垂直与交错轴齿轮传动课件

,机械设计,蜗杆传动,College of Mechanical Engineering Yangtze University,垂直与交错轴齿轮传动,1,垂直与交错轴齿轮传动1,第11章蜗杆传动,11-1,蜗杆传动概述,11-2,蜗杆传动的类型,11-3,普通蜗杆传动的参数与尺寸,11-4,普通蜗杆传动的承载能力计算,11-6,圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计,11-5,蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,2,第11章蜗杆传动11-1蜗杆传动概述11-2蜗杆传,11-1,蜗杆传动,概述,作用：,用于传递交错轴之间的回转运动和动力。,蜗杆主动、蜗轮从动。,90,形成：,若单个斜齿轮的齿数很少,（如,z,1,=1）,而且,1,很大时，轮齿在圆柱体上构成多圈完整的螺旋。,1,1,所得齿轮称为,蜗杆,而啮合件称为,蜗轮。,蜗杆,2,2,蜗轮,3,11-1蜗杆传动 概述 作用：用于传递交错轴之间的回转运,改进措施：,将刀具做成蜗杆状，用范成法切制蜗轮，所得蜗轮蜗杆为,线接触,。,点接触,优点：,传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声小。,分度机构：,i,=1000, 通常,i,=8,80,缺点：,传动效率低、蜗轮齿圈用青铜制造，成本高。,线接触,4,改进措施：将刀具做成蜗杆状，用范成法切制蜗轮，所得蜗轮蜗杆为,1),传动比大，传递动力时i=10,80，分度机构或手动机构可达300，只传递运动时，i可达1000；,2）,结构紧凑，传动平稳，噪声小；,3）当蜗杆导程角,小于齿面间的当量摩擦角,v,时，可以实现自锁；,4）,效率低（0.4,0.9），发热量大；传递功率可达200kW，但一般50kW。,5）,为降低摩擦、减小磨损、提高齿面抗胶合能力，蜗轮齿圈常用贵重铜合金（锡青铜）制造，成本高。,蜗杆传动特点：,5,1) 传动比大，传递动力时i=1080，分度机构或手动机构,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,圆柱蜗杆,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆,锥蜗杆,锥蜗杆传动中，蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋形成的，而蜗轮在外观上就像一个曲线锥齿轮，它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机加工而成的。,6,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆11-2蜗杆传动,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用,直线刀刃,的车刀切制而成，车刀安装位置不同，加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。根据齿廓曲线的不同，普通圆柱蜗杆可分为阿基米德蜗杆（ZA）,渐开线蜗杆（ZI）,法向直廓蜗杆（ZN）和,锥面包络蜗杆（ZK）。,普通圆柱蜗杆,7,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆,圆弧圆柱蜗杆传动与普通圆柱蜗杆传动的区别仅是加工用的车刀为,圆弧刀刃,。,传动特点：,1）,传动效率高，一般可达90%以上；,2）,承载能力高，约为普通圆柱蜗杆的,1.5,2.5,倍；,3）,结构紧凑。,8,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,阿基米德螺线,2,阿基米德蜗杆,单刀加工,阿基米德蜗杆(ZA),9,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,阿基米德蜗杆(ZA),阿基米德蜗杆,双刀加工,阿基米德螺线,10,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,渐开线蜗杆(ZI),渐开线蜗杆,渐开线,基圆,11,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,d,x,延伸渐开线,车刀对中齿厚中心法面,法向直廓蜗杆(ZN),12,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,潘存云教授研制,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,法向直廓蜗杆(ZN),d,x,延伸渐开线,2,车刀对中齿槽中心法面,13,潘存云教授研制类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆(ZK),2,近似于阿基米德螺线,是一种非线性螺旋齿面蜗杆。不能在车床上加工，只能在铣削或磨削，加工时工件作,螺旋运动,，刀具作,旋转运动,。,砂轮,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,阿基米德蜗杆,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,环面蜗杆传动特点：,（1）,传动效率高，一般可达,85%,90%,；,（2）,承载能力高，约为阿基米德蜗杆的,2,4,倍；,（3）,要求制造和安装精度高。,环面蜗杆,15,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,类型,环面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,11-2蜗杆传动的类型,锥蜗杆传动,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,渐开线蜗杆,法向直廓蜗杆,锥面包络圆柱蜗杆,锥蜗杆,阿基米德蜗杆,最常用,16,类型环面蜗杆传动 圆柱蜗杆传动 11-2蜗杆传动的类型锥,d,蜗杆旋向：,左旋、右旋(常用),1,1,精度等级：,对于一般动力传动，按如下等级制造：,v,1,7.5 m/s 7级精度,v,1, 3 m/s 8级精度,v,1,12,m/s时,ZCuSn10P1锡青铜制造。,v,S,12,m/s时,ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜,v,S,8,m/s时,ZCuAl10Fe3铝青铜。,v,S,2,m/s时球墨铸铁、灰铸铁。,29,材料牌号选择高速重载蜗杆：20Cr,20CrMnTi(渗碳淬,三、蜗杆传动的设计准则,* 蜗杆的刚度计算,* 蜗轮的齿根弯曲疲劳强度计算,* 蜗轮的齿面接触疲劳强度计算,为了防止齿面过度磨损引起的失效，应进行,* 传动系统的热平衡计算,为了防止蜗杆刚度不足引起的失效，应进行,为了防止过热引起的失效，就要进行,30,三、蜗杆传动的设计准则 * 蜗杆的刚度计算 * 蜗轮的齿,潘存云教授研制,四、,圆柱蜗杆传动的受力分析,F,t2,F,r2,F,a2,F,t1,F,r1,F,a1,2,法向力可分解为三个分力：,圆周力,F,t,轴向力,F,a,径向力,F,r,且有如下关系：,F,t1,= F,a2,F,r1,= F,r2,F,a1,= F,t2,=2T,1,/,d,1,=2T,2,/,d,2,= F,t2,tan,式中,T,1,、,T,1,分别为作用在蜗杆与蜗轮上的扭矩。,T,2,= T,1,i,1,31,潘存云教授研制四、圆柱蜗杆传动的受力分析Ft2Fr2Fa2F,右旋蜗杆：,伸出左手，四指顺蜗杆转向，则蜗轮的,切向速度,v,p2,的方向与拇指指向相同。,蜗杆主动，蜗轮从动，蜗轮所受切向力与速度方向一致，,正确,判别蜗轮的转向,，对进行力分析至关重要。,左旋蜗杆：,用右手判断，方法一样。,1,1,1,2,p,1,2,p,2,2,v,2,v,2,F,t2,F,a1,F,t2,F,a1,蜗轮的转向可用手势判别：,模型验证,32,右旋蜗杆：伸出左手，四指顺蜗杆转向，则蜗轮的蜗杆主动，蜗轮从,蜗杆传动受力方向的判定:,(3),蜗轮切向力指向与其转动方向一致；蜗轮的切,向力,F,t2,与蜗杆的轴向力,F,a1,大小相等方向相反,；,(4),蜗轮蜗杆所受径向力垂直于各自的轴线， 且,F,r1,=-,F,r2,。,(2),蜗杆切向力,F,t1,指向与其转动方向相反；,蜗,杆的,切向力,F,t1,与蜗轮的轴向力,F,a2,大小相等方向相反,；,(1),蜗杆所受扭矩,T,1,与转动方向,1,一致；,33,蜗杆传动受力方向的判定: (3)蜗轮切向力指向与其转动方向,例2、图示为一标准蜗杆传动，蜗杆主动，转矩,T,1,25N.m，蜗杆轴向模数m=4mm，压力角,20,， 头数,z,1,2，直径d,1,=40mm，蜗轮齿数z,2,54，传动的啮合效率,0.75，试确定：,1）蜗轮的转向及旋向；,2）作用在蜗杆、蜗轮上的力大小及其方向。,34,例2、图示为一标准蜗杆传动，蜗杆主动，转矩34,1）,蜗轮转向顺时针，蜗轮旋向为右旋。,2）,，,35,1）蜗轮转向顺时针，蜗轮旋向为右旋。，35,五、 圆柱蜗杆传动的强度计算,蜗轮齿面接触强度校核公式：,L,0,KF,n,H,=,Z,E,a,3,KT,2,=,Z,E,Z,H,由上式可得设计公式：,蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，仍以赫兹公式为基础。以蜗轮蜗杆的节点处啮合相应参数代入即可。,赫兹公式:,a,KT,2,H,Z,E,Z,2,3,(1)接触强度,36,五、 圆柱蜗杆传动的强度计算蜗轮齿面接触强度校核公式：,K,为载荷系数，取,K,=,K,A,K,v,K,Z, 接触系数：接触线长度和曲率半径对接触强度,的影响系数。,H,许用接触应力按下表选取。,使用系数,K,A,工作类型,I II III,载荷性质,均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击,每小时启动次数,50,起动载荷,小 较 大 大,K,A,1 1.15 1.2,37,K 为载荷系数，取K = KA Kv K Z 接触系,0.2,0.25 0.3 0.35 0.4,0.45 0.5 0.55 0.6,d,1,/,a,3.6,3.2,2.8,2.4,2.0,影响系数,Z,ZC蜗杆,蜗杆传动一般较平稳,动载系数,K,v,，,当,V,2,3 m/s ,K,v,=1,1.1,当,V,2,3 m/s ,K,v,=1.1,1.2,齿向载荷分布系数,K,，当载荷平稳时 ,取,K,=1,当载荷变化时 ,取,K,=1.1,1.6,ZA,ZI,ZN,ZK蜗杆,38,0.2 0.25 0.3 0.35,灰铸铁及铸铝铁青铜蜗轮的,许用接触应力,H,MPa,材 料 滑动速度,v,s,/,(m/s),蜗 杆 蜗 轮,5m/s的场合；,7级精度常用于v45 其他情况 HRC45 HRC45 其它,滑动速度,f,v,v,f,v,v,f,v,v,f,v,v,f,v,v,0.01 0.11 6,17,0.12 6,51,0.18 10,12,0.18 10,12,0.19,10,45,0.10 0.08 4,34,0.09 5,43,0.13 7,24,0.14 7,58 0.16 9,05,0.50 0.055 3,09,0.065 3,43,0.09 5,09,0.09 5,09,0.1 5,43,1.00 0.045 2,35,0.055 3,09,0.07 4,0.07 4,0.09 5,09,2.00 0.035 2,0.045 2,35,0.055 3,09,0.07 4,v,s,/(m/s),3.00 0.028 1360.0,且,蜗杆加工困难, 过大, 28，效率增加很少。,当,v,时，蜗杆具有自锁性，但效率很低，约为,0.4,0.45,。, 28，效率增加很,蜗杆布置与润滑方式,一般采用下置蜗杆，浸油润滑;特殊情况可以采用上置蜗杆，这时如果速度较高可采用喷油润滑。,潘存云教授研制,油泵,冷却器,冷却水,51,蜗杆布置与润滑方式潘存云教授研制油泵冷却器冷却水51,二、蜗杆传动的润滑,若润滑不良，,效率显著降低,早期胶合或磨损,润滑对蜗杆传动而言，至关重要。,润滑油黏度和润滑方法,为了提高抗胶合能力应选用黏度高的润滑油,润滑油,P266表11-20,润滑方式,P266表11-21,52,二、蜗杆传动的润滑若润滑不良，效率显著降低早期胶合或磨,01 02.5 05 510 1015 1525 25,载荷类型,重 重 中 （不限）（不限） （不限）（不限）,900 500 350 220 150 100 80,运动粘度,v/cSt,（40,）,蜗杆传动的相对滑动速度v,s,/(m/s),给油方法,油池润滑,喷油润滑,或,油池润滑,喷油压力 MPa,0.7 2 3,表11-5蜗杆传动的润滑油粘度荐用值及给油方法,53,01 02.5 05 510,当,v,s, 5,10 m/s,时，采用油池浸油润滑。为了减少,搅油损失，下置式蜗杆不宜浸油过深，约为,一个齿高,。,当,v,s, 10,15 m/s,时，采用压力喷油润滑。,当,v,1, 4 m/s,时，采用蜗杆在上的结构。,r,a,/3,一个齿高,54,当vs 510 m/s时，采用油池浸油润滑。为了减少当,三、蜗杆传动的热平衡计算,由于蜗杆传动效率低，发热量大，若不及时散热，会引起箱体内，油温升高，润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合。因此，对连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算,其中,P,1,蜗杆传递的功率；,d,表面散热系数；一般取,d,=8.15,17.45W/(m,2, ),S,散热面积(m,2,), 指箱体外壁与空气接触而内壁被油飞溅到的箱壳面积。对于箱体上的散热片，其散热面积按50%计算。,摩擦损耗产生的热量,H,1,=1000P,1,(1-,),箱璧散发的热量,H,2,=,d,S,(,t,0,-,t,a,),蜗杆传递的效率；,t,0,工作油温，一般取,60,70,t,a,工作环境温度，一般取,20,55,三、蜗杆传动的热平衡计算由于蜗杆传动效率低，发热量大，若不及,由热平衡条件,H,1,=,H,2,得：,t,0,=,t,a,+,d,S,1000,P,1,(1-,),保持工作温度所需散热面积,S,= m,2,d,(,t,0,-,t,a,),1000,P,1,(1-,),当工作油温,t,0, 80 ,或散热面积不足时，应采取散热措施：,（1）,增加散热面积,加散热片；,（2）,提高表面传热系数,在蜗杆轴端加风扇、箱,内装冷却水管、循环油冷却。,56,由热平衡条件H1= H2, 得：t0 = ta+,油泵,冷却器,冷却水,当工作油温,t,0, 80 ,或散热面积不足时，应采取散热措施：,（1）,增加散热面积,加散热片；,（2）,提高表面传热系数,在蜗杆轴端加风扇、箱,内装冷却水管、循环油冷却。,57,油泵冷却器冷却水 当工作油温 t0 80 或,例3、一手动起重卷筒用蜗杆传动，测得中心距a为125mm，模数m为5mm，z,1,1，z,2,40，D140mm，L=100mm，当量摩擦系数,f,v,=0.18，手推力F200N（忽略轴承摩擦）问：,1）在图中画出起吊重物时手柄转向、蜗轮所受三个分力方向，以及蜗轮齿旋向。,2）此机构能否自锁？为什么？,3）能起吊重物的重量W是多少？,4）计算蜗轮上三个分力的大小。,a,58,例3、一手动起重卷筒用蜗杆传动，测得中心距a为125mm，模,1）右旋，如图示。,2）,，故具有自锁性。,4）,3）,啮合效率,重物重量,59,1）右旋，如图示。，故具有自锁性。4）3）啮合效率重物重量5,蜗杆的结构:,通常与轴制成一体,蜗杆轴,12-6 圆柱蜗杆与蜗轮的结构设计,(1)无退刀槽结构：,加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,潘存云教授研制,60,蜗杆的结构:通常与轴制成一体 蜗杆轴12-6 圆柱蜗杆,z,1,=1或2时：,b,1,(11+0.06,z,2,),m,z,1,= 4时:,b,1, (12.5+0.09,z,2,),m,b,1,蜗杆长度,b,1,的确定：,(2) 有退刀槽：,加工螺旋部分时可用车制或铣制的办法。,潘存云教授研制,61,z1=1或2时：b1 (11+0.06z2)m z1=,蜗轮齿宽角,90130,轮圈厚度 C ,1.6m+1.5 mm,轮缘宽度B, 0.75d,a,0.67 d,a,蜗轮顶圆直径,d,e2,d,a2,+2m,d,a2,+1.5m,d,a2,+2m,蜗杆头数Z,1,1 2 4,蜗轮的常用结构,整体式,齿圈式,过盈配合,d,e2,d,e2,d,e2,d,e2,B,B,B,B,c,c,c,螺栓联接式,组合式铸造,拼铸式,骑缝螺钉48个，孔心向硬边偏移=23mm,蜗轮齿宽角,几种机械传动形式的特点比较,几种机械传动的基本特性比较,63,几种机械传动形式的特点比较 几种机械传动的基本特性比较 63,如图所示传动系统：1，2 为蜗杆和蜗轮，3，4 为斜齿圆柱齿轮。已知右旋蜗杆 1 主动，斜齿轮4转动方向如图。为使中间轴上的轴向力能互相抵消一部分，试标出蜗杆1的转动方向和斜齿轮 3，4 的螺旋线方向。,1,2,3,4,1,2,3,4,64,如图所示传动系统：1，2 为蜗杆和蜗轮，3，4 为斜齿圆柱齿,如图所示传动系统：1，2 为蜗杆和蜗轮，3，4 为锥齿轮。已知左旋蜗杆 1 主动，试分析：,（1）为使蜗轮 2 和齿轮 3 所受的轴向力方向相反，试标出图中各轴的转向。,（2）标出 2 轴上两轮所受各分力的方向。,1,2,3,4,1,2,3,4,F,t3,F,r3,F,a3,F,t2,F,r2,F,a2,65,如图所示传动系统：1，2 为蜗杆和蜗轮，3，4 为锥,