1、機械設計基礎（II）,第十講 蝸桿傳動,機電工程學院 況雨春 ,121 蝸桿傳動的特點和類型,第十二章 蝸桿傳動,122 圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù) 和幾何尺寸,概述,123 蝸桿傳動的失效形式、材料 和結(jié)構,125 圓柱蝸桿傳動的強度計算,126 圓柱蝸桿傳動的效率、 潤滑和熱平衡計算,124 圓柱蝸桿傳動的受力分析,概述,蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成。用于空間交錯軸之間的傳動，通常兩軸交錯角=90。,傳動中一般蝸桿是主動件，蝸輪是從動件。,蝸桿傳動廣泛應用于各種機器和儀器中。,12-1 蝸桿傳動的特點和類型,一、蝸桿傳動的特點,二、蝸桿傳動的類型,2 特點 傳動比大：一般傳動 i=780; 分度

2、機構可達1000 結(jié)構緊湊 傳動平穩(wěn)，噪聲小 效率低 蝸輪齒圈用青銅制造成本高,1 組成和應用 通常二軸交角90 蝸桿主動，蝸輪被動,蝸桿,蝸輪,一、蝸桿傳動的特點,環(huán)面蝸桿 錐蝸桿,按蝸桿整體形狀分： 圓柱蝸桿,二、蝸桿傳動的類型,圓柱蝸桿按其螺旋面的形狀分為：,阿基米德蝸桿,漸開線蝸桿,圓柱蝸桿傳動,1、蝸桿的形狀,2、蝸桿的旋向,蝸桿有左、右旋之分，常用的是右旋蝸桿。,3、蝸桿的制造精度（參看P183）,漸開線蝸桿(ZI蝸桿) 法向直廓蝸桿(ZN蝸桿) 錐面包絡蝸桿(ZK蝸桿) 圓弧面蝸桿(ZC蝸桿),按螺旋面形狀分 阿基米德蝸桿(ZA蠅桿),軸面呈齒條（直廓）,阿基米德螺旋線,刃面過軸

3、面,漸開線,車刀切削刃夾角 2040,圓柱蝸桿傳動,環(huán)面蝸桿,錐蝸桿,122 圓柱蝸桿傳動的主 要參數(shù)和幾何尺寸,一、圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù),二、圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算,一、正確嚙合條件,旋向相同, 即蝸桿、蝸輪同為左旋，或同為右旋,在中間平面內(nèi),一、圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù),1、 模數(shù) m 和壓力角,蝸輪加工 滾刀滾制，滾刀幾何參數(shù)同相配蝸桿,正確嚙合條件：,ma1 = mt2 = m,a1 = t2 = = 20,蝸桿軸向模數(shù),蝸輪端面模數(shù),標準模數(shù),蝸桿軸向壓力角,蝸輪端面壓力角,中間（主）平面 ,通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面。,a下標表示軸向參數(shù),t下標表示端面參數(shù),模數(shù),ma

4、1 = mt2=m,從主平面看，蝸桿齒形是標準齒條齒形，蝸輪齒形是漸開線齒輪齒形 嚙合傳動類似于齒輪齒條運動,壓力角,GB/T 10088-88規(guī)定： 阿基米德蝸桿：a=20 動力傳動： a=25 分度傳動：a=12、15,從主平面看，蝸桿齒形是標準齒條齒形，蝸輪齒形是漸開線齒輪齒形 嚙合傳動類似于齒輪齒條運動, 蝸桿導程角與蝸輪螺旋角之關系,=90 時： =,且旋向相同,z1 = 1 、2、 4,2、 蝸桿頭數(shù) z1、蝸輪齒數(shù) z2 及傳動比 i （P184）,i = n1/n2 = z2/z1,= d2 / d1 ?, d2 / d1,但 z1 少，效率低,要得到大傳動比時?。?z1 =

5、1,z1 過多,制造困難,z2 = i z1=26 80,常取 z2 = 32 63,為提高效率可取： z1 1,3、 蝸桿直徑系數(shù) q 及導程角,d1 標準系列值,限制蝸輪滾刀數(shù)量，便于刀具標準化。, d1 = m q,q與導程角之關系：,q = d1 / m,蝸桿直徑系數(shù)：,螺旋線導程,軸向齒距,從整體看，蝸桿蝸輪齒面間的相對運動類似于螺旋傳動 蝸桿的導程角相當于螺紋的螺旋升角,4 分度圓直徑,蝸輪分度圓直徑同齒輪 d2=mz2,蝸桿分度圓標準化，以限制刀具數(shù) d1與模數(shù)相匹配,hf,5 中心距,其余幾何尺寸見表,反映功率大小,由此可見，vs v1、v2,在節(jié)點C處，蝸桿速度為v1 ，蝸輪

6、速度為v2 ，則齒面間沿蝸桿螺旋線方向的相對滑動速度為vs ，有：,6、 齒面間相對滑動速度 vs,在中間平面內(nèi)相當于齒條與齒輪的嚙合,蝸桿傳動設計計算都以中間平面的參數(shù)和幾何關系為準。,二、幾何尺寸計算,中心距 a =(d1+d2)/2 = m(q+z2)/2,其他尺寸計算見P193表12-4,普通圓柱蝸桿傳動與斜齒輪傳動的區(qū)別：,傳動比 i ,齒輪傳動,蝸桿傳動,i = d2 / d1,i d2 / d1,m、 ,法面為標準值,中間平面為標準值, ,1= - 2, =, 旋向相同,d1 ,d1= mnz1/cos,d1=mq,且為標準值,12-3 蝸桿傳動的失效形式、 材料 和結(jié)構,一、蝸

7、桿傳動的失效形式及材料選擇,二、蝸桿和蝸輪結(jié)構,一、蝸桿傳動的失效形式及材料選擇,1、失效形式,齒面點蝕,齒面膠合,齒面磨損和輪齒斷裂等,由于蝸輪材料強度低，失效通常發(fā)生在蝸輪輪齒上。,材料要求：不僅有足夠的強度，減摩、耐磨和抗膠合能力良好。,碳素鋼 45號鋼 調(diào)質(zhì)或淬火,蝸 桿,合金鋼 20Cr、20CrMnTi、40Cr,鑄錫青銅 ZCuSn10P1 適合高速,蝸 輪,鑄鋁青銅 ZCuAl 9Fe3 低速重載,灰鑄鐵 HT200 低速輕載,減摩性好,2、材料選擇,二、蝸桿和蝸輪結(jié)構,蝸桿結(jié)構,蝸桿絕大多數(shù)和軸制成一體，稱為蝸桿軸。,通常為組合式,蝸輪結(jié)構,輪齒部分青銅,輪轂部分鋼,12-4

8、 圓柱蝸桿傳動的受力分析,1、確定蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向,2、蝸桿與蝸輪作用力判斷,1、確定蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向,蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向與蝸桿的旋向和蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向有關。,方法：,左右手定則,左旋蝸桿用左手定則判斷,右旋蝸桿用右手定則判斷,判斷時把蝸桿看成螺桿，蝸輪看成螺母,用右手定則判斷,1、四指彎曲與蝸桿轉(zhuǎn)動方向一致。,2、拇指的指向為蝸桿所受軸向力的方向。 （渦輪轉(zhuǎn)向與該方向相反）,用左手定則判斷,左旋蝸桿,2、蝸桿與蝸輪受力分析,圓周力Ft1,蝸桿傳動的受力分析同斜齒輪相似。,齒面上的法向力Fn分解成三個相互垂直的分力，分別為：,軸向力 Fa1,徑向力 Fr1,蝸桿,蝸輪,圓周力Ft2,軸向力 Fa2,徑向

9、力 Fr2,各力方向：,1、蝸桿上的圓周力Ft1起阻力作用，其方向與蝸桿回轉(zhuǎn)方向相反。 蝸輪上的圓周力Ft2起驅(qū)動作用，其方向與蝸輪回轉(zhuǎn)方向相同。,2、徑向力Fr分別指向各自的圓心。,3、蝸桿軸向力Fa1 ，按“左、右手定則”來判斷。 蝸輪軸向力Fa2與蝸桿圓周力Ft1方向相反。,各力關系：,各力大?。?125 圓柱蝸桿傳動的 強度計算,失效形式及設計準則,2 設計準則主要考慮蝸輪 開式齒輪傳動：齒面磨損、輪齒折斷 保證齒根疲勞強度 閉式齒輪傳動：齒面膠合、點蝕 按齒面接觸疲勞強度設計，齒根疲勞強度校核 另外，還應作熱平衡計算,1 失效形式 失效：膠合、磨損、點蝕、齒根折斷蝸輪輪齒 開式齒輪傳

10、動：齒面磨損、輪齒折斷 閉式齒輪傳動：齒面膠合、點蝕 由于蝸輪材料強度低，失效通常發(fā)生在蝸輪輪齒上,一、齒面接觸疲勞強度計算,1）強度計算主要針對蝸輪輪齒（材料原因）,2）中間平面內(nèi)相當于齒條與齒輪嚙合， 蝸輪類似斜齒輪,特點：,因此， 蝸輪輪齒的強度計算與斜齒輪相似，,其強度公式可仿照斜齒輪的計算方法推導,設計公式 ,說明：,m2d1求出后，查表6-1選擇合適的 m、d1,如：m2d14800，則 m8 、 d1 80,說明： 由于齒形的原因，通常蝸輪輪齒的彎曲強度比接觸強度大得多 故在受強烈沖擊、z2特多或開式傳動中計算彎曲強度才有意義,校核公式： 設計公式：,二、輪齒的彎曲強度,12-6

11、 圓柱蝸桿傳動的效率、 潤滑和熱平衡計算,一、圓柱蝸桿傳動的效率,二、圓柱蝸桿傳動的潤滑,三、圓柱蝸桿傳動的熱平衡計算,一、圓柱蝸桿傳動的效率, = 123,與齒輪傳動類似：,230.950.97,輪齒嚙合的功率損耗,軸承中摩擦損耗,攪動箱體內(nèi)潤滑油的油阻損耗,嚙合效率類似于螺旋副：,故：,設計之初， 未知，可按 z1 初選：,由上式可知，z1 ,z1 = 1 時， = 0.70.75,z2 = 2 時， = 0.750.82,z2 = 4 時， = 0.870.92,當時，蝸桿傳動具有自鎖性，但效率很低 0.5。,閉式傳動：,二、圓柱蝸桿傳動的潤滑,一般情況下，采用浸油潤滑,vs 很大時，采用噴油潤滑,v