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1、第八章 蜗杆传动,蜗杆传动主要由蜗杆1和蜗轮2组成（图8-1），蜗杆传动用于传递空间交错成90的两轴之间的运动和动力，通常蜗杆为主动件。与其他机械传动比较，蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、运转平稳、噪声较小等优点，因此广泛应用于各种机器和仪器中。,图8-1 蜗杆传动,机械中常用的为普通圆柱蜗杆传动。本章主要讨论这种蜗杆传动。蜗杆传动有：环面蜗杆传动、锥蜗杆传动、圆弧圆柱蜗杆传动等。,根据蜗杆螺旋面的形状，可分为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆及延伸渐开线蜗杆等三种。由于阿基米德蜗杆容易加工制造，应用最广，其他蜗杆还有：锥面包络圆柱蜗杆、法向直廓蜗杆等。,如图8-2所示，通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平
2、面，称为中间平面。,8-1 蜗杆传动的正确啮合条件,图8-2 蜗杆传动的中间平面,中间平面内阿基米德蜗杆具有渐开线齿条齿廓，侧边夹角为2，蜗轮齿廓也是渐开线。所以在中间平面内蜗轮与蜗杆的啮合传动相当于渐开线齿条与齿轮啮合传动。因此蜗杆传动的几何尺寸计算与齿条齿轮传动相似。从而可得蜗杆传动的正确啮合条件为：,（1）在中间平面内，蜗杆的轴向模数ma1与蜗轮的端面模数mt2必须相等。,（2）蜗杆的轴向压力角a1与蜗轮的端面压力角t2必须相等。,（3）两轴线交错角为90时，蜗杆分度圆柱上的导程角应等于蜗轮分度圆柱上的螺旋角，且两者的旋向相同。,为了方便加工，规定蜗杆的轴向模数为标准模数。蜗轮的端面模数
3、等于蜗杆的轴向模数，因此蜗轮端面模数也应为标准模数。标准模数系列见表8-1。压力角标准值为20。,8-2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,一、模数m和压力角,选择蜗杆头数z1时，主要考虑传动比、效率及加工等因素。通常蜗杆头数z1=1、2、4。若要得到大的传动比且要求自锁时，可取z1=1；当传递功率较大时，为提高传动效率，可采用多头蜗杆，通常取z1=2或4。,二、蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i,蜗轮齿数z2=iz1，为了避免蜗轮轮齿发生根切，z2不应小于26，但不宜大于80。因为z2过大，会使结构尺寸增大，蜗杆长度也随之增加，致使蜗杆刚度降低而影响啮合精度。 对于蜗杆为主动件的蜗
4、杆传动，其传动比为：,注意：蜗杆传动比i不等于d2/d1,三、蜗杆直径系数q和导程角,加工蜗轮的滚刀，其参数（m、z1）和分度圆直径d1必须与相应的蜗杆相同，故d1不同的蜗杆，必须采用不同的滚刀。为减少滚刀数量并便于刀具的标准化，制定了蜗杆分度圆直径的标准系列（见表8-1）。,图8-3 蜗杆展开,如图8-3所示，蜗杆螺旋面和分度圆柱的交线是螺旋线，为蜗杆分度圆柱上的螺旋线导程角，px为轴向齿距，由图可得,上式中， 称为蜗杆直径系数， 表示蜗杆分度圆直径与模数的比。,当m一定时，q增大，则d1变大，蜗杆的刚度和强度相应提高。,又因，当q较小时，增大，效率随之提高，在蜗杆轴刚度允许的情况下，应尽可
5、能选用较小的q值，q和m的搭配列于表8-1。,四、圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算可参考表8-2和图8-2。,如图8-4所示，蜗杆传动即使在节点C处啮合，齿廓之间也有较大的相对滑动。设蜗杆的圆周速度为v1，蜗轮的圆周速度为v2，v1和v2呈90角，而使齿廓之间产生很大的相对滑动，相对滑动速度vs为,五、蜗杆传动的滑动速度,图8-4 蜗 杆 传 动 的 滑 动 速 度,由图可见，相对滑动速度vs沿蜗杆螺旋线方向。齿廓之间的相对滑动引起磨损和发热，导致传动效率降低。,由于材料方面的原因，蜗杆螺旋部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，故失效常发生在蜗轮齿上。因此轮齿强度计算是针对蜗
6、轮进行的。蜗杆传动的相对滑动速度大，,8-3 蜗杆传动强度计算,一、蜗杆传动的主要失效形式,因摩擦引起的发热量大、效率低，故主要失效形式为胶合，其次才是点蚀和磨损。目前对于胶合和磨损，还没有完善的计算方法，故只能参照圆柱齿轮进行齿面及齿根强度的计算，而在选择许用应力时，适当考虑胶合与磨损失效的影响。由于蜗杆传动轮齿间有较大的滑动，工作时发热大，若闭式蜗杆传动散热不够，可能引起润滑失效而导致齿面胶合，故对闭式蜗杆传动还要进行热平衡计算。,蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似。齿面上的法向力Fn可分解为三个相互垂直的分力：圆周力Ft，径向力Fr和轴向力Fa，如图8-5所示。由于蜗杆轴与蜗轮轴交错成
7、90角，所以蜗杆圆周力Ft1等于蜗轮轴向力Fa2，蜗杆轴向力Fa1等于蜗轮圆周力Ft2，蜗杆径向力Fr1等于蜗轮径向力Fr2，即,二、蜗杆传动的受力分析和计算载荷,图8-5 蜗杆与蜗轮的作用力,式中：T1、T2分别为作用于蜗杆和蜗轮上的转矩，Nm，T2=T1i，为蜗杆传动效率；d1、d2分别为蜗杆和蜗轮的节圆直径，m。,作用力大小为：,蜗杆和蜗轮轮齿上的作用力（圆周力、径向力、轴向力）方向的决定方法，与斜齿圆柱齿轮相同。,与齿轮传动相似，在进行蜗杆传动强度计算时也应考虑载荷系数K，则计算载荷Fnc为 Fnc=KFn,一般取K=11.4，当载荷平稳，滑动速度vs3m/s时取小值，否则取大值。,蜗
8、轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，以蜗杆蜗轮在节点处啮合的相应参数代入赫芝公式，可得青铜或铸铁蜗轮轮齿齿面接触强度的校核公式：,三、圆柱蜗杆传动的强度计算,1蜗轮齿面的接触强度计算,而设计公式为,式中：H、H分别为蜗轮材料的许用接触应力和齿面接触应力。H值见表8-3和表8-4。,设计计算时可按m2d1值由表8-1确定模数m和蜗杆分度圆直径d1，再按表8-2计算出蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸及中心距。,由蜗轮轮齿接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，通常都能满足弯曲强度的要求，因此只有对于受强烈冲击、振动的传动，或蜗轮采用脆性材料时，才需要考虑蜗轮轮齿的弯曲强度。其计算公式可参阅有关书籍。,2蜗轮轮
9、齿弯曲强度计算,弯曲许用应力,选用蜗杆传动材料时不仅要满足强度要求，更重要的是具有良好的减摩性、抗磨性和抗胶合的能力。蜗杆一般用碳素钢或合金钢制造。对于高速重载的蜗杆，可用15Cr，20Cr，20CrMnTi和20MnVB等，经渗碳淬火至硬度为5663HRC，也可用40、45、40Cr、40CrNi等经表面淬火至硬度为4550HRC。,8-4 蜗杆传动的材料和结构,一、蜗杆传动的材料,对于不太重要的传动及低速中载蜗杆，常用45、40等钢经调质或正火处理，硬度为220230HBS。,蜗轮常用锡青铜、无锡青铜或铸铁制造。锡青铜用于滑动速度vs3m/s的传动，常用牌号有ZQSn10-1和ZQSn6-
10、6-3；无锡青铜一般用于vs4m/s的传动，常用牌号为ZQAl 8-4；铸铁用于滑动速度vs2 m/s的传动，常用牌号有HT150和HT200等。近年来，随着塑料工业的发展，也可用尼龙或增强尼龙来制造蜗轮。,蜗杆通常与轴做成一体，除螺旋部分的结构尺寸取决于蜗杆的几何尺寸外，其余的结构尺寸可参考轴的结构尺寸而定。图8-6 a为铣制蜗杆，在轴上直接铣出螺旋部分，刚性较好。图8-6 b为车制蜗杆，刚性稍差。,二、蜗杆和蜗轮的结构,图8-6 蜗杆的结构形式,蜗轮的结构有整体式和组合式两类。图8-7a所示为整体式结构，多用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。为了节省有色金属，对于尺寸较大的青铜蜗轮一般制成组
11、合式结构，为防止齿圈和轮心因发热而松动，常在接缝处再拧入46个螺钉，以增强联接的可靠性（图8-7b），或采用螺栓联接（图8-7c），也可在铸铁轮心上浇注青铜齿圈（图8-7d）。,图8-7 蜗轮的结构形式,闭式蜗杆传动工作时，功率的损耗有三部分：轮齿啮合损耗、轴承摩擦损耗和箱体内润滑油搅动的损耗。所以闭式蜗杆传动的总效率为： =123 式中：1为轮齿啮合效率；2为轴承摩擦损耗效率；3为搅油损耗效率。,8-5蜗杆传动的效率、润滑和散热,一、蜗杆传动的效率,上述三部分效率中，最主要的是轮齿啮合效率1，当蜗杆主动时，1可近似按螺旋副的效率计算，即,式中， 为当量摩擦角， ，fv为当量摩擦系数。,由式（
12、8-9）可知，1随的减小而增大，而与蜗杆蜗轮的材料、表面质量、润滑油的种类、啮合角以及齿面相对滑动速度vs有关，并随vs的增大而减小。在一定范围内1随增大而增大，故动力传动常用多头蜗杆以增大，但过大时，蜗杆制造困难，效率提高很少，故通常取30。,由于蜗杆传动的相对滑动速度vs大，效率低，发热量大，因此必须注意蜗杆传动的润滑；否则会进一步导致效率显著降低，并会带来剧烈的磨损，甚至产生胶合。蜗杆传动的润滑方法、润滑油和粘度可参考表8-5。,二、蜗杆传动的润滑,由于蜗杆传动的效率较低，工作时将产生大量的热。若散热不良，会引起温升过高而降低油的粘度，使润滑不良，导致蜗轮齿面磨损和胶合。所以对连续工作的
13、闭式蜗杆传动要进行热平衡计算。,三、蜗杆传动的热平衡计算,在闭式传动中，热量由箱体散逸，要求箱体内的油温t和周围空气温度t0之差t不超过允许值，即,若计算的温差超过允许值，可采取以下措施来改善散热条件：,1）在箱体上加散热片以增大散热面积；,2）在蜗杆轴上装风扇进行吹风冷却（图8-8a）；,3）在箱体油池内装设蛇形水管，用循环水冷却（图8-8b）；,4）用循环油冷却（图8-8c）。,图8-8 蜗杆传动的散热,例8-1 已知一传递动力的蜗杆传动，蜗杆为主动件，它所传递的功率P=3kW，转速n1=960 r/min，n2=70 r/min，载荷平稳，试设计此蜗杆传动。,解：由于蜗杆传动的强度计算是
14、针对蜗轮进行的，而且对载荷平稳的传动，蜗轮轮齿接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，通常都能满足弯曲强度的要求，因此，只需计算接触强度和热平衡。,（1）选材料，确定许用接触应力H，蜗杆用45钢，表面淬火4550HRC；蜗轮用ZCuSn10P1（10-1锡青铜）砂型铸造。由表8-3查得H=200。,1蜗轮轮齿齿面接触强度计算,（2）选蜗杆头数z1，确定蜗轮齿数z2，传动比i=n1/n2=960/70=13.71，因传动比不算大，为了提高传动效率，可选z1=2，则z2=iz1=13.712=27.42，取z2=27。,T2=9.55106 =9.55106 =9.55106=327428.4 N.
15、mm,（3）确定作用在蜗轮上的转矩T2，因z1=2，故初步选取=0. 80，则,（4）确定载荷系数K，因载荷平稳，速度较低，取K=1.1，由式（8-7）得,由表8-1，取m=8，d1=80mm。,（5）计算主要几何尺寸,蜗杆分度圆直径 d1=80 mm,蜗轮分度圆直径 d2=mz2=827=216mm,中心距 a=(d1+d2)=0.5(80+216)=148 mm,2热平衡计算,（1）取s=15 W/（m2）； （2）取散热面积A1.1m2； （3）效率=0.8。,由式 （8-10）得,故满足热平衡要求。 3其他几何尺寸计算（略） 4绘制蜗杆和蜗轮零件工作图（略）,t=t-t0= =36.36t =6070,