,蜗杆加工困难, 过大,当 28 时，效率增加 很少。,当 v 时，蜗杆具有自锁性，但效率很低。50%,上述公式不直观，工程上常用以下估计值。,在=45-/2 处效率曲线有极大值。,f v =tanv =0.12,一般取,27,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,二、蜗杆传动的润滑,若润滑不良，,效率显著降低,早期胶合或磨损,润滑油：,目的：减少摩擦，提高效率，防止胶合及磨损。,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当vs 510 m/s时，采用油池浸油润滑。为了减少搅油损失，下置式蜗杆不宜浸油过深，约
18、为一个齿高。,当vs 1015 m/s时，采用压力喷油润滑。,当v1 4 m/s时，采用蜗杆在上的结构。,润滑布置中应注意：,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,三、蜗杆传动的热平衡计算,由于蜗杆传动效率低，发热量大，若不及时散热，会引起箱体内，油温升高，润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。因此，对连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算,由热平衡条件 H1= H2,其中 P1 蜗杆传递的功率；,W表面散热系数；一般取 W=8.1517.45 W/(m2 ),A散热面积(m2),摩擦损耗产生的热量 H1=1000P1(1-),箱璧散发的热量 H2=w A(t1- t0 ),蜗杆传递的效率；,t1工作油温，一般取 60 70,t0工作环境温度，一般取 20,保持工作温度所需散热面积,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当工作油温 t0 80 或散热面积不足时，应采取散热措施：,（1）增加散热面积加散热片；,（2）提高表面传热系数 加风扇、冷却水管、循环油冷却。,江苏科技大学专用 作者： 潘存云教授,四、设计计算,7、蜗杆轴挠度验算,1、确定材料、热处理方法,2、初取d1/a,5、齿面接触疲劳强度验算,步骤：,3、按接触疲劳强度计算中心距,4、几何尺寸计算,8、热平衡计算,6、轮齿弯曲疲劳强度验算,
