1、第6章 蜗 杆 传 动,6.1 蜗杆传动的类型和特点,蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成(如图所示),用于传递空间两交错轴间的运动和动力。,6.1.2 蜗杆传动的类型,按蜗杆形状的不同可分:,圆柱蜗杆,环面蜗杆,锥蜗杆,阿基米德圆柱蜗杆, 工作平稳。由于蜗杆齿为连续不断的螺旋齿,故传动平稳,噪音小。,6.1.2 蜗杆传动的特点,与其他传动相比,蜗杆传动有以下特点。,优点:, 传动比大。一般动力传动中,i=1080; 在分度机构或手动机构中,i可达300,若主要是 传递运动,i可达1000。, 可以实现自锁。在蜗杆传动中,蜗杆犹如 螺杆,蜗杆传动作用力关系也和螺旋传动一样,故 蜗杆导程角小于蜗杆副的
2、当量摩擦角时,蜗杆传动 就具有自锁性。, 效率较低。由于蜗杆与蜗轮齿面间相对滑动速度很大,摩擦与磨损严重,故蜗杆传动效率低。一般为=0.70.9,自锁时0.5。因此,在连续工作的闭式传动中,应具有良好的润滑和散热条件。,缺点:, 蜗轮材料较贵。为了减磨和抗胶合,蜗轮 材料常选用青铜合金制造,成本较高。,不能实现互换。由于蜗轮是用与其匹配的蜗 杆滚刀加工的,因此,仅模数和压力角相同的蜗 杆与蜗轮是不能任意互换的。, 对制造安装的误差敏感。,蜗杆传动适用于传动比大、传递功率不大且不作长期连续运转的场合。,6.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸,6.2.1 蜗杆传动的主要参数和正确啮合条件,1、蜗杆传
3、动的正确啮合条件,(1)啮合特点:阿基米德蜗杆传动在中间平面内可视为齿条与渐开线齿轮的啮合。,(2)正确啮合条件:蜗杆的轴向模数、轴向压力 角和蜗轮的端面模数、端面压力角分别相等,且蜗杆 的导程角等于蜗轮的螺旋角,大小相等,旋向相同。,2、蜗杆传动的主要参数,(1)导程角和蜗杆直径系数,q=d1/m,称为蜗杆直径系数;为导程角,(2)蜗杆分度圆直径d1,当用滚刀切制蜗轮时,为了减少滚刀的数量,国家标准对每个模数规定了几种蜗杆分度圆直径d1(见表6-1),且d1=mq,(3)传动比i、蜗杆头数z1(螺旋线数目)和蜗轮齿数z2,通常蜗杆的头数取1、2、4,要求大传动比或锁,取z1=1;传递功率较大
4、,为提高效率多采用多头蜗杆,取z1=2、4,为避免蜗轮轮齿发生根切,z2应取28-80,(4)齿面间滑动速度V s,(5)中心距,标准传动:蜗杆节圆和分度圆重合,a=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2),3、蜗杆传动的几何尺寸计算,蜗杆传动的几何尺寸以中间平面上的模数和压力角 为标准参数进行计算。为配凑中心距或提高蜗杆传动 的承载能力及传动效率,可采用变位齿轮传动。,例:在带传动和蜗杆传动组成的传动系统中,初步计算后取蜗杆模数m=4mm、头数z1=2、分度圆直径d1=40mm,蜗轮齿数z2=39,试计算蜗杆直径系数q、导程角及蜗杆传动的中心距a,6.3 蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料
5、选择,蜗杆传动的主要失效形式是胶合和磨损。闭式 蜗杆传动以胶合为主要失效形式,开式蜗杆传动 主要是齿面磨损。,6.3.1 蜗杆传动的失效形式及设计准则,对闭式蜗杆传动,一般按齿面接触强度计算, 并进行热平衡校核,只有当z80或蜗轮负变位时, 才进行蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核;对于开式蜗杆 传动,只需进行齿根弯曲疲劳强度计算。,根据蜗杆传动的失效特点,蜗杆副材料不但应具有足够的强度,而且还应具有良好的减磨性和抗胶合性。实践证明,较理想的蜗杆副材料是磨削淬硬的钢制蜗杆匹配青铜蜗轮。,6.3.2 蜗杆和蜗轮的材料选择,蜗杆常用材料为碳钢或合金钢。高速重载的 传动,蜗杆常用低碳合金结构钢,经渗碳淬火,
6、表面硬度可达HRC5063;中速中载传动,蜗杆常 用优质碳素钢或合金结构钢,经表面淬火,表面硬 度达到HRC4555;低速、不重要的传动,可采用 45号钢调质处理,硬度达到HBS255270。,常用蜗轮材料有铸造锡青铜、铸造铝铁青铜及灰铸铁等。锡青铜的抗胶合和耐磨性能最好,但价格较贵,用于vs5m/s的重要传动;铝铁青铜具有足够的强度,并耐冲击,价格便宜,但胶合及耐磨性能不如锡青铜,一般用于vs5m/s的传动中;灰铸铁用于vs2m/s的不重要场合。,6.3.2 蜗杆和蜗轮的结构,1、蜗杆的结构,通常蜗杆与蜗轮制成一体,称为蜗杆轴。按螺纹加 工方法的不同,可分为车制蜗杆和铣制蜗杆。,2、蜗轮的结
7、构,可分为整体式和装配式。一般当蜗轮分度圆直径d2 100mm的青铜蜗轮采用整体式结构,d2100mm时,为 节省贵重金属材料,可制成装配式。,表12-5 蜗杆的典型结构,标记方法,蜗杆的标记内容包括:蜗杆的类型,模数m,分度圆 直径d1,螺旋方向,头数z1,蜗轮的标记内容包括:相配蜗杆的类型,模数m, 齿数z2。,蜗杆传动的标记方法用分式表示,分子为蜗杆代号, 分母为蜗轮齿数。,6.4蜗杆传动的受力分析与强度计算,蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮传动受力分析相似,在不计算摩擦力的情况下,作用在轮齿上的法向力Fn可分解为空间3个互相垂直的分力:圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fx。,方向判断:
8、圆周力Ft:主反从同 径向力Fr:指向各自轴心 轴向力Fx:主动轮左右手定则Fx2方向与Ft1方向相反,各分力的大小为:,图6-11 蜗杆传动的受力分析,当蜗杆为右旋时,伸出右手,半握拳,用除去大拇指以外的其余四指指向蜗杆的回转方向,这时,和大拇指指向相反的方向就是蜗轮在啮合点的线速度方向,从而可知蜗轮的旋转方向。当为左旋蜗杆时,伸出左手,判断方法同上。,(1)已知蜗杆的旋向及回转方向,判断蜗轮的回转方向:,(2)已知蜗杆的旋向及蜗轮的回转方向,判断蜗杆的回转方向:,当为右旋蜗杆时,伸出右手,半握拳,使大拇指指向蜗轮在啮合处线速度的相反方向,这时,其余四指所指的方向就是蜗杆的旋转方向。当为左旋
9、蜗杆时,伸出左手,判断方法同上。,(3)已知蜗杆及蜗轮的回转方向,判断蜗杆的旋向:,伸出右手或左手,半握拳,使大拇指指向蜗轮啮合点的线速度方向的相反方向,这时,若右手的其余四指所指方向与蜗杆旋转方向相同,则蜗杆应为右旋,若与左手的相同,则蜗杆应为左旋。,6.4.2 蜗杆传动的强度计算,在蜗杆传动中,不必进行齿根弯曲强度计算。 一般按齿面接触强度计算。,校核公式:,设计公式为:,6.5蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,6.5.1蜗杆传动效率,闭式蜗杆传动总效率包括: 考虑轮齿啮合齿面间摩擦损失时的效率; 考虑轴承摩擦损失的效率; 考虑浸入油池中的零件搅动润滑油及飞溅损失进和效率。,主要考虑,蜗杆
10、传动的总效率:,蜗杆传动设计时,可根据蜗杆头数估取传动效率。(设计初始,必须先估取以便近似求出蜗轮轴上的转矩T2 ),闭式传动:Z1=1 =0.7-0.75Z1=2 =0.75-0.82Z1=4 =0.87-0.92开式传动:Z1=1、2 =0.6-0.7,6.5.2蜗杆传动的润滑,滑动速度Vs5-10m/s的蜗杆传动用油池浸油。Vs10-15m/s,应采用压力喷油润滑。,6.5.3蜗杆传动的热平衡计算,原因,效率低,发热大,温升高,润滑油粘度下降,润滑油在齿面间被稀释,加剧磨损和胶合。,蜗杆传动转化为热量所消耗的功率:,经箱体散发热量的相当功率:,达到热平衡时Ps=Pc,式中:P1-蜗杆传动传递的功率(KW);Ks-散热系数(W/(m2);A-散热面积(m2);t0-环境温度() ,一般取20 ;t1-润滑油的工作温度() ; t1-润滑油许用温度() ,一般取7090 ,当t1超过允许值,或A不足时,可采用在箱体外增加散热片;在蜗杆两端装风扇通风,在箱体内装冷却水管;采用压力喷油润滑。,