機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)03教學(xué)教案下載-樣章doc

1、第8章 蝸桿傳動(dòng) §8.1 蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn) 蝸桿傳動(dòng)用于在交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。如圖所示，蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動(dòng)件，通常交錯(cuò)角為90°。蝸桿傳動(dòng)廣泛用于各種機(jī)械和儀表中，常用作減速，僅少數(shù)機(jī)械，如離心機(jī)，內(nèi)燃機(jī)增壓器等，蝸輪為主動(dòng)件，用于增速。蝸桿的形狀象個(gè)圓柱形螺紋，蝸輪形狀象斜齒輪，只是它的輪齒沿齒長(zhǎng)方向又彎曲成圓弧形，以便與蝸桿更好地嚙合。 蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分，分別稱為右旋蝸桿和左旋蝸桿。蝸桿上只有一條螺旋線的稱為單頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，蝸輪轉(zhuǎn)過(guò)一齒，若蝸桿上有兩條螺旋線，就稱為雙頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，蝸輪轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒。依此類推，設(shè)

2、蝸桿頭數(shù)用Z1表示（一般Z1=14），蝸輪齒數(shù)用Z2表示。    蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)： 1. 傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。從傳動(dòng)比公式可以看出，當(dāng)z1=1，即蝸桿為單頭，蝸桿須轉(zhuǎn)z2轉(zhuǎn)蝸輪才轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，因而可得到很大傳動(dòng)比，一般在動(dòng)力傳動(dòng)中，取傳動(dòng)比i=10-80；在分度機(jī)構(gòu)中，i可達(dá)1000。這樣大的傳動(dòng)比如用齒輪傳動(dòng)，則需要采取多級(jí)傳動(dòng)才行，所以蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕。 2. 傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪音。因?yàn)槲仐U齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時(shí)是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒(méi)有進(jìn)入和退出嚙合的過(guò)程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪音小。 3. 具有自鎖性。蝸桿的螺旋升角很小時(shí)，蝸桿

3、只能帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)，而蝸輪不能帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。 0.9。 5. 發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。 二、蝸桿傳動(dòng)的類型 按蝸桿形式：圓柱蝸桿（常用），圖8.5普通圓柱蝸桿（在車床上用直線刀刀刃車削而得到） 1. 阿基米德蝸桿（ZA）最常用，垂直于軸線平面的齒廓為阿基米德螺線，在過(guò)軸線的平面內(nèi)齒廓為直線，在車床上切制時(shí)切削刃頂面通過(guò)軸線。20=400，加工簡(jiǎn)單，磨削有誤差，精度較低，刀子軸線垂直于蝸桿軸線，（圖8.5）單刀：導(dǎo)程用30；雙刀：導(dǎo)程用30 2. 漸開(kāi)線蝸桿（ZI）刀刃平面與蝸桿基圓柱相切，端面齒莆為漸開(kāi)線，由漸開(kāi)線齒輪演化而來(lái)（Z小，大），在切于基圓的平面內(nèi)一側(cè)齒形為直線，可滾齒，并進(jìn)行

4、磨削，精度、高。適于較高速度和較大的功率。（圖8.6） §8.2 蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸 通過(guò)蝸桿軸線并垂直蝸輪軸線的平面稱中間平面，如上圖所示。在中間平面上，蝸桿與蝸輪的嚙合相當(dāng)于齒條和齒輪嚙合。阿基米德蝸桿傳動(dòng)中間平面上的齒廓為直線，夾角為2=40°蝸輪在中間平面上齒廓為漸開(kāi)線，壓力角等于20°。主平面內(nèi)參數(shù)：蝸桿軸面；蝸輪端面。 一、主要參數(shù) 1.模數(shù)m和壓力角 顯然，蝸桿軸向齒距Pa=ma1（相當(dāng)于螺紋螺距）應(yīng)等于蝸輪端面齒距Pt=mt2，因而蝸桿軸向模數(shù)ma1必等于蝸輪端面模數(shù)mt2；蝸桿軸向壓力a1角必等于蝸輪端面壓力角t2，即ma1= mt2=

5、m，a1=t2=。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力角=20°，標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)見(jiàn)表8.1。 正確正確合條件 2. 傳動(dòng)比i，蝸桿頭數(shù)Z1和蝸輪齒數(shù)Z2對(duì)于減速蝸桿傳動(dòng)： 式中n1、n2分別是蝸桿，蝸輪的轉(zhuǎn)速，r/min。 蝸桿頭數(shù)愈多，角愈大，傳動(dòng)效率高；蝸桿頭數(shù)少，升角也小，則傳動(dòng)效率低，自鎖性好。一般自鎖蝸桿頭數(shù)取Z1=1。常用蝸桿頭數(shù)Z1=1、2、4，Z1過(guò)多，制造高精度蝸桿和蝸輪滾刀有困難。蝸輪齒數(shù)Z2=i Z1。Z1和Z2推薦值見(jiàn)表8.1。為了避免根切，Z2不應(yīng)少于26，但也不宜大于60-80。Z2過(guò)多時(shí)，會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，蝸桿支承跨距加大，剛度下降，影響嚙合精度。 3. 蝸桿導(dǎo)程角（螺旋升角）將蝸桿

6、分度圓上的螺旋線展開(kāi)，如圖8.9所示，則蝸桿的導(dǎo)程角為： 蝸桿直徑d1越小，導(dǎo)程角越大，則傳動(dòng)效率越高。3030 4. 蝸桿分度圓直徑d1，蝸桿直徑系數(shù)q為了保證蝸桿與蝸輪正確嚙合，蝸輪通常用與蝸桿形狀和尺寸完全相同的滾刀加工。且外徑比蝸桿稍大，以便切出蝸桿傳動(dòng)的頂隙。也就是說(shuō)，切削蝸輪的滾刀不僅與蝸桿模數(shù)和壓力角一樣，而且其頭數(shù)和分度圓直徑還必須與蝸桿的頭數(shù)和分度圓直徑一樣。即同一模數(shù)蝸輪將需要有許多把直徑和頭數(shù)不同滾刀。為了限制滾刀數(shù)目和有利于滾刀標(biāo)準(zhǔn)化，以降低成本，特制定了蝸桿分度圓直徑系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即蝸桿分度圓直徑d1與模數(shù)m有一定的搭配關(guān)系，見(jiàn)表8.1，由表可見(jiàn)，同一模數(shù)只有有限幾種

7、蝸桿直徑d1。將蝸桿的分度圓柱展開(kāi)，如右圖所示。蝸桿同螺旋一樣如果旋轉(zhuǎn)一周的周長(zhǎng)為d1其螺旋升角為，則沿軸線移動(dòng)距離為Pa1。令 q=Z1/tan d1=qm蝸桿直徑d1太小會(huì)導(dǎo)致蝸桿的剛度和強(qiáng)度削弱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。一般轉(zhuǎn)速高的蝸桿可取較小q值，蝸輪齒數(shù)Z2較多時(shí)可取較大q值。5. 中心距a標(biāo)準(zhǔn)蝸桿傳動(dòng)的中心距為：二、蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸 設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)時(shí)，一般是先根據(jù)傳動(dòng)的功用和傳動(dòng)比的要求，選擇蝸桿頭數(shù)Z1和蝸輪齒數(shù)Z2，然后再根據(jù)強(qiáng)度條件計(jì)算模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1。上述主要參數(shù)確定后，按表8.2計(jì)算蝸桿、蝸輪的幾何尺寸。§8.3 蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和結(jié)構(gòu) 一、齒面間滑

8、動(dòng)速度V如圖所示，蝸桿蝸輪齒面間相對(duì)滑動(dòng)速度Vs方向沿輪齒齒向。 其大小為：  較大的VS引起： 1、易發(fā)生齒面磨損和膠合 2、如潤(rùn)滑條件良好（形成油膜條件）則較大的VS則有助于形成潤(rùn)滑油膜，減少摩擦、磨損，提高傳動(dòng)效率 二、輪齒傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 在蝸桿傳動(dòng)中，由于材料和結(jié)構(gòu)上的原因，蝸桿螺旋部分的強(qiáng)度總是高干蝸輪輪齒強(qiáng)度，所以失效常發(fā)生在蝸輪輪齒上。由于蝸桿傳動(dòng)中的相對(duì)速度較大，效率低，發(fā)熱量大，所以蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式是蝸輪齒面膠合、點(diǎn)蝕及磨損。由于對(duì)膠合和摩損的計(jì)算目前還缺乏成熟的方法。因而通常是仿照設(shè)計(jì)圓柱齒輪的方法進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算，但在

9、選取許用應(yīng)力時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮膠合和磨損等因素的影響。 對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)，通常是先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核。對(duì)于開(kāi)式蝸桿傳動(dòng)，則通常只需按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。此外，閉式蝸桿傳動(dòng)。由于散熱困難，還應(yīng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算。 三、蝸桿、蝸輪的常用材料要求：1）足夠的強(qiáng)度；2）良好的減摩、耐磨性；3）良好的抗膠合性 蝸桿材料 40、45，調(diào)質(zhì)HBS220300低速，不太重要 40、45、40Cr，表面淬火，HRC4555一般傳動(dòng) 15Cr、20Cr、12CrNiA、18CrMnT1、O20CrK滲碳淬火、HRC5863高速重載 蝸輪材料 鑄造錫青銅（ZCuSn10P1，ZCuSn

10、5P65Zn5）VS3m/s時(shí)，減摩性好，抗膠合性好，價(jià)貴，強(qiáng)度稍低。 鑄造鋁鐵青銅（ZcuAl10Fe3）VS4m/s，減摩性、抗膠合性稍差，但強(qiáng)度高，價(jià)兼 鑄鐵：灰口鑄鐵；球墨鑄鐵。VS2m/s，要進(jìn)行時(shí)效處理、防止變形。 四、蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)1. 蝸桿結(jié)構(gòu)  蝸桿與軸常做成一體，稱為蝸桿軸 2 蝸輪結(jié)構(gòu)蝸輪結(jié)構(gòu)分為整體式和組合式。鑄鐵蝸輪或直徑小于100的青銅蝸輪做成整體式，如圖8.12a所示。為了降低材料成本，大多數(shù)蝸輪采用組合結(jié)構(gòu)，齒圈用青銅，而輪齒用價(jià)格較低的鑄鐵或鋼制造。齒圈與輪芯的聯(lián)接方式有以下三種:（1） 壓配式齒圈和輪芯用過(guò)盈配合聯(lián)接。配合面處制有定位凸肩。為使聯(lián)

11、接更可靠，可加裝4-6個(gè)螺釘，擰緊后切去螺釘頭部。由于青銅較軟，為避免將孔鉆偏，應(yīng)將螺孔中心線向較硬的輪芯偏移2-3。這種結(jié)構(gòu)多用于尺寸不大或工作溫度變化較小的場(chǎng)合，見(jiàn)圖8.12b。 （2） 螺栓聯(lián)接式蝸輪齒圈和輪芯常用鉸制孔用螺栓聯(lián)接，定位面A處采用過(guò)盈配合，螺栓與孔采用過(guò)渡配合。齒圈和輪芯的螺栓孔要一起鉸制。螺栓數(shù)目由剪切強(qiáng)度確定。這種聯(lián)接方式裝拆方便，常用于尺寸較大或磨損后需要更換齒圈的蝸輪，見(jiàn)圖8.12c。 （3） 組合澆注式在輪芯上預(yù)制出榫槽，澆注上青銅輪緣并切齒。該結(jié)構(gòu)適于大批生產(chǎn)，見(jiàn)圖8.12d。 §8.5 蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 一、蝸桿傳動(dòng)的受力分析 蝸桿傳動(dòng)的受力分析

12、與斜齒輪傳動(dòng)相似。通常不考慮摩擦力的影響。蝸桿傳動(dòng)時(shí)，齒面間相互作用的軸向力Fa可分解為三個(gè)相互垂直的分力：切向力Ft，徑向力Fr和軸向力Fa，如圖所示。蝸桿，蝸輪所受各分力大小和相互關(guān)系如下： 式中：Ft1、Fa1、Fr1分別為蝸桿所受的切向力，軸向力，徑向力；Ft2、Fa2、Fr2分別為蝸輪的切向力，軸向力，徑向力；d1、d2、分別為蝸桿，蝸輪的分度圓直徑；為壓力角，T1、T2分別為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)矩，T1=T1i,i為傳動(dòng)比，為蝸桿傳動(dòng)的總效率。 蝸桿，蝸輪上各分力方向的判定方法如下：切向力方向?qū)χ鲃?dòng)件蝸桿，與其運(yùn)動(dòng)方向相反；對(duì)從動(dòng)件蝸輪，與其受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相同。徑向力各自指向輪心。而蝸桿

13、軸向力的方向則與蝸桿轉(zhuǎn)向和螺旋線旋向有關(guān)。用左（右）手定則來(lái)判定比較方便：右旋蝸桿用右手，左旋蝸桿用左手，四指順著蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向，四指伸直所指方向即為蝸桿軸向力Fa1的方向。蝸桿軸向力Fa1的反方向即蝸輪的切向力Ft2的方向。(如圖8.13所示)二、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，由赫其公式（Hertz）按主平面 內(nèi)斜齒輪與齒條嚙合進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算： 校核公式為：   設(shè)計(jì)公式為：  式中：H為蝸輪齒面的許用接觸應(yīng)力，MPa.對(duì)于錫青銅查表8.4；對(duì)于鋁鐵青銅查表8.5；T2為蝸輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.mm；Z2為蝸輪齒數(shù)；K為載荷系數(shù)，用以考慮載

14、荷集中和動(dòng) 載荷的影響。一般K1.5。 2蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于閉式蝸桿傳動(dòng)，輪齒彎曲折斷 的情況較少出現(xiàn)，通常僅在蝸輪齒數(shù)較多(Z2>80100)時(shí)才進(jìn)行 輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)于開(kāi)式傳動(dòng)，則按蝸輪輪齒的彎曲疲 勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。蝸輪輪齒彎曲強(qiáng)度的計(jì)算方法，在此不予討論。 §8.6 蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑和熱平衡計(jì)算 1、 蝸桿傳動(dòng)的效率 閉式蝸桿傳動(dòng)一般有三方面的功率損失：嚙合摩擦損失、軸承摩擦損失和油浴潤(rùn)滑時(shí)的攪油損失。因此，蝸桿傳動(dòng)的效率: 式中，為蝸桿導(dǎo)程角；v為當(dāng)量摩擦角，查表8.7。值與蝸桿導(dǎo)程角密切相關(guān)，值隨的增加而增大。要求效率高時(shí)，最好i25，Z1 2，

15、1530°，且用法向進(jìn)刀的非阿基米德蝸桿。提高蝸桿轉(zhuǎn)速也可提高效率，故在多級(jí)傳動(dòng)中，常將蝸桿傳動(dòng)布置在高速級(jí)。 設(shè)計(jì)時(shí)，蝸桿傳動(dòng)的效率可估取為： 閉式傳動(dòng)：Z1=1=0.650.75Z1=2=0.750.82Z1=4,6=0.820.92自鎖時(shí)0.5 開(kāi)式傳動(dòng)：Z1=1,2=0.600.70二、蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑 蝸桿傳動(dòng)一般用油潤(rùn)滑。潤(rùn)滑方式有油浴潤(rùn)滑和噴油潤(rùn)滑兩種。一般Vs10m/s的中、低速蝸桿傳動(dòng)，大多采用油浴潤(rùn)滑；Vs 10m/s的高速蝸桿傳動(dòng)，采用噴油潤(rùn)滑，這時(shí)仍應(yīng)使蝸桿或蝸輪少量浸油。蝸桿傳動(dòng)要求潤(rùn)滑油具有較高的粘度、良好的油性，且含有抗壓和減摩、耐磨性好的添加劑，對(duì)于一般

16、蝸桿傳動(dòng)，可采用極壓齒輪油；對(duì)于大功率重要蝸桿傳動(dòng)，應(yīng)采用專用蝸輪蝸桿油。目前我國(guó)已生產(chǎn)出蝸桿傳動(dòng)專用潤(rùn)滑油，如合成極壓蝸輪蝸桿油、復(fù)合蝸輪蝸桿油等。對(duì)于閉式蝸桿傳動(dòng)，常用潤(rùn)滑油粘度牌號(hào)及潤(rùn)滑方式如表8.8所示。三、熱平衡計(jì)算 由于蝸桿傳動(dòng)效率較低，工作時(shí)發(fā)熱量大，若散熱不良，將使減速器內(nèi)部溫升過(guò)高，潤(rùn)滑油稀釋、變質(zhì)老化，潤(rùn)滑失效，導(dǎo)致齒面膠合。所以，對(duì)閉式連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的蝸桿傳動(dòng)要進(jìn)行熱平衡計(jì)算。 蝸桿傳動(dòng)的輸入功率為P1（kW），傳動(dòng)效率。 蝸桿傳動(dòng)轉(zhuǎn)化熱量所消耗的功率為： Ps=1000(1-)P1經(jīng)自然冷卻散發(fā)熱量的相當(dāng)功率為： PC=ksA(t1t0)熱平衡時(shí)應(yīng)Ps=Pc; 所以得： t1

17、=(1000(1) P1/ ksA)+t0t1式中：ks為散熱系數(shù)，一般ks=1017(W/(m2.c)A為散熱箱體散熱面積（內(nèi)表面能被油濺到，而外表面又可為周圍空氣冷卻的箱體表面面積）t0 為環(huán)境溫度，通常取t0=20t1為油的工作溫度，一般應(yīng)限制在6070，最高不超過(guò)80，t max80 設(shè)計(jì)時(shí),普通蝸桿傳動(dòng)的箱體散熱面積A可按下式計(jì)算： A=0.33(a/100)1.57式中:a為中心距,mm;A的單位為m2若油溫過(guò)高，可采取如下散熱措施： 1 箱體上設(shè)散熱片，以增加散熱面積； 2 蝸桿軸端加裝風(fēng)扇；如圖8.14a。 3 在箱內(nèi)設(shè)置冷卻水管，利用循環(huán)水將熱量帶走；如圖8.14b。 4 采

18、用壓力噴油循環(huán)潤(rùn)滑，既潤(rùn)滑又冷卻。如圖8.14c。 本章小結(jié) （1）了解蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)。傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，具有自鎖性，工作平穩(wěn)噪聲低，沖擊載荷小。但傳動(dòng)的效率低，發(fā)熱大，易發(fā)生磨損和膠合等失效形式，蝸輪齒圈常需用比較貴重的青銅制造，因此蝸桿傳動(dòng)成本較高。 （2）合理選擇蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)。除模數(shù)外，蝸桿的分度圓直徑也應(yīng)取為標(biāo)準(zhǔn)值，目的是為了限制蝸輪滾刀的數(shù)目，并便于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化，并保證蝸桿與配對(duì)蝸輪的正確嚙合。蝸輪齒數(shù)的選擇應(yīng)避免用滾刀切制蝸輪時(shí)產(chǎn)生根切現(xiàn)象，并滿足傳動(dòng)比的要求。蝸桿頭數(shù)的選擇應(yīng)考慮到效率和傳動(dòng)比。 （3）蝸桿傳動(dòng)的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算。蝸桿傳動(dòng)受力分析的方法與齒輪傳動(dòng)的分析方法類似，但是各力的對(duì)應(yīng)關(guān)系與齒輪傳動(dòng)的不同。在蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，考慮到蝸桿傳動(dòng)的相對(duì)滑動(dòng)速度大，效率低