1、第 6 章 蜗杆传动,主讲教师：陈良玉东北大学国家工科机械基础课程教学基地,一、蜗杆传动的功用、组成,实现空间交错两轴之间运动和动力传动 通常两轴交角90。组成：蜗杆、蜗轮。 蜗杆(外)螺纹-螺杆 蜗轮形似(斜)齿轮兼有啮合传动、螺旋传动的特征。,蜗杆,蜗轮,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、蜗杆传动的类型,按蜗杆形状分：圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动，锥蜗杆传动,圆柱蜗杆传动 环面蜗杆传动 锥蜗杆传动,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、蜗杆传动的类型,(1)普通圆柱蜗杆传动 ZA型-阿基米德蜗杆 ZN型-延伸渐开线蜗杆 ZI型-渐开线蜗杆 ZK型-锥面包络蜗杆(2)圆弧圆柱蜗杆传动 ZC型-圆柱
2、蜗杆,1.圆柱蜗杆传动,刀具和刀具与蜗杆工件位置决定。,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、蜗杆传动的类型,阿基米德蜗杆-ZA型蜗杆,轴向直廓。车刀加工，与加工外螺纹相同。,端面内的齿形,端面内的齿形,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、蜗杆传动的类型,延伸渐开线蜗杆-ZN型蜗杆,法向直廓。车刀加工、 指状和小盘形铣刀近似加工。不易磨削。,端面内的齿形,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、蜗杆传动的类型,端面内的齿形,渐开线蜗杆-ZI型蜗杆,两把车刀上下平行轴线布置可砂轮磨削。,端面内的齿形,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、蜗杆传动的类型,锥面包络蜗杆-ZK型蜗杆,ZK型蜗杆。圆盘铣刀加工包络加工
3、,端面内的齿形,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、蜗杆传动的类型,圆弧圆柱蜗杆-ZC型蜗杆-凸凹齿廓,凸凹齿廓啮合蜗杆凹齿-蜗轮凸齿,显著改善蜗轮强度. 又细分成ZC1,ZC2,ZC3型三个品种。 ZC1,ZC3应用多。,基本齿廓,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、蜗杆传动的类型,2.环面蜗杆传动,环面蜗杆,特点：(1)环面蜗杆包围蜗轮,啮合齿对数多, 改善受力。(2)改善润滑。(3)要求制造和安装精度高。,3.锥蜗杆传动,锥蜗杆,锥蜗轮-锥齿轮,特点：(1)轴向位置调整啮合侧隙,方便。(2)可用作离合器。(3)结构不对称,正反转受力、承载能力 和效率不同。,6-1 蜗杆传动的特点、类型,二、
4、蜗杆传动的类型,三、蜗杆传动的特点,(1)结构紧凑.(2)可实现大传动比, 传递动力i=880, 传递运动或手动i=3001000.(3)传动平稳, 无噪声.(4)可自锁,反向自锁蜗杆传动效率低于0.5(5)啮合中齿面相对速度大, 摩擦严重,发热量大.(6)传动效率低,一般:0.70.8;个别0.9. 不宜用于大功率场合,一般小于50kW.,蜗杆传动在冶金、矿山、起重、机床等行业机械中应用广泛。,6-1 蜗杆传动的特点、类型,三、蜗杆传动的特点,四、蜗杆传动的精度,GB10089-1988对圆柱蜗杆传动的精度制定了12级,1级最高,12级最低。2013年国家制定了新标准现已经报批。精度等级的设
5、计采用和选择,主要考虑传动功率、使用条件、蜗轮的圆周速度等因素。 参照表6-1。 精密传动(如机床分度蜗杆)，精度36级，高， 高速动力传动，精度7级 一般动力传动，精度8级 低速传动，精度9级设计中一旦选定精度等级,应在设计计算、零件图、制造工艺规程、检验验收等环节予以保证。,6-1 蜗杆传动的特点、类型,四、蜗杆传动的精度,6-2 圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸计算,一、圆柱蜗杆传动主要参数,蜗杆,蜗轮,中间平面通过蜗杆轴线并垂直蜗轮轴线平面.,1. 模数 m,在中间平面上， 蜗杆传动-齿条传动 齿条-蜗杆;齿轮-蜗轮,蜗杆轴向齿距px(螺距)=蜗轮端向齿距pt,蜗杆轴向模数和蜗轮端向模数
6、相等,取为m,并标准化.,一、圆柱蜗杆传动主要参数,标准规定： 阿基米德蜗杆的轴向齿形角=20 延伸渐开线蜗杆法向齿形角=20 渐开线蜗杆法向齿形角=20,2. 齿形角,在中间平面上，,蜗杆轴向齿形角,蜗轮端面齿形角,3. 蜗杆分度圆柱导程角(螺纹升角) 和蜗轮分度圆柱螺旋角,正确啮合,旋向相同,通常为右旋。,d1-蜗杆分度圆直径(相当与螺纹中径)z1-蜗杆头数(相当于螺纹线数),6-2 圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸计算,一、圆柱蜗杆传动主要参数,一、圆柱蜗杆传动主要参数,(1)为保证正确啮合，用蜗杆尺寸基本相同的滚刀来加工蜗轮.(2)为减少滚刀的数量和使之标准化，每个标准模数的规定了一定数
7、量的滚刀直径(即蜗杆直径).(3)表6-2列出了m和d1常用标准值.(4)非标准滚刀和飞刀加工蜗轮, d1不受限制. 单件小批量常用飞刀加工蜗轮.,4. 蜗杆分度圆直径d1,5. 蜗杆头数z1,为提高效率需要增大蜗杆头数z1,但增大加工蜗杆难度。,蜗杆传动的啮合效率(蜗杆主动),随z1增大，角增大，效率提高。,表6-3给出了z1荐用值(结合传动比和蜗轮齿数，z1=1,2,4,6)。,6-2 圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸计算,一、圆柱蜗杆传动主要参数,一、圆柱蜗杆传动主要参数,通常蜗杆传动以蜗杆为主动件，其传动比,6. 蜗杆传动的传动比,7. 蜗轮齿数z2,为避免根切： z1=1，z21718
8、 z1=2，z227,表6-3给出了z2荐用值(结合传动比和蜗杆头数，z1=1,2,4,6)。,动力传动时， z280, 避免尺寸过大,削弱齿根强度,与齿轮传动不同与链传动不同,6-2 圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸计算,一、圆柱蜗杆传动主要参数,一、圆柱蜗杆传动主要参数,8. 蜗杆传动的中心距,蜗杆传动的标准中心距,标准中心距系列：40，50，63，80，100，125，(180)，200，(225)，280，315，(355)，400，(450)，500,6-2 圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸计算,一、圆柱蜗杆传动主要参数,二、蜗杆传动的变位,(3)不变位:蜗杆分度线与蜗轮分度圆相切; 变
9、 位:蜗杆分度线与蜗轮分度圆分离; 中心距较标准值改变; 正变位,增大;负变位,减小.(4)变位后,蜗轮分度圆仍然与其节圆重合, 但轮尺尺寸有变化.,标准x2=0,负变位x20,(变位后的)实际中心距：,变位系数：,变位系数,过小,蜗轮根切;过大,齿顶变尖.一般x2=-1+1;常用x2=-0.7+0.7.,6-2 圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸计算,二、蜗杆传动的变位,与齿轮的变位相同,蜗轮变位是通过改变刀具与蜗轮轮坯的径向位置实现.目的: 凑中心距,改善传动性能.变位的特征:(1)滚刀尺寸与蜗杆的基本相同;(2)蜗杆本身是刀具,故不变位,蜗杆尺寸不变;,三、蜗杆传动的几何尺寸计算,几何尺寸与
10、齿轮相类似，但又有不同。具体计算见表6-4，表6-5。,蜗杆径向尺寸： d1=按标准或自定 齿全高,齿顶高,齿根高及顶圆、根圆同标准齿轮,无关变位.,蜗轮中间平面上径向尺寸： d2=z2m 齿全高,齿顶高,齿根高及顶圆、根圆同齿轮,有关变位.,蜗轮外圆,齿宽,齿宽角等, 与蜗轮包围蜗杆有关。与齿轮不同。,6-2 圆柱蜗杆传动主要参数和几何尺寸计算,二、几何尺寸计算,6-3 蜗杆传动的失效形式、计算准则、常用材料,一、蜗杆传动的失效形式和计算准则,蜗杆传动的失效主要发生在蜗轮上,由材料和结构决定蜗轮齿的主要失效形式: 胶合,点蚀,磨损,断齿,计算准则,(1)闭式传动齿面接触强度准则 齿根弯曲强度
11、准则 选取许用应力时考虑胶合和磨损影响. 热平衡核算,系统过热问题,检验滑油工作温度.(2)开式传动齿根弯曲强度准则(3)蜗杆轴的强度和刚度准则,二、蜗杆和蜗轮的常用材料,1.蜗杆 蜗杆为轴类件,工作中除承受接触啮合力外,还承担弯曲和扭转载荷,因此使用钢材.常用:碳素结构钢、合金结构钢,并经热处理提高性能。,蜗杆常用材料：高速重载传动：15Cr, 20Cr, 20CrMoTi等 渗碳淬火,5863HRC 40, 45, 40Cr, 40CrNi等 表面淬火,4550HRC一般传动：40 45 调质,220300HBW,2.蜗轮 蜗轮为盘类件,只要轮齿受力。 由于摩擦、磨损、生热严重，应使用减磨
12、、耐磨、高导热系数的材料。 铜合金，兼备减磨、耐磨、高导热系数，优先采用.,蜗轮常用材料：铸锡青铜ZCuSn10Pb1、ZCuSn5Pb5Zn5,抗胶合、减摩及耐磨性能都好,较贵,vs3m/s。铸铝青铜ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2，抗胶合及耐磨性能不如锡青铜，但具有足够的强度、耐冲击且价格便宜，v2m/s。灰铸铁如HT200、HT150,低速轻载传动,且效率要求不高。,6-3 蜗杆传动的失效形式、计算准则、常用材料,二、蜗杆和蜗轮的常用材料,三、蜗杆和蜗轮的结构,(1)蜗杆-蜗杆轴:,(2)蜗轮:,整体式,过盈组合式,螺栓组合式,拼铸组合式,过盈面,骑缝螺钉,螺拴,轮芯,轮
13、缘,轮缘,轮芯,轮芯,蜗杆齿-螺牙,动力运动输入端,6-3 蜗杆传动的失效形式、计算准则、常用材料,三、蜗杆和蜗轮的结构,6-4 圆柱蜗杆传动的受力分析、计算载荷,一、圆柱蜗杆传动的受力分析,蜗杆-蜗轮轮齿接触-啮合，节点P上存在一对集中接触力(齿面接触点的法线方向)，Fn=Fn1=Fn2。蜗杆主动，螺旋线旋向-右旋，转向如图。法向集中接触力Fn1，可向3方向(圆周,径向,轴向)分解，Ft1, Fr1, Fa1。,n1,Ft1,T1,Fa1,Fn1,F,Fr1,1,1,T1,n1,Fa1,Fr1,Ft1,Fr2,Ft2,Fa2,n2,T2,P,P,法向集中接触力Fn2，可向3方向(圆周,径向,
14、轴向)分解，Ft2, Fr2, Fa2。,蜗杆受力的分解,蜗杆传动受力的分解,一、圆柱蜗杆传动的受力分析,根据作用反作用力互等原理：,各分力的方向：(1) Fr1和Fr2是指向各自轴心;(2) Ft1和Ft2 蜗杆主动时,Ft1与转向n1方向相反,Ft2与转向n2方向相同.(3)Fa1和Fa2 蜗杆主动时,Fa1用手势判断。 蜗杆右旋，右手定则:四指与转向同，拇指方向为Fa1. 蜗杆左旋，左手定则:四指与转向同，拇指方向为Fa1.,注意：6个-3对分力应各自满足互等关系.,6-4 圆柱蜗杆传动的受力分析、计算载荷,一、圆柱蜗杆传动的受力分析,圆柱蜗杆传动受力方向的图解表达,n1,Fa1,n2,
15、n1,Fr2,Fr1,Ft2,Ft1,Fa2,Fr2,Fr1,n2,1,2,2,1,n1,蜗杆主动,蜗杆主动,T1,T2,T1,T2,2,2,1,1,1-蜗杆 2-蜗轮,1-蜗杆 2-蜗轮,6-4 圆柱蜗杆传动的受力分析、计算载荷,一、圆柱蜗杆传动的受力分析,二、蜗杆传动的计算载荷,6-4 圆柱蜗杆传动的受力分析、计算载荷,二、蜗杆传动的计算载荷,6-5 圆柱蜗杆传动的承载能力计算,一、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,蜗杆传动,齿条传动,中间平面,圆柱齿轮传动,赫兹理论,齿面的赫兹接触应力,材料系数,作用力: Fn接触长度: L综合曲率半径:,赫兹应力应用与蜗杆传动:,接触线变动系数=0.75(典型
16、),端面重合度=1.781.87=1.80,分度圆上接触弧长,一、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,(1)蜗轮齿面接触强度校核式,蜗轮材料的许用接触应力,青铜和铸铁的蜗轮-钢蜗杆:,(2)蜗轮齿面接触 强度的设计式,由表6.2选择m和d1的标准值,6-5 圆柱蜗杆传动的承载能力计算,一、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,(3)蜗轮材料的许用应力,蜗轮材料基本许用接触应力H表6-7查取.,一、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,6-5 圆柱蜗杆传动的承载能力计算,一、蜗轮齿面接触疲劳强度计算,二、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算,蜗轮,斜齿圆柱齿轮,(1)齿根弯曲疲劳强度校核式,(2)齿根弯曲疲劳强度设计式,蜗轮齿形系数按当量齿
17、数查表6-8,(3)蜗轮材料的许用弯曲应力,蜗轮材料基本许用弯曲应力F表6-8查取,注意:单侧和双侧工作的不同.,应力循环次数, N25107, 取N=25107; N105, 取N=105,由表6-2选择m和d1的标准值. 再核定.,导程角先估取,cos=0.91526,6-5 圆柱蜗杆传动的承载能力计算,二、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算,三、蜗杆轴的强度和刚度计算,(1)蜗杆轴的强度,见本课第8章-轴的强度计算.,(2)蜗杆轴的刚度计算,Ft1,Fr1,支承,支承,蜗杆轴的弯曲挠度校核式,df1,截面惯性矩,弹性模量:E;,许用挠度=d1/1000,6-5 圆柱蜗杆传动的承载能力计算,三、蜗杆
18、轴的强度和刚度计算,6-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,一、蜗杆传动的效率,当量摩擦角,根据滑动速度，蜗杆、蜗轮材料等查表6-10.,(1)蜗杆传动效率的计算式,蜗杆头数 总效率 z1 1 0.70 2 0.80 3 0.85 4 0.90 6 0.95,蜗杆传动效率估值：,一、蜗杆传动的效率,蜗杆传动，齿面间滑动速度远大于圆周速度。摩擦、磨损特征显著，这是固有特征，需要通过润滑和冷却缓解。,(2)蜗杆传动齿面间滑动速度,蜗杆圆周速度,蜗轮圆周速度,蜗杆圆周速度,蜗轮圆周速度,齿面间滑动速度,6-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,一、蜗杆传动的效率,n1,n2,二、蜗杆传动的润滑,(
19、1)蜗杆下置,蜗杆浸油润滑,(2)蜗杆上置,蜗轮浸油润滑,(3)蜗杆上置,压力喷油润滑,润滑方法,润滑目的和必要性：减缓摩擦,避免磨损,保证传动效率,延长寿命.,油池,油池,油池,油,根据滑动速度确定润滑方法，表6-11,蜗杆,蜗轮,蜗杆,蜗杆,蜗轮,蜗轮,6-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,二、蜗杆传动的润滑,二、蜗杆传动的润滑,润滑油的选择,力-速度因子,力-速度因子,按图6-16确定黏度，由表6-12确定专用蜗杆油牌号。,蜗轮转矩,中心距,蜗杆转速,6-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,二、蜗杆传动的润滑,润滑油油量-装油量,(1)对于浸油润滑的蜗杆传动，需要一定装油量，以满足
20、散热和沉淀油品的要求。(2)蜗杆、蜗轮浸油深度适当。既满足润滑要求，又控制搅油损失。 蜗杆下置时，蜗杆浸油深度小于1个齿高； 蜗杆上置时，蜗轮浸油深度小于1/3蜗轮外径。(3)装油量推荐，表6-13，根据中心距选择油量.,二、蜗杆传动的润滑,6-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,二、蜗杆传动的润滑,三、蜗杆传动的热平衡计算,热平衡计算的必要性和意义,蜗杆传动效率低，摩擦发热量大，闭式传动中，若散热能力不足，导致油温过高，油品黏度降低，润滑变坏，严重的会造成胶合。热平衡计算的重点是，计算油的温度和温升，配置冷却的条件。目的：保证工作中温度在许可范围内，保证蜗杆传动正常工作。,A蜗杆箱体的有效
21、散热面积t0周围环境空气温度Kd箱体表面散热系数,8.1517.45W/(m2 .)t油许用温度,6070,最高80,(1)自然通风-连续工作情况,稳态热平衡条件：单位时间内发热量H1=同单位时间内散热量H2,工作油温:,牛顿冷却式,6-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,三、蜗杆传动的热平衡计算,加风扇,需要的蜗杆箱体的有效散热面积:,若散热面积不足和油温过高，应采取加大散热的措施： a.散热片-增大散热面积; b.加风扇-增大散热系数 c.循环水冷-降低油温; d.压力喷油-降低油温,循环水冷,压力喷油,(1)自然通风-连续工作情况,蜗杆,蜗杆,蜗杆,蜗轮,蜗轮,蜗轮,6-6 蜗杆传动的
22、效率、润滑和热平衡计算,三、蜗杆传动的热平衡计算,(2)人工通风-连续工作情况,蜗杆端加风扇(外表面强制冷却),稳态热平衡条件(与自然通风相同)：,单位时间内发热量H1=同单位时间内散热量H2,工作油温:,PF 风扇的功耗A蜗杆箱体的自然散热面积A蜗杆箱体的通风散热面积t0周围环境空气温度Kd箱体表面自然散热系数,8.1517.45W/(m2 .)Kd箱体表面通风散热系数,表6-14,根据蜗杆-风扇转速t油许用温度,6070,最高80 若不满足,应考虑油池蛇形水管水冷.,牛顿冷却式,加风扇,蜗杆,蜗轮,6-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,三、蜗杆传动的热平衡计算,(3)间断式-不连续-工作情况,瞬态热平衡条件：在一定时间T内,产生的热量Q1=箱体散热量Q2+箱体和油吸热量Q3,达到工作温度t的工作时间T,G1,G2-装置和油的质量, kgC1,C2-装置和油的比热, J/(kg.),生热量,J,散热量,J,吸(蓄)热量,J,时间T,温度t-t0,tm,tm=(t-t0)/2,散热量的计算图,6-6 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,三、蜗杆传动的热平衡计算,本章结束!,
