0 第7章（1-6）蝸桿傳動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

（PPT課件）

左圖所示為垂直升降電梯外觀圖，右圖所示為臺(tái)階式電梯外觀圖。電梯是以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的，曳引電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器變速后帶動(dòng)曳引輪轉(zhuǎn)動(dòng)，靠曳引繩與曳引輪摩擦產(chǎn)生的牽引力，實(shí)現(xiàn)轎廂和對(duì)重的升降運(yùn)動(dòng)，達(dá)到運(yùn)輸?shù)哪康摹＿@里所用的減速器應(yīng)該是何種結(jié)構(gòu)的呢？具體應(yīng)具有什么特點(diǎn)呢？第7章蝸桿傳動(dòng)7.1蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)7.2蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸

7.3蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)7.4圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算7.5蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑和熱平衡計(jì)算7.6工程應(yīng)用案例—減速器第7章蝸桿傳動(dòng)本章知識(shí)要點(diǎn)了解蝸桿傳動(dòng)的常見(jiàn)類型、傳動(dòng)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合；掌握蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算；掌握蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算方法；熟悉蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑和熱平衡。興趣實(shí)踐觀察重型機(jī)械中所用的蝸桿機(jī)構(gòu)，注意其自鎖性能。思考探索蝸桿傳動(dòng)與交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)比較，具有怎樣的優(yōu)點(diǎn)？蝸輪蝸桿減速機(jī)發(fā)生發(fā)熱和漏油，可能的原因是什么？第7章蝸桿傳動(dòng)

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)的類型和特點(diǎn)蝸桿機(jī)構(gòu)是由交錯(cuò)軸斜齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)演化而來(lái)的，屬于齒輪機(jī)構(gòu)的一種特殊類型；特殊在于交錯(cuò)角為90°、很少。

蝸桿的形狀像圓柱形螺紋，蝸輪形狀像斜齒輪，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。右旋蝸桿左旋蝸桿蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)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；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)蝸桿頭數(shù)為z1（一般z1=1-4），蝸輪齒數(shù)為z2、則傳動(dòng)比i為單、多頭蝸桿蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)一、蝸桿傳動(dòng)的類型蝸桿傳動(dòng)種類繁多，常用的蝸桿傳動(dòng)分類如下：蝸桿傳動(dòng)圓柱蝸桿傳動(dòng)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)（ZC型）阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)（ZA型）漸開(kāi)線圓柱蝸桿傳動(dòng)（ZI型）法向直廓蝸桿傳動(dòng)（ZN型）錐面包絡(luò)圓柱蝸桿傳動(dòng)（ZK型）蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)案例7-1請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)右圖所示卷?yè)P(yáng)機(jī)用的傳動(dòng)裝置，要求結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，請(qǐng)問(wèn)你會(huì)考慮采用哪類機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)？蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)二、蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)1）傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。一般動(dòng)力傳動(dòng)，i=10~80；在分度機(jī)構(gòu)或手動(dòng)機(jī)構(gòu)中，i可達(dá)300；若主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，i可達(dá)1000。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，蝸桿齒無(wú)嚙入和嚙出的過(guò)程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪音小。3）具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的蝸旋升角很小時(shí)，蝸桿只能帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)，而蝸輪不能帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。4）效率較低。5）蝸輪材料較貴。6）不能實(shí)現(xiàn)互換。蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)盡管蝸桿傳動(dòng)具有自鎖功能，但為了安全起見(jiàn)，采用蝸桿傳動(dòng)的卷?yè)P(yáng)機(jī)、起重機(jī)械及電梯等都具有額外的制動(dòng)裝置。由于蝸桿傳動(dòng)具有上述特點(diǎn)，故一般用于功率不太大，且不作連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。

對(duì)于重載，高速和要求精度高的重要傳動(dòng)，可選用圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)或平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)；對(duì)于速度高，載荷較大，要求精度高的多頭蝸桿傳動(dòng)，宜選用漸開(kāi)線圓柱蝸桿傳動(dòng)，或錐面包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)和法向直廓蝸桿傳動(dòng)；對(duì)于輕載低速的不重要傳動(dòng)，可選用阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)。三、蝸桿傳動(dòng)的應(yīng)用蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)案例7-1分析蝸桿傳動(dòng)具有單級(jí)傳動(dòng)比大,結(jié)構(gòu)緊湊的有點(diǎn)，且具有自鎖功能，起到安全保護(hù)的作用，可以采用蝸桿傳動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)與基本尺寸計(jì)算是以中間平面上的參數(shù)與尺寸為基準(zhǔn)的。中間平面:通過(guò)蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面。在中間平面上，蝸輪與蝸桿的嚙合相當(dāng)于漸開(kāi)線齒輪與齒條的嚙合。蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸1.模數(shù)m和壓力角α一、主要參數(shù)在中間平面內(nèi)，蝸桿與蝸輪的嚙合相當(dāng)于齒條和齒輪嚙合。因而蝸桿軸向模數(shù)必等于蝸輪端面模數(shù)；蝸桿軸向壓力角必等于蝸輪端面壓力角，即標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力角α=20°。模數(shù)m的值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)值。蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸2.蝸桿分度圓直徑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，蝸桿的尺寸參數(shù)與加工蝸輪的蝸輪滾刀尺寸參數(shù)相同，為了限制滾刀的數(shù)目及便于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)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)稱為蝸桿的直徑系數(shù)。蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸案例7-2蝸輪齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)的選取是有限制的呢?還是可以隨意選取?蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸3.蝸桿導(dǎo)程角γ和蝸輪螺旋角β在m和d1為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，z1↑→γ↑正確嚙合時(shí)，蝸輪蝸桿螺旋線方向相同，且γ1＝β2。蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸案例7-2蝸輪齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)的選取是有限制的呢?還是可以隨意選取?蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸4.傳動(dòng)比i、蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2①蝸桿傳動(dòng)比i②蝸桿頭數(shù)z1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，傳動(dòng)效率越高，但蝸桿頭數(shù)過(guò)多時(shí)不易加工。通常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4。

蝸桿頭數(shù)與傳動(dòng)效率關(guān)系蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸蝸輪齒數(shù)主要取決于傳動(dòng)比，即z2=iz1。z2不宜太小（如z2＜26)，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。

蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)薦用值表③蝸輪齒數(shù)z25.中心距總結(jié)：蝸桿傳動(dòng)參數(shù)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸案例7-2分析蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，蝸桿頭數(shù)越少，傳動(dòng)比越大；蝸輪齒數(shù)越多，傳動(dòng)越平穩(wěn)。但是蝸桿蝸輪齒數(shù)的選擇也是有限制的。蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸二、普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算見(jiàn)幾何尺寸表三、蝸桿傳動(dòng)的正確嚙合條件蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸四、蝸桿與蝸輪的轉(zhuǎn)向關(guān)系——左、右手定則蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸若為右旋蝸桿，則用右手判斷（左旋用左手），四指順著蝸桿的轉(zhuǎn)向空握成拳，大姆指所指反向?yàn)槲佪喸趪Ш宵c(diǎn)的速度方向。蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸一、蝸桿傳動(dòng)的相對(duì)滑動(dòng)速度vsv1——蝸桿節(jié)點(diǎn)圓周速度

v2——蝸輪節(jié)點(diǎn)圓周速度

蝸桿蝸輪齒面間相對(duì)滑動(dòng)速度vs

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,有助于形成潤(rùn)滑油膜，減少摩擦、磨損，提高傳動(dòng)效率

蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)

小思考7-1齒輪傳動(dòng)時(shí)，齒面嚙合點(diǎn)是否也存在相對(duì)滑動(dòng)速度？二、蝸桿傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則失效形式蝸桿傳動(dòng)輪齒的受力情況與齒輪傳動(dòng)基本相同，因而失效形式相似。蝸桿傳動(dòng)齒面間具有很大的滑動(dòng)速度，并且傳動(dòng)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和磨損。蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)二、蝸桿傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(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。因而，通常只對(duì)蝸輪進(jìn)行承載能力計(jì)算。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，并進(jìn)行熱平衡計(jì)算。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。蝸桿軸的支撐跨距較大時(shí)，進(jìn)行蝸桿的剛度計(jì)算。蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)三、蝸桿和蝸輪的材料選擇要求：1）足夠的強(qiáng)度；2）良好的減摩、耐磨性；3）良好的抗膠合性；因此常采用青銅作蝸輪齒圈，與淬硬磨削的鋼制蝸桿相配。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。蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)錫青銅是指以錫為主要合金元素的青銅。含錫量一般在3～14%之間，主要用于制作彈性元件和耐磨零件。鋁青銅是指含鋁量一般不超過(guò)11.5%的青銅，有時(shí)還加入適量的鐵、鎳、錳等元素，以進(jìn)一步改善性能；鋁青銅可熱處理強(qiáng)化，其強(qiáng)度比錫青銅高，抗高溫氧化性也較好。四、蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)1.蝸桿的結(jié)構(gòu)2.蝸輪的結(jié)構(gòu)

整體式

輪箍式（配合式）

螺栓聯(lián)接式

鑲鑄式蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)案例7-3蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)過(guò)程可以完全根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行嗎?蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算蝸桿傳動(dòng)的受力分析與斜齒圓柱齒輪的受力分析相同，在不計(jì)摩擦力的情況下，輪齒上的法向力Fn可分解為互相垂直的三個(gè)分力：圓周力Ft、徑向力Fr、軸向力Fa。蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算力的大小

力的方向蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算案例7-3分析蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)過(guò)程與齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)過(guò)程類似，但也有所不同，主要針對(duì)蝸輪進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，一般設(shè)計(jì)步驟包括：（1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算；（2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核；（3）蝸桿剛度計(jì)算；（4）熱平衡計(jì)算。另外，還需要注意自鎖功能。蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算一、蝸桿傳動(dòng)的效率η

1─涉及嚙合摩擦損耗的效率；η

2─涉及軸承摩擦損耗的效率；η

3─涉及濺油損耗的效率；η

1是對(duì)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：式中：γ－導(dǎo)程角；

v－當(dāng)量摩擦角。蝸桿頭數(shù)1246總效率0.700.800.900.95蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑和熱平衡

小思考7-2數(shù)控機(jī)床精密分度機(jī)構(gòu)的蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，還需要考慮蝸桿傳動(dòng)的效率問(wèn)題嗎？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)滑油量的選擇既要考慮充分的潤(rùn)滑，又不致產(chǎn)生過(guò)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。根據(jù)蝸桿、蝸輪配對(duì)材料和運(yùn)轉(zhuǎn)條件選用。詳細(xì)介紹一般根據(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)介紹蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑和熱平衡三、蝸桿傳動(dòng)的熱平衡由于傳動(dòng)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(guò)高，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：自然冷卻從箱壁散去的熱量為：αd—箱體表面的散熱系數(shù)，可取αd＝(8.15~17.45)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(℃)。蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑和熱平衡在熱平衡條件下可得：可用于系統(tǒng)熱平衡驗(yàn)算，一般[?t]=60~70℃，且t<90℃?？捎糜诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑和熱平衡四、蝸桿傳動(dòng)的散熱措施當(dāng)自然冷卻的熱平衡溫度過(guò)高時(shí)，可采用以下措施：1.加