0 第7章（1-6）蝸桿傳動機械設(shè)計基礎(chǔ)

機械設(shè)計基礎(chǔ)

（PPT課件）

左圖所示為垂直升降電梯外觀圖，右圖所示為臺階式電梯外觀圖。電梯是以電動機作為動力的，曳引電動機通過減速器變速后帶動曳引輪轉(zhuǎn)動，靠曳引繩與曳引輪摩擦產(chǎn)生的牽引力，實現(xiàn)轎廂和對重的升降運動，達到運輸?shù)哪康?。這里所用的減速器應(yīng)該是何種結(jié)構(gòu)的呢？具體應(yīng)具有什么特點呢？第7章蝸桿傳動7.1蝸桿傳動的類型和特點7.2蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸

7.3蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)7.4圓柱蝸桿傳動的設(shè)計計算7.5蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算7.6工程應(yīng)用案例—減速器第7章蝸桿傳動本章知識要點了解蝸桿傳動的常見類型、傳動特點和應(yīng)用場合；掌握蝸桿傳動的幾何尺寸計算；掌握蝸桿傳動的強度計算方法；熟悉蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡。興趣實踐觀察重型機械中所用的蝸桿機構(gòu)，注意其自鎖性能。思考探索蝸桿傳動與交錯軸斜齒輪傳動比較，具有怎樣的優(yōu)點？蝸輪蝸桿減速機發(fā)生發(fā)熱和漏油，可能的原因是什么？第7章蝸桿傳動

蝸桿傳動用于在交錯軸間傳遞運動和動力。如圖所示，蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動件，通常交錯角為90°。蝸桿傳動的類型和特點蝸桿機構(gòu)是由交錯軸斜齒圓柱齒輪機構(gòu)演化而來的，屬于齒輪機構(gòu)的一種特殊類型；特殊在于交錯角為90°、很少。

蝸桿的形狀像圓柱形螺紋，蝸輪形狀像斜齒輪，只是它的輪齒沿齒長方向又彎曲成圓弧形，以便與蝸桿更好地嚙合。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分，分別稱為右旋蝸桿和左旋蝸桿。右旋蝸桿左旋蝸桿蝸桿傳動的類型和特點蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分，分別稱為右旋蝸桿和左旋蝸桿。蝸桿上只有一條螺旋線的稱為單頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，蝸輪轉(zhuǎn)過一齒；蝸桿上有兩條螺旋線，就稱為雙頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，蝸輪轉(zhuǎn)過兩個齒；依此類推，設(shè)蝸桿頭數(shù)為z1（一般z1=1-4），蝸輪齒數(shù)為z2、則傳動比i為單、多頭蝸桿蝸桿傳動的類型和特點一、蝸桿傳動的類型蝸桿傳動種類繁多，常用的蝸桿傳動分類如下：蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動普通圓柱蝸桿傳動圓弧圓柱蝸桿傳動（ZC型）阿基米德圓柱蝸桿傳動（ZA型）漸開線圓柱蝸桿傳動（ZI型）法向直廓蝸桿傳動（ZN型）錐面包絡(luò)圓柱蝸桿傳動（ZK型）蝸桿傳動的類型和特點案例7-1請你設(shè)計一個右圖所示卷揚機用的傳動裝置，要求結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大，請問你會考慮采用哪類機構(gòu)實現(xiàn)？蝸桿傳動的類型和特點二、蝸桿傳動的特點1）傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊。一般動力傳動，i=10~80；在分度機構(gòu)或手動機構(gòu)中，i可達300；若主要是傳遞運動，i可達1000。2）傳動平穩(wěn)，無噪音。因為蝸桿齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時是連續(xù)不斷的，蝸桿齒無嚙入和嚙出的過程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動、噪音小。3）具有自鎖性。當蝸桿的蝸旋升角很小時，蝸桿只能帶動蝸輪傳動，而蝸輪不能帶動蝸桿轉(zhuǎn)動。4）效率較低。5）蝸輪材料較貴。6）不能實現(xiàn)互換。蝸桿傳動的類型和特點盡管蝸桿傳動具有自鎖功能，但為了安全起見，采用蝸桿傳動的卷揚機、起重機械及電梯等都具有額外的制動裝置。由于蝸桿傳動具有上述特點，故一般用于功率不太大，且不作連續(xù)運轉(zhuǎn)的場合。

對于重載，高速和要求精度高的重要傳動，可選用圓弧圓柱蝸桿傳動或平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動；對于速度高，載荷較大，要求精度高的多頭蝸桿傳動，宜選用漸開線圓柱蝸桿傳動，或錐面包絡(luò)蝸桿傳動和法向直廓蝸桿傳動；對于輕載低速的不重要傳動，可選用阿基米德圓柱蝸桿傳動。三、蝸桿傳動的應(yīng)用蝸桿傳動的類型和特點案例7-1分析蝸桿傳動具有單級傳動比大,結(jié)構(gòu)緊湊的有點，且具有自鎖功能，起到安全保護的作用，可以采用蝸桿傳動。蝸桿傳動的類型和特點蝸桿傳動的基本參數(shù)與基本尺寸計算是以中間平面上的參數(shù)與尺寸為基準的。中間平面:通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面。在中間平面上，蝸輪與蝸桿的嚙合相當于漸開線齒輪與齒條的嚙合。蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸1.模數(shù)m和壓力角α一、主要參數(shù)在中間平面內(nèi)，蝸桿與蝸輪的嚙合相當于齒條和齒輪嚙合。因而蝸桿軸向模數(shù)必等于蝸輪端面模數(shù)；蝸桿軸向壓力角必等于蝸輪端面壓力角，即標準規(guī)定壓力角α=20°。模數(shù)m的值應(yīng)符合標準值。蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸2.蝸桿分度圓直徑d1由于蝸輪是用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀配對加工而成的，蝸桿的尺寸參數(shù)與加工蝸輪的蝸輪滾刀尺寸參數(shù)相同，為了限制滾刀的數(shù)目及便于滾刀的標準化，國家標準對每一標準模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)目的標準蝸桿分度圓直徑d1。直徑d1與模數(shù)m的比值(q=d1／m)稱為蝸桿的直徑系數(shù)。蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸案例7-2蝸輪齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)的選取是有限制的呢?還是可以隨意選取?蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸3.蝸桿導(dǎo)程角γ和蝸輪螺旋角β在m和d1為標準值時，z1↑→γ↑正確嚙合時，蝸輪蝸桿螺旋線方向相同，且γ1＝β2。蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸案例7-2蝸輪齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)的選取是有限制的呢?還是可以隨意選取?蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸4.傳動比i、蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2①蝸桿傳動比i②蝸桿頭數(shù)z1較少的蝸桿頭數(shù)（如：單頭蝸桿）可以實現(xiàn)較大的傳動比，但傳動效率較低；蝸桿頭數(shù)越多，傳動效率越高，但蝸桿頭數(shù)過多時不易加工。通常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4。

蝸桿頭數(shù)與傳動效率關(guān)系蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸蝸輪齒數(shù)主要取決于傳動比，即z2=iz1。z2不宜太小（如z2＜26)，否則將使傳動平穩(wěn)性變差。z2也不宜太大，否則在模數(shù)一定時，蝸輪直徑將增大，從而使相嚙合的蝸桿支承間距加大，降低蝸桿的彎曲剛度。

蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)薦用值表③蝸輪齒數(shù)z25.中心距總結(jié)：蝸桿傳動參數(shù)蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸案例7-2分析蝸桿傳動設(shè)計時，蝸桿頭數(shù)越少，傳動比越大；蝸輪齒數(shù)越多，傳動越平穩(wěn)。但是蝸桿蝸輪齒數(shù)的選擇也是有限制的。蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸二、普通圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算見幾何尺寸表三、蝸桿傳動的正確嚙合條件蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸四、蝸桿與蝸輪的轉(zhuǎn)向關(guān)系——左、右手定則蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸若為右旋蝸桿，則用右手判斷（左旋用左手），四指順著蝸桿的轉(zhuǎn)向空握成拳，大姆指所指反向為蝸輪在嚙合點的速度方向。蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸一、蝸桿傳動的相對滑動速度vsv1——蝸桿節(jié)點圓周速度

v2——蝸輪節(jié)點圓周速度

蝸桿蝸輪齒面間相對滑動速度vs

較大的vs引起：1.易發(fā)生齒面磨損和膠合

2.如潤滑條件良好,有助于形成潤滑油膜，減少摩擦、磨損，提高傳動效率

蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)

小思考7-1齒輪傳動時，齒面嚙合點是否也存在相對滑動速度？二、蝸桿傳動的失效形式及設(shè)計準則失效形式蝸桿傳動輪齒的受力情況與齒輪傳動基本相同，因而失效形式相似。蝸桿傳動齒面間具有很大的滑動速度，并且傳動效率低，發(fā)熱量大，所以蝸桿傳動的主要失效形式是蝸輪齒面膠合和磨損。蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)二、蝸桿傳動的失效形式及設(shè)計準則設(shè)計準則在蝸桿傳動中，由于材料和結(jié)構(gòu)上的原因，蝸桿螺旋部分的強度總是高干蝸輪輪齒強度，所以失效常發(fā)生在蝸輪輪齒上。因而，通常只對蝸輪進行承載能力計算。對閉式蝸桿傳動，通常是先按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲強度進行校核，并進行熱平衡計算。對于開式蝸桿傳動，則通常只需按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計計算。蝸桿軸的支撐跨距較大時，進行蝸桿的剛度計算。蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)三、蝸桿和蝸輪的材料選擇要求：1）足夠的強度；2）良好的減摩、耐磨性；3）良好的抗膠合性；因此常采用青銅作蝸輪齒圈，與淬硬磨削的鋼制蝸桿相配。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。蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)錫青銅是指以錫為主要合金元素的青銅。含錫量一般在3～14%之間，主要用于制作彈性元件和耐磨零件。鋁青銅是指含鋁量一般不超過11.5%的青銅，有時還加入適量的鐵、鎳、錳等元素，以進一步改善性能；鋁青銅可熱處理強化，其強度比錫青銅高，抗高溫氧化性也較好。四、蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)1.蝸桿的結(jié)構(gòu)2.蝸輪的結(jié)構(gòu)

整體式

輪箍式（配合式）

螺栓聯(lián)接式

鑲鑄式蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)案例7-3蝸桿傳動的設(shè)計過程可以完全根據(jù)齒輪設(shè)計步驟進行嗎?蝸桿傳動的設(shè)計計算蝸桿傳動的受力分析與斜齒圓柱齒輪的受力分析相同，在不計摩擦力的情況下，輪齒上的法向力Fn可分解為互相垂直的三個分力：圓周力Ft、徑向力Fr、軸向力Fa。蝸桿傳動的設(shè)計計算力的大小

力的方向蝸桿傳動的設(shè)計計算蝸桿傳動的強度計算案例7-3分析蝸桿傳動的設(shè)計過程與齒輪傳動的設(shè)計過程類似，但也有所不同，主要針對蝸輪進行強度設(shè)計計算，一般設(shè)計步驟包括：（1）齒面接觸疲勞強度計算；（2）齒根彎曲疲勞強度校核；（3）蝸桿剛度計算；（4）熱平衡計算。另外，還需要注意自鎖功能。蝸桿傳動的設(shè)計計算一、蝸桿傳動的效率η

1─涉及嚙合摩擦損耗的效率；η

2─涉及軸承摩擦損耗的效率；η

3─涉及濺油損耗的效率；η

1是對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：式中：γ－導(dǎo)程角；

v－當量摩擦角。蝸桿頭數(shù)1246總效率0.700.800.900.95蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡

小思考7-2數(shù)控機床精密分度機構(gòu)的蝸桿傳動機構(gòu)，還需要考慮蝸桿傳動的效率問題嗎？二、蝸桿傳動的潤滑潤滑的主要目的在于減摩與散熱。具體潤滑方法與齒輪傳動的潤滑相近。潤滑油潤滑油粘度及給油方式潤滑油量潤滑油量的選擇既要考慮充分的潤滑，又不致產(chǎn)生過大的攪油損耗。對于下置蝸桿或側(cè)置蝸桿傳動，浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個齒高；當蝸桿上置時，浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。根據(jù)蝸桿、蝸輪配對材料和運轉(zhuǎn)條件選用。詳細介紹一般根據(jù)相對滑動速度及載荷類型進行選擇。給油方法包括：油池潤滑、噴油潤滑等，若采用噴油潤滑，噴油嘴要對準蝸桿嚙入端，而且要控制一定的油壓。詳細介紹蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡三、蝸桿傳動的熱平衡由于傳動效率較低，對于長期運轉(zhuǎn)的蝸桿傳動，會產(chǎn)生較大的熱量。如果產(chǎn)生的熱量不能及時散去，則系統(tǒng)的熱平衡溫度將過高，破壞潤滑狀態(tài)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)進一步惡化。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：αd—箱體表面的散熱系數(shù)，可取αd＝(8.15~17.45)W/(m2?℃)；S

—箱體的可散熱面積(m2)；t0—潤滑油的工作溫度(℃)；ta—環(huán)境溫度(℃)。蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡在熱平衡條件下可得：可用于系統(tǒng)熱平衡驗算，一般[?t]=60~70℃，且t<90℃?？捎糜诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計。蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡四、蝸桿傳動的散熱措施當自然冷卻的熱平衡溫度過高時，可采用以下措施：1.加