哈工大 機(jī)械設(shè)計(jì) 教材第七章 蝸桿傳動(dòng)

蝸桿傳動(dòng)概述蝸桿傳動(dòng)是一種在空間交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。7.1蝸桿傳動(dòng)的概述第七章蝸桿傳動(dòng)組成演化1．單級(jí)傳動(dòng)比大，機(jī)構(gòu)緊湊，一般為i=8~80，大的可達(dá)1000；

2．重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；4．齒面間相對(duì)滑動(dòng)速度大，摩擦損失較大3．傳動(dòng)效率低，一般0.7~0.9。導(dǎo)程角時(shí)，可自鎖。自鎖蝸桿傳動(dòng)效率<0.55．成本高蝸桿傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有：

由于上述特點(diǎn)，蝸桿傳動(dòng)主要用于運(yùn)動(dòng)傳遞，而在動(dòng)力傳輸中的應(yīng)用受到限制。應(yīng)用：*機(jī)床：低速工作臺(tái)、分度*汽車：轉(zhuǎn)向器*冶金：材料運(yùn)輸*礦山：開采設(shè)備*起重運(yùn)輸：提升設(shè)備、電梯、自動(dòng)扶梯阿基米德蝸桿漸開線蝸桿法向直廓蝸桿錐面包絡(luò)圓柱蝸桿蝸桿傳動(dòng)的類型7.1.2蝸桿傳動(dòng)的類型圓柱蝸桿傳動(dòng)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)錐蝸桿傳動(dòng)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)其蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧形的車刀切制而成的。其蝸桿體在軸向的外形是以凹弧面為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面，這種蝸桿同時(shí)嚙合齒數(shù)多，傳動(dòng)平穩(wěn)；齒面利于潤(rùn)滑油膜形成，傳動(dòng)效率較高；同時(shí)嚙合齒數(shù)多，重合度大；傳動(dòng)比范圍大(10~360)；承載能力和效率較高；可節(jié)約有色金屬。當(dāng)導(dǎo)程角γ較大時(shí)這種蝸桿加工不方便，且難于磨削，不易保證加工精度。阿基米德蝸桿材料通常只進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，然后車削，一般用于低速、輕載或不太重要的傳動(dòng)這種蝸桿可以磨削，易保證加工精度，傳動(dòng)效率較其他直齒廓圓柱蝸桿傳動(dòng)高一般用于：蝸桿頭數(shù)多、轉(zhuǎn)速較高、較精密和傳動(dòng)功率較大的傳動(dòng)。這種蝸桿便于磨削，易獲得高精度，應(yīng)用日益廣泛蝸輪齒廓隨相配蝸桿的齒廓而定。在滾齒機(jī)上用蝸輪滾刀加工。蝸輪滾刀與相應(yīng)蝸桿的齒廓一致，但滾刀的齒頂高要比相應(yīng)蝸桿的齒頂高大C*m注意：7.2普通蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)與尺寸

中間平面：通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面阿基米德蝸桿傳動(dòng)在中間平面上的嚙合關(guān)系可以看作直齒齒條和漸開線齒輪之間的嚙合關(guān)系設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)時(shí)，通常取中間平面上的參數(shù)和尺寸作為計(jì)算基準(zhǔn)，并沿用齒輪傳動(dòng)的計(jì)算關(guān)系7.2.1普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及其選擇旋向相同1蝸桿傳動(dòng)的正確嚙合條件及模數(shù)m和壓力角

2蝸桿的分度圓直徑d1和導(dǎo)程角γ

由于蝸輪是用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀配對(duì)加工而成的，為了限制滾刀的數(shù)目，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿分度圓直徑d1。注意：導(dǎo)程角：Pa1——蝸桿軸向齒距γ效率高加工困難、υs、潤(rùn)滑不良時(shí)，磨損加劇在m和d1為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，

z1↑→g↑3蝸桿的頭數(shù)z1

較少的蝸桿頭數(shù)（如：?jiǎn)晤^蝸桿）可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，但傳動(dòng)效率較低；蝸桿頭數(shù)越多，傳動(dòng)效率越高，但蝸桿頭數(shù)過多時(shí)不易加工。通常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4、6。傳動(dòng)比

4中心距和變位系數(shù)x2標(biāo)準(zhǔn)中心距為了配湊中心距或微量改變傳動(dòng)比，或?yàn)榱颂岣呶仐U傳動(dòng)的承載能力及傳動(dòng)效率，采用變位蝸輪變位蝸桿傳動(dòng)只對(duì)蝸輪變位，蝸桿不變位蝸桿傳動(dòng)變位的特點(diǎn)：變位后蝸桿的參數(shù)和尺寸保持不變，只是節(jié)圓不再與分度圓重合；變位后的蝸輪，其節(jié)圓和分度圓卻仍然重合，只是齒頂圓和齒根圓改變了（1）變位前后，蝸輪的齒數(shù)不變:Z2′=Z2而傳動(dòng)中心距改變:a′≠aΧ過大，齒頂變尖；Χ過小會(huì)引起輪齒根切一般取∣x∣≤1

a′≠a（2）變位前后，傳動(dòng)中心距不變a′=a蝸輪的齒數(shù)變化:Z2′≠

Z2當(dāng)正變位時(shí)負(fù)變位時(shí)因?yàn)楱Ox∣≤1

故利用這種方法，可以微量改變蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比5相對(duì)滑動(dòng)速度

S式中：d1--蝸桿分度圓直徑，mmn1--蝸桿的轉(zhuǎn)速，r/min

--蝸桿分度圓上的導(dǎo)程角,度當(dāng)潤(rùn)滑、散熱條件不良時(shí)，υs大會(huì)使齒面磨損和膠合當(dāng)潤(rùn)滑、散熱條件良好時(shí)，υs有利于形成油膜，減小f，減少磨損7.2.2蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算7.3蝸桿傳動(dòng)的失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和材料選擇蝸桿傳動(dòng)的失效形式是齒面膠合、齒面點(diǎn)蝕和齒面磨損失效通常發(fā)生在蝸輪輪齒上蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1按齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件計(jì)算蝸桿傳動(dòng)的承載能力2在選擇許用應(yīng)力時(shí)，適當(dāng)考慮膠合和磨損等失效因素的影響3閉式傳動(dòng)要進(jìn)行熱平衡計(jì)算4必要時(shí)要對(duì)蝸桿軸進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算

7.3.1失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則7.3.2蝸桿和蝸輪的常用材料

為了減摩，通常蝸桿用鋼材，蝸輪用有色金屬（銅合金、鋁合金）。

高速重載的蝸桿常用15Cr、20Cr滲碳淬火，或45鋼、40Cr淬火。

低速中輕載的蝸桿可用45鋼調(diào)質(zhì)。

蝸輪常用材料有：鑄造錫青銅、鑄造鋁青銅、灰鑄鐵等。蝸桿和蝸輪的材料要求：足夠的強(qiáng)度、良好的減摩性耐磨性和跑合性能錫青銅減摩性、耐磨性最好，抗膠合能力最強(qiáng)，但強(qiáng)度較低，價(jià)格較高，用于的重要傳動(dòng)。主要失效形式是疲勞點(diǎn)蝕鋁青銅（無錫青銅）有足夠的強(qiáng)度，價(jià)格便宜，但是減摩性、耐磨性和抗膠合能力較錫青銅差用于的一般傳動(dòng)主要失效形式是膠合灰鑄鐵用于的低速或手動(dòng)傳動(dòng)中7.4普通蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算7.4.1蝸桿傳動(dòng)的受力分析和計(jì)算載荷

蝸桿傳動(dòng)的受力分析與斜齒圓柱齒輪的受力分析相同，輪齒在受到法向載荷Fn的情況下，可分解出徑向力Fr、圓周力Ft、軸向力Fa。

在不計(jì)摩擦力時(shí)，有以下關(guān)系：力的方向：確定圓周力Ft及徑向力Fr的方向的方法同外嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)，而軸向力Fa的方向則可根據(jù)相應(yīng)的圓周力Ft的方向來判定，即Fa1與

Ft2方向相反，

Ft1與

Fa2的方向相反。也可按照主動(dòng)件左右手定則來判斷。力的方向判斷例題2蝸桿傳動(dòng)的計(jì)算載荷計(jì)算載荷=名義載荷*載荷系數(shù)K式中KA—使用系數(shù)，查表7-4

K

—?jiǎng)虞d荷系數(shù)見P156

K

—齒向載荷分布系數(shù)見P1577.4.2蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的校核公式為：設(shè)計(jì)公式為：MPa式中ZE—彈性系數(shù)，對(duì)于青銅或鑄鐵蝸輪與鋼制蝸桿配對(duì)時(shí)，取—蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力，MPa蝸輪的確定：1當(dāng)蝸輪材料σB<300MPa的錫青銅時(shí)，失效形式主要是疲勞點(diǎn)蝕應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=107時(shí)，蝸輪材料的基本許用接觸應(yīng)力。查表7.5KHK為壽命系數(shù)N的取值范圍2當(dāng)蝸輪材料的青銅或鑄鐵時(shí)，失效形式主要是膠合查表7.67.5普通蝸桿傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑與熱平衡7.5.1蝸桿傳動(dòng)的效率h1─嚙合效率；h2─軸承效率；h3─濺油效率；h1是對(duì)總效率影響最大的因素，可由下式確定：所以Z1↑→γ↑→η↑效率與蝸桿頭數(shù)的大致關(guān)系為：蝸桿頭數(shù)１２４６總效率0.70

0.80

0.90

0.95式中：g－蝸桿的導(dǎo)程角；

ρ、－當(dāng)量摩擦角。

常?。簩?dǎo)程角后效率變化不大

7.5.2蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑

潤(rùn)滑的目的：防止膠合和磨損、提高效率開式：定期涂潤(rùn)滑脂閉式：浸油或噴油

潤(rùn)滑油潤(rùn)滑油的種類很多，需根據(jù)蝸桿、蝸輪配對(duì)材料和運(yùn)轉(zhuǎn)條件選用。

潤(rùn)滑油粘度及給油方式

一般根據(jù)相對(duì)滑動(dòng)速度及載荷類型進(jìn)行選擇。給油方法包括：油池潤(rùn)滑、噴油潤(rùn)滑等，若采用噴油潤(rùn)滑，噴油嘴要對(duì)準(zhǔn)蝸桿嚙入端，而且要控制一定的油壓。

潤(rùn)滑油量

潤(rùn)滑油量的選擇既要考慮充分的潤(rùn)滑，又不致產(chǎn)生過大的攪油損耗。對(duì)于下置蝸桿或側(cè)置蝸桿傳動(dòng)，浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個(gè)齒高；當(dāng)蝸桿上置時(shí)，浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤(rùn)滑與熱平衡37.5.3蝸桿傳動(dòng)的熱平衡

由于傳動(dòng)效率較低，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的蝸桿傳動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量。如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散去，則系統(tǒng)的熱平衡溫度將過高，就會(huì)破壞潤(rùn)滑狀態(tài)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)一步惡化。系統(tǒng)因摩擦功耗產(chǎn)生的熱量為：自然冷卻從箱壁散去的熱量為：在熱平衡條件下可得：可用于系統(tǒng)熱平衡驗(yàn)算，一般t≤70~80℃

可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Ks－箱體表面的散熱系數(shù)，根據(jù)通風(fēng)情況選?。籄－箱體的可散熱面積(m2)；t－潤(rùn)滑油的工作溫度(℃)；t0－環(huán)境溫度(℃)。

P1—蝸桿傳遞的功率普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤(rùn)滑與熱平衡4蝸桿傳動(dòng)的散熱措施當(dāng)自然冷卻的熱平衡溫度過高時(shí)，可采用以下措施：1.加散熱片以增大散熱面積或在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇以加速空氣流通。

普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤(rùn)滑與熱平衡52.加冷卻管路或散熱器冷卻。傳動(dòng)箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管路傳動(dòng)箱外裝循環(huán)冷卻器

圓柱蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17.6蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)7.6.1蝸桿的結(jié)構(gòu)

蝸桿螺旋部分的直徑不大，所以常和軸做成一個(gè)整體。當(dāng)蝸桿螺旋部分的直徑較大時(shí)，可以將軸與