機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之蝸桿傳動(dòng)(正式版)

1、中小企業(yè)管理全能版183套講座+89700份資料總經(jīng)理、高層管理49套講座+16388份資料http:/www.c nshu.c n/Shop/38.shtml中層管理學(xué)院46套講座+6020份資料http:/www.c nshu.c n/Shop/39.shtml國學(xué)智慧、易經(jīng)46套講座http:/www.c nshu.c n/Shop/41.shtml人力資源學(xué)院56套講座+27123份資料http:/www.c nshu.c n/Shop/44.shtml各階段員工培訓(xùn)學(xué)院77套講座+ 324份資料http:/www.c nshu.c n/Shop/49.shtml員工管理企業(yè)學(xué)院67套

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3、幾何尺寸計(jì)算；蝸桿傳 動(dòng)的效率、熱平衡計(jì)算及潤(rùn)滑；蝸桿傳動(dòng)受力分析和計(jì)算載荷；蝸桿傳動(dòng)失效形 式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；蝸桿傳動(dòng)材料和許用應(yīng)力；蝸桿強(qiáng)度計(jì)算；蝸桿剛度計(jì)算；蝸桿 傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。重點(diǎn) 蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算； 蝸桿傳動(dòng)受力分析；蝸桿強(qiáng)度計(jì)算;蝸桿剛度計(jì)算難點(diǎn)蝸桿傳動(dòng)受力分析圖8.1蝸桿傳動(dòng)1蝸桿，2 蝸輪第一節(jié)蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)和類型蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成（圖8.1）， 用于傳遞交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，通常 兩軸間的交錯(cuò)角二=90。通常蝸桿1為主 動(dòng)件，蝸輪2為從動(dòng)件。一、蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)傳動(dòng)比大；工作平穩(wěn)，噪聲低，結(jié)構(gòu)緊湊；在一定條件下可實(shí)現(xiàn)自鎖。2、缺點(diǎn)發(fā)熱大，磨損嚴(yán)重，

4、傳動(dòng)效率低(一般為0.70.9);蝸輪齒圈常采用銅合金制造，成本高。二、蝸桿傳動(dòng)的類型根據(jù)蝸桿形狀的不同，蝸桿傳動(dòng)可分為圓桿蝸桿傳動(dòng)、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)和錐面 蝸桿傳動(dòng)三種類型，如圖8.2所示。(a)圓柱蝸桿傳動(dòng)(b)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)圖8.2蝸桿傳動(dòng)的類型(c)錐面蝸桿傳動(dòng)根據(jù)加工 方法不同，圓柱 蝸桿傳動(dòng)又分 為阿基米德蝸 桿傳動(dòng)(ZA 型)、法向直廓 蝸桿傳動(dòng)(ZN 型)、漸開線蝸 桿傳動(dòng)(ZI型) 和圓弧圓柱蝸 桿傳動(dòng)(ZC型)等。前三種稱為普通圓柱蝸桿傳動(dòng)，見圖8.3所示。A -I I(a)阿基米德蝸桿I門尉(b)法向直廓蝸桿in in u ii(c)漸開線蝸桿圖8.3普通蝸桿的類型第二節(jié)圓柱蝸

5、桿傳動(dòng)的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算在普通圓柱蝸桿傳動(dòng)中，阿基米德蝸桿傳動(dòng)制造簡(jiǎn)單，在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用廣 泛，而且也是認(rèn)識(shí)其他類型蝸桿傳動(dòng)的基礎(chǔ)，故本節(jié)將以阿基米德蝸桿傳動(dòng)為例， 介紹蝸桿傳動(dòng)的一些基本知識(shí)和設(shè)計(jì)計(jì)算問題。一、蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)通過蝸桿軸線并垂直于蝸桿軸線的平面稱為中間平面，見圖6.4。在中間平面內(nèi)，蝸桿與蝸輪的嚙合相當(dāng)于齒條和齒輪的嚙合。因此，設(shè)計(jì)圓柱蝸桿傳動(dòng)時(shí)， 均取中間平面上的參數(shù)和幾何尺寸作為基準(zhǔn)。圖8.4阿基米德蝸桿傳動(dòng)1、模數(shù)m和壓力角在中間平面上蝸桿傳動(dòng)的正確嚙合條件是mai二嘰2 二 m8.1式中，mai 蝸桿的軸向模數(shù)；mt2 蝸輪的端面模數(shù)；m 標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，按表6.1

6、選取;:al 蝸桿的軸向壓力角；:t2 蝸桿的端面壓力角；:標(biāo)準(zhǔn)壓力角；蝸桿的導(dǎo)程角；-蝸輪分度圓柱上的螺旋角。表8.1常用標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)值第一 系列i40i.25i.622.53.i5 456.38 i0i2.5i6 20253i.5第二 系列i.567 i2i42、蝸桿的導(dǎo)程角和蝸桿分度圓直徑di蝸桿分度圓柱螺旋線上任意一點(diǎn)的切線與端面所夾的銳角就稱為導(dǎo)程角。見圖6.4所示，將蝸桿分度圓展開，設(shè)zi為蝸桿的頭數(shù)，S為蝸桿螺旋線的導(dǎo)程，Pai 為蝸桿的軸向齒距，貝US =Zi Pai =Zi 兀m,理 SZiPaiZi8.2tan 1 =兀di兀didi圖8.4蝸桿分度圓柱展開

7、示意圖國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定蝸桿分度圓直徑 di為標(biāo)準(zhǔn)值，且與模數(shù)m有一定的搭配關(guān)系， 詳教材上表8- 1所列。3、蝸桿頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2和傳動(dòng)比i蝸桿頭數(shù)zi，即蝸桿螺旋線的線數(shù)，通常zi為1、2、4、6。單頭蝸桿傳動(dòng)比大，但傳動(dòng)效率低；多頭蝸桿則正好相反。一般zi根據(jù)傳動(dòng)比按表8.2 （教材上表8 2）選取。表8.2蝸桿頭數(shù)的選取傳動(dòng)比i587I6I5 3230 80蝸桿頭數(shù)zi642I蝸輪齒數(shù)Z2 =izi。為了避免蝸輪輪齒發(fā)生根切，為了保證傳動(dòng)平穩(wěn)性，Z2不應(yīng)小于28;但Z2過大，蝸桿直徑大，蝸桿支承跨距大，蝸桿剛度減小易撓曲、嚙 合精度降低。所以，一般取Z2 =2880。蝸輪傳動(dòng)比i是蝸桿

8、轉(zhuǎn)速ni與蝸輪轉(zhuǎn)速n2之比。蝸桿傳動(dòng)中，蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周,蝸輪轉(zhuǎn)過zi個(gè)齒，即轉(zhuǎn)過ziz2轉(zhuǎn)，所以傳動(dòng)比i也是蝸輪齒數(shù)Z2與蝸桿頭數(shù)zi之比8.3n2Zi、蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算見教材上表 83第三節(jié)蝸桿傳動(dòng)的效率、熱平衡計(jì)算及潤(rùn)滑、蝸桿傳動(dòng)的效率閉式蝸桿傳動(dòng)的總效率由嚙合效率i、軸承效率2和攪油效率3三部分組成，即其中，當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí)，嚙合效率1tan; 一般取2 3 = 0.95 0.97。所以，tan(Y + Pv )蝸桿傳動(dòng)的總效率為tan Y=0.95 0.97 8.5tan(f + Pv )8.4式中，©為當(dāng)量摩擦角，其值與蝸桿和蝸輪的材料、表面硬度、滑動(dòng)

9、速度有關(guān), 可查表得到（如陳良玉、吳瑞祥等人所編寫的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中均有數(shù)據(jù)表）設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)時(shí)，若按T2 “ Ti計(jì)算蝸輪轉(zhuǎn)矩，總效率 可按蝸桿頭數(shù)Zi估取,見 p135。表8.3蝸桿傳動(dòng)效率估計(jì)蝸桿頭數(shù)z11 （自鎖）124, 6開式傳動(dòng)（召=1、2 ）總效率”0.40.7 0.750.75-0.820.85 0.950.6、蝸桿傳動(dòng)熱平衡由于蝸桿傳動(dòng)摩擦損失大，工作時(shí)發(fā)熱量很大。在閉式傳動(dòng)中，若不及時(shí)散 熱，箱體內(nèi)的工作溫度急劇升高，潤(rùn)滑油的粘度極大降低，潤(rùn)滑油膜因此被破壞, 磨損隨之加劇。所以，對(duì)于連續(xù)工作的閉式蝸桿傳動(dòng)必須進(jìn)行熱平衡計(jì)算，以保 證油溫t處于規(guī)定的范圍內(nèi)。即8.61000R

10、 1 -.KtA -式中，t為環(huán)境溫度，一般取 20C； Pi為蝸桿傳動(dòng)功率（kW）; Kt為箱體表面散 熱系數(shù)，通常取1017W/m2C； A為箱體的散熱面積（m2）,指箱體外壁與空 氣接觸而內(nèi)壁被油飛濺到的箱殼面積； k 1為允許溫度，一般為7585C。如果油溫超過限制溫度或箱體散熱面積不足時(shí)，可采用下列措施提高散熱能力：(1) 增加散熱面積。在箱體外增加散熱片，散熱片面積按總面積的50%計(jì)算。(2) 在蝸桿的端部安裝風(fēng)扇，加速空氣流通，散熱系數(shù)，此時(shí)刻取Kt =20282W/mC。(3) 在箱體油池中裝置蛇形冷卻水管，用循環(huán)水冷卻。(4) 采用壓力噴油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油循環(huán)冷卻。三、蝸桿傳動(dòng)的

11、潤(rùn)滑閉式蝸桿傳動(dòng)一般采用油池潤(rùn)滑或噴油潤(rùn)滑， 可參考表6.4選用。當(dāng)滑動(dòng)速度 Vs>4m/s時(shí)，應(yīng)采用上置式蝸桿，蝸輪帶油潤(rùn)滑，這時(shí)，蝸輪的浸油深度為 1/3的 蝸輪頂圓直徑。開式蝸桿傳動(dòng)采用定期加潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑方式。表8.4蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑方法滑動(dòng)速度Vs/(m 0551010 1515 25>25潤(rùn)滑方法油池潤(rùn)滑油池潤(rùn)滑或 噴油潤(rùn)滑壓力噴油的油壓/MPa0.070.20.3第四節(jié)蝸桿傳動(dòng)載荷、受力分析、失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、蝸桿傳動(dòng)的受力分析圖8.5所示為蝸桿傳動(dòng)的受力情況。作用在齒面上的法向力Fn可分解為三個(gè)互相垂直的分力：圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa。由圖6.4中關(guān)系得圓周

12、力徑向力軸向力法向力Ft1Ft2Fr2Fn2%-Fa_Fa18.7=Ft2 tan_ - Fr1Ft2Ft2cos ： cos：cos cos：式中，Ti、T2 分別作用在蝸桿和蝸輪上的轉(zhuǎn)矩， N mm；T2 =i Ti圓周力Fti、Ft2各自產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向與蝸桿、蝸輪外加轉(zhuǎn)矩方向；軸向力Fa方向可按左右手法則來判定，徑向力 Fri、Fr2分別指向各自的中心圖8.4蝸桿傳動(dòng)的受力分析二、計(jì)算載荷 計(jì)算載荷計(jì)算式為8.8Fnc 二 KF.式中，載荷系數(shù)K 一般取1.11.3之間值，工作載荷變化大，蝸桿圓周速度較高 時(shí)，取大值。三、蝸桿傳動(dòng)失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1、蝸桿傳動(dòng)失效形式由于蝸桿的螺齒強(qiáng)度總

13、是大于蝸輪輪齒的強(qiáng)度，所以蝸桿傳動(dòng)失效一般發(fā)生 在蝸輪輪齒上。蝸輪齒面的主要失效形式是齒面膠合、磨損和點(diǎn)蝕。2、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)磨損、膠合和點(diǎn)蝕失效尚缺少較完善的計(jì)算方法，所以目前在設(shè)計(jì)過程中 對(duì)于閉式蝸桿傳動(dòng)，通常按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免蝸輪齒面的膠合和 點(diǎn)蝕；只有當(dāng)Z280。或采用負(fù)變位的傳動(dòng)時(shí)，才進(jìn)行輪齒的彎曲強(qiáng)度計(jì)算；考慮膠合的因素，還應(yīng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算。對(duì)于開式蝸桿傳動(dòng)，只進(jìn)行蝸輪輪齒的彎 曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。蝸桿工作中的強(qiáng)度計(jì)算，可以根據(jù)軸的強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算； 為避免蝸桿的變形過大引起失效，對(duì)支承跨距大的蝸桿軸，須進(jìn)行蝸桿的剛度驗(yàn) 算。第五節(jié) 蝸桿傳動(dòng)的材料和許用應(yīng)力一

14、、蝸桿傳動(dòng)所用材料蝸桿傳動(dòng)失效形式可知，蝸桿、蝸輪的材料不僅要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度， 同時(shí)必須具有良好的耐磨性、減磨性和抗膠合性。蝸桿常用材料為碳鋼和合金鋼，見表 6.5所示。高速重載及重要的蝸桿常用 15Cr和20Cr，并經(jīng)滲碳淬火；也可用 45鋼、40Cr，并經(jīng)淬火。不太重要的低速 中載的蝸桿，可采用40或45鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。蝸輪材料通常是指蝸輪輪緣部分的材料，需要選用減磨性和耐磨性較好的材 料，通常采用銅合金和鑄鐵，詳見表6.6。錫青銅具有良好的耐磨性，適用于Vs _3m/s和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。鋁青銅機(jī)械強(qiáng)度高，減磨性稍差，一般用于Vs_4m/s 的傳動(dòng)。灰鑄鐵僅適用于Vs :： 2

15、m/s的低速輕載傳動(dòng)。表8.4蝸桿常用材料材料牌號(hào)熱處理硬度表面粗糙度45，40Cr，42SiMn，40CrNi，38SiM nMo表面淬火HRC = 45 551.6 0.815CrMn，20CrMn，20Cr，20CrNi滲碳淬火HRC = 58 631.6 0.840，45調(diào)質(zhì)HB<2703.2表8.5蝸輪常用材料材料名稱及 牌號(hào)錫青銅鋁青銅黃銅灰鑄鐵ZCuSn10P1ZCuS n5Pb5Z n5ZCuAI10Fe3，ZCuAI10Fe3 Mn2ZCuZ n38M n2Pb2HT150，HT200適用w 25w 12w 10w 10w 2Vs/(m/s)二、材料的許用應(yīng)力1、許用接

16、觸應(yīng)力見教材表8-4。第六節(jié)蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、蝸桿強(qiáng)度計(jì)算1、齒輪接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式.H=z.9-64KTr，MV dim Z2MPa8.9接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式9.64KT2ZeL，H Z2、2mm38.10式中，Ze 材料的彈性系數(shù)，鋼制蝸桿與青銅或鑄鐵配對(duì)時(shí)，Ze =160、MPa由式8.10計(jì)算出m2di值，用教材上表8- 1確定模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑di的 標(biāo)準(zhǔn)值。2、蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式1.3KT2m2d1z2MPa8.11蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式m2d11.3KT2YFa3 mm8.12式中，YFa 蝸輪齒形系數(shù)，按蝸輪的

17、當(dāng)量齒數(shù) Zv = Z2. COS查表。用式8.12設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)程角可根據(jù)蝸桿頭數(shù)估取，然后計(jì)算求得m2d1值，用教材上表8- 1確定模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1后，再校驗(yàn) 的值二、蝸桿剛度計(jì)算校核公式8.13式中，E 蝸桿材料的彈性模量，N/mm2，鋼制蝸桿取2.07X 105N/mm2;I 蝸桿危險(xiǎn)截面慣性矩，mm4, I Jdf164；L 蝸桿兩支承間距離，mm,由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，初算時(shí)可取 L=0.9d2ly 許用撓度，mm,可取 lyl- 0.001 0.0025 di。第七節(jié)蝸桿傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、蝸桿的結(jié)構(gòu)蝸桿一般加工成與軸一體的蝸桿軸，當(dāng)蝸桿直徑比軸的直徑大得很多時(shí)，蝸 桿和軸分開制造，然后裝配成一體。按蝸桿螺旋部分的加工方法的不同可分為銑 制蝸桿和車制蝸桿。L _1TL-(a)銃制蝸桿(b )