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1、12.1 蜗杆传动的类型和特点 12.2 普通蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 12.3 蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料选择12.4 蜗杆传动的受力分析 12.5 蜗杆传动的强度计算 12.6 蜗杆传动的效率及热平衡计算,第12章 蜗杆传动,蜗杆传动的特点,蜗杆传动广泛应用于各种机械设备和仪表中，常用于减速且蜗杆为主动件，轴交角为90的场合。,蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成，用于传递空间两交错轴间的运动和动力。,蜗杆传动的类型和特点,其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。,阿基米德蜗杆（ZA型）车刀刀刃与蜗杆轴线在同一水平线上，
2、加工出来的蜗杆在 轴剖面的齿形是直线，在法向剖面内的齿形为曲线，垂直 于轴线剖面的齿形为阿基米德螺旋线。 渐开线蜗杆（ ZI型） 车刀刀刃与蜗杆的基圆柱相切，在切于基圆柱的轴向剖面 -内的齿形的一侧为直线，在轴向剖面和法向剖 面内的齿形均为曲线，端面的齿形为渐开线。 法向直廓蜗杆（ZN型）车刀刀刃放在蜗杆齿面的法平面内，加工出来的蜗杆在法向 剖面内的齿形是直线，在轴剖面内的齿形为曲线，在端面上 的齿形为延伸渐开线 锥面包络圆柱蜗杆（ZK型）将直母线梯形圆盘铣刀的直母线放置于蜗杆齿间的 法面内，蜗杆在各个剖面内的齿形都是曲线。,圆柱蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,其蜗杆的螺旋面是用
3、刃边为凸圆弧形 的车刀切制而成的。,蜗杆传动的类型,蜗杆传动的类型和特点,环面蜗杆传动,环面蜗杆传动如图所示。蜗杆螺纹段的外形是以凹圆弧为母线所形成的旋转曲面。该传动同时啮合的齿对数增多，承载能力为普通圆柱蜗杆的24倍，齿间润滑油膜易形成和保持，效率高，体积小，寿命长，但制造、安装复杂。,蜗杆传动的类型和特点,锥蜗杆传动,如图所示，蜗杆为一等导程的锥形螺纹，故称锥蜗杆。涡轮像一个曲线齿圆锥齿轮，故称锥轮。他们的轴线在空间交错，交错角通常为90。锥蜗杆传动的特点是：啮合齿数多，重合度大，故传动平稳，承载能力高，涡轮能用淬火钢制造，可节省有色金属。,蜗杆传动的类型和特点,蜗杆传动的精度：142页
4、表7-1,普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,复习,蜗杆传动的滑动速度和效率,第三节 蜗杆传动的滑动速度和效率,一、齿面间相对滑动速度 ；,蜗杆传动中，在蜗杆与蜗轮齿面间会产生很大的滑动速度，由图得,二、蜗杆传动的效率,闭式蜗杆传动的功率损耗包括三部分：轮齿啮合时的摩擦损耗、轴承摩擦损耗和搅油损耗，故蜗杆传动的总效率为,式中 蜗杆传动的啮合效率，当蜗杆为主动件时： （其中 为蜗杆导程角， 为当量摩擦角，查表7-4 ，147页）。, 轴承效率及搅油效率，一般取 。,蜗杆传动效率主要取决于 ，一般 随 的增大而提高，但 后，提高已不明显，而且大导程角的蜗杆制造困难，所以实用为 。,蜗杆传动的
5、滑动速度和效率,在传动尺寸设计出之前，为近似地设计出蜗轮受的转矩T2， 传动效率可如下估取：,蜗杆头数 z1 1 2 3 4,总效率 0.70 0.80 0.85 0.9,蜗杆传动的失效形式和计算准则和材料选择,第四节 蜗杆传动的失效形式及设计准则,蜗杆传动齿轮的受力情况与齿轮传动基本相同，故蜗杆传动的失效形式也与齿轮传动相似。但是，由滑动速度计算公式可知，蜗杆传动齿面间具有很大的滑动速度，同时，传动效率低，发热量大，因此，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。,由于目前对胶合和磨损的计算尚无成熟的方法，故仍按齿面接触疲劳强度和齿根
6、弯曲疲劳强度进行条件性计算，只在许用应力数值中适当考虑胶合和磨损的影响。,1.失效形式,2. 设计准则,对闭式蜗杆传动，一般按齿面接触强度进行设计，按弯曲疲劳强度进行校核，并进行热平衡计算，以免过高的温升引起润滑失效，导致齿面胶合。,对于开式涡轮传动，通常只须按齿根弯曲疲劳强度进行设计。,蜗杆通常为细长轴，过大的弯曲变形将导致啮合区接触不良，因此，当蜗杆轴的支撑跨距较大时，应校核其刚度是否足够。,蜗杆材料的强度通常比蜗轮材料高，且蜗杆齿为连续的螺旋齿，故蜗杆副的失效一般出现在蜗轮上。通常只对蜗轮进行承载能力计算。,蜗杆传动的失效形式和计算准则和材料选择,3.蜗杆和蜗轮的材料选择,蜗杆常用材料为
7、碳钢或合金钢。,高速重载的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳淬火，或45钢、40Cr淬火。这样 可以提高表面硬度，增加耐磨性。,低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。,蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。,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能。,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。,蜗杆传动的失效形式和计算准则和材料选择,蜗杆传动的受力分析,普通蜗杆传动的承载能力计算2,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。,在不计摩擦力时，有
8、以下关系：,蜗杆传动的受力分析,在分析蜗杆和蜗轮受力方向时，必须先指明主动轮和从动轮（一般蜗杆为主动轮）；蜗杆或蜗轮的螺旋方向：左旋或右旋；蜗杆的转向和位置。,蜗杆与蜗轮轮齿上各方向判断如下：, 径向力的方向：由啮合点分别指向各自轴心；, 轴向力的方向 ：蜗杆主动时，蜗杆轴向力的方向由“主动轮左、右手定则”判断，即右旋蜗杆用右手（左旋用左手），四指顺着蜗杆转动方向弯曲，大拇指指向即蜗杆轴向力的方向。 蜗轮轴向力的方向与蜗杆圆周力方向相反。, 圆周力的方向：主动轮圆周力与其节点速度方向相反，从动轮圆周力与其节点速度方向相同；,蜗杆传动受力方向判断,蜗杆传动的承载能力计算,一、 蜗轮齿面接触疲劳强
9、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,涡轮齿面接触疲劳强度的设计公式为,由于阿基米德蜗杆在中间平面上，相当于齿条与齿轮的啮合传动，而蜗轮又相当于一个斜齿轮，所以蜗杆传动可以近似的看做齿条与斜齿圆柱齿轮的啮合传动。,目的：防止“点蚀”和“胶合”失效。,强度条件：,蜗杆传动的承载能力计算,式中 载荷系数，见150页,蜗杆传动的承载能力计算,二、 蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算,蜗轮轮齿的齿形比较复杂，要精确计算齿根弯曲应力比较困难，通常把蜗轮近似地看做斜齿轮来考虑，进行条件性计算。,设计公式为：,式中 蜗轮齿形系数，按 查表7-7，153页；,蜗轮齿根弯曲强度的校
10、核公式为：,蜗杆传动的承载能力计算,三、 蜗杆的刚度计算,通常把蜗杆螺旋部分看做以蜗杆齿根圆直径为直径的轴段，进行刚度校核。其最大挠度可按下式作近似计算。,具体见153页,普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡2,蜗杆传动的润滑,润滑的主要目的在于减摩与散热。因为润滑不良时，传动效率将显著降低，而且会带来剧烈的磨损和产生胶合的危险，所以往往采用粘度大的矿物油进行良好的润滑。在润滑油中还加入添加剂，使其提高抗胶合能力。具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。,蜗杆传动的润滑及热平衡计算,闭式蜗杆传动的润滑油黏度及润滑方法见表7-9，154页。开式蜗杆传动常 采用黏度较高的齿轮油或润滑脂。,润滑油量,润滑油量的
11、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。,润滑油粘度及给油方式,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，蜗杆正反转时， 两边都要装有喷油嘴。而且要控制一定的油压，,12.6.2 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：,
12、Ks箱体表面的散热系数，没有循环空气流动时可取Ks (8.1510.5) W/(m2K)；通风良好时Ks (1417.45),A 箱体的可散热面积(m2)；,t1润滑油的工作温度()； t0环境温度()。一般取20度,在热平衡条件下可得：,可用于系统热平衡验算，一般限制在 6070 ，最高不超过90 ,蜗杆传动的润滑及热平衡计算,W/(m2K),如果t1超过允许值，必须采用以下措施以提高散热能力。,蜗杆传动的润滑及热平衡计算,冷却水管动画演示,压力喷油动画演示,12.2.3 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
13、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。（动画演示）,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。（动画演示）,12.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸,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：,观看蜗轮照片,12.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸,蜗杆传动的跑和和试运转,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
14、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。,12.7 蜗杆传动的安装与维护,蜗杆传动装配后，须经跑合，以使齿面接触良好。,跑合时采用低速运转，通常 r/min,逐步加载至额定载荷，跑合15h。,若发现蜗杆齿面上粘有青铜，应立即停车，用细砂纸打去，在继续跑合。跑合好后，应清洗全部零件，换新润滑油，并应把此时蜗轮相对于蜗杆的轴向位置打上印记，便于以后装拆时配对和调整到位。新机试车时，先空载运转，然后逐步加载至额定载荷，观察齿面啮合、轴承密封及温升等情况。,解： （1）选择材料并确定许用应力 蜗杆：由于功率不大，采用45钢表面淬火，硬度45HRC。 蜗
15、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12.6，蜗轮材料的基本许用接触应力为,查表12.8，蜗轮材料的基本许用弯曲应力为,12.7 蜗杆传动的安装与维护,计算寿命系数,计算许用应力：,12.7 蜗杆传动的安装与维护,（2）确定蜗杆头数和蜗轮齿数,由表12.1，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,12.7 蜗杆传动的安装与维护,得m=8，q=10,由式（12.11）得,齿根的弯曲疲劳强度校核合格。,12.7 蜗杆传动的安装与维护,（5）验算传动效率,蜗杆分度圆速度为,查表12.9得,12.7 蜗杆传动的安装与维护,（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。,12.7 蜗杆传动的安装与维护,（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,12.7 蜗杆传动的安装与维护,圆弧圆柱蜗杆传动,中间平面,蜗杆主要参数常用值及其匹配表,车制蜗杆,铣制蜗杆,滑动速度影响系数,寿命系数,蜗杆螺旋线的形成,散热措施蛇形冷却水管,压力喷油循环冷却,