機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)()

第11章蝸桿傳動重點(diǎn)：1）阿基米德蝸桿傳動的主要參數(shù)及強(qiáng)度計算。

2）蝸桿傳動的效率與熱平衡計算。難點(diǎn)：傳動設(shè)計及受力分析

11.1.1

蝸桿傳動的類型和特點(diǎn)蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成的，用于傳遞空間交錯兩軸之間的運(yùn)動和動力。交錯角一般為90°。傳動中一般蝸桿是主動件，蝸輪是從動件。11.1蝸桿傳動的類型和特點(diǎn)

圓柱蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動錐蝸桿傳動普通圓柱蝸桿傳動圓弧圓柱蝸桿傳動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，這種蝸桿同時嚙合齒數(shù)多，傳動平穩(wěn)；齒面利于潤滑油膜形成，傳動效率較高；11.1.1

蝸桿傳動的類型同時嚙合齒數(shù)多，重合度大；傳動比范圍大(10~360)；承載能力和效率較高；可節(jié)約有色金屬。阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）漸開線蝸桿（ZI蝸桿）法向直廓蝸桿（ZN蝸桿）11.1蝸桿傳動的類型和特點(diǎn)

阿基米德蝸桿11.1蝸桿傳動的類型和特點(diǎn)

漸開線蝸桿11.1蝸桿傳動的類型和特點(diǎn)

法向直廓蝸桿11.1蝸桿傳動的類型和特點(diǎn)

11.1.2蝸桿傳動的特點(diǎn)蝸桿傳動的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大。傳動平穩(wěn)、噪聲小。可制成具有自鎖性的蝸桿。蝸桿傳動的主要缺點(diǎn)是效率較低。蝸輪的造價較高。11.1蝸桿傳動的類型和特點(diǎn)

11.1.3蝸輪的加工

蝸輪通常在滾齒機(jī)上用蝸輪滾刀或飛刀加工成形。為了保證蝸輪與蝸桿正確嚙合，蝸輪滾刀幾何尺寸理論上同配對蝸桿完全相同。11.2蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算

垂直于蝸輪軸線且通過蝸桿軸線的平面，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)于漸開線齒條與齒輪的嚙合。在蝸桿傳動的設(shè)計計算中，均以中間平面上的基本參數(shù)和幾何尺寸為基準(zhǔn)。11.2蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算

11.2.1

蝸桿傳動的主要參數(shù)及其選擇1.蝸桿的頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2和傳動比i

較少的蝸桿頭數(shù)（如：單頭蝸桿）可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動比，但傳動效率較低；蝸桿頭數(shù)越多，傳動效率越高，但蝸桿頭數(shù)過多時不易加工。通常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4、6。

蝸輪齒數(shù)主要取決于傳動比，即z2=iz1。z2不宜太小（如z2＜26)，否則將使傳動平穩(wěn)性變差。z2也不宜太大，否則在模數(shù)一定時，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。傳動比i11.2蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算

2.模數(shù)m和壓力角a

蝸桿與蝸輪嚙合時，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=20°3.導(dǎo)程角l在m和d1為標(biāo)準(zhǔn)值時，z1↑→l↑

正確嚙合時，蝸輪蝸桿螺旋線方向相同，且l＝b11.2蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算

4.蝸桿分度圓直徑d1和蝸桿直徑系數(shù)q

由于蝸輪是用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀配對加工而成的，為了限制滾刀的數(shù)目，國家標(biāo)準(zhǔn)對每一標(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的比值稱為蝸桿的直徑系數(shù)。

當(dāng)模數(shù)m一定時，q值增大則蝸桿直徑d1增大，蝸桿的剛度提高。因此，對于小模數(shù)蝸桿，規(guī)定了較大的q值，以保證蝸桿有足夠的剛度。

11.2蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算

5.中心距11.2蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算

11.2.2

蝸桿傳動的幾何尺寸計算11.3蝸桿傳動的失效形式和計算準(zhǔn)則

11.3.1

蝸桿傳動的失效形式1.齒面間相對滑動速度v；蝸桿傳動的主要問題是摩擦磨損嚴(yán)重，這是設(shè)計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。2.齒輪的失效形式；11.3蝸桿傳動的失效形式和計算準(zhǔn)則

11.3.2

蝸桿傳動的計算準(zhǔn)則對于閉式蝸輪傳動，通常按齒面接觸疲勞強(qiáng)度來設(shè)計，并校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。對于開式蝸輪傳動，或傳動時載荷變動較大，或蝸輪齒數(shù)z2大于90時，通常只須按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計。由于蝸桿傳動時摩擦嚴(yán)重、發(fā)熱大、效率低，對閉式蝸桿傳動還必須作熱平衡計算，以免發(fā)生膠合失效。11.4蝸桿傳動的材料和結(jié)構(gòu)

11.4.1

蝸桿傳動的材料

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。11.4蝸桿傳動的材料和結(jié)構(gòu)

11.4.2蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)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整體。當(dāng)蝸桿螺旋部分的直徑較大時，可以將軸與蝸桿分開制作。

無退刀槽，加工螺旋部分時只能用銑制的辦法。

有退刀槽，螺旋部分可用車制，也可用銑制加工，但該結(jié)構(gòu)的剛度較前一種差。2.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，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：11.4蝸桿傳動的材料和結(jié)構(gòu)

整體式蝸輪齒圈式蝸輪鑲鑄式蝸輪螺栓聯(lián)接式蝸輪11.4蝸桿傳動的材料和結(jié)構(gòu)

11.5蝸桿傳動的強(qiáng)度計算

普通蝸桿傳動的承載能力計算211.5.1蝸桿傳動的受力分析

蝸桿傳動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。蝸桿傳動受力方向判斷在不計摩擦力時，有以下關(guān)系：11.5蝸桿傳動的強(qiáng)度計算

11.5.1蝸桿傳動的受力分析11.5.1蝸桿傳動的受力分析11.5蝸桿傳動的強(qiáng)度計算

11.5.1蝸桿傳動的受力分析(齒輪傳動）11.5蝸桿傳動的強(qiáng)度計算

11.5.1蝸桿傳動的受力分析11.5.1蝸桿傳動的受力分析11.5.1蝸桿傳動的受力分析11.5蝸桿傳動的強(qiáng)度計算

11.5.2蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為

：適用于鋼制蝸桿對青銅或鑄鐵蝸輪蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計公式為11.5蝸桿傳動的強(qiáng)度計算

11.5.3蝸輪輪齒的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度的校核公式為：設(shè)計公式為：11.5蝸桿傳動的強(qiáng)度計算

11.5.4蝸輪材料的許用應(yīng)力1.蝸輪材料的許用應(yīng)力[sH]蝸輪材料的許用應(yīng)力[sH]由材料的抗失效能力決定。其計算公式為2.蝸輪的許用彎曲應(yīng)力[sF]11.6蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算

11.6.1蝸桿傳動的效率h1——計及嚙合摩擦損耗的效率；H2——計及軸承摩擦損耗的效率；H3——計及濺油損耗的效率；h1是對總效率影響最大的因素，可由下式確定：所以Z1↑→γ↑→η↑效率與蝸桿頭數(shù)的大致關(guān)系為：閉式傳動Z1

１２４總效率η

0.7~0.750.75~0.82

0.82~0.92

式中：l——蝸桿的導(dǎo)程角；v——當(dāng)量摩擦角。普通蝸桿傳動的效率潤滑與熱平衡211.6.2

蝸桿傳動的潤滑潤滑的主要目的在于減摩與散熱。具體潤滑方法與齒輪傳動的潤滑相近。

潤滑油

潤滑油粘度及給油方式

潤滑油量潤滑油的種類很多，需根據(jù)蝸桿、蝸輪配對材料和運(yùn)轉(zhuǎn)條件選用。

一般根據(jù)相對滑動速度及載荷類型進(jìn)行選擇。給油方法包括：油池潤滑、噴油潤滑等，若采用噴油潤滑，噴油嘴要對準(zhǔn)蝸桿嚙入端，而且要控制一定的油壓。

潤滑油量的選擇既要考慮充分的潤滑，又不致產(chǎn)生過大的攪油損耗。對于下置蝸桿或側(cè)置蝸桿傳動，浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個齒高；當(dāng)蝸桿上置時，浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。11.6蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算

11.6蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算

11.6.3蝸桿傳動的熱平衡計算

由于傳動效率較低，對于長期運(yùn)轉(zhuǎn)的蝸桿傳動，會產(chǎn)生較大的熱量。如果產(chǎn)生的熱量不能及時散去，則系統(tǒng)的熱平衡溫度將過高，就會破壞潤滑狀態(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：自然冷卻從箱壁散去的熱量為：Ks——箱體表面的散熱系數(shù)，可取Ks＝(8.15~17.45)W/(m2?℃)；A——箱體的可散熱面積(m2)；t1——潤滑油的工作溫度(℃)；t0——環(huán)境溫度(℃)。在熱平衡條件下可得：可用于系統(tǒng)熱平衡驗算，一般t1≤70~90℃

可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計效率、潤滑及熱平衡計算11.6蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算

11.7蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護(hù)蝸桿傳動的精度選擇GB10089－88對普通圓柱蝸桿傳動規(guī)定了1~12個精度等級1級精度最高，其余等級依次降低，12級為最低，6~9級精度應(yīng)用最多6級精度傳動一般用于中等精度的機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)，圓周速度v2≥5m/s7級精度用于中等精度的運(yùn)輸機(jī)或高速傳遞動力場合,速度v2≥7.5m/s8級精度一般用于一般的動力傳動中，圓周速度v2≥3m/s9級精度一般用于不重要的低速傳動機(jī)構(gòu)或手動機(jī)構(gòu)蝸桿傳動安裝蝸桿傳動安裝要求精度高。應(yīng)使蝸輪的中間平面通過蝸桿的軸線。如右圖所示。為保證傳動的正確嚙合，工作時蝸輪的中間平面不允許有軸向移動，因此蝸輪軸支撐應(yīng)采用兩端固定的方式。蝸桿傳動的維護(hù)很重要，又注意周圍的通風(fēng)散熱情況。例題11.1設(shè)計一運(yùn)輸機(jī)的閉式蝸桿傳動。蝸桿輸入功率，蝸桿的轉(zhuǎn)速，傳動比，載荷平穩(wěn)，單向回轉(zhuǎn)，，通風(fēng)良好。預(yù)期使用壽命15000h，估計散熱面積

解：（1）選擇材料并確定許用應(yīng)力蝸桿：由于功率不大，采用45鋼表面淬火，硬度>45HRC。蝸輪：因轉(zhuǎn)速較高，采用抗膠合性能好的鑄錫青銅，ZcuSn10P1，砂模鑄造。查表11.6，蝸輪材料的基本許用接觸應(yīng)力為查表11.8，蝸輪材料的基本許用彎曲應(yīng)力為11.7蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護(hù)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N（蝸輪轉(zhuǎn)速）計算壽命系數(shù)計算許用應(yīng)力：11.7蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護(hù)（2）確定蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)由表11.1，根據(jù)傳動比i值取（3）計算蝸輪轉(zhuǎn)矩

?。?）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算取載荷系數(shù)

由式（11.10）得11.7蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護(hù)查表11.2，

按選取得m=8，q=10

查表11.5，得由式（11.11）得齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度校核合格。11.7蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護(hù)（5）驗算傳動效率η

蝸桿分度圓速度為

查表11.9得

與原估計相近。11.7蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護(hù)（6）熱平衡計算

取室溫取散熱系數(shù)

符合要求。

（7）中心距a及各部分尺寸各部分尺寸計算略。11.7蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護(hù)（8）精度選擇由v2選擇精度等級。精度等級選擇參考GB10089－88。

故選8級精度。（9）繪制蝸桿、蝸輪零件工作圖11.7蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護(hù)11.8常用各類齒輪傳動的選擇11.8.1各類齒輪傳動性能的比較11.8常用各類齒輪傳動的選擇11.