蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì).doc

7 蝸桿傳動(dòng)7.1 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)、應(yīng)用和類型 7.1.1蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)和應(yīng)用組成：蝸桿、蝸輪（一般蝸桿為主動(dòng)件，蝸輪為從動(dòng)件）作用：傳遞空間交錯(cuò)的兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。通常=90應(yīng)用：用在機(jī)床、汽車、儀器、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械以及其他機(jī)械制造工業(yè)中。最大傳遞功率為750Kw，通常用在50Kw以下。特點(diǎn):1）、傳動(dòng)比大。單級(jí)時(shí)i=580，一般為i=1550，分度傳動(dòng)時(shí)i可達(dá)到1000，結(jié)構(gòu)緊湊。2）、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小。3）、自鎖性，當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角小于齒輪間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自鎖。4）、蝸桿傳動(dòng)效率較低，其齒面間相對(duì)滑動(dòng)速度大，齒面磨損嚴(yán)重。5）、蝸輪的造價(jià)較高。為降低摩擦，減小磨損，提高齒面抗膠合能力，蝸輪常用貴重的銅合金制造。7.1.2 蝸桿傳動(dòng)的類型按照蝸桿的形狀不同分為：圓柱蝸桿傳動(dòng)(a)、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)(b)、錐面蝸桿傳動(dòng)(c)。 （a）圓柱蝸桿傳動(dòng) （b）環(huán)面蝸桿傳動(dòng) （c）錐面蝸桿傳動(dòng) 圖7-1 蝸桿傳動(dòng)的類型 1、圓柱蝸桿傳動(dòng)蝸桿有左、右旋之分。螺桿的常用齒數(shù)（頭數(shù)）z1=14，頭數(shù)越多，傳動(dòng)效率越高。蝸桿加工由于安裝位置不同，產(chǎn)生的螺旋面在相對(duì)剖面內(nèi)的齒廓曲線形狀不同。1）、阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）如圖所示，阿基米德蝸桿是齒面為阿基米德螺旋面的圓柱蝸桿。通常是在車床上用刃角0=20的車刀車制而成，切削刃平面通過(guò)蝸桿曲線，端面齒廓為阿基米德螺旋線。其齒面為阿基米德螺旋面。優(yōu)、缺點(diǎn)：蝸桿車制簡(jiǎn)單，精度和表面質(zhì)量不高，傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率低。頭數(shù)不宜過(guò)多。應(yīng)用：頭數(shù)較少，載荷較小，低速或不太重要的場(chǎng)合。 圖7-2 阿基米德蝸桿 (2）、法向直廓蝸桿（ZN蝸桿）如圖所示，法向直廓蝸桿加工時(shí)，常將車刀的切削刃置于齒槽中線（或齒厚中線）處螺旋線的法向剖面內(nèi)，端面齒廓為延伸漸開(kāi)線。優(yōu)、缺點(diǎn)：常用端銑刀或小直徑盤(pán)銑刀切制，加工簡(jiǎn)便，利于加工多頭蝸桿，可以用砂輪磨齒，加工精度和表面質(zhì)量較高。應(yīng)用：用于機(jī)場(chǎng)的多頭精密蝸桿傳動(dòng)。3）、漸開(kāi)線蝸桿（ZI蝸桿）如圖所示，漸開(kāi)線蝸桿是齒面為漸開(kāi)線螺旋面的圓柱蝸桿。用車刀加工時(shí)，刀具切削刃平面與基圓相切，端面齒廓為漸開(kāi)線。優(yōu)、缺點(diǎn)：可以用單面砂輪磨齒，制造精度、表面質(zhì)量、傳動(dòng)精度及傳動(dòng)效率較高。應(yīng)用：用于成批生產(chǎn)和大功率、高速、精密傳動(dòng)，故最常用。2、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)：（1）、齒輪表面有較好的油膜形成條件，抗膠合的承載能力和效率都較高；（2）、同時(shí)接觸的齒數(shù)較多，承載能力為圓柱蝸桿傳動(dòng)的1.54倍；（3）、制造和安裝較復(fù)雜，對(duì)精度要求高；（4）、需要考慮冷卻的方式。3、錐面蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)： （1）、嚙合齒數(shù)多，重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)；（2）、蝸輪用淬火鋼制造，節(jié)約有色金屬。 圖7-6 錐面蝸桿 圖7-7 蝸輪蝸桿的主要參數(shù) 7.2 蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸垂直于蝸輪軸線且通過(guò)蝸桿軸線的平面，稱為中間平面。在中間平面內(nèi)蝸桿與蝸輪的嚙合就相當(dāng)于漸開(kāi)線齒條與齒輪的嚙合。在蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，均以中間平面上的基本參數(shù)和幾何尺寸為基準(zhǔn) 。 7.2.1 主要參數(shù)1、模數(shù)m和壓力角a蝸桿與蝸輪嚙合時(shí)，蝸桿的軸向模數(shù)mx1、壓力角x1應(yīng)與蝸輪的端面模數(shù)、壓力角相等，即 mx1= mt2 = m x1=t2=20 = ：為蝸輪的螺旋角，：螺桿的導(dǎo)程角。表7-1 圓柱蝸桿的基本尺寸和參數(shù) 2、螺桿導(dǎo)程角 px1：為蝸桿軸向齒距，px1=m（mm）；為導(dǎo)程角（）。導(dǎo)程角越大，傳動(dòng)效率越高， =3.555。傳動(dòng)效率高時(shí)，常取=1530，采用多頭蝸桿。若要求傳動(dòng)時(shí)反向自鎖時(shí)，取340。3、蝸桿分度圓直徑d1 由于蝸輪是用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀配對(duì)加工而成的，為了限制滾刀的數(shù)目，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿分度圓直徑d1。 導(dǎo)程角大，其傳動(dòng)效率高，但會(huì)使蝸桿的強(qiáng)度、剛度降低。在蝸桿剛度允許的情況下，設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)時(shí)，要求傳動(dòng)效率高時(shí)，d1可以選小值，當(dāng)要求強(qiáng)度和剛度大時(shí)，d1選大值。4、蝸桿的頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2和傳動(dòng)比 i 較少的蝸桿頭數(shù)（如：?jiǎn)晤^蝸桿）可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，但傳動(dòng)效率較低，可以實(shí)現(xiàn)自鎖；蝸桿頭數(shù)越多，傳動(dòng)效率越高，但蝸桿頭數(shù)過(guò)多時(shí)不易加工。通常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4、6。 蝸輪齒數(shù)主要取決于傳動(dòng)比，即z2= i z1 。 z2不宜太小（如z228)，否則將使傳動(dòng)平穩(wěn)性變差。 z2也不宜太大，否則在模數(shù)一定時(shí)，蝸輪尺寸越大，剛度越小，影響傳動(dòng)的嚙合精度，所以蝸輪齒數(shù)不大于100，常取3280。z1、z2之間最好互質(zhì)，利于磨損均勻。傳動(dòng)比 i：（7.1）傳動(dòng)比 i的公稱值有：5，7.5，10*，12.5，15，20*，25，30，40*，50，60，70，80*。帶*的為基本傳動(dòng)比，優(yōu)先選用。5、中心距： （7.2） 為便于大批生產(chǎn)，減少箱體類型，有利于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，國(guó)標(biāo)中對(duì)一般圓柱蝸桿減速裝置 的中心距推薦為：40，50，63，80，100，125，160，（180），200，（225），250，（280），315，（335），400，（450），500。 7.2.2 蝸桿傳動(dòng)何尺寸表7-2 蝸桿傳動(dòng)何尺寸 7.3 蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和精度7.3.1蝸桿傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1、失效形式主要失效形式有：齒面疲勞點(diǎn)蝕、膠合、磨損及輪齒折斷。 齒面間相對(duì)滑動(dòng)速度vs： （7.3） 在潤(rùn)滑及散熱不良時(shí)，閉式傳動(dòng)易出現(xiàn)膠合，但由于蝸輪的材料通常比蝸桿材料軟，發(fā)生膠合時(shí)，蝸輪表面金屬粘到蝸桿的螺旋面上，使、蝸輪工作齒面形成溝痕。蝸輪輪齒的磨損嚴(yán)重，尤其在開(kāi)式傳動(dòng)和潤(rùn)滑油不清潔的閉式傳動(dòng)中。2、 計(jì)算準(zhǔn)則 對(duì)于閉式蝸輪傳動(dòng)，通常按齒面接觸疲勞強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)，并校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。對(duì)于開(kāi)式蝸輪傳動(dòng)，或傳動(dòng)時(shí)載荷變動(dòng)較大，或蝸輪齒數(shù)z2大于90時(shí)，通常只須按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于蝸桿傳動(dòng)時(shí)摩擦嚴(yán)重、發(fā)熱大、效率低，對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)還必須作熱平衡計(jì)算，以免發(fā)生膠合失效。 7.3.2 蝸桿蝸輪常用材料及熱處理 蝸輪和蝸桿材料要有一定的強(qiáng)度，還要有良好的減摩性、耐摩性和抗膠合能力。蝸桿傳動(dòng)常用青銅（低速時(shí)用鑄鐵）做蝸輪齒圈，與淬硬并磨制的鋼制蝸桿相匹配。1、蝸桿材料及熱處理 一般不重要的蝸桿用45鋼調(diào)質(zhì)處理；高速、重載但載荷平穩(wěn)時(shí)用碳鋼、合金鋼，表面淬火處理；高速、重載且載荷變化大時(shí)，可采用合金鋼滲碳淬火處理。表7-3蝸桿材料及熱處理 2、蝸輪材料及許用應(yīng)力 錫青銅：減摩性、耐磨性好，抗膠合能力強(qiáng)，但價(jià)格高，用于相對(duì)滑動(dòng)速度vs25m/s的高速重要蝸桿傳動(dòng)中；鑄鋁青銅：強(qiáng)度好、耐沖擊而且價(jià)格便宜，但抗膠合能力和耐磨性不如錫青銅，一般用于vs 10m/s的蝸桿傳動(dòng)中；灰鑄鐵：用于vs 2m/s的低速、輕載、不重要的蝸桿傳動(dòng)中。表7-3 錫青銅蝸輪的許用應(yīng)力 表7-4 鋁鐵青銅及鑄鐵蝸輪的許用應(yīng)力 7.3.3 蝸桿傳動(dòng)的精度等級(jí)GB 1008988對(duì)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)規(guī)定了112個(gè)精度等級(jí)1級(jí)精度最高，其余等級(jí)依次降低，12級(jí)為最低，69級(jí)精度應(yīng)用最多，6級(jí)精度傳動(dòng)一般用于中等精度的機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸輪圓周速度v25m/s，7級(jí)精度用于中等精度的運(yùn)輸機(jī)或高速傳遞動(dòng)力場(chǎng)合,蝸輪圓周速度v27.5m/s，8級(jí)精度一般用于一般的動(dòng)力傳動(dòng)中，蝸輪圓周速度v23m/s，9級(jí)精度一般用于不重要的低速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或手動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸輪圓周速度v21.5m/s。 7.4 蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算7.4.1蝸桿傳動(dòng)的受力分析蝸桿傳動(dòng)的受力分析與斜齒圓柱齒輪相似，輪齒在受到法向載荷Fn的情況下，可分解出徑向載荷Fr、周向載荷Ft、軸向載荷Fa。在不計(jì)摩擦力時(shí)，有以下關(guān)系： 圖7-8 蝸桿傳動(dòng)的受力分析 7.4.2蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算1、蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為 ： （7.4） 適用于鋼制蝸桿對(duì)青銅或鑄鐵蝸輪(齒圈)配對(duì)蝸輪輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為： （7.5）2、 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度的校核公式為： （7.6） 設(shè)計(jì)公式為： （7.7） 7.5 蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑和熱平衡計(jì)算7.5.1 蝸桿傳動(dòng)的效率 （7.8） 1輪齒嚙合齒面間摩擦損失的效率； 2考慮油的攪動(dòng)和飛濺損耗時(shí)的效率； 3考慮軸承摩擦損失時(shí)的效率；1是對(duì)總效率影響最大的因素，可由下式確定： （7.9）式中：l 蝸桿的導(dǎo)程角；jv當(dāng)量摩擦角。 （7.10）效率與蝸桿頭數(shù)的大致關(guān)系為： 閉式傳動(dòng)Z1 總 效 率 0.65 0.75 0.750.82 0.820.92 自鎖時(shí)： 0.5 開(kāi)式傳動(dòng)：z1=1、2時(shí)=0.600.70 7.5.2 蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑潤(rùn)滑的主要目的在于減摩與散熱。具體潤(rùn)滑方法與齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑相近。潤(rùn)滑油：潤(rùn)滑油的種類很多，需根據(jù)蝸桿、蝸輪配對(duì)材料和運(yùn)轉(zhuǎn)條件選用。潤(rùn)滑油粘度及給油方式：一般根據(jù)相對(duì)滑動(dòng)速度及載荷類型進(jìn)行選擇。給油方法包括：油池潤(rùn)滑、噴油潤(rùn)滑等，若采用噴油潤(rùn)滑，噴油嘴要對(duì)準(zhǔn)蝸桿嚙入端，而且要控制一定的油壓。潤(rùn)滑油量：潤(rùn)滑油量的選擇既要考慮充分的潤(rùn)滑，又不致產(chǎn)生過(guò)大的攪油損耗。對(duì)于下置蝸桿或側(cè)置蝸桿傳動(dòng)，浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個(gè)齒高；當(dāng)蝸桿上置時(shí)，浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。 7.5.3 蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算 由于傳動(dòng)效率較低，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的蝸桿傳動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量。如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散去，則系統(tǒng)的熱平衡溫度將過(guò)高，就會(huì)破壞潤(rùn)滑狀態(tài)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)一步惡化。 系統(tǒng)因摩擦功耗產(chǎn)生的熱量為： （7.11） 自然冷卻從箱壁散去的熱量為： （7.12）K箱體表面的散熱系數(shù)，自然通風(fēng)良好時(shí)：K (1417.5)W/(m2?)；在沒(méi)有循環(huán)空氣流動(dòng)的場(chǎng)所： K (8.710.5)W/(m2?)；A 箱體的可散熱面積(m2)；A=A1+0.5A2,A1指箱體外壁與空氣接觸而內(nèi)壁能被油飛濺到的箱殼面積，A2指箱體的散熱片面積。t1潤(rùn)滑油的工作溫度()；t2環(huán)境溫度()，一般取20 。在熱平衡條件下可得： （7.13） 可用于系統(tǒng)熱平衡驗(yàn)算，一般t190 散熱措施：如果工作溫度t1超過(guò)了t1,則首先考慮在不增大箱體尺寸的前提下，設(shè)法增加散熱面積。如不能滿足要求可用下列強(qiáng)制措施解決。1） 在蝸桿軸端裝設(shè)風(fēng)扇；2） 采用循環(huán)壓力噴油冷卻；3） 在箱體油池內(nèi)裝蛇形官。 7.6 蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)7.6.1 蝸桿的結(jié)構(gòu)蝸桿螺旋部分的直徑不大，所以常和軸做成一個(gè)整體。當(dāng)蝸桿螺