機械設(shè)計

蝸桿傳動

11.1

概述11.1.1

蝸桿傳動特點1、結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，沖擊振動小。2、蝸桿傳動的最大特點是單級傳動比大。傳遞動力時i=8~100，常用15~50；分度機構(gòu)或手動機構(gòu)可達300；只傳遞運動時，i

可達1000。但傳動比大的時候傳動效率很低，只能用在功率小的場合。3、與多級齒輪傳動相比，蝸桿傳動零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。4、自鎖性能好(用于提升機構(gòu))。5、制造成本高，加工困難。滑動速度vs大，在制造精度和傳動比相同的條件下，效率比齒輪傳動低，同時蝸輪一般需用貴重的銅合金制造。

蝸桿傳動2、按旋向分類可分為：左旋蝸桿傳動和右旋蝸桿傳動，一般都采用右旋。3、按蝸桿頭數(shù)分類可分為：單頭蝸桿和多頭蝸桿。單頭蝸桿主要用于傳動比較大的場合，要求自鎖的傳動必須采用單頭蝸桿。多頭蝸桿主要用于傳動比不大、要求效率較高的場合。阿基米德蝸桿(ZA型)漸開線蝸桿(ZI型)法向直廓蝸桿(ZN型)錐面包絡(luò)蝸桿(ZK型)圓柱蝸桿傳動環(huán)面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

蝸桿傳動11.1.2

蝸桿傳動的類型1、按蝸桿形狀分類類型

11.2

圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)11.2.1

普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)蝸桿傳動設(shè)計時，取中間平面上的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。1．模數(shù)m和壓力角αmx1=mt2=mαx1＝αt2阿基米德蝸桿軸向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值αx1

＝α＝20°，漸開線蝸桿、法向直廓蝸桿及錐面包絡(luò)圓柱蝸桿法向壓力角αn為標(biāo)準(zhǔn)值20°

。2

、蝸桿分度圓直徑d1加工蝸輪的滾刀尺寸同與之嚙合的蝸桿尺寸相同，但m一定時，由于z1和γ的變化，

d1是變化的，即需要配備很多加工蝸輪的滾刀。為減少刀具數(shù)量，并使刀具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，將蝸桿分度圓直徑d1

定為標(biāo)準(zhǔn)值。每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)對應(yīng)一定數(shù)量的d1值。定義：q=d1

/

m

，q為蝸桿直徑系數(shù)

蝸桿傳動通常：蝸桿頭數(shù)z1=1、2、4、6等。z1少，易于得到大傳動比，但導(dǎo)程角小，效率低，發(fā)熱多，故重載不宜采用單頭蝸桿。要求自鎖時頭數(shù)取1；z1

多，效率高，但導(dǎo)程角大，制造困難。蝸輪齒數(shù)z2

＝uz1

，一般z2

>28；z2

<803

、蝸桿導(dǎo)程角γz1px

z1m

z1m

z1

d2 d1

d1

d1

qud1

蝸桿傳動tan

y=====4

、蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2圓柱蝸桿傳動裝置的中心距a(單位mm)一般按下列數(shù)值選取：40506380100125160(180)200(225)250(280)315(355)400(450)500

宜優(yōu)先選用未帶括號的數(shù)字。當(dāng)蝸桿節(jié)圓與分度圓重合時稱為標(biāo)準(zhǔn)傳動，其中心距為：a=d1

+d2

=

q+z2

≠z1

+z2

i==≠u==

i=

蝸桿傳動5

、傳動比

i和齒數(shù)比u蝸桿主動時：6

、

中心距a7、變位系數(shù)(1)變位目的：

配湊中心距、湊傳動比。(2)變位方法：

與齒輪變位相同，靠刀具的移位實現(xiàn)變位。加工蝸輪時的滾刀與蝸桿尺寸相同，為保持刀具尺寸不變，故蝸桿尺寸不能變動，只能對蝸輪變位。(3)變位系數(shù)的計算1)湊a

(齒數(shù)z2不變，中心距a變化)a

′

=

a

+

x2m

=

x2

=

2)改變傳動比i

(中心距a不變，齒數(shù)z2變化)a

′

=q+z+x2m=

q+z2

=az=z2

?2x2x2

=

2′2′

蝸桿傳動名稱代號計算公式及說明蝸桿軸向齒距pxpx

=幾m蝸桿分度圓直徑1d1

=mz1/tan

y=mq，按規(guī)定選取，與m匹配蝸桿齒頂圓直徑 a1da1

=d1

+2?a1蝸桿齒根圓直徑 f1df1

=

d1

?

2?f1蝸桿齒頂高a1?a1

=?m，齒頂高系數(shù)，一般?=1，短齒?=0.8頂隙cc=c?m，一般頂隙系數(shù)c?=0.2蝸桿齒根高f1?f1

=?+c

?

m

=

d1

?

df1

2蝸桿齒高1?1

=

?a1

+

?f1

=

da1

?

df1

2蝸桿節(jié)圓直徑d

d=d1

+2x2m=m

q+2x2蝸桿分度圓導(dǎo)程角γtan

y=mz1/d1

=z1/q1′1′a?a?a?a?11.2.2

普通圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸普通圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算公式見表11-3。

蝸桿傳動表11-3普通圓柱蝸桿傳動幾何尺寸計算(軸交角90°)dddhhh

11.3

蝸桿傳動的失效形式、計算準(zhǔn)則和材料選擇11.3.1

蝸桿傳動的失效形式與齒輪傳動類似，失效形式有：點蝕、膠合、磨損、輪齒折斷等。主要失效形式為：膠合、磨損、點蝕由于材料和結(jié)構(gòu)的原因，蝸輪強度較弱，失效主要發(fā)生在蝸輪上。11.3.2

設(shè)計準(zhǔn)則開式傳動：計算齒根彎曲疲勞強度。閉式傳動：通常按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，按齒根彎曲疲勞強度進行校核。蝸桿傳動還須進行蝸桿軸剛度計算和熱平衡計算。

蝸桿傳動11.3.3

材料選擇1、蝸桿材料碳鋼(40、45)、合金鋼(20Cr、40Cr、42SiMn)2、蝸輪材料

——指齒冠部分材料鑄錫青銅(ZCuSn10P1

、ZCuSn10Zn2)：vs

≥12~26m/s鑄鋁青銅(ZCuAl10Fe3)：vs

≤10m/s，抗膠合能力差灰鑄鐵和球墨鑄鐵

：vs

≤2m/s

，前者表面硫化處理有利于減輕磨損，后者與淬火蝸桿配對能用于重載場合。

蝸桿傳動

11.4

普通圓柱蝸桿傳動承載能力計算11.4.1

蝸桿傳動的受力分析1、計算分力的大小不計摩擦力時有如下關(guān)系：Ft2

=Fa1=2T2

/

d2Fa2

=Ft1=2T1

/

d1F=F=F

tanα2

、

確定分力方向Ft：主反從同(與轉(zhuǎn)速的方向)Fr：指向各自的輪心Fa：(主動輪)左、右手定則。左旋用左手，右旋用右手，四指順著轉(zhuǎn)動方向握拳，則拇指的指向為主動輪

軸向力的方向。

蝸桿傳動r2r1

t2蝸桿傳動的效率主要取決于嚙合效率η1

，導(dǎo)程角γ是影響嚙合效率的主要因素。2

、攪油損耗的效率η2η2=0.94~0.99，與蝸輪或蝸桿的浸油深度和速度、油的粘度以及箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有關(guān)。3、軸承效率η3采用滾動軸承時η3=0.98~0.9911.4.2

蝸桿傳動的效率

=1

2

3η

1——傳動嚙合效率；η2——考慮攪油損耗的效率；η3——軸承效率。1、嚙合效率η1

：近似按螺旋副計算

蝸桿傳動

1

=tanytan(y+pv)

=

tan

y

?

pv

1′(蝸輪主動)(蝸桿主動)tany11.4.3

蝸桿傳動的強度計算1

、蝸輪齒面接觸疲勞強度計算蝸輪齒面接觸疲勞強度校核公式為

H

=ZEZp

≤

H

強度計算時蝸輪齒面許用接觸應(yīng)力[σH]分為兩種情況：若蝸輪材料為錫青銅(σB<300MPa)，H

=ZN

H

′

；若蝸輪材料為灰鑄鐵或高強度青銅(σB

≥300MPa)，蝸輪主要失效形式為齒面膠合，可按表11-11直接查出許用接觸應(yīng)力[σH]的值。蝸輪齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算公式為

蝸桿傳動3

ZEZpKT2

H

a

≥

22

、蝸輪齒根彎曲疲勞強度計算蝸輪輪齒的齒形比較復(fù)雜，其彎曲疲勞強度難于精確計算，通常是將蝸輪近似地當(dāng)作斜齒圓柱齒輪，進行條件性的計算。蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核公式為aF

=

YFa2YF

≤

aF

蝸輪齒根彎曲疲勞強度設(shè)計公式為m2

d1

≥

YFa2YF

蝸桿傳動11.4.4

蝸桿傳動的剛度計算蝸桿軸的撓曲主要是由圓周力和徑向力造成的，軸向力的影響可以忽略。假設(shè)軸兩端為自由支承，則圓周力和徑向力在軸的嚙合部分的撓曲量為yt1

=；

yr1

=兩者合成，得蝸桿軸的最大撓曲量應(yīng)滿足下列條件y=y

1

+y

1

=Ft12

+Fr12

≤

y式中，I為蝸桿軸危險截面二次矩，I=冗d

1

64，其中df1為蝸桿齒根圓直徑；L為蝸桿兩端支承間的跨距；

[y]為許用最大撓度，[y]=d1/1000，d1為蝸桿分度圓直徑。f4r2t2

蝸桿傳動11.4.5

蝸桿傳動的熱平衡計算蝸桿傳動的效率較低，工作時發(fā)熱量大，若閉式傳動散熱條件不足，箱體內(nèi)潤滑油工作溫度會不斷升高，潤滑油黏度將下降，從而導(dǎo)致輪齒磨損加劇，甚至出現(xiàn)膠合，因此需對連續(xù)工作的閉式蝸桿傳動進行熱平衡計算。熱平衡計算條件：在同一單位時間內(nèi)傳動的發(fā)熱量H1

=

散熱量H2發(fā)熱量：H1=1000P1(1-η)散熱量：H2=k

A(t1-t0

)由H1=H2

，可得在既定工作條件下的油溫t1為t1

=

t0

+

t1為潤滑油的工作溫度，一般應(yīng)限制在60~70°C

，最高不超過80°C

；t0為周圍空氣的溫度，通常取t0=20°C。

蝸桿傳動11.4.6

普通圓柱蝸桿傳動的精度等級國標(biāo)對蝸桿、蝸輪和蝸桿傳動規(guī)定了12個精度等級，第1級精度最高，第12級精度最低。根據(jù)使用要求不同，允許選用不同精度等級的偏差組合。普通圓柱蝸桿傳動的精度常用6~9級。當(dāng)工作油溫t1

>80℃或散熱面積不足時，應(yīng)采取散熱措施：1)增加散熱面積合理設(shè)計箱體結(jié)構(gòu)，在箱體外表面鑄出或焊上散熱片。2)提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇；在箱體油池內(nèi)安裝循環(huán)冷卻水管；

采用壓力噴油循環(huán)冷卻。

蝸桿傳動冷卻水管冷卻外冷卻器冷卻風(fēng)扇冷卻11.5

圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)11.5.1

圓柱蝸桿的結(jié)構(gòu)