机械设计蜗杆传动设计NPPT课件

第四章 蜗杆传动设计 内容 蜗杆传动的类型及其特点蜗杆传动的类型及其特点 普通圆柱蜗杆传动的主要普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸参数及几何尺寸 蜗杆传动的失效形式和设蜗杆传动的失效形式和设计准则计准则 材料及许用应力材料及许用应力 普通圆柱蜗杆传动的受力普通圆柱蜗杆传动的受力分析、强度条件分析、强度条件 蜗杆传动的效率和热平衡蜗杆传动的效率和热平衡计算计算第1页/共37页1. 1. 类型类型 一、蜗杆传动的类型及其特点 a ）圆柱蜗杆传动 b）环面蜗杆传动 c）锥蜗杆传动 第2页/共37页 阿基米德蜗杆（ZA蜗杆） 渐开线蜗杆 （ZI蜗杆） 法向直廓蜗杆（ZN蜗杆） 锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）(1) 普通圆柱蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动多用直母线刀刃加工（ZK蜗杆除外）第3页/共37页阿基米德蜗杆（ZA蜗杆） 车刀切削平面通过蜗杆轴线 轴向剖面为直线齿廓 导程角大时加工不易,3 双刀加工 精度低， 中小载荷， 使用逐渐减少第4页/共37页法向直廓蜗杆（ZN蜗杆） 端面齿廓为延伸渐开线 法面齿廓为直线 加工简单，可用铣、磨削 用于多头精密蜗杆传动第5页/共37页渐开线蜗杆（ZI蜗杆） 相当于少齿数、大螺旋角斜齿轮 效率高 传递功率较大 端面齿廓为渐开线 可磨削 用于头数较多，较精密传动第6页/共37页锥面包络蜗杆（ZKZK蜗杆） 端面齿廓近似为阿基米德螺旋线 蜗杆加工容易，且可磨削 承载能力、效率较高 传动比范围大，一般10360 国家标准推荐使用 第7页/共37页(2) 圆弧圆柱蜗杆传动 圆弧车刀刀刃平面通过蜗杆轴线 中间平面上蜗杆齿廓凹弧形，蜗轮齿廓凸弧形 承载能力较普通型高50150% 传动效率达90%目前正推广第8页/共37页2. 特点 从运动关系看，蜗杆传动相当于螺母与螺杆传动 传动比大 i = 1080、传动平稳 有自锁性 ( 蜗杆升角80)80)：齿面接触强度条件齿面接触强度条件HPH轮齿弯曲强度条件轮齿弯曲强度条件FPF控制温升：控制温升：热平衡计算热平衡计算轮齿轮齿折断折断控制折断：控制折断：轮齿弯曲强度条件轮齿弯曲强度条件FPF 注注 蜗杆主要是控制轴的变形蜗杆主要是控制轴的变形三、蜗杆传动的失效形式和设计准则第15页/共37页1. 1. 材料及热处理材料及热处理 蜗杆蜗轮材料组合：蜗杆蜗轮材料组合： 碳素钢：碳素钢： 4545、合金钢：合金钢： 40Cr40Cr、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、热处理热处理调质：调质：减摩减摩 耐磨耐磨 抗胶合抗胶合蜗杆蜗杆材料材料45 45 调质调质 ( (硬度硬度 350HBS)350HBS)淬火：淬火：40Cr40Cr表面淬火表面淬火(4555HRC) (4555HRC) 20Cr20Cr渗碳淬火渗碳淬火(5863HRC) (5863HRC) 蜗轮蜗轮容易产生胶合容易产生胶合灰铸铁灰铸铁铝铁青铜铝铁青铜 铸锡磷青铜铸锡磷青铜 价廉价廉价昂价昂 抗胶合差抗胶合差 强强 sv按按sv选材选材 sm /2sm /4sm /25材料材料sv四、材料及许用应力第16页/共37页2. 2. 许用应力许用应力 (1) (1) 许用接触应力许用接触应力 传动的承载能力取传动的承载能力取决于蜗轮的接触强度决于蜗轮的接触强度 蜗轮为蜗轮为的青铜时的青铜时MPab300NHPHPZ寿命系数寿命系数 8710NZN应力循环次数应力循环次数 tnN260 传动的承载能力取决传动的承载能力取决于蜗轮的抗胶合能力于蜗轮的抗胶合能力 蜗轮为铸铁或蜗轮为铸铁或 的青铜时的青铜时 MPab300与材料组合及与材料组合及 有关有关 HPsv第17页/共37页(2) (2) 许用弯曲应力许用弯曲应力NFPFPY9610NYN寿命系数寿命系数 tnN260应力循环次数应力循环次数第18页/共37页1. 1. 受力分析受力分析 (1) (1) 力的分解力的分解 以蜗杆为对象以蜗杆为对象 法面内：法面内： nF切面内：切面内： 径向力径向力 1rFF圆周力圆周力 1tF轴向力轴向力 1aF(2) (2) 力的关系力的关系21atFF21taFF21rrFF五、普通圆柱蜗杆传动的强度条件F第19页/共37页(3) (3) 力的方向力的方向圆周力圆周力径向力径向力蜗杆上蜗杆上与转向相反与转向相反蜗轮上蜗轮上与转向相同与转向相同1tF2tF和和指向各自的轮心指向各自的轮心1rF2rF同同直直齿齿轮轮轴向力：轴向力： 左旋蜗杆用左手法则左旋蜗杆用左手法则右旋蜗杆用右手法则右旋蜗杆用右手法则蜗杆上蜗杆上用左右手法则判定用左右手法则判定1aF同同斜斜齿齿轮轮(4) (4) 力的大小力的大小11122dTFFta22212dTFFtatgFFFtrr212112212nTnTPP输入功率输出功率iTT12第20页/共37页蜗杆轴向力与蜗轮转向第21页/共37页利用赫兹公式、考虑蜗杆传动特点利用赫兹公式、考虑蜗杆传动特点2 2齿面接触疲劳强度条件齿面接触疲劳强度条件 校核式：校核式： 弹性系数弹性系数 铜或铸铁蜗轮铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆组合时与钢蜗杆组合时 )(922122MPazdmTKZHPAEHMPaZE160设计式设计式 ：使用系数使用系数 同齿轮传动同齿轮传动)()(9322212mmzZTKdmHPEA第22页/共37页借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点借用斜齿轮弯曲强度公式、考虑蜗杆传动特点 注注 3 3弯曲疲劳强度条件弯曲疲劳强度条件校核式：校核式：设计式设计式 ：)(64. 12122MPaYYzdmTKFPFaAF)(64. 132212mmYYZTKdmFaFPA(1) (1) 蜗轮蜗轮 按按查表查表FaY3coszzv(2) (2) 蜗轮蜗轮 01401Y(3) (3) 计算出计算出 值、按表选标准值、按表选标准12dmmd 、1值值第23页/共37页1. 1. 蜗杆传动的效率蜗杆传动的效率 (1) (1) 效率效率搅油损耗效率搅油损耗效率轴承摩檫损耗效率轴承摩檫损耗效率轮齿啮合檫损耗效率轮齿啮合檫损耗效率(2) (2) 提高效率的途提高效率的途径径蜗杆制造困难蜗杆制造困难 321)(1Vtgtg效率效率)()96. 095. 0(Vtgtg)(11dmztg1zV028一般一般采用减摩性好的材料，如青铜采用减摩性好的材料，如青铜蜗杆放在高速级蜗杆放在高速级1vSvV滚滚动动蜗蜗杆杆传传动动六、蜗杆传动的效率和热平衡计算第24页/共37页2. 2. 热平衡计算热平衡计算发热发热)1 (10001P散热散热)(01ttAKt计算式计算式PtttAKPt011)1 (1000环境温度、一般取环境温度、一般取20200 0工作温度工作温度许用工作温度、许用工作温度、一般取一般取60600 0 70700 0散热面积散热面积散热系数散热系数冷却措施冷却措施增加散热面积增加散热面积 ( (增大箱体、加散热片增大箱体、加散热片) )提高散热系数提高散热系数 ( (冷却油温冷却油温) )的估值的估值1z 1 2 3 4 1 2 3 40.7 0.8 0.85 0.90.7 0.8 0.85 0.9第25页/共37页散热措施第26页/共37页润滑方式及浸油深度第27页/共37页结构形式第28页/共37页试确定： (1)各轴的回转方向(画在图上)； (2)考虑中间轴上所受轴向力能抵消一部分，定出蜗轮、蜗杆的螺旋线方向(画在图上)； (3)画出蜗轮、蜗杆的轴向分力方向。第29页/共37页1) 1) 材料、热处理材料、热处理蜗杆材料及热处理蜗杆材料及热处理 40Cr 40Cr 表面淬火后磨削表面淬火后磨削蜗轮转速蜗轮转速73.5 73.573.5 73.5min)/(2rninn/12蜗轮应力循环次数蜗轮应力循环次数tnN260N71029. 571029. 50.81 0.810.81 0.81NZ蜗轮寿命系数蜗轮寿命系数87/10NZN设计内容设计内容 设计依据设计依据 方案方案 1 方案方案 2 许用接触应力许用接触应力)(MPaHPNHPHPZ194.4 121.5194.4 121.5蜗轮材料蜗轮材料 ZCuSn10P1ZCuSn10P1 ZCuSn5Pb5Zn5 ZCuSn5Pb5Zn5 砂模铸造砂模铸造 砂模铸造砂模铸造 实例：实例：闭式普通圆柱蜗杆传动，平稳载荷、工作寿命闭式普通圆柱蜗杆传动，平稳载荷、工作寿命 5 5 年、年、8 8 h h / /天、天、20min/14701911irnkWP表表4-54-5240 150240 150蜗轮基本许用接触蜗轮基本许用接触应力应力)(MPaHP蜗轮工作小时蜗轮工作小时 12000 1200012000 12000)(ht83005t第30页/共37页2) 确定有关参数确定有关参数使用系数使用系数AK 表表3-4 1.1 1.1初估传动效率初估传动效率0.82 0.82)( MPaZE弹性系数弹性系数160 160 3) 接触强度设计接触强度设计12dm计算计算值值)(3mm22212)/(9HPEAzZTKdm8485 2172112dm取取标准值标准值)(3mm表表4-19000 2187510 12.5)(mmm模数模数表表4-1设计内容设计内容 设计依据设计依据 方案方案 1 方案方案 2表表4-1蜗杆分度圆直径蜗杆分度圆直径)(1mmd90 140蜗轮分度圆直径蜗轮分度圆直径)(2mmd22mzd400 500蜗杆头数蜗杆头数2 21z411z蜗轮齿数蜗轮齿数40 402zizz12蜗轮转矩蜗轮转矩2024340 2024340)(2NmmT1162/1055. 9niPT第31页/共37页中心距中心距)(mma)(5 . 021dda245 320设计内容设计内容 设计依据设计依据 方案方案 1 方案方案 2蜗轮圆周速度蜗轮圆周速度1.54 1.9260000/222dnv)/(2smv导程角导程角123144)/(11dmztgarc10729滑动速度滑动速度7.1 10.9)cos60000/(11dnvS)/(smvS与选材时与选材时假定相符假定相符与选材时与选材时假定相符假定相符当量摩擦角当量摩擦角V120110表表4-8总效率总效率)(/95.0vtgtg0.855 0.85与初选效与初选效率时相符率时相符与初选效与初选效率时相符率时相符第32页/共37页小结 蜗杆的分度圆直径与模数的关系，引入直径系数的目的 要保证正确啮合，蜗杆的导程角和蜗轮的螺旋角的关系 影响蜗杆传动效率的主要参数 蜗杆传动的主要失效形式 为了减摩抗胶合，如何选择蜗杆和蜗轮的材料 蜗杆传动的受力分析。 蜗杆传动热平衡计算的目的第33页/共37页各力关系：各力关系：21atFF21taFF各力方向：各力方向：Ft、Fr 同斜齿轮同斜齿轮Fa用主动轮左右手定则判断，一般蜗杆主动。用主动轮左右手定则判断，一般蜗杆主动。21rrFFFa1Ft2Ft1Fa2n1Fr2Fr1n2n1各力应画在受各力应画在受力点上力点上12第34页/共37页 已知：蜗轮右旋，顺时针旋转 求：（1）蜗杆的螺旋线方向；（2）蜗杆的转向；（3）为使第轴上的轴向力互相抵消，斜齿轮2的螺旋线方向；（4）在图中标出各轮轴向力Fa和圆周力Ft的方向。 1234n4第35页/共37页作业：4-3 4-5第36页/共37页感谢您的观看。第37页/共37页