2022年机械设计第章蜗杆传动.docx

《2022年机械设计第章蜗杆传动.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年机械设计第章蜗杆传动.docx（24页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选学习资料 - - - - - - - - - 第七章 蜗杆传动案例导入： 卷扬机、带式运输机等起重类机械,要求用低速大扭矩、小功率大传动比、防止负载反传等传动装置,这是齿轮传动难以胜任的；蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、不行逆传等优点,在机床、冶金、矿山、起重运输机械中得到广泛应用；第一节 蜗杆传动的类型和特点蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成,用来传递空间两交叉轴的运动和动力；如图7-1 所示；通常两轴交叉角为 90 ,蜗杆为主动件；一、蜗杆传动的类型如图 7-2 所示,依据蜗杆的外形,蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动（图 a）,环面蜗杆传动（图 b）,和锥面蜗杆传动 图 c ；圆柱蜗杆传动,按蜗

2、杆轴面齿型又可分为一般蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动；一般蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制,可分为阿基 M 德蜗杆（ ZA 型）、渐开蜗杆（ZI型）和法面直齿廓蜗杆（ZH 型）等几种；如图 7-3 所示,车制阿基M 德蜗杆时刀刃顶平面通过蜗杆轴线；该蜗杆轴向齿廓为直线,端面齿廓为阿基M 德螺旋线；阿基M 德蜗杆易车削难磨削,通常在无需图 7-1 蜗杆传动磨削加工情形下被采纳,广泛用于转速较低的场合；a b c 图 7-2 蜗杆传动的类型如图 7-4 所示,车制渐开线蜗杆时,刀刃顶平面与基圆柱相切,两把刀具分别切出左、右侧螺旋面；该蜗杆轴向齿廓为外凸曲线,端面齿廓为渐开线；渐开线蜗杆可在专

3、用机床上磨削,制造精度较高,可用于转速较高功率较大的传动；蜗杆传动类型许多,本章仅争论目前应用最为广泛的阿基 二、蜗杆传动的特点M 德蜗杆传动；1传动比大,结构紧凑；单级传动比一般为 10 4040 4 34 2 3 23 1 2 1 z2 2832 27 52 2872 5081 28 80 40 2. 模数 m 和压力角由于蜗杆传动在主平面内相当于渐开线齿轮与齿条的啮合,而主平面是蜗杆的轴向平面又是蜗轮的端面（见图7-5）,与齿轮传动相同,为保证轮齿的正确啮合,蜗杆名师归纳总结 的轴向模数ma1 应等于蜗轮的端面模数mt2；蜗杆的轴向压力角a应等于蜗轮的端面第 3 页,共 15 页压力角t

4、2；蜗杆分度圆导程角应等于蜗轮分度圆螺旋角,且两者螺旋方向相- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 同；即：m a 1 m t 2 ma 1 t 23. 蜗杆的分度圆直径 d1和导程角如图 7-6 所示,将蜗杆分度圆柱绽开,其螺旋线与端平面的夹角 称为蜗杆的导程角；可得：式中： pa1 为蜗杆轴向齿距tg z 1p a1z 1m 7-2d 1d 1mm； d1 为蜗杆分度圆直径（mm）；蜗杆的螺旋线与螺纹相像也分左旋和右旋,一般多为右旋；对动力传动为提高效率应采纳较大的值,即采纳多头蜗杆；对要求具有自锁性能的传动,应采纳mq7-3 80100 时,所以在齿数

5、少于以上数值时,弯曲强度校核可不考虑；图 7-7 蜗杆传动滑动速度名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二、蜗杆、蜗轮的材料和结构1. 蜗杆、蜗轮的材料挑选依据蜗杆传动的主要失效形式可知,蜗杆和蜗轮材料不仅要求有足够的强度,更重要的是要具有良好的减摩性、耐磨性和抗胶合才能；蜗杆一般用碳钢或合金钢制造；对高速重载传动常用 15Cr 、20Cr、20CrMnTi 等,经渗碳淬火,表面硬度 56 62HRC, 须经磨削；对中速中载传动,蜗杆材料可用 45、40Cr 、 35SiMn 等 , 表 面 淬 火 , 表 面 硬 度

6、 图 7-8 滑动速度 vs 的概略值4555HRC,必要磨削；对速度不高,载荷不大的蜗杆,材料可用 45 钢调质或正火处理,调质硬度 220270HBS ；蜗轮材料可参考相对滑动速度vs 来挑选；铸造锡青铜抗胶合性、耐磨性好,易加工,答应的滑动速度 vs高,但强度较低,价格较贵；一般 ZCuSn10P1 答应滑动速度可25m/s, ZCuSn5Pb5Zn5 常用于 vs12m/s 的场合；铸造铝青铜,如 ZCuAl10Fe3, 其减磨性和抗胶合性比锡青铜差,但强度高,价格廉价,一般用于vs4m/s 的传动；灰铸铁（HT150 、HT200）,用于 vs2m/s 的低速轻载传动中；2. 蜗杆、

7、蜗轮的结构a）图 7-9 蜗杆轴结构b）蜗杆常和轴做成一体,称为蜗杆轴,如图7-9 所示（只有df/d1.7 时才采纳蜗杆齿圈套装在轴上的型式）；车制蜗杆需有退刀槽,d=d f 24mm ,故刚性较差（图a）；铣削蜗杆无退刀槽时 d 可大于 df 图 b,刚性较好；蜗轮结构分为整体式和组合式两种,如图 7-10 所示；图 a所示的整体式蜗轮用于铸铁蜗轮及直径小于 100mm 的青铜蜗轮；图 b、c、d均为组合式结构,其中图 b） a b c d 名师归纳总结 图 7-10 蜗轮结构第 7 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 为齿圈式蜗轮,

8、轮芯用铸铁或铸钢制造,齿圈用青铜材料,两者采纳过盈协作（H7/s6或 H7/r6 ）,并沿协作面安装46 个紧定螺钉,该结构用于中等尺寸而且工作温度变化较小的场合；图 c）为螺栓式蜗轮,齿圈和轮芯用一般螺栓或铰制孔螺栓连接,常用于尺寸较大的蜗轮；图 d）为镶铸式蜗轮,将青铜轮缘铸在铸铁轮芯上然后切齿,适用于中等尺寸批量生产的蜗轮；第四节 蜗杆传动的强度运算一、 蜗杆传动的受力分析蜗杆传动受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相像,齿面上的法向力 Fn 可分解为三个相互垂直的分力：圆周力F t 、轴向力 F a、径向力 F r ,如图 7-11 所示；蜗杆为主动件,轴向力Fa1 的方向由左、右手定就确

9、定；图7-11 为右旋蜗杆,用右手四指指图 7-11 蜗杆传动受力分析向蜗杆转向,拇指所指方向就是轴向力F a1 的方向；圆周力Ft1 与主动蜗杆转向相反；径向力 F r1 指向蜗杆中心；蜗轮受力方向,由 Ft1 与 Fa2、F a1 与 Ft2、F r1 与 Fr 2 的作用力与反作用力关系确定（图 7-11）；各力的大小可按下式运算：F rFt1Fa 22 T 1 N （7-6）d11Fa 1F t22 T 2 N 7-7 d2F r2F t2tan N 7-8T 2T 1 i Nmm 7-9式中： T1、T2 分别为作用在蜗杆和蜗轮上的转矩,二、蜗轮齿面接触疲惫强度运算 为蜗杆传动的总效

10、率；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 蜗轮齿面接触疲惫强度运算与斜齿轮相像,以赫兹公式为运算基础,按节点处的啮合条件运算齿面接触应力,可推出对钢制蜗杆与青铜蜗轮或铸铁蜗轮校核公式如下：H 520d kT1 d 22 2 520m kT2 d 1 2z 2 2H（7-10 ）2设计公式为：m 2d 1kT 2 z 2 520H（7-11 ）式中： T2为蜗轮轴的转矩,Nmm ；K 为载荷系数 K=11.5,当载荷平稳相对滑动速度较小时（ vS 3m/s）取较小值,反之取较大值,严峻冲击时取 K=1.5； H 蜗轮材料

11、的许用接触应力,MPa；当蜗轮材料为锡青铜（ b25 10 7 时应取 N=25 10 7, N 2 . 6 10 5时5应取 N 2 . 6 10；当蜗轮的材料为铝青铜或铸铁（ b300MPa ）时,蜗轮的主要失效形式为胶合,许用应力与应力循环次数无关其值如表 7-5 所示；表 7-4 锡青铜蜗轮的基本许用接触应力 0HN=10 7MPa 蜗轮材料 铸造方法 适用的滑动速度 vS 蜗杆齿面硬度m/s 350HB 45HRC ZCuSn10P1 金属型 砂 型1225 180 200 200 220 砂 型10 110 125 ZCuSn5Pb5Zn5 金属型12 135 150 表 7-5

12、铸铝青铜及铸铁蜗轮的许用接触应力 HMPa蜗轮材料 蜗杆材料 滑动速度 vS（m/s）0.5 1 2 3 4 6 8 ZCuAl10Fe3 淬火钢 250 230 210 180 160 120 90 HT150；渗碳钢 130 115 90 HT200 HT150 调质钢 110 90 70 三、蜗轮轮齿的齿根弯曲疲惫强度运算由于蜗轮轮齿的齿形比较复杂,要精确运算轮齿的弯曲应力比较困难,通常近似地将蜗轮看作斜齿轮按圆柱齿轮弯曲强度公式来运算,化简后齿根弯曲强度的校核公式为：名师归纳总结 Fd12 .2KT2YF2F（ 7-12）第 9 页,共 15 页d2mcos设计公式为：m2d1z22.

13、2KT2Y F2（ 7-13）Fcos式中： YF2 蜗轮的齿形系数,按蜗轮的实有齿数Z 2 查表 7-6 ；F 蜗轮材料的许用弯曲应力,F=YN 0F ；0F为蜗轮材料的基本许用弯曲应力,如表7-7- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 所示； YN 为寿命系数YN9106N, N=60N 2L h；当N25 107 时,取N=2510 7,当 N45HRC 材 料 铸造方法 b s 单向受载 双向受载 单向受载 双向受载ZCuSn10P1 金 属 模 砂 模 200 250 140 150 51 58 32 40 64 73 40 50 ZCuSn5Pb

14、5Zn5 金 属 模 砂 模 180 200 90 90 37 39 29 32 46 49 36 40 ZCuAi10Fe3 金 属 模 500 200 90 80 113 100 HT150 砂 模 150 38 24 48 30 HT200 砂 模 200 48 30 60 38 第五节 蜗杆传动的效率、润滑和热平稳运算一、蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的总效率 包括：啮合效率 1、搅油效率 2和轴承效率 3,即：1 2 3（7-14 ）啮合效率 1是总效率的主要部分,蜗杆为主动件时啮合效率按螺旋传动公式求出：1tanv0 . 95.097 tanv（ 7-15）tan通常取 230.950

15、.97, 故有：tan式中：为蜗杆螺旋升角（导程角）；v为当量摩擦角,v=arctan fv其值如表 7-8 所示；在初步运算时,蜗杆的传动效率可近似取以下数值：闭式传动： z1 1 2 4 6 0.70.75 0.750.82 0.820.92 0.860.95 开式传动： z11、2 ； 0.600.70；二、蜗杆传动的润滑润滑对蜗杆传动特殊重要,由于润滑不良时,蜗杆传动的效率将显著降低,并会导致猛烈的磨损和胶合；通常采纳粘度较大的润滑油,为提高其抗胶合才能,可加入油性添加剂以提高油膜的刚度,但青铜蜗轮不答应采纳活性大的油性添加剂,以免被腐蚀；名师归纳总结 - - - - - - -第 1

16、0 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 闭式蜗杆传动的润滑油粘度和润滑方法可参考表7-9挑选；开式传动就采纳粘度较高的齿轮油或润滑脂进行润滑；闭式蜗杆传动用油池润滑,在vS5m/s 经常采纳蜗杆下置式,浸油深度约为一个齿高,但油面不得超过蜗杆轴承的最低滚动体中心,如图 7-12a、b）所示； vS 5m/s 经常用上置式（图7-12c）,油面答应达到蜗轮半径1/3处；表 7-8 当量摩擦系数 fv和当量摩擦角 v蜗轮材料 锡青铜 铝青铜 灰铸铁蜗杆齿面硬度 45HRC 45HRC 45HRC 45HRC 45HRC 滑动速度 vs m/s fv v fv v fv

17、 v fv v fv v0.01 0.110 6o17 0.120 6o51 0.180 10o12 0.018 10o12 0.190 10o450.05 0.090 5 o09 0.100 5o43 0.140 7o58 0.140 7o58 0.160 9o05 0.10 0.080 4o34 0.090 5o09 0.130 7o24 0.130 7o24 0.140 7o580.25 0.065 3o43 0.075 4o17 0.100 5o43 0.100 5o43 0.120 6o510.50 0.055 3o09 0.065 3o43 0.090 5o09 0.090 5o0

18、9 0.100 5o431.00 0.045 2o35 0.055 3o09 0.070 4o00 0.070 4o00 0.090 5o091.50 0.040 2o17 0.050 2o52 0.065 3o43 0.065 3o43 0.080 4o342.00 0.035 2o00 0.045 2o35 0.055 3o09 0.055 3o09 0.070 4o002.50 0.030 1o43 0.040 2o17 0.050 2o523.00 0.028 1o36 0.035 2o00 0.045 2o354.00 0.024 1o22 0.031 1o47 0.040 2o17

19、5.00 0.022 1o16 0.029 1o40 0.035 2o008.00 0.018 1o02 0.026 1o29 0.030 1o4310.0 0.016 0o55 0.024 1o2215.0 0.014 0o48 0.020 1o0924.0 0.013 0o45注：对于硬度45HRC 的蜗杆, v值系指 Ra0.321.25 m,经跑合并充分润滑的情形；表 7-9 蜗杆传动的润滑油粘度及润滑方法滑动速度 vS m/s 1 2.5 5 10 10 15 15 25 25 工 作 条 件重载重载中载运动粘度 40 mm2/s 1000 680 320 220 150 100 6

20、8 润 滑 方 法浸油浸油喷油润滑,油压（MPa）或喷油0.07 0.2 0.3 三、蜗杆传动的热平稳运算蜗杆传动效率低,发热量大,如产生的热量不能准时散逸,将使油温上升,油粘度下降,油膜破坏,磨损加剧,甚至产生胶合破坏；因此对连续工作的蜗杆传动应进行热平稳运算；在单位时间内,蜗杆传动由于摩擦损耗产生的热量为：Q1000P 11 W 式中： P1 蜗杆传动的输入功率（KW ）； 蜗杆传动的效率；自然冷却时单位时间内经箱体外壁散逸到四周空气中的热量为：名师归纳总结 Q2KSAt1t0 W 第 11 页,共 15 页式中： K S 为散热系数,可取K s=8 17W/m2,通风良好时取大值；A 为

21、散热面积（m2）； t1 为箱体内的油温,一般取许用油温t 1=6080,最高不超过90； t0为四周空气的温度,通常取t0=20；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 按热平稳条件 Q1= Q2,可得工作条件下的油温为：t11000 1AP 1t01t（ 7-16）KS如工作温度超过许用温度,可采纳以下措施：在箱体壳外铸出散热片,增加散热面积 A；在蜗杆轴上装风扇（图 7-12a）,提高散热系数,此时 Ks 2028W/m 2；加冷却装置；在箱体油池内装蛇形冷却管（图 7-12b）,或用循环油冷a） b c 图 7-12 蜗杆传动的散热方法却图 7-12

22、C；【实训例 7-1 】 设计用于带式运输机的一级闭式蜗杆传动；蜗杆轴输入功率 P14KW, 转速 n=960r/min, 传动比 i 20 , 连续单向运转,载荷平稳,一班制,预期寿命10 年；解:实训过程如表 7-10 所示：表 7-10 实训例 7-1 实训过程运算工程运算与说明运算结果1 挑选材料蜗杆： 45 号钢表面淬火 45 50HRC 蜗 轮 ： ZCuSn10P1 砂 模 铸 造 （ 由 图 7-8 初 估vs=4m/s）1. 挑选材料确定许用应2确定许用应力h H=158 MPa0H=200MPa （表 7-4）蜗杆 45 钢表面淬火4550HRC ； 蜗 轮n 2n 1i9

23、60 2048r/min力ZCuSn10P1 砂 模 铸Lh83001024000造7N=60 n2 Lh=60 48 24000=6.9 102. 确定 z1、 z2Z N810 7810 770. 79z 1=20z 2=40 N.6 910H=ZN0H200 0.79=158MPa z 1=2（表 7-1） z 2= i z 1= 20 2 = 40续表名师归纳总结 3.运算蜗轮转矩T2T2=9.55 10 6（ P1 /n2） =9.55 10 64 0.8/48=6.37 105 Nmm T2=6.37 10 5 Nmm 第 12 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 取 0.84. 按齿面接触疲惫强度K=1.1（工作载荷稳固速度较低）2m=8 q=10 m2d1KT252