機械設(shè)計第11章蝸桿傳動.ppt

1、第十一章 蝸桿傳動,11-1 蝸桿傳動的類型,11-2 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù),11-3 普通蝸桿傳動的承載能力計算,11-6 圓柱蝸桿與蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,11-5 普通圓柱蝸桿傳動的效率、,及幾何尺寸計算,潤滑及熱平衡計算,本章學(xué)習(xí)的基本要求： 熟練掌握的內(nèi)容 1）蝸桿傳動的特點及應(yīng)用，蝸桿傳動主要參數(shù)的合理選擇及 幾何尺寸的計算； 2）蝸桿傳動受力分析，蝸輪轉(zhuǎn)向判斷； 3）蝸桿傳動的失效形式、材料選擇及強度計算； 4）蝸桿傳動的潤滑、效率計算及熱平衡計算。 本章的重點： 蝸桿直徑系數(shù)q 的含義，蝸桿的受力分析及蝸輪轉(zhuǎn)向判斷。,作用：用于傳遞交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動和動力。 蝸桿主動、蝸輪從動

2、。,90,形成：若單個斜齒輪的齒數(shù)很少（如z1=1）而且1很大時，輪齒在圓柱體上構(gòu)成多圈完整的螺旋。,所得齒輪稱為:蝸桿。,而嚙合件稱為:蝸輪。,優(yōu)點： 傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、噪聲小。,分度機構(gòu)：i = 1000, 通常i = 8 80,缺點： 摩擦損失較大，效率低、蝸輪齒圈用青銅制 造，成本高。,一般：= 0.7 0.8， 自鎖：0.4,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,圓柱蝸桿,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,環(huán)面蝸桿,錐蝸桿,11-1 蝸桿傳動的類型,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿的齒面一般是在車床上

3、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。,11-1 蝸桿傳動的類型,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿,圓弧圓柱蝸桿傳動與普通圓柱蝸桿傳動的區(qū)別僅是加工用的車刀為圓弧刀刃。,傳動特點：,1）傳動效率高，一般可達(dá)90%以上；,2）承載能力高，約為普通圓柱蝸桿的1.5 2.5倍；,3）結(jié)構(gòu)緊湊。,11-1 蝸桿傳動的類型,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,阿基米德蝸桿,漸開線蝸桿,法向直廓蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿,阿基米德蝸桿(ZA),阿基米德蝸桿,雙刀加工

4、,11-1 蝸桿傳動的類型,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,11-1 蝸桿傳動的類型,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,阿基米德蝸桿,漸開線蝸桿,法向直廓蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿,漸開線蝸桿(ZI),漸開線蝸桿,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,阿基米德蝸桿,漸開線蝸桿,法向直廓蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿,法向直廓蝸桿(ZN),11-1 蝸桿傳動的類型,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,阿基米德蝸桿,漸開線蝸桿,法向直廓蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿(ZK),是一種非線性螺旋齒面

5、蝸桿。不能在車床上加工，只能在銑削或磨削，加工時工件作螺旋運動，刀具作旋轉(zhuǎn)運動。,11-1 蝸桿傳動的類型,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,阿基米德蝸桿,漸開線蝸桿,法向直廓蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿,環(huán)面蝸桿傳動特點：,1）傳動效率高，一般可達(dá)8590%；,2）承載能力高，約為阿基米德蝸桿的2 4倍；,3）要求制造和安裝精度高。,11-1 蝸桿傳動的類型,類型,環(huán)面蝸桿傳動,圓柱蝸桿傳動,錐蝸桿傳動,普通圓柱蝸桿傳動,圓弧圓柱蝸桿傳動,阿基米德蝸桿,漸開線蝸桿,法向直廓蝸桿,錐面包絡(luò)圓柱蝸桿,錐蝸桿傳動特點：,1）同時接觸的點數(shù)較多，重合度大；,

6、2）傳動比范圍大，一般為10 360；,3）承載能力和傳動效率高；,4）制造安裝簡便，工藝性好。,11-1 蝸桿傳動的類型,中間平面：過蝸桿軸線垂直于蝸輪軸線。,在中間平面內(nèi)，(普)蝸桿傳動相當(dāng)于齒輪齒條的嚙合傳動。故設(shè)計時，均取中間平面上的參數(shù)和尺寸為基準(zhǔn)，并沿用齒輪傳動的計算關(guān)系。,11-2 （普）蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,ZA蝸桿： a=20軸向,由蝸桿傳動正確嚙合的條件，得：,1. 模數(shù)m和壓力角,壓力角,ma1= mt2 = m a1= t2,（一）主要參數(shù)及其選擇,由于蝸桿傳動在中間平面內(nèi)相當(dāng)于漸開線齒輪與齒條的嚙合,11-2 （普）蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,2.

7、蝸桿的分度圓直徑d1和導(dǎo)程角,蝸桿的螺旋面和分度圓柱面的交線是一條螺旋線，將分度圓柱展開得：,tan=pz /d1,= z1 pa /d1,= mz1 / d1,11-2 （普）蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,tan= mz1 / d1, d1 = mz1 / tan,可見，對每一個模數(shù)m ，當(dāng)z1和不同時，可有很多不同d1。,q = d1 / m - 蝸桿的直徑系數(shù),為了限制蝸輪滾刀的數(shù)目及便于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化,d1 = m q m z1,tg= z1 / q,11-2 （普）蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,需配備很多蝸輪滾刀,-表11-2,3. 蝸桿傳動的傳動比 i,傳動比 :, d1=

8、m q , d2= m z2,z1= q tan= d1 /m tan,11-2 （普）蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,4. 蝸桿的頭數(shù)Z1,但 tan= Z1 / q,Z1 , Z1 ,蝸桿的加工愈困難。, 常取 z1 = 1、2、4、6。,11-2 （普）蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,z1 i,z2= i z1,為保證傳動的平穩(wěn)性： Z2 28,常限制： Z2 80,5. 蝸輪的齒數(shù)Z2,Z2不能太少,Z2不能太多：,m彎曲強度, d2蝸桿長度蝸桿的剛度,Z2，d2(=m Z2) 不變時,Z2，m不變時,通常?。篫2=28 80,Z1、Z2的薦用值見表11-1,11-2 （普）蝸桿傳

9、動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,a =(d1 + d1 )/2,6. 蝸桿傳動的標(biāo)準(zhǔn)中心距,= m(q + z2) / 2,-表11-2,(二) 蝸桿傳動變位的特點,目的：,特點：,拼湊中心距或提高傳動的承載能力及傳動效率,蝸桿傳動的幾何尺寸及其計算公式見圖11-16及表11-3、表11-4,11-2 （普）蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算,(三) 蝸桿傳動的幾何尺寸計算,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,（一）失效形式、設(shè)計準(zhǔn)則及常用材料,1、失效形式：,2、設(shè)計準(zhǔn)則,閉式傳動：,按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，按齒根彎曲疲勞強度校核，并作熱平衡計算,開式傳動：,按彎曲疲勞強度設(shè)計,膠合、點蝕、磨

10、損,蝸輪齒圈采用青銅：減摩、耐磨性、抗膠合。,蝸桿采用碳素鋼或合金鋼：表面光潔、硬度高。,15Cr、20Cr 滲碳淬火 55 62 HRC,一般傳動： 40、 45 調(diào)質(zhì)處理 220 250 HBS,3、常用材料,蝸輪、蝸桿的材料不僅要求具有足夠的強度，更重要的是要具有良好的磨合和耐磨性能。, 蝸桿,40、45、40Cr 表面淬火 45 55 HRC,高速重載傳動,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,vS4 m/s,vS 2 m/s, 蝸輪,鑄造錫青銅,vS3 m/s,鑄造鋁鐵青銅 （ZCuAl10Fe3）,灰鑄鐵（HT150、HT200）,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,（二）

11、蝸桿傳動的受力分析,圓周力：Ft1 = 2T1 / d1,軸向力：Fa1,徑向力：Fr1 = Fr2,= Ft2 tan,T2= T1 i ,各力的大?。?= Fa2,= Ft2,= 2T2 / d2,法向力：Fn= Fa1 /cosncos =Ft2 / cosncos=2T2 / d2 cosncos,式中:,各力的方向：,圓周力,徑向力,軸向力,（主）Ft1與 n1方向相反,（從）Ft2與 n2方向相同,Fr1、Fr2 分別指向各自的輪心,（主）Fa1 按左、右手法則判斷,（從）Fa2 與Ft1 方向相反,蝸輪、蝸桿輪齒的螺旋線方向相同,蝸輪、蝸桿輪齒旋向相同,蝸輪右旋,蝸桿右旋,若 9

12、0,1+, +1 90, ,在90的蝸桿傳動中，蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角應(yīng)等于蝸輪分度圓柱上的螺旋角 ，且兩者旋向必須相同。 即：,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,（三） 蝸桿傳動的強度計算,1、蝸輪齒面接觸疲勞強度計算,將蝸輪蝸桿在節(jié)點處嚙合的相應(yīng)參數(shù)代入赫茲公式：,齒面接觸強度校核公式,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,-（11-11）,齒面接觸強度設(shè)計公式：,K -載荷系數(shù)，?。篕 = KA Kv K,Z-接觸系數(shù)，查圖11-18,式中:,ZE-材料的彈性影響系數(shù)，取ZE=160,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,-（11-12）,K-載荷系數(shù)，取：K = KA Kv

13、K,KA -使用系數(shù)，查表11-5,K-齒向載荷分布系數(shù),Kv -動載系數(shù),11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,H -蝸輪齒面的許用接觸應(yīng)力,灰鑄鐵或鋁鐵青銅時： H -查表11-6,錫青銅時，取,( N=60 n2 j Lh ),式中：,H -蝸輪的基本許用應(yīng)力 查表11-7,KHN - 接觸強度的壽命系數(shù),11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,圖11-8 圓柱蝸桿傳動的接觸系數(shù)Z,Z,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,2、蝸輪齒根彎曲疲勞強度計算,閉式蝸桿傳動通常只作彎曲強度的校核計算,通常是把蝸輪近地當(dāng)作斜齒圓柱齒輪來考慮，模仿斜齒輪的

14、彎曲強度計算公式，可得到：,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,校核公式：,設(shè)計公式：,YFa2 -蝸輪齒形系數(shù)，按,Y-螺旋角影響系數(shù)， Y =1-/140,式中：,F-蝸輪的許用彎曲應(yīng)力；,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,11-3 普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算,11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,（一）蝸桿傳動的滑動速度vS,蝸桿傳動在節(jié)點P處嚙合時，齒面間存在相當(dāng)大的相對滑動速度 vS 。,設(shè)： 蝸桿分度圓的圓周速度為v1 ， 蝸輪分度圓的圓周速度為v2 ，,vS = v1 / cos,=d1n1/60100cos,可見，vS 比 v1還要大。所以，蝸桿傳動的摩

15、擦損失很大，很容易發(fā)熱。當(dāng)潤滑、散熱等條件不良時，齒面很容易磨損和膠合。因此，蝸桿傳動必須經(jīng)過熱平衡計算。,（二）蝸桿傳動的效率,功率損耗：嚙合摩擦損耗、軸承摩擦損耗、攪油損耗。, 蝸桿主動時，,蝸桿傳動的總效率為：, = 1 2 3, 蝸桿傳動的總效率主要取決于嚙合效率1,由于蝸輪蝸桿間的滑動情況與螺旋副的滑動情況相似，,11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,v-當(dāng)量摩擦角，其值根據(jù) vS 查表11-18,f v-當(dāng)量摩擦系數(shù);,- 蝸桿導(dǎo)程角;,式中:,v = arctan f v，,蝸桿頭數(shù) Z1 總 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95,在設(shè)計之初，為近似地求出蝸

16、輪軸上的扭矩T2， 值可如下估?。?取: 2 3 = 0.95 0.96,總效率：,11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,（三） 蝸桿傳動的潤滑,若潤滑不良，,效率顯著降低,劇烈磨損和膠合,1、潤滑油：,11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,2、潤滑油粘度及給油方法,閉式傳動：表11-21,開式傳動：粘度較高的齒輪油或潤滑脂,11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,蝸桿下置或側(cè)置的傳動，浸油深度應(yīng)有蝸桿的一個齒高。,蝸桿上置的傳動，浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。,3、潤滑油量,油池潤滑時，適當(dāng)?shù)挠土坎粌H有利于動壓油膜的形成，而且有助于散熱。,給油時，如果采用噴

17、油潤滑，噴油嘴要對準(zhǔn)蝸桿嚙入端,11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,（四）蝸桿傳動的熱平衡計算,目的： 防止由于摩擦損耗產(chǎn)生的熱量引起油溫升高，潤滑失效，導(dǎo)致輪齒磨損加劇，甚至出現(xiàn)膠合。,熱平衡：單位時間內(nèi)的發(fā)熱量散熱量,由摩擦損耗產(chǎn)生的熱量: 1=1000 P (1-),從箱壁散發(fā)的熱量: 2=d S (t0- ta ),其中： P-蝸桿傳遞的功率；KW,d-表面散熱系數(shù)；可?。篸=8.1517.45 W/(m2 ),11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,由熱平衡條件：1 = 2 ：,t0-油的工作溫度，,ta-周圍空氣的溫度，常溫情況可取為：20；,一般限制在 6

18、070 ，最高不應(yīng)超過80,S-箱體表面面積， m2,11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,當(dāng)工作油溫t0 80 時，須采取散熱措施：,1）加散熱片-增大散熱面積（S）；見圖11-22,2）在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇-加速空氣的流通（d）,3）在箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻水管或用循環(huán)油冷卻（d）,11-5 （普）蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡計算,蝸桿的結(jié)構(gòu):,通常與軸制成一體, 蝸桿軸,12-6 圓柱蝸桿與蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,1)無退刀槽結(jié)構(gòu)：加工螺旋部分時只能用銑制的辦法。,2)有退刀槽：螺旋部分可以車制，也可以銑制。,蝸輪齒寬角 90 130,輪圈厚度 C 1.6m+1.5 mm,輪緣寬度B 0.75da 0.67 da,蝸輪頂圓直徑de2 da2 +2m da2 +1.5m da2 +2m,蝸輪的常用結(jié)構(gòu)：,整體式,組合式 過盈配合,組合式 螺栓聯(lián)接,組合式鑄