機(jī)械設(shè)計(jì)CH11

1、第十一章 蝸桿傳動(dòng)11-1 蝸桿傳動(dòng)概述11-2 蝸桿傳動(dòng)的類型11-3 普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸11-4 普通蝸桿傳動(dòng)的承載能力計(jì)算11-5 普通蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑與熱平衡11-6 圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)概述蝸桿傳動(dòng)是一種在空間交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。蝸桿傳動(dòng)概述蝸桿傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有：1傳動(dòng)比大，一般為i=580，大的可達(dá)300以上；2重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；4摩擦磨損問題突出，磨損是主要的失效形式；5傳動(dòng)效率低，具有自鎖性時(shí)，效率通常低于50%。由于上述特點(diǎn)，蝸桿傳動(dòng)主要用于運(yùn)動(dòng)傳遞，而在動(dòng)力傳輸中的應(yīng)用受到限制。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展和新型蝸桿傳動(dòng)技術(shù)的不斷出現(xiàn)，蝸桿傳動(dòng)

2、的優(yōu)點(diǎn)得到進(jìn)一步的發(fā)揚(yáng)，而其缺點(diǎn)得到較好地克服。因此蝸桿傳動(dòng)已普遍應(yīng)用于各類運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳動(dòng)裝置中。（虛擬現(xiàn)實(shí)中的蝸桿傳動(dòng)） 3當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性。其齒面一般是在車床上用直線刀刃的車刀切制而成，車刀安裝位置不同，加工出的蝸桿齒面的齒廓形狀不同。阿基米德蝸桿漸開線蝸桿（可磨） (ZA) （ZI） 法向直廓蝸桿 錐面包絡(luò)圓柱蝸桿（ZN） ZK（易磨）蝸桿傳動(dòng)的類型蝸桿傳動(dòng)的類型圓柱蝸桿傳動(dòng)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)錐蝸桿傳動(dòng)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng) （ZC)其蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧形的車刀切制而成的。其蝸桿體在軸向的外形是以凹弧面為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面，這

3、種蝸桿同時(shí)嚙合齒數(shù)多，傳動(dòng)平穩(wěn)；齒面利于潤(rùn)滑油膜形成，傳動(dòng)效率較高；但需要較高的制造和安裝精度同時(shí)嚙合齒數(shù)多，重合度大；傳動(dòng)比范圍大(10360)；承載能力和效率較高；可節(jié)約有色金屬。蝸輪在滾齒機(jī)上用滾刀加工 普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸1普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸一、模數(shù)m和壓力角a蝸桿與蝸輪嚙合時(shí)，蝸桿的軸面模數(shù)、壓力角應(yīng)與蝸輪的端面模數(shù)、壓力角相等，即ma1= mt2 = m aa1= at2二、蝸桿的分度圓直徑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。直徑d1與模數(shù)m的比值(q= d1/m)稱為蝸

4、桿的直徑系數(shù)。詳細(xì)內(nèi)容 ZA蝸桿的軸向壓力角a=20，其余三種蝸桿的法向壓力角n=20，tana=tann/cos。 為導(dǎo)程角三、蝸桿的頭數(shù)三、蝸桿的頭數(shù)Z1較少的蝸桿頭數(shù)（如：?jiǎn)晤^蝸桿）可以實(shí)現(xiàn)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；蝸桿頭數(shù)越多，較大的傳動(dòng)比，但傳動(dòng)效率較低；蝸桿頭數(shù)越多，傳動(dòng)效率越高，但蝸桿頭數(shù)過多時(shí)不易加工。通傳動(dòng)效率越高，但蝸桿頭數(shù)過多時(shí)不易加工。通常蝸桿頭數(shù)取為常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4、6。 (蝸桿頭數(shù)與傳動(dòng)效率關(guān)系蝸桿頭數(shù)與傳動(dòng)效率關(guān)系)普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸2普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸四、導(dǎo)程角g1111tan

5、zmz mddg在m和d1為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，z1g五、傳動(dòng)比 i六、蝸輪齒數(shù)z21221zznni蝸輪齒數(shù)主要取決于傳動(dòng)比，即z2= i z1 。 z2不宜太?。ㄈ鐉226)，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)，蝸輪直徑將增大，從而使相嚙合的蝸桿支承間距加大，降低蝸桿的彎曲剛度。 （Z1與Z2的薦用值表）七、中心距mzqdda)(21)(21221正確嚙合時(shí)，蝸輪蝸桿螺旋線方向相同，且g1b212ddd1(分度圓周長(zhǎng))gmz1m蝸桿傳動(dòng)變位的特點(diǎn)蝸桿傳動(dòng)變位的特點(diǎn) 為了配湊中心距或提高蝸桿傳動(dòng)的承載能力及傳動(dòng)效率，常為了配湊中心距或提高蝸桿傳動(dòng)的承載能力及傳動(dòng)效率，常采用變位

6、蝸桿傳動(dòng)。變位方法也是在切削時(shí)，利用刀具相對(duì)采用變位蝸桿傳動(dòng)。變位方法也是在切削時(shí)，利用刀具相對(duì)于蝸輪毛坯的徑向位移來實(shí)現(xiàn)變位。為了保持刀具尺寸不變。于蝸輪毛坯的徑向位移來實(shí)現(xiàn)變位。為了保持刀具尺寸不變。蝸桿尺寸是不能變動(dòng)的，因而只能對(duì)蝸輪進(jìn)行變位。變位后，蝸桿尺寸是不能變動(dòng)的，因而只能對(duì)蝸輪進(jìn)行變位。變位后，蝸輪的分度圓和節(jié)圓仍舊重合，只是蝸桿在中間平面上的節(jié)蝸輪的分度圓和節(jié)圓仍舊重合，只是蝸桿在中間平面上的節(jié)線有所改變，不再與其分度線重合。線有所改變，不再與其分度線重合。普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸注意裝配順序普通蝸桿傳動(dòng)的承載能力計(jì)算1普通蝸桿

7、傳動(dòng)的承載能力計(jì)算一、蝸桿傳動(dòng)的失效形式蝸桿傳動(dòng)的主要問題是摩擦磨損嚴(yán)重，這是設(shè)計(jì)中要解決的主要問題。蝸輪磨損、系統(tǒng)過熱、蝸桿剛度不足是主要的失效形式。二、蝸桿傳動(dòng)的常用材料三、蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則蝸桿的剛度計(jì)算 防止蝸桿剛度不足引起的失效。蝸輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算防止齒面過度磨損引起的失效。傳動(dòng)系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算 防止過熱引起的失效。 為了減摩，通常蝸桿用鋼材，蝸輪用有色金屬（銅合金、鋁合金）。 高速重載的蝸桿常用15Cr、20Cr滲碳淬火，或45鋼、40Cr淬火。 低速中輕載的蝸桿可用45鋼調(diào)質(zhì)。 蝸輪常用材料有：鑄造錫青銅、鑄造鋁青銅、灰鑄鐵等。 普通蝸桿傳動(dòng)的承

8、載能力計(jì)算2普通蝸桿傳動(dòng)的承載能力計(jì)算四、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的受力分析相同，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。蝸桿傳動(dòng)受力方向判斷 11a2t12dTFF22t2a12dTFFatant2r2r1FFFgacoscos2n22ndTF在不計(jì)摩擦力時(shí)，有以下關(guān)系：五、蝸桿傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算1.蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的精度等級(jí)及其選擇普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的精度等級(jí)及其選擇 GBT100891988對(duì)蝸桿、蝸輪和蝸桿傳動(dòng)規(guī)定了對(duì)蝸桿、蝸輪和蝸桿傳動(dòng)規(guī)定了12個(gè)個(gè)精度等級(jí)；精度等級(jí)；I級(jí)精度最高，依次降低。蝸桿、

9、蝸輪和蝸桿傳級(jí)精度最高，依次降低。蝸桿、蝸輪和蝸桿傳動(dòng)的公差分成三個(gè)公差組。動(dòng)的公差分成三個(gè)公差組。 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的精度一般以普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的精度一般以69級(jí)應(yīng)用得最多。級(jí)應(yīng)用得最多。6級(jí)級(jí)精度的傳動(dòng)可用于中等精度機(jī)床的分度機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)系精度的傳動(dòng)可用于中等精度機(jī)床的分度機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳動(dòng)以及武器讀數(shù)裝置的精密傳動(dòng)，它允許的蝸輪圓周統(tǒng)的傳動(dòng)以及武器讀數(shù)裝置的精密傳動(dòng)，它允許的蝸輪圓周速度速度v25ms。7級(jí)精度常用于運(yùn)輸和一般工業(yè)中的中等級(jí)精度常用于運(yùn)輸和一般工業(yè)中的中等速度速度(v275ms)的動(dòng)力傳動(dòng)。的動(dòng)力傳動(dòng)。8級(jí)精度常用于每晝夜級(jí)精度常用于每晝夜只有短時(shí)工作的次要的

10、低速只有短時(shí)工作的次要的低速(v2 3ms：)傳動(dòng)傳動(dòng)。普通蝸桿傳動(dòng)的承載能力計(jì)算普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤(rùn)滑與熱平衡1普通蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑與熱平衡一、蝸桿傳動(dòng)的效率h1計(jì)及嚙合摩擦損耗的效率；321hhhhh2計(jì)及軸承摩擦損耗的效率；h3計(jì)及濺油損耗的效率；h1是對(duì)總效率影響最大的因素，可由1vtantan()ghg11tandmzg因?yàn)樗?z1gh效率與蝸桿頭數(shù)的大致關(guān)系為：蝸桿頭數(shù)總 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95式中：g蝸桿的導(dǎo)程角；v當(dāng)量摩擦角。根據(jù)滑動(dòng)速度Vs查表 Vs=V1/cos=d1n1/(601000cos)普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤(rùn)滑與熱平衡2普通蝸桿傳動(dòng)的效率

11、、潤(rùn)滑與熱平衡二、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)滑油粘度及給油方式 潤(rùn)滑油量潤(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。詳細(xì)介紹潤(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。 普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤(rùn)滑與熱平衡3普通蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑與熱平衡三、蝸桿傳動(dòng)的熱平衡由于傳動(dòng)

12、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：)1 (10001hP自然冷卻從箱壁散去的熱量為：2doa()S tta在熱平衡條件下可得：oad1000 (1)PttShadoa1000 (1)()PSttha可用于系統(tǒng)熱平衡驗(yàn)算，一般to7080 可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)式中：ad箱體表面的散熱系數(shù)，可取ad (8.1517.45)W/(m2)；S 箱體的可散熱面積(m2)；t0 潤(rùn)滑油的工作溫度()；ta 環(huán)境溫度()。 普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤(rùn)滑與熱平衡4普通蝸桿傳動(dòng)的效率

13、、潤(rùn)滑與熱平衡四、蝸桿傳動(dòng)的散熱措施當(dāng)自然冷卻的熱平衡溫度過高時(shí)，可采用以下措施：1. 加散熱片以增大散熱面積或在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇以加速空氣流通。散熱片濺油輪風(fēng)扇過濾網(wǎng)集氣罩空氣流空氣流 普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤(rùn)滑與熱平衡5普通蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑與熱平衡2. 加冷卻管路或散熱器冷卻。通水油泵過濾器冷卻器傳動(dòng)箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管路傳動(dòng)箱外裝循環(huán)冷卻器 圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、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)蝸桿螺旋部分的直徑較大時(shí)，可以將軸與蝸桿分開制作。 無退刀槽，加工螺旋部分時(shí)只能用銑制的辦法。 有退刀槽，螺旋部分可用車制，也可用銑制加工，

14、但該結(jié)構(gòu)的剛度 較前一種差。 圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、蝸輪的結(jié)構(gòu)為了減摩的需要，蝸輪通常要用青銅制作。為了節(jié)省銅材，當(dāng)蝸輪直徑較大時(shí)，采用組合式蝸輪結(jié)構(gòu)，齒圈用青銅，輪芯用鑄鐵或碳素鋼。常用蝸輪的結(jié)構(gòu)形式如下：整體式蝸輪配合式蝸輪拼鑄式蝸輪螺栓聯(lián)接式蝸輪 工作圖本章要點(diǎn)蝸桿傳動(dòng)的尺寸參數(shù)蝸桿傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則蝸桿傳動(dòng)中力的分析思考題：蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)中為何特別重視發(fā)熱問題？常用的散熱措施有哪些？在蝸桿傳動(dòng)中，引進(jìn)特性系數(shù)q的目的是 。蝸桿的直徑系數(shù)是 。對(duì)閉式蝸桿進(jìn)行熱平衡計(jì)算，其主要目的是為了防止溫升過高導(dǎo)致_。 蝸輪材料機(jī)械性能下降 潤(rùn)滑油變質(zhì) 蝸桿熱變形過

15、大 潤(rùn)滑條件惡化 蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式是什么？它對(duì)材料的選擇有何影響？蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式是齒面膠合、疲勞點(diǎn)蝕、磨損和輪齒折斷。由于蝸桿傳動(dòng)中嚙合面間的相對(duì)滑動(dòng)速度大，易產(chǎn)生較大摩擦，故選擇有減磨、耐磨性好、易于跑和的材料配對(duì)。由于蝸桿的結(jié)構(gòu)剛度較差，可選用碳鋼或者合金鋼，蝸輪可采用青銅等,為降低成本、輪芯可采用鑄鐵、鑄鋼等材料一重物勻速升降裝置采用如圖一重物勻速升降裝置采用如圖a所示的電機(jī)所示的電機(jī)+圓柱蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，已圓柱蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，已知蝸桿傳動(dòng)的模數(shù)知蝸桿傳動(dòng)的模數(shù)m =8mm，蝸桿頭數(shù)及分度圓直徑分別為，蝸桿頭數(shù)及分度圓直徑分別為z1=1、d1=80mm，蝸輪齒數(shù)，蝸輪齒數(shù)z2=50，卷筒直徑，卷筒直徑D=250mm。重物勻速升。重物勻速升降的速度降的速度v=40m/min，最大載重量，最大載重量W為為4kN，工況系數(shù)，工況系數(shù)KA按按1.0計(jì)，計(jì)，試分析、計(jì)算提升重物時(shí)的下列問題：試分析、計(jì)算提升重物時(shí)的下列問題：1）該裝置以）該裝置以40m/min的速