蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)

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1、第12章 蝸桿傳動 基本內(nèi)容：類型、應(yīng)用、失效形式、材料選擇、力的分析、強(qiáng)度計(jì)算、效率、潤滑和熱平衡計(jì)算等。 基本要求：掌握蝸桿傳動的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算、了解熱平衡原理和計(jì)算方法、蝸桿傳動的類型、特點(diǎn)等。 學(xué) 時(shí)：課堂教學(xué)：3學(xué)時(shí)。 第一講 12-1 概述 一、 特點(diǎn)和應(yīng)用 在大多數(shù)情況下，兩軸在空間是互相垂直的，軸交角∑＝90。 廣泛應(yīng)用在機(jī)床、汽車、儀器、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械以及其他機(jī)械制造部門。 ▲結(jié)構(gòu)組成：蝸桿—— 一般為主動件 蝸輪—— 根據(jù)蝸桿與蝸輪的相互位置：——上置蝸桿傳動

2、 ——下置蝸桿傳動 ——旁置蝸桿傳動 ▲特點(diǎn)： 1） 能得到很大的單級傳動比。 2） 結(jié)構(gòu)緊湊 3） 工作平穩(wěn)、無噪聲、沖擊振動小。 4） 可以實(shí)現(xiàn)自鎖。 缺點(diǎn)： 5） 傳動效率較低—— 一般 η＝0.7～0.9 具有自鎖性能 η≈0.4 6） 需用貴重的減摩材料（如青銅）制造。材料價(jià)格較高。 二、分類 ▲按蝸桿形狀不同可分為三類 ——圓柱蝸桿傳動： ——環(huán)面蝸桿傳動 ——錐蝸桿傳動，見圖 ▲按蝸桿螺旋線方向

3、不同： ——左旋蝸桿 ——右旋蝸桿 ▲按蝸桿頭數(shù)不同： ——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和要求效率較高的場合。 ▲對于圓柱蝸桿傳動：根據(jù)加工時(shí)刀具位置的不同，可以分為三種 1、阿基米德蝸桿： 2、漸開線蝸桿： 3、法向直廓蝸桿： 12-2 圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸 中間平面——通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面 對于阿基米德圓柱蝸桿傳動在中間平面上為齒條與齒輪嚙合傳動。 一、主要參數(shù) 模數(shù)m、壓力角α、蝸桿分度圓直徑d1、蝸桿直徑系數(shù)q、蝸桿導(dǎo)程角

4、γ、螺旋角β。 蝸桿頭數(shù)Z1、蝸輪齒數(shù)Z2、傳動比i、齒速比u、中心距a、變位系數(shù)x。 1、模數(shù)m和壓力角α 在中間平面上 蝸桿的模數(shù)——軸向模數(shù)mx 蝸輪的模數(shù)——端面模數(shù)mt （因蝸桿的軸向齒距px應(yīng)與蝸輪端面齒距pt相等，故mx＝mt＝m為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)） 蝸桿的壓力角——軸向壓力角αx 蝸輪的壓力角——端面壓力角αt （ αx＝αt＝20） 2、蝸桿分度圓直徑d1，亦稱蝸桿中圓直徑。 由于蝸輪的加工，采用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀切制，故 為了蝸輪刀具規(guī)定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，將蝸桿分度圓直徑d1定為標(biāo)準(zhǔn)值。 3、蝸桿直徑

5、系數(shù)q和導(dǎo)程角γ 將蝸桿由分度圓展開，設(shè)蝸桿頭數(shù)為Z1， 則 q＝Z1 / 式中 程角γ角的范圍為3．5～33 ▲ 由于蝸桿傳動的交錯角為90，故γ≤β2 4、蝸桿頭數(shù)Z1、蝸輪齒數(shù)Z2、傳動比i ——蝸桿頭數(shù)Z1 當(dāng)要求反行程自鎖時(shí)，可取Z1＝1。但重載傳動不宜采用單頭蝸桿。 常用的蝸桿頭數(shù)為l、2、4、6。 ——蝸輪齒數(shù)Z2 根據(jù)齒數(shù)比和蝸桿頭數(shù)決定：Z2＝iZ1。 蝸輪齒數(shù)一般取Z2＝32～80齒。 ——傳動比i 因?yàn)槲仐U轉(zhuǎn)一圈，蝸輪轉(zhuǎn) 圈，所以蝸桿傳動的傳動比i和齒數(shù)比u分別為： 5、中心距 a

6、 對于標(biāo)準(zhǔn)蝸桿傳動 ▲蝸桿傳動的正確嚙合條件 模數(shù)相等 壓力角相等 旋向相同 蝸桿的導(dǎo)程角等于蝸輪的螺旋角。 二、圓樁蝸桿傳動的幾何尺寸計(jì)算 圓柱蝸桿傳動的基本幾何尺寸見圖，有關(guān)尺寸的計(jì)算公式見表。 第二講 12-3 蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu) 一、失效形式 蝸桿傳動的失效形式和齒輪傳動類似，但由于蝸輪和蝸桿之間的相對滑動較大，因摩擦產(chǎn)生熱量大，使?jié)櫥蜏囟壬?，潤滑條件變壞，更容易產(chǎn)生膠合和磨粒磨損。 ——對閉式蝸桿傳動，如果不能及時(shí)散熱，往往因膠合而影響其工作 ——對開式蝸桿傳動或潤滑條件

7、不良閉式蝸桿傳動，則磨損就顯得突出 ——在蝸桿傳動中，點(diǎn)蝕通常只出現(xiàn)在蝸輪輪齒上。 二、材料 1、對材料的基本要求： ① 具有足夠的強(qiáng)度 ② 具有足夠的剛度 ③ 其材料的匹配（或組合）上應(yīng)具有良好的減磨性、耐磨性和抗膠合能力。 2、常用材料 ——蝸桿材料： 考慮到蝸桿應(yīng)具有一定強(qiáng)度和剛度要求，一般采用鋼制造。 按材料分：有碳鋼和合金鋼 ① 對高速重載或比較重要的、要求持久性高的動力傳動的蝸桿傳動，采用硬面蝸桿 采用低碳合金鋼：20Cr 、20CrMnTi 等，表面滲碳淬火，表面硬度58 HRC～63HRC 或采用中碳鋼、中碳合金鋼：40 、45、42SIMn等

8、，表面淬火，硬度45 HRC～55 HRC，32CrMo 50CrV ，滲氮 ， 65 HRC～70HRC 在制造時(shí)必須磨削，用氮化鋼滲氮處理的蝸桿可以不磨削，但需要拋光。 ② 受短時(shí)沖擊載荷的蝸桿，中低速、中等載荷的蝸桿傳動，用調(diào)質(zhì)蝸桿 45 、40Cr、 40CrNi 、42CrMo等，調(diào)質(zhì)，硬度 ＜270 HB ③ 蝸輪直徑很大時(shí)，也可以采用青銅蝸桿，蝸輪則用鑄鐵。 ——蝸輪材料，通常是指蝸輪齒冠部分的材料。 鑒于與蝸桿材料之間的匹配關(guān)系，主要有以下幾種： ① 青銅 ZCusnl0PI——砂型鑄造；（10—l鑄錫青銅）——離心鑄造 ZCusnl0

9、ZnZ——砂型鑄造；（l—2鑄錫青銅）——離心鑄造 錫青銅的特點(diǎn)：其強(qiáng)度極限小于 300 MPa，減摩性，耐磨性、抗膠合性能好，但價(jià)格較高。適用與滑動速度Vs 12～15 m / s的重要傳動中。 無錫青銅的特點(diǎn)：其強(qiáng)度極限大于 300 MPa，機(jī)械性能較高，耐沖擊，但抗膠合性能較差（容易發(fā)生膠合），價(jià)格較低，適用與滑動速度Vs 小于 6 m / s的傳動中。 ② 黃銅 抗點(diǎn)蝕強(qiáng)度高，但磨損性能差，宜用于低滑動速度場合。 ③ 灰鑄鐵 HT300 球墨鑄鐵 QT800－2 適用于滑動速度Vs 小于 2m / s的工況。， 直徑較大的蝸輪常用鑄鐵。 三、蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)

10、 蝸桿——通常與軸做成整體，常見的蝸桿結(jié)構(gòu)例見圖 a圖 結(jié)構(gòu)既可以車制，也可以銑制，b圖 結(jié)構(gòu)只能銑制。 蝸輪——可制成整體的或組合的。 12-4 圓柱蝸桿傳動受力分析 與斜齒輪相似，蝸桿傳動中作用在齒面上的法向壓力Fn仍可分解為圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa。 顯然，作用于蝸桿上的軸向力等于蝸輪上的圓周力； 蝸桿上的圓周力等于蝸輪上的軸向力； 蝸桿上的徑向力則等于蝸輪上的徑向力。 這些對應(yīng)力的數(shù)值相等，方向彼此相反。 已知：T1、T2、d1、d2 作用于蝸輪輪齒上的圓周力Ft2、軸向力Fa2、徑向力Fr2分別為：

11、 式中 ： 第三講 12-5 圓柱蝸桿傳動的強(qiáng)度計(jì)算 蝸桿傳動的強(qiáng)度計(jì)算與齒輪傳動一樣，其計(jì)算的理論依據(jù)同齒輪傳動相同。 蝸輪齒面接觸強(qiáng)度的計(jì)算—— 仍以赫之公式為理論計(jì)算基礎(chǔ)。 ——對于鋼制蝸桿和青銅或鑄鐵蝸輪 校核式 設(shè)計(jì)式 許用應(yīng)力的確定： ——當(dāng)蝸輪材料為錫青銅制造時(shí)，蝸輪的失效形式主要是疲勞點(diǎn)蝕 其許用應(yīng)力由表12-4確定 ——當(dāng)蝸輪材料為無錫青銅或鑄鐵制造時(shí)，蝸輪的失效形式主要是膠合（不屬于疲勞性質(zhì)） 其許用應(yīng)力由表12-5確定 1

12、2-6 圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計(jì)算 一、蝸桿傳動的效率 閉式蝸桿傳動的效率與齒輪傳動的效率類似，即 式中：η1——傳動嚙合效率； η2——油的攪動和飛濺損耗時(shí)的效率； η3——軸承效率。 蝸桿主動總效率： 式中 ρ’——當(dāng)量摩擦角?？筛鶕?jù)滑動速度由表12—2查取 滑動速度根據(jù)下式計(jì)算： ▲在作初步設(shè)計(jì)時(shí)，蝸桿傳動的總效率可取下列數(shù)值： 對于閉式傳動 Z1=1 η=0．70～0．75 Z1=2 η=0．75～0．82 Z1

13、=4 η=0．87～0．92 對于開式傳動 Z1=1、2 η=0．60～0．70 二、 蝸桿傳動的潤滑 1、潤滑劑的選擇——潤滑油粘度指標(biāo)是選擇潤滑劑的主要依據(jù)，可參考表11—5確定。 2、潤滑方法 蝸桿傳動的潤滑方法主要根據(jù)滑動速度大小確定 Vs＜ 5m/s ——浸油潤滑； 5m/s ＜Vs＜10m/s ——浸油潤滑或壓力噴油潤滑， Vs＞10 m/s ——壓力噴油潤滑 三、蝸桿傳動的熱平衡計(jì)算 由于蝸桿傳動效率低，發(fā)熱量大，若不及時(shí)散熱，會引起油溫升高，潤滑失效，導(dǎo)致輪齒磨損加劇，甚至出現(xiàn)膠合。因此對連

14、續(xù)工作的閉式蝸桿傳動要進(jìn)行熱平衡計(jì)算。 根據(jù)熱功當(dāng)量原理： 傳動的發(fā)熱量為 1000 Pl（1－η） 箱體的散熱量為 αt A（t一to） 根據(jù)熱平衡條件： 單位時(shí)間內(nèi)，蝸桿傳動的發(fā)熱量等于散發(fā)出去的熱量 由此得 1000 Pl（1－η）＝αt A（t一to） △t [△t] 此處：P1——蝸桿傳遞功率； η——傳動效率 （t一to）＝△t——溫度差 ，一般為60～70℃ to——工作環(huán)境溫度，通常取20℃； t——箱體內(nèi)的工作溫度；t＜90℃ αt—一表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，根據(jù)箱體周圍通風(fēng)條件： 一般取αt＝ 10 ～17 W/（m2℃） A——箱體的散熱面積 m2 若油溫過高，達(dá)不到熱平衡的條件，可采取下列措施： ——在不增大箱體尺寸的前提下，設(shè)法增加散熱而積。如增加散熱片等 ——在蝸桿軸端裝設(shè)風(fēng)扇：這是最簡單的強(qiáng)制冷卻的方法。 ——外冷卻壓力噴油潤滑：需配置潤滑油循環(huán)系統(tǒng)。 ——油池內(nèi)安裝冷卻水管。 - 11 -