单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十一章,蜗杆传动,(Worm Gearing),1.了解蜗杆传动的特点及应用；,2.把握蜗杆传动的受力分析及失效形式，从而合理地选择蜗杆及蜗轮的材料，并进展强度计算；,3.把握蜗杆传动设计有关参数的选择原则及其影响。,4.能对蜗杆传动进展效率计算及热平衡计算，并能合理地解决散热问题。,一.教学目标,二 教学重点和难点,重点：,蜗杆传动的受力分析，有关参数的选择原则，及效率和热平衡计算。,难点：,蜗杆传动的受力分析及热平衡计算。,第一节 蜗杆传动设计的概述,一、蜗杆传动的特点及应用(characteristics),与齿轮传动相比较，蜗杆传动具有传动比大(high speed ratio)，在动力传递中传动比在580之间，在分度机构中传动比可以到达300；假设只传递运动，传动比可达1000.传动平稳、噪声低；构造紧凑；在确定条件下可以实现自锁等优点而得到广泛使用。,蜗杆传动是一种空间穿插轴(skew shafts)间传递运动的机构。,蜗杆传动常用于两轴穿插(skew shafts)、传动比较大、传递功率不太大或间歇工作的场合。当要求传递较大功率时，为提高传动效率，常取Z124。此外，由于当1较小时传动具有自锁性，故常用在卷扬机等起重机械中，起安全疼惜作用。它还广泛应用在机床、汽车、仪器、冶金机械及其它机器或设备中,其缘由是由于使用轮轴运动可以削减力的消耗,从而大力推广。,但由于在啮合处存在相当大的滑动，故其效率低、发热量大和磨损严峻，故不适合于大功率传动和长期连续工作的场合。蜗轮齿圈局部常常用减磨性能好的有色金属如青铜制造，本钱高等缺点。,按蜗杆外形分,圆柱蜗杆,环面蜗杆,锥面蜗杆,二、蜗杆传动的类型,阿基米德蜗杆,圆弧圆柱蜗杆,渐开线蜗杆,一般圆柱蜗杆,法向直廓蜗杆,圆柱蜗杆,环面蜗杆,锥面蜗杆,锥面包络蜗杆,阿基米德蜗杆ZA其齿面为阿基米德螺旋面。加工时，梯形车刀切削刃的顶平面通过蜗杆轴线，在轴向剖面I-I具有直线齿廓，法向剖面N-N上齿廓为外凸线，端面上齿廓为阿基米德螺线。这种蜗杆切制简洁，但难以用砂轮磨削出准确齿形，精度较低。,法向直廓蜗杆ZN轴剖面内的齿廓为凹圆弧，又称延长渐开线蜗杆。车制时刀刃顶面置于螺旋线法面上，蜗杆在法向剖面上具有直线齿廓，在端面上为延长渐开线齿廓。这种蜗杆磨削困难。,渐开线蜗杆ZI端面齿形为渐开线，加工时，车刀刀刃平面与基圆或上或下相切，被切出的蜗杆齿面是渐开线螺旋面，端面上齿廓为渐开线。这种蜗杆可以磨削，易保证加工精度。,锥面包络圆柱蜗杆ZK一种非线性螺旋齿面，不能在车床上加工，只能在铣床上铣削。简洁在磨床上磨削。故加工精度较高。这种蜗杆在轴面和发面上的齿廓均为曲面,三、主要参数及尺寸计算,1、模数,m,(参见P245表11-2),和压力角,中间平面,：,通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面。,中间平面,2、蜗杆的分度圆直径,d,1,和直径系数,q,d,1,=,mq,3、导程角,1,=z,1,p,a1,/,d,1,=m,z,1,/,d,1,tan,1,=,l,/,d,1,=,z,1,/,q,将分度圆柱开放得：,d,d,1,l,p,a1,1,1,1,=z,1,m/,d,1,4、蜗杆头数,z,1,和蜗轮齿数,z,2,z,1,=1、2、4、6,要求自锁时，取小值。要求有传动效率或速度较高时，则取大值。,z,2,=,i,z,1,，一般,z,2,=28-80。,参见P244表11-1,.,5、蜗轮直径,d,2,d,2,=,m,z,2,6、标准中心距,a,amqz2,i,12,=,n,1,/,n,2,=z,2,/z,1,d,2,/,d,1,7、传动比,i,12,一般取：40,50,63,80,100,125,160,(180),200,(225),250,(280),315,(355),400,(450),500,一般取：5,7.5,10,12.5,15,20,25,30,40,50,60,70,80。优先承受10,20,40,80称为根本传动比,四、正确啮合条件,1,1,导程角,五、精度等级的选择GB/T 10089-1988,蜗杆和蜗杆传动规定了12个精度等级，第1级的精度最高，第12级的精度最低。,对于动力蜗杆传动，一般依据69级精度制造。,6级精度的传动可用于中等周密机床的分度机构、发动机调整系统的传动和武器读数装置的传动。,7级精度可用于中等精度的运输机及中等功率、中等速度 3m/s v27.5m/s，的蜗杆传动。,8级精度可用于圆周速度较低v23m/s，每天只有短时间工作的次要传动。,9级精度只能用于不重要的低速传动及手动传动。,六、蜗杆传动的失效形式和设计准则,1、失效形式,(type of failure),1主要失效为外表失效,即点蚀(pitting)、胶合(gluing)与磨损(abrasive)，这是由于蜗杆传动中啮合面间的相对滑动速度vs较大。在润滑和散热不良时，胶合和磨损为主要失效形式。,2一般蜗杆传动中很少发生轮齿折断(breakage)，只有当z280100或开式齿轮传动时才简洁发生。,由于蜗轮无论在材料的强度和构造方面均较蜗杆弱，所以失效多发生在蜗轮轮齿上，设计时只需要对蜗轮进展承载力气计算。,2、设计准则,(design criteria),所以蜗杆传动的设计准则为：,1闭式蜗杆传动，按蜗轮轮齿的齿面接触疲乏强度进展设计计算，按齿根弯曲疲乏强度校核，并进展热平衡验算；,2开式蜗杆传动，按保证齿根弯曲疲乏强度进展设计。,3蜗杆由于常与轴制成一体，设计时，按一般轴对蜗杆进展强度校核，必要时还应进展刚度计算。,常承受青铜低速时用铸铁作蜗轮的齿圈，与淬硬并磨制的钢制蜗杆相匹配。,七、蜗轮蜗杆常用材料,及热处理,(Materials and Heat Treatment),蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成。,高速重载蜗杆常用15Cr、20Cr、20CrMnTi等，并经渗碳淬火，硬度可达5863HRC。,一般传动中可以用40、45或40Cr并经淬火，这样蜗杆淬火后的硬度为4055HRC。,一般不太重要的低速中载的蜗杆，可承受40、45钢，并经调质处理，其硬度为220300HBS。,1、蜗杆(worm)材料,2、蜗轮(worm gear)材料,蜗轮材料依据vs的凹凸而选定。,铸锡青铜ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5,其减摩性、耐磨性均好，抗胶合力气强，但价格高，强度较低B300MP。适用于相对滑动速度12m/s vs25m/s的高速重要蜗杆传动。,铸铝青铜ZCuAl1010Fe3,强度高、耐冲击且价格廉价，但抗胶合力气及耐磨性都不如锡青铜。适用于相对滑动速度vs10m/s的蜗杆传动。,铸铝黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3,抗点蚀强度高，但磨损性能差，宜用于低速滑动的场合。,灰铸铁和球墨铸铁HT150、QT8002,主要用于的低速vs2m/s、轻载、不重要的蜗杆传动中。,八、蜗轮蜗杆的构造,蜗杆构造,蜗轮构造,蜗杆绝大多数和轴制成一体，称为蜗杆轴。,轮齿局部青铜,轮毂局部钢或铸铁,齿圈式,螺拴联接式,拼铸式,整体浇铸式,其次节 蜗杆传动的受力分析和强度计算,一、受力分析(Force Analysis),圆周力,tangential force,径向力,(radial force),轴向力,(axial force),力的方向和蜗轮转向的判别,圆周力,F,t,主反从同,径向力F,r,沿直径指向各自的轮心,轴向力,F,a1,蜗杆左右手螺旋定则,蜗轮转向的判别,：,F,a1,的反向即为蜗轮的角速度,w,2,方向,F,t1,F,a2,F,r1,F,r2,F,t2,F,a1,n,1,n,2,n,2,F,t1,F,t2,F,r1,F,r2,F,r1,F,r2,F,t1,F,t2,F,a2,F,a2,F,a1,F,a1,n,1,1,1,2,p,2,v,p,2,二、蜗轮的强度计算(Strength Calculation),1、齿面接触疲乏强度的计算(Contact Strength Calculation),按中间平面内斜齿轮与齿条啮合进展强度计算,校核公式,Z考虑齿面曲率和接触线长度影响的接触系数，依据齿形和d1/a的值查P253图11-18,设计公式,Z,E,材料的弹性系数，当青铜或铸铁蜗轮与钢制蜗杆配对时，,P252式11-11,P254式11-12,K,载荷修正系数,K,A,使用系数,；查P253表11-5,K 齿向载荷安排系数；,载荷平稳时，K=1；,有冲击、振动时，K=1.31.6,K,v,动载系数；,v,2,3m/s时,，,K,v,=1.01.1;,v,2,3m/s时，,K,v,=1.11.2;,H,许用接触应力,当蜗轮材料为铸铁或强度较高B 300MPa的铸铝青铜时，其承载力气主要取决于齿面胶合力气，而齿面胶合不属于疲乏失效，所以这时的值与循环次数无关，其值可通过查P253表11-6获得。,当蜗轮材料为,B,4 m/s时蜗杆上置,有利于润滑，其,浸油深度应为蜗杆的一个齿高。,避开过大的搅油损失，其浸油深度约为蜗轮外径的三分之一。,蜗杆下置,蜗杆上置,二、,圆柱蜗杆传动的效率,=,1,2,3,与齿轮传动类似：,2,3,0.950.96,轮齿啮合的效率,轴承中摩擦损耗,搅动箱体内润滑油的油阻损耗,啮合效率类似于螺旋副：,故：,v当量摩擦角,(P264表11-18),预备于蜗轮蜗杆的材料、润滑油的种类、啮合角及相对滑动速度。,蜗杆传动的滑动速度,v,1,蜗杆节点圆周速度,v,2,蜗轮节点圆周速度,蜗杆蜗轮齿面间相对滑动速度,v,s,三、,蜗杆传动的热平衡计算及其冷却方法,设蜗杆传动功率为P1 K W,效率为,蜗杆传动单位时间的发热量为,自然冷却方式，单位时间散热量为,d箱体外表散热系数，一般工况下，可取d 8.1517.45。,S 箱体散热面积，指箱体内外表被润滑油浸到或飞溅到，而外外表又能被空气冷却的面积。,t,0,油的工作温度,t,a,环境温度，通常取20,C,到达热平衡时,可得到热平衡时的温度,提高散热力气的常用方法：,1在箱体外外表加散热片以增加散热面积；,4承受压力喷油循环冷却。,2在蜗杆的端面安装风扇，加速空气流通，提高散热系数，可取w2028W/(m2C)；,3在油池中安放蛇形水管，用循环水冷却；,第四节蜗杆传动的安装与维护,蜗杆传动的维护：蜗杆传开工作一段时间后应测试油温，假设超过油温的允许范围应停机或改善散热条件。还要常常检查蜗轮齿面是否保持完好。润滑对于保证蜗杆传动的正常工作及延长使用期限很重要。,蜗杆传动的安装位置要求,依据蜗杆传动的啮合特点，应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线，为此，蜗杆传动安装后，要认真调整蜗轮的轴向位置，使其定位准确，否则难以正确啮合。,解：,1蜗轮和蜗杆均为右旋。,F,t2,F,a1,n,1,2,3,1需给一台蜗杆减速器配置一新蜗轮，应如何测定蜗杆传动的模数？如何确定蜗杆分度圆直径？,2欲将蜗轮轴的转速提高到原来的2倍，而拟将蜗杆直径不变且承受双头蜗杆代替单头蜗杆，则原来的蜗轮能否连续使用？,3只要蜗杆模数和直径系数q一样，不管蜗杆的头数为多少，均可承受同一把蜗杆滚刀加工各种齿数的蜗轮，这种说法对吗？,