机械设计第11章蜗杆传动.ppt

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1、第十一章第十一章 蜗杆传动蜗杆传动11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型11-2 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数主要参数11-3 普通普通蜗杆传动的蜗杆传动的承载能力计算承载能力计算11-6 圆柱圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计蜗杆与蜗轮的结构设计11-5 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动的效率、蜗杆传动的效率、及几何尺寸计算及几何尺寸计算润滑及热平衡计算润滑及热平衡计算本章学习的基本要求：本章学习的基本要求：熟练掌握的内容熟练掌握的内容 1 1）蜗杆传动的特点及应用，蜗杆传动主要参数的合理选择及）蜗杆传动的特点及应用，蜗杆传动主要参数的合理选择及 几何尺寸的计算；几何尺寸的计算；2 2）蜗杆传

2、动受力分析，蜗轮转向判断；）蜗杆传动受力分析，蜗轮转向判断；3 3）蜗杆传动的失效形式、材料选择及强度计算；）蜗杆传动的失效形式、材料选择及强度计算；4 4）蜗杆传动的润滑、效率计算及热平衡计算。）蜗杆传动的润滑、效率计算及热平衡计算。本章的重点：本章的重点：蜗杆直径系数蜗杆直径系数q q 的含义，蜗杆的受力分析及蜗轮转向判断。的含义，蜗杆的受力分析及蜗轮转向判断。作用：作用：用于传递交错轴之间的回转运动和动力。用于传递交错轴之间的回转运动和动力。蜗杆主动、蜗轮从动。蜗杆主动、蜗轮从动。9090形成：形成：若单个斜齿轮的齿数很少若单个斜齿轮的齿数很少（如（如z z1 1=1=1）而且而且1 1

3、很很大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。11 1所得齿轮称为所得齿轮称为:蜗杆。蜗杆。而啮合件称为而啮合件称为:蜗轮。蜗轮。蜗杆蜗杆22 2蜗轮蜗轮优点：优点：传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小。传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小。分度机构：分度机构：i=1000,通常通常i=8 80缺点：缺点：摩擦损失较大，效率低、蜗轮齿圈用青铜制摩擦损失较大，效率低、蜗轮齿圈用青铜制 造，成本高。造，成本高。一般：一般：=0.7 0.8，自锁：自锁：0.4类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆圆柱蜗杆锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆

4、柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动 环面蜗杆环面蜗杆锥蜗杆锥蜗杆11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动 普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃直线刀刃的车刀切制而成，车刀安装位置不同，加工出的蜗杆的车刀切制而成，车刀安装位置不同，加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。齿面的齿廓形状不同。普通圆柱蜗杆普通圆柱蜗杆11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传

5、动圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆圆弧圆柱蜗杆 圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅是圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅是加工用的车刀为加工用的车刀为圆弧刀刃圆弧刀刃。传动特点：传动特点：1 1）传动效率高，一般可达传动效率高，一般可达90%以上；以上；2 2）承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的1.5 2.5倍；倍；3 3）结构紧凑。结构紧凑。11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普

6、通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆(ZA)阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆双刀加工双刀加工阿基米德螺线阿基米德螺线11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 渐开线蜗

7、杆渐开线蜗杆(ZI)渐开线蜗杆渐开线蜗杆渐开线渐开线基圆基圆类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 dx延伸渐开线延伸渐开线车刀对中齿厚中心法面车刀对中齿厚中心法面法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆(ZN)11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动

8、阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆(ZK)2近似于阿基米德螺线近似于阿基米德螺线是一种非线性螺旋齿面是一种非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加蜗杆。不能在车床上加工，只能在铣削或磨削，工，只能在铣削或磨削，加工时工件作加工时工件作螺旋运动螺旋运动，刀具作刀具作旋转运动旋转运动。砂轮砂轮11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆

9、渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 环面蜗杆传动特点：环面蜗杆传动特点：1 1）传动效率高，一般可达传动效率高，一般可达8590%；2 2）承载能力高，约为阿基米德蜗杆的承载能力高，约为阿基米德蜗杆的2 4倍；倍；3 3）要求制造和安装精度高。要求制造和安装精度高。环面蜗杆环面蜗杆11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型类类型型环面蜗杆传动环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动 锥蜗杆传动锥蜗杆传动 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动 圆弧圆柱圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动 阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆渐开线蜗杆渐开线蜗杆 法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱

10、蜗杆锥面包络圆柱蜗杆 锥蜗杆传动特点：锥蜗杆传动特点：锥蜗杆锥蜗杆1 1）同时接触的点数较多，重合度大；同时接触的点数较多，重合度大；2 2）传动比范围大，一般为传动比范围大，一般为10 360；3 3）承载能力和传动效率高；承载能力和传动效率高；4 4）制造安装简便，工艺性好。制造安装简便，工艺性好。11-1 蜗杆传动的蜗杆传动的类型类型中间平面中间平面中间平面：过蜗杆轴线垂直于蜗轮轴线。在在中中间间平平面面内内，(普普)蜗蜗杆杆传传动动相相当当于于齿齿轮轮齿齿条条的的啮啮合合传传动动。故故设设计计时时，均均取取中中间间平平面面上上的的参参数数和和尺尺寸寸为为基基准，并沿用齿轮传动的计算关系

11、。准，并沿用齿轮传动的计算关系。211-2（普）（普）蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计主要参数及几何尺寸计算算ZA蜗杆：蜗杆：a a=20=20轴向由蜗杆传动正确啮合的条件，得：由蜗杆传动正确啮合的条件，得：1.模数模数m和压力角和压力角 压力角压力角ZN蜗杆蜗杆：n=20法向ZI蜗杆蜗杆：n=20ZK蜗杆蜗杆：n=20 ma1 1=mt2t2=m a1=t2（一）主要参数及其选择（一）主要参数及其选择由于蜗杆传动在中间平面内相当于渐开线齿轮与齿条的啮合11-2（普）（普）蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计主要参数及几何尺寸计算算2.2.蜗杆的分度圆直径蜗杆的分度圆直径d d1

12、1和导程角和导程角 蜗蜗杆的杆的螺旋面和分度圆柱面的交线是一条螺旋螺旋面和分度圆柱面的交线是一条螺旋线，将分度圆柱展开得：线，将分度圆柱展开得：tan=tan=p pz z /d/d1 1=z1 pa/d1=mz1/d1d1pad11 1pz11-2（普）（普）蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计主要参数及几何尺寸计算算 tan=mz1/d1 d d1 1=mz1/tantan 可见，对每一个模数可见，对每一个模数m ，当当z z1和和不同时，可有很不同时，可有很多不同多不同d d1 1。q=d1/m -蜗杆的蜗杆的直径系数直径系数 为了限制蜗轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化为了限制蜗轮滚刀

13、的数目及便于滚刀的标准化d1=m q m z1tg=z1 /q 11-2（普）（普）蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计主要参数及几何尺寸计算算需配备很多蜗轮滚刀需配备很多蜗轮滚刀-表表11-2 z1z2 =-3.3.蜗杆传动的传动比蜗杆传动的传动比 i传动比传动比 :-d1d2 d1=m q ,d2=m z2z1=q tan=d1/m tann2n1i=-n2n1i=-z1z2 =-=-d2 /md1/m tan=-d2d1 tan11-2（普）（普）蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计主要参数及几何尺寸计算算4.4.蜗杆的头数蜗杆的头数Z Z1 1但但 tantan=Z1 /q Z

14、1 Z Z1 1 ,蜗杆的加工愈困难。蜗杆的加工愈困难。常取常取 z z1 1=1=1、2 2、4 4、6 6。11-2（普）（普）蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计主要参数及几何尺寸计算算n2n1i=-z1z2 =-z1 iz2=i z1 为保证传动的平稳性为保证传动的平稳性：Z2 28 常限制：常限制：Z2 80 5.5.蜗轮的齿数蜗轮的齿数Z2Z2不能太少不能太少Z2不能太多不能太多：m弯曲强度弯曲强度 d2蜗杆长度蜗杆长度蜗蜗杆的杆的刚度刚度Z2，d2(=m Z2)不变时不变时Z2，m不变时不变时通常取：通常取：Z2=28 80Z1、Z2的荐用值见表的荐用值见表11-111-2（

15、普）（普）蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计主要参数及几何尺寸计算算a=(d1+d1)/26.6.蜗杆传动的标准中心距蜗杆传动的标准中心距=m(q+z2)/2-表表11-2(二二)蜗杆传动变位的特点蜗杆传动变位的特点目的：目的：特点：特点：拼凑中心距或提高传动的承载能力及传动效率拼凑中心距或提高传动的承载能力及传动效率 蜗蜗杆杆传传动动的的几几何何尺尺寸寸及及其其计计算算公公式式见见图图11-16及及表表11-3、表、表11-411-2（普）（普）蜗杆传动的蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计主要参数及几何尺寸计算算(三三)蜗杆传动的几何尺寸计算蜗杆传动的几何尺寸计算蜗杆蜗杆（相当于齿条）（相

16、当于齿条）不变位不变位蜗轮蜗轮（相当于齿轮）（相当于齿轮）变位变位 11-3 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动承载能力计算承载能力计算（一）失效形式、设计准则及常用材料（一）失效形式、设计准则及常用材料1 1、失效形式：、失效形式：2 2、设计准则、设计准则闭式闭式传动：传动：按按齿面齿面接触疲劳强度设计，按齿根弯曲疲劳强接触疲劳强度设计，按齿根弯曲疲劳强度校核，并作热平衡计算度校核，并作热平衡计算开式开式传动：传动：按按弯曲疲劳强度设计弯曲疲劳强度设计胶合、点蚀、磨损胶合、点蚀、磨损蜗轮齿圈采用青铜：蜗轮齿圈采用青铜：减摩、耐磨性、抗胶合。减摩、耐磨性、抗胶合。蜗杆采用碳素钢或合金钢：蜗杆采

17、用碳素钢或合金钢：表面光洁、硬度高。表面光洁、硬度高。15Cr、20Cr 渗碳淬火渗碳淬火 55 62 HRC 一般传动：一般传动：40、45 调质处理调质处理 220 250 HBS3 3、常用材料常用材料 蜗轮、蜗杆的材料不仅要求具有足够的强度，更重蜗轮、蜗杆的材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是要具有良好的磨合和耐磨性能。要的是要具有良好的磨合和耐磨性能。蜗杆蜗杆 40、45、40Cr 表面淬火表面淬火 45 55 HRC高速重载传动高速重载传动11-3 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动承载能力计算承载能力计算vS S4 m/svS S3 m/s，取，取 Kv=1.11.211-3 普

18、通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动承载能力计算承载能力计算H H -蜗轮齿面的许用接触应力蜗轮齿面的许用接触应力灰铸铁或铝铁青铜时：灰铸铁或铝铁青铜时：H-查查表表11-6锡锡青铜时，青铜时，取取(N=60 n2 j Lh )式中：式中：H H -蜗轮的蜗轮的基本许用应力基本许用应力 查查表表11-7KHN -接触强度的寿命系数接触强度的寿命系数11-3 普通圆柱普通圆柱蜗杆传动蜗杆传动承载能力计算承载能力计算0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 d1/a3.6 3.2 2.8 2.4 2.0 ZC蜗杆蜗杆ZA,ZI,ZN,ZK 蜗杆蜗杆工作类型工作类型

19、I II III I II III 载荷性质载荷性质 均匀、无冲击均匀、无冲击 不均匀、小冲击不均匀、小冲击 不均匀、大冲击不均匀、大冲击 每小时启动次数每小时启动次数 50 起动载荷起动载荷 小小 较较 大大 大大 KA 1 1.15 1.2 表表11-5 使用系数使用系数 KA图图11-8 圆柱蜗杆传动的接触系数圆柱蜗杆传动的接触系数Z ZZ Z材材 料料 滑动速度滑动速度 vs(m/s)蜗蜗 杆杆 蜗蜗 轮轮 510 1015 1525 25 载荷类型载荷类型 重重 重重 中中 （不限）（不限）（不限）（不限）（不限）（不限）（不限）（不限）900 500 350 220 150 100

20、 80 运动粘度运动粘度 v 40/cSt蜗杆传动的相对滑动蜗杆传动的相对滑动速度速度vs/(m/s)给油方法给油方法 油池润滑油池润滑 喷油润滑喷油润滑 或或 油池润滑油池润滑 喷油压力喷油压力 MPa 0.7 2 3 表表11-21 蜗杆传动的润滑油粘度荐用值及给油方法蜗杆传动的润滑油粘度荐用值及给油方法11-5 （普）（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算蜗杆下置或侧置的传动，浸油深度应有蜗杆下置或侧置的传动，浸油深度应有蜗杆的一个齿高蜗杆的一个齿高。蜗杆上置的传动，浸油深度约为蜗杆上置的传动，浸油深度约为蜗轮外径的蜗轮外径的1/31/3。ra/3 一一个

21、个齿齿高高3 3、润滑油量、润滑油量 油池润滑时，适当的油量不仅有利于动压油膜的形油池润滑时，适当的油量不仅有利于动压油膜的形成，而且有助于散热。成，而且有助于散热。给油时，如果采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端11-5 （普）（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算（四）蜗杆传动的热平衡计算（四）蜗杆传动的热平衡计算目的：目的：防止由于摩擦损耗产生的热量引起油温升高，润滑防止由于摩擦损耗产生的热量引起油温升高，润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。热平衡：热平衡：单位时间内的发热量单位时间内的发热量散热量散热量由摩擦损

22、耗产生的热量由摩擦损耗产生的热量:1=1000 P(1-)从箱壁散发的热量从箱壁散发的热量:2=d S(t0-ta)其中：其中：P P-蜗杆传递的功率；蜗杆传递的功率；KWd d-表面散热系数；可取：表面散热系数；可取：d=8.1517.45 W/(m2)11-5 （普）（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算由热平衡条件：由热平衡条件：1=2：t0=ta+d d S S1000P1000P (1-)(1-)t0-油的工作温度，油的工作温度，ta-周围空气的温度，常温情况可取为：周围空气的温度，常温情况可取为：20；S S=m2d d(t0-ta)1000P(1-

23、)一般限制在一般限制在 6070 ，最高不应超过，最高不应超过80 S-箱体表面面积，箱体表面面积，m211-5 （普）（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算当工作油温当工作油温t0 80 时，须采取时，须采取散热措施：散热措施：1 1）加散热片加散热片-增大散热面积（增大散热面积（SS）；见图）；见图11-222 2）在蜗杆轴端加装风扇在蜗杆轴端加装风扇-加速空气的流通（加速空气的流通（d d）油泵油泵冷冷却却器器冷冷却却水水3 3）在箱内装循环冷却水管或用循环油冷却在箱内装循环冷却水管或用循环油冷却（d d）11-5 （普）（普）蜗杆传动的效率、润滑及热平衡

24、计算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算蜗杆的结构蜗杆的结构:通常与轴制成一体通常与轴制成一体b1 蜗杆轴蜗杆轴12-6 圆柱圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计蜗杆与蜗轮的结构设计1)1)无退刀槽结构：无退刀槽结构：加工螺旋部分时只能用铣制的办法。加工螺旋部分时只能用铣制的办法。2)2)有退刀槽：有退刀槽：螺旋部分可以车制，也可以铣制。螺旋部分可以车制，也可以铣制。潘存云教授研制潘存云教授研制蜗轮齿宽角蜗轮齿宽角 90 130 轮圈轮圈厚度厚度 C 1.6m+1.5 mm轮缘宽度轮缘宽度B 0.75da 0.67 da 蜗轮顶圆直径蜗轮顶圆直径de2 da2+2m da2+1.5m da2+2m 蜗杆头数蜗

25、杆头数Z Z1 11 2 4蜗轮的常用结构：蜗轮的常用结构：整体式整体式组合式组合式过盈配合过盈配合de2de2de2de2BBBBccc组合式组合式螺栓联接螺栓联接组合式铸造组合式铸造骑缝螺钉骑缝螺钉48个，孔心向硬边偏移个，孔心向硬边偏移=23mm第十一章第十一章 习题习题2、手动绞车采用蜗杆传动。手动绞车采用蜗杆传动。已知已知：m=8 mm，z1=1，d1=80 mm，z2=40，卷筒直径卷筒直径D=200 mm。1、教材教材 11-1（1 1）欲使重物）欲使重物Q上升上升1m，蜗杆应转多少转？蜗杆应转多少转？（2 2）蜗杆与蜗轮间的当量摩擦系数）蜗杆与蜗轮间的当量摩擦系数 fv=0.18，该机构该机构 能否自锁？能否自锁？问：问：（3 3）若重物）若重物Q=5KN，手摇时施加的力手摇时施加的力F=100N，手柄手柄 转臂的长度转臂的长度L应是应是多少？多少？LDQz2z1 图示为蜗杆传动和圆锥齿轮传动的组合。已知输出轴上锥齿图示为蜗杆传动和圆锥齿轮传动的组合。已知输出轴上锥齿轮轮Z4的转向。的转向。（1 1）试确定蜗杆传动的螺旋线方向和蜗杆的转向，并使中间轴）试确定蜗杆传动的螺旋线方向和蜗杆的转向，并使中间轴 上的轴向力能抵消一部分。上的轴向力能抵消一部分。（2 2）在图上标出各轮所受分力的方向）在图上标出各轮所受分力的方向思考题：思考题：n4z1z2z3z4输出轴输出轴