機(jī)械設(shè)計(jì)第八章蝸桿傳動(dòng)_第1頁(yè)
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機(jī)械設(shè)計(jì)第八章蝸桿傳動(dòng)第1頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五第2頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五圓弧面蝸桿

錐蝸桿

第3頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五第4頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)和應(yīng)用第5頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五一、特點(diǎn)

傳動(dòng)比可以很大(i=8~80,若只傳遞運(yùn)動(dòng),可達(dá)1000)結(jié)構(gòu)緊湊

傳動(dòng)平穩(wěn),噪聲較?。ㄍ瑫r(shí)嚙合的齒數(shù)多)

可使其具有自鎖性(要求螺線(xiàn)升角<當(dāng)量摩擦角)優(yōu)點(diǎn)

傳動(dòng)效率較低(一般為0.7~0.8,因發(fā)熱大,若有自鎖性,則η<0.5)

造價(jià)高(蝸輪常用青銅制)缺點(diǎn)第6頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五二、分類(lèi)阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)漸開(kāi)線(xiàn)蝸桿(ZI蝸桿)法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧面(環(huán)面)蝸桿傳動(dòng)錐面蝸桿傳動(dòng)與車(chē)梯形螺紋類(lèi)似應(yīng)用最廣,但易車(chē)難磨,不易得到較高精度。錐面包絡(luò)蝸桿(ZK蝸桿)便于磨削、精度較高,應(yīng)用日漸廣泛。潤(rùn)滑條件較好,效率高(可達(dá)0.9以上),承載能力高(比普通圓柱蝸桿高出0.5~1.5倍),體積小,質(zhì)量小,結(jié)構(gòu)緊湊,已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、起重等需要大功率傳動(dòng)的機(jī)械設(shè)備中。制造較難。(ZC蝸桿)同時(shí)接觸的點(diǎn)數(shù)較多,重合度大;傳動(dòng)比范圍大(一般為10~360);承載能力和效率較高;側(cè)隙便于控制和調(diào)整;能做離合器使用;可節(jié)約有色金屬;制造安裝簡(jiǎn)單,工藝性好。但由于結(jié)構(gòu)上的原因,傳動(dòng)具有不對(duì)稱(chēng)性,因而正反轉(zhuǎn)時(shí)受力不同,承載能力和效率也不同。第7頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)漸開(kāi)線(xiàn)蝸桿(ZI蝸桿)法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)端面齒廓為阿基米德螺線(xiàn)。2α=40°,可用車(chē)刀象車(chē)螺紋一樣車(chē)削,但難磨削,不易得到較高精度。應(yīng)使刀刃頂面通過(guò)蝸桿軸線(xiàn)。γ<3°時(shí)用單刀,

γ>3°時(shí)用雙刀。端面齒廓為漸開(kāi)線(xiàn)??捎脙砂阎本€(xiàn)刀刃的車(chē)刀在車(chē)床上分別車(chē)出左右側(cè)螺旋面,車(chē)削加工,刀刃頂面與基圓柱相切,兩刀一高一低;也可用滾刀加工;還可在專(zhuān)用機(jī)床上磨削。制造精度較高,適用于功率較大的高速傳動(dòng)。端面齒廓為延伸漸開(kāi)線(xiàn)(故又稱(chēng)延伸漸開(kāi)線(xiàn)蝸桿),法面齒廓為直線(xiàn)。也是用直線(xiàn)刀刃的單刀或雙刀在車(chē)床上車(chē)削加工,車(chē)刀刀刃放在蝸桿齒面的法向位置。較難磨削。第8頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五錐面包絡(luò)蝸桿(ZK蝸桿)

是一種非線(xiàn)性螺旋齒面蝸桿。不能在車(chē)床上加工,只能在銑床上銑削、在磨床上磨削。加工時(shí),除工件作螺旋運(yùn)動(dòng)外,刀具同時(shí)繞其自身的軸線(xiàn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這時(shí),銑刀(或砂輪)回轉(zhuǎn)曲面的包絡(luò)面即為蝸桿的螺旋齒面。I-I和N-N截面都是曲線(xiàn)。這種蝸桿便于磨削,精度較高,應(yīng)用日漸廣泛。GB/T10085-98中推薦采用ZI和ZK蝸桿兩種。第9頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五§8-2普通圓柱蝸桿傳動(dòng)主要參數(shù)和幾何尺寸一、主要參數(shù)中間平面——通過(guò)蝸桿軸線(xiàn)并垂直于蝸輪軸線(xiàn)的平面。在中間平面上,蝸桿與蝸輪的嚙合相當(dāng)于齒輪與齒條的嚙合。設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)時(shí):其尺寸與參數(shù)均在中間平面內(nèi)確定,且沿用齒輪傳動(dòng)的計(jì)算公式。1、模數(shù)m和壓力角α正確嚙合條件是蝸桿軸向模數(shù)ma1=蝸輪端面模數(shù)mt2蝸桿軸向壓力角αa1=蝸輪端面壓力角αt2ZA蝸桿(阿基米德蝸桿)的αa1=20o其余蝸桿法向壓力角αn為標(biāo)準(zhǔn)值20o軸向壓力角αa和法向壓力角αn的關(guān)系為:tgαa=tgαncosγ導(dǎo)程角第10頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五2、蝸桿頭數(shù)Z1、蝸輪齒數(shù)Z2、傳動(dòng)比i頭數(shù)多雖可提高效率,但加工精度越難保證。當(dāng)傳動(dòng)比i>40或要求自鎖時(shí),取Z1=1。蝸桿頭數(shù)Z1一般取為1、2、4。不少于26——避免根切蝸輪齒數(shù)宜不多于80——避免尺寸過(guò)大,蝸桿長(zhǎng)度增加,降低剛度和嚙合精度。傳動(dòng)比n1i=n2Z2Z1=第11頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五第12頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五3、蝸桿分度圓直徑d1及直徑系數(shù)qq=d1m為此,制訂了蝸桿分度圓直徑的標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)定:(d1不僅和模數(shù)m有關(guān),還隨Z1/tgγ而變化:

)tgγ=Z1md1q——蝸桿直徑系數(shù),已標(biāo)準(zhǔn)化。查表查表加工蝸輪一般用滾刀。滾刀的直徑和齒形參數(shù)(如模數(shù)m、螺旋線(xiàn)數(shù)Z、導(dǎo)程角γ等)必須與相應(yīng)的蝸桿相同。若蝸桿分度圓直徑d1不作一些限制,則刀具品種和數(shù)量會(huì)很多。第13頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五返回第14頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五4、導(dǎo)程角γ(又稱(chēng)螺旋線(xiàn)升角)5、中心距atgγ=Z1md1=Z1qq越小

γ越大傳動(dòng)效率越高γ的值常為3.5~27°。蝸桿分度圓上的導(dǎo)程角應(yīng)等于蝸輪分度圓柱上的螺旋角,且旋向也須相同。a=d1+d22=2m(q+Z)第15頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五二、幾何尺寸及計(jì)算

下表中列出的只是一部分,詳細(xì)尺寸計(jì)算公式見(jiàn)相關(guān)書(shū)籍和手冊(cè)!第16頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五§8-3蝸桿傳動(dòng)的失效形式與強(qiáng)度計(jì)算一、失效形式一般蝸桿輪齒的強(qiáng)度高于蝸輪輪齒的強(qiáng)度。故:失效常發(fā)生于蝸輪輪齒上。主要失效形式有膠合點(diǎn)蝕磨損蝸輪齒圈是錫青銅制——蝸輪損壞形式主要是疲勞點(diǎn)蝕。蝸輪齒圈是無(wú)錫青銅或鑄鐵制——蝸輪損壞形式主要是膠合。第17頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五二、計(jì)算準(zhǔn)則目前對(duì)膠合與磨損尚缺乏成熟的計(jì)算方法,常參照?qǐng)A柱齒輪傳動(dòng)的計(jì)算方法,計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)——常按對(duì)開(kāi)式蝸桿傳動(dòng)——載荷變化較大,或Z2>90時(shí),常只按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。載荷平穩(wěn)時(shí)可不校核蝸桿傳動(dòng)摩擦嚴(yán)重,發(fā)熱大,效率低,對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)還需作熱平衡計(jì)算,以免發(fā)生膠合。第18頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五三、受力分析蝸桿傳動(dòng)的受力分析與斜齒輪相似(常不考慮摩擦力的影響)。圓周力Ft徑向力Fr軸向力FaFt1=Fa2=2T1d1Fr1=Fr2=Ft2tgβFa1=Fr2=d22T2法向總力

可分解為Fn1——指蝸桿。2——指蝸輪。第19頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五蝸桿軸向力Fa1方向的確定:左旋蝸桿——左手法則右旋蝸桿——右手法則四指方向?yàn)樾颍竽粗钢赶驗(yàn)檩S向力方向。

Fa1的方向決定了蝸輪旋向。

蝸桿圓周力Ft1的方向與轉(zhuǎn)向相反。

蝸桿徑向力Fr的方向總指向軸心。第20頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五蝸桿蝸輪旋向判定蝸輪旋向判定左旋用左手,右旋用右手蝸輪旋向與拇指指向相反附第21頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五圖11-2蝸輪旋轉(zhuǎn)方向的判定第22頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五下列各蝸桿傳動(dòng)均以蝸桿為主動(dòng)件,請(qǐng)標(biāo)出蝸輪(或蝸桿)的轉(zhuǎn)向,蝸輪輪齒的旋向及蝸桿、蝸輪受力方向。第23頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五四、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算與斜齒輪相似σH=ZE·Zρ·KT2a3≤[σH]ZE——稱(chēng)彈性影響系數(shù)(Mpa),青銅或鑄鐵蝸輪配鋼制蝸桿時(shí),ZE=160Zρ——接觸系數(shù)a——中心距(mm)T2——蝸輪轉(zhuǎn)矩(N?mm)K——載荷系數(shù)(常取1~1.4)[σH]——許用接觸應(yīng)力12查表設(shè)計(jì)公式為:a≥ZE·Zρ3[σH]KT2(

)2查圖查表第24頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五五、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算≤[σF]σF=1.53KT2·YFa2·Yβd1·d2·mYFa2——蝸輪齒形系數(shù)Yβ——螺旋角影響系數(shù)查圖Yβ=1-γ140°

蝸輪輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度高于斜齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度?!?/p>

只在少數(shù)情況下——如強(qiáng)烈沖擊、蝸輪為脆性材料或開(kāi)式傳動(dòng)時(shí),才計(jì)算蝸輪輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度?!?/p>

蝸輪輪齒彎曲強(qiáng)度所限定的承載能力,大都超過(guò)了齒面點(diǎn)蝕和熱平衡計(jì)算時(shí)所限定的承載能力。第25頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五返回第26頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五L'3≤[y]y=Ft12+Fr1248EI一、剛度計(jì)算§8-4蝸桿剛度計(jì)算及熱平衡計(jì)算以齒根圓直徑為基礎(chǔ),剛度條件為:Ft1——蝸桿圓周力Fr1——蝸桿徑向力E——蝸桿彈性系數(shù)I——蝸桿慣性矩L’——蝸桿兩端支承間的跨距,(初算時(shí)?。篖’

≈0.9d2)I=64πdf14蝸輪分度圓直徑相對(duì)而言,蝸桿屬于“細(xì)長(zhǎng)桿”,易變形,故需校剛度。[y]=d11000第27頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五二、熱平衡計(jì)算蝸桿傳動(dòng)的效率低、發(fā)熱量大,須及時(shí)散熱,否則易使齒面膠合及加劇磨損?!?/p>

閉式蝸桿傳動(dòng)須進(jìn)行熱平衡計(jì)算!!設(shè)蝸桿輸入功率為P(KW),效率為η則:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱流量為:Φ1=1000P(1-η)自然冷卻時(shí)經(jīng)箱體壁散逸到空氣中的熱流量為:Φ2=αd·S·(t0-ta)單位為W1(W)=1(J/s)空氣的溫度(常溫為20°)油溫(60~70°,不超過(guò)80°)散熱面積(內(nèi)可被油飛濺,外可為空氣冷卻)散熱系數(shù)(常取8~17W/m2℃)箱體上散熱片的散熱面積按50%計(jì)。第28頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五按熱平衡條件,應(yīng)有:Φ1=Φ2即:1000P(1-η)=αd·S·(t0-ta)故最終推得:t0=ta+1000P(1-η)αd·S油溫(平衡時(shí)的工作溫度)若超過(guò)此值,可采取如下措施:

設(shè)置散熱片(外面)

蝸桿軸端加風(fēng)扇

在箱體油池內(nèi)裝蛇形冷卻水管

用循環(huán)油第29頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五第30頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五一、材料§8-5蝸桿傳動(dòng)的材料和結(jié)構(gòu)1、要求高速重載——

采用20Cr、20CrMnTi(滲碳處理至56~62HRC)

或40Cr、45(表面淬火到45~55HRC)一般蝸桿——45、40等(調(diào)質(zhì)處理至200~250HBS)低速或人力傳動(dòng)——

可不熱處理,甚至可用鑄鐵。所以:常用青銅作蝸輪的齒圈,與淬硬磨削的鋼制蝸桿相配。2、蝸桿材料

有足夠的強(qiáng)度良好的減摩耐磨性

良好的抗膠合能力常為碳鋼或合金鋼均應(yīng)磨削第31頁(yè),共33頁(yè),2023年,2月20日,星期五3、蝸輪材料重要的高速蝸桿傳動(dòng)中——

常用10-1錫青銅(ZCuSn10P1)V<12m/s時(shí)——可用含Sn低的5-5-5錫青銅(ZCuSn5Pb5Zn5)V<6m/s時(shí)——可用價(jià)廉的10-3鋁青銅

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