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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、強度計算、效率、潤滑和熱平衡計算等。
基本要求:掌握蝸桿傳動的受力分析及強度計算、了解熱平衡原理和計算方法、蝸桿傳動的類型、特點等。
學(xué) 時:課堂教學(xué):3學(xué)時。
第一講
12-1 概述
一、 特點和應(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)用在機床、汽車、儀器、起重運輸機械、冶金機械以及其他機械制造部門。
▲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:
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) 可以實現(xiàn)自鎖。
缺點:
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,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
因為蝸桿轉(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算
圓柱蝸桿傳動的基本幾何尺寸見圖,有關(guān)尺寸的計算公式見表。
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,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:其強度極限小于 300 MPa,減摩性,耐磨性、抗膠合性能好,但價格較高。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:其強度極限大于 300 MPa,機械性能較高,耐沖擊,但抗膠合性能較差(容易發(fā)生膠合),價格較低,適用與滑動速度Vs 小于 6 m / s的傳動中。
② 黃銅 抗點蝕強度高,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 圓柱蝸桿傳動的強度計算
蝸桿傳動的強度計算與齒輪傳動一樣,其計算的理論依據(jù)同齒輪傳動相同。
蝸輪齒面接觸強度的計算—— 仍以赫之公式為理論計算基礎(chǔ)。
——對于鋼制蝸桿和青銅或鑄鐵蝸輪
校核式
設(shè)計式
許用應(yīng)力的確定:
——當(dāng)蝸輪材料為錫青銅制造時,蝸輪的失效形式主要是疲勞點蝕
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,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的效率;
η3——軸承效率。
蝸桿主動總效率:
式中 ρ’——當(dāng)量摩擦角。可根據(jù)滑動速度由表12—2查取
滑動速度根據(jù)下式計算:
▲在作初步設(shè)計時,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算
由于蝸桿傳動效率低,發(fā)熱量大,若不及時散熱,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。
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