武汉理工机械设计第6章蜗杆传动设计ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 蜗杆传动设计,第六章 蜗杆传动设计,1,一蜗杆传动组成,由蜗轮和蜗杆组成,蜗轮,蜗杆,a） 蜗杆下置,b） 蜗杆上置,一蜗杆传动组成由蜗轮和蜗杆组成 蜗轮蜗杆a） 蜗杆下置,2,二蜗杆传动的应用,用于传递空间两交错轴之间的运动和转矩，两轴线之间交错的夹角可以是任意的，但最常用的是两轴在空间相互垂直，轴交角为90。,三本章,主要内容,蜗杆,传动,类型、特点，几何尺寸计算,主要参数及其选择，轮齿受力分析,重点,蜗杆传动承载能力计算 蜗轮轮齿强度、蜗杆刚,度计算,蜗杆传动热平衡计算控制温升，防止胶合破坏,二蜗杆传动的应用三本章蜗杆类型、特点，几何尺寸计算主要参,3,1.结构紧凑，传动比大(动力传动中，,一般单级传动比,i,=880，在分度传,动中，可达1000)，,2. 传动平稳，振动、冲击和噪声均很,小，在一定的条件下具有自锁性等,蜗杆,传动缺点,摩擦发热大，效率比齿轮传动低，只宜用于中、小功率的场合,一蜗杆传动的特点,蜗杆传动优点,6-1,蜗杆传动概述,1.结构紧凑，传动比大(动力传动中， 2. 传动平稳，振动,4,二、蜗杆传动的分类,普通圆柱蜗杆传动,圆弧圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥面蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,n,1,n,2,圆柱蜗杆传动,n,1,n,2,环面蜗杆传动,n,1,n,2,锥蜗杆传动,二、蜗杆传动的分类普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动环面蜗杆传,5,齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀车制的。车刀,安装位置,的不同，所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的,齿廓曲线,也不同,。,一）普通圆柱蜗杆传动,齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀车制的。车,6,2,0,阿基米德螺旋线,直廓,2,0,凸廓,N-N,I-I,1. 阿基米德蜗杆（ZA）,一）普通圆柱,蜗杆传动,蜗杆齿廓特点：,垂直于轴线的剖面,上齿廓为阿基米德,螺旋线；,通过蜗杆轴线的剖,面上为直线齿廓；法向剖面上为外凸齿廓,不便加工，且难于磨削，不易保证精度，用于低速、轻载或不太重要的传动。,20阿基米德螺旋线直廓20凸廓N-NI-I1. 阿基米,7,蜗轮齿廓及,蜗杆蜗轮传动,特点：,蜗轮齿廓,在中间平面上蜗轮齿廓为渐开线,蜗杆蜗轮传动,特点,在中间平面上蜗杆蜗轮的啮合如齿轮、齿,条的啮合关系,阿基米德圆柱蜗杆传动,A,A,中间平面,蜗轮齿廓及蜗杆蜗轮传动特点：蜗轮齿廓在中间平面上蜗轮齿廓,8,2. 渐开线蜗杆（ZI）,蜗杆齿廓特点：,齿面为渐开螺旋面，端面齿廓为渐开线。,一）普通圆柱,蜗杆传动,蜗杆可以磨削，易保证加工精度，用于头数较多、转速较高和较精密的传动。,d,b,渐开线,I-I,凸廓,0,直廓,凸廓,0,I,I,蜗杆可用两把直,线刀刃的车刀在车床,上车制。加工时，两,把车刀的刀刃平面一,上一下与基圆相切，,被切出的蜗杆齿面是,渐开线螺旋面，端面,的齿廓为渐开线。,2. 渐开线蜗杆（ZI）蜗杆齿廓特点：齿面为渐开螺旋面，端,9,3. 法向直廓蜗杆（ZN）,蜗杆齿廓特点：,法面齿廓为直线，端面齿廓为延伸渐开线。,一）普通圆柱,蜗杆传动,蜗杆加工简单，可以磨削，用于多头精密蜗杆传动。,N,N,I,I,I-I,凸廓,2,0,直廓,N-N,d,0,延伸渐开线,车制时刀刃顶面置于螺旋线的法面上，蜗杆在法向剖面上具有直线齿廓，在端面上为延伸渐开线齿廓。,3. 法向直廓蜗杆（ZN）蜗杆齿廓特点：法面齿廓为直线，端,10,二) 圆弧圆柱,蜗杆传动,圆弧圆柱,蜗杆的齿,形分为,轴向剖面为,圆弧形齿廓，用车刀车削,用,环面砂轮,进行磨削。,阿基米德螺旋线,I,I,I-I,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,N-N,N,N,二) 圆弧圆柱蜗杆传动圆弧圆柱轴向剖面为圆弧形齿廓，用车刀车,11,圆弧圆柱,蜗杆,与普通圆柱,蜗杆的区别：,1）在主剖面上蜗杆齿廓为凹弧形，与之配合的蜗轮齿廓,为凸弧形；,2）凹凸弧齿廓啮合传动，接触处的综合曲率半径大，承载,能力高，比,普通圆柱,蜗杆高50,%150%,；,3）瞬时接触线与滑动速度交角大，有利于啮合面间油膜,形成，摩擦小，效率高(可高达0.95)，蜗杆可磨削，精,度高，用于冶金、矿山、化工、起重运输机械。,接触线,v,s,v,t,4 ) 传动中心距难以调整，对中心距误差的敏感性大。,圆弧圆柱蜗杆与普通圆柱蜗杆的区别：1）在主剖面上蜗杆齿廓为凹,12,6-2,普通圆柱蜗杆传动基本参数及几何尺寸计算,一,普通圆柱蜗杆传动的基本参数及,及其选择,b,1,2,d,2,d,f1,d,1,d,a1,p,z,d,f2,d,a2,R,1,R,2,b,2,B,主要参数有：模数m、压力角、蜗杆头数Z,1,、蜗轮齿数Z,2,、,蜗杆直径系数q、蜗杆分度圆柱导程角,等。,6-2 普通圆柱蜗杆传动基本参数及几何尺寸计算 一普通,13,一）,模数m和压力角,蜗杆轴面压力角,x1,=,蜗轮端面压力角,t2,=,标准压力角,=20,A,A,蜗杆轴面模数,m,x1,=,蜗轮端面模数,m,t2,=,标准模数,m,中间平面,一）模数m和压力角蜗杆轴面压力角x1=蜗轮端面压力角t,14,二）蜗杆分度圆直径(又称中圆直径),d,1,和直径系数,q,为了减少蜗轮滚刀的数目，为便于蜗轮滚刀的标准化，,规定,蜗杆直径d,1,为标准值，且与m搭配。 d,1,与,m,的比值称为蜗杆直径系数，用q表示，即：,注意：,由于,d,1,与,m,均为标准值，故q是,d,1,、,m,两个参数的导出值，不一定是整数，,d,1,、,m,、q之间关系见表6-1。,因此，蜗杆分度圆直径,:,蜗杆传动中，为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆具有同样参数的蜗轮滚刀来加工与其配对的蜗轮。,二）蜗杆分度圆直径(又称中圆直径) d1和直径系数q,15,蜗杆分度圆,导程角 蜗杆轮齿的切线与其端面之间的夹角,导程,（,同一条螺旋线上相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）,：p,z,=z,1,p,x,蜗杆轴向齿距,（相邻两齿同侧齿廓之间的轴向距离）,：p,x,=,m,，效率高， 330的蜗杆具有自锁性。,d,1,导程 p,z,p,x,d,1,d,1,导程角与导程的关系,导程角：,p,x,tan,= = = = =,p,z,d,1,z,1,p,x,d,1,z,1,m,d,1,z,1,m,qm,z,1,q,三）蜗杆分度圆柱导程角,蜗杆分度圆导程角 蜗杆轮齿的切线与其端面之间的夹角导程,16,三）传动比,i,、,蜗杆头数Z,1,及蜗轮齿数Z,2,2蜗杆头数Z,1,蜗杆螺旋线数,对结构尺寸：i一定时，Z,1,则Z,2,尺寸，且加工困难,对效率Z,1,时， 其效率,啮,=tan/tan（+,v,）,对自锁Z,1,时，自锁性好,Z,1,影响,考虑传动比i则Z,1,，i时 Z,1,见表6-2,考虑用途对,反行程,有自锁要求的传动取Z,1,=1,考虑效率要求要求,啮,时宜选Z,1,一般取14,Z,1,选,择原则,通常蜗杆传动是以蜗杆为主动的减速装,置，故传动比与齿数比相等，即：,1,传动比,i,注意：,i,= =,n,2,z,1,n,1,z,2,d,1,d,2,=?,i,= =,n,2,z,1,n,1,z,2,= u,d,1,=qm,Z,1,m,三）传动比i、蜗杆头数Z1及蜗轮齿数Z22蜗杆头数Z1 ,17,3. 蜗轮齿数Z,2,具体选择时，还应考虑i,、,z,1,、,z,2,匹配关系,对蜗杆刚度M不变时，Z,2,则d,2,，,对蜗轮加工 Z,2,影响,避免产生根切，与单头蜗杆啮合的蜗轮，其齿数17,增大啮合区提高平稳性，通常规定28（保持两对齿啮合）,为,防止,蜗轮尺寸过大造成蜗杆轴跨距大,降低蜗杆的弯曲刚度, Z,2max, 80 。,Z,2,选,择,蜗杆头数与蜗轮齿数的荐用值,6,传动比,蜗杆头数,蜗轮齿数,3083,1532,716,58,2931,2961,2961,2980,4,2,1,蜗杆轴跨距，刚度,蜗轮轮齿易发生根切,3. 蜗轮齿数Z2具体选择时，还应考虑i、 z1、 z2匹配,18,二. 蜗杆传动的正确啮合条件,当两轴线交错角,=90,时，导程角,应与蜗轮分度圆柱螺旋角,等值且方向相同。,1,=,2,蜗杆传动的正,确啮合条件,O,1,O,1,1,1,O,2,1,=,2,O,1,O,1,O,2,O,2,1,2,二. 蜗杆传动的正确啮合条件当两轴线交错角=90时，导,19,三. 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算,一） 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸,b,1,2,d,f1,d,1,d,a1,p,z,B,d,2,d,f2,d,a2,中间平面,三. 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算 一） 普通圆柱蜗杆传动,20,普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表6-3,注意：,1.,蜗杆分度圆直径：d,1,=qm,Z,1,m,2 .,蜗杆传动的中心距：,a,=0.5（d,1,+d,2,）=0.5m（q+Z,2,）,0.5m（Z,1,+Z,2,）,分度圆直径d,2,喉圆直径d,a,2,根圆直径d,f2,3 . 蜗轮的,指,蜗轮中间,平面上的值,中间平面,d,2,d,f2,d,a,2,普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表6-3注意：1. 蜗,21,6-,3 蜗杆传动的失效形式、设计准则、材料选择,及受力分析,一,蜗杆传动的失效形式及计算准则,一）蜗杆传动的失效形式,蜗杆传动的失效特点,由于材料和结构上的原因，在一般情况下，失,效多发生在蜗轮上。,闭式蜗杆传动主要失效形式：,蜗轮,齿面点蚀齿面接触应力,H,循环作用引起,当z,2,80时也会出现轮齿的弯曲折断,d,1,d,2,2,1,1,v,1,v,s,v,2,开式蜗杆传动的主要失效形式,蜗轮轮齿的磨损。,齿面胶合由于蜗杆蜗轮齿面间的相对滑,动速度较大（ ）,，效率低发热量大，使润滑油粘度因温度升,高而下降，润滑条件变坏，容易发生胶合。,6-3 蜗杆传动的失效形式、设计准则、材料选择一蜗杆传动,22,开式蜗杆传动,主要是控制因磨损而引起的蜗轮轮齿的,折断,，按,齿根,弯曲,疲劳强度,条件,设计,计算,或校核,计算,。,二）计算准则,闭式蜗杆传动,按齿面接触强度设计，校核齿根弯曲强,度，连续工作的闭式传动，摩擦发热大，效率低，温,度升高，散热不好，引起润滑条件恶化而产生胶合，,还需进行传动效率和热平衡计算以控制温升。,开式蜗杆传动主要是控制因磨损而引起的蜗轮轮齿的二）计算准,23,二蜗杆、蜗轮配对材料选择,特点 ,结构细而长易变形，一般为主动件，n,1,应力,循环次数N,1,，且连续运转；,要求,材料的抗变形能力强（E）；轮齿强度要高,（,B,S,）；,冲击大 20Cr、20CrMnTi表面渗碳淬火,(齿面硬度56,62HRC）,冲击小 40、45钢和40Cr、40CrNi、,42SiMn表面淬火(齿面硬度4,5,55HRC）,不太重要的低速中载蜗杆,用45、40等碳素钢调,质处理（,硬度为220,300HBS）,。,蜗杆,常用,材料,高速重,载蜗杆,一）蜗杆材料选择:,二蜗杆、蜗轮配对材料选择特点 结构细而长易变形，一般,24,二）蜗轮的材料选择,强度足够,减摩性好（f,V,）： f,V钢-青铜,f,V钢-铸铁,f,V钢-钢,对材料,要求,常用,材料,锡青铜ZCuSn10PI等耐磨性最好，但价格,较高,用于高速或重要传动,铝铁青铜ZcuAl10Fe3Mn2耐磨性较好，但,价格便宜，用于中速，较重要传动,灰铸铁(HTl50或HT200)用于低速轻载,V,S,4ms 选锡青铜,作蜗轮的齿圈,V,S,24ms 选铝铁青铜,V,S,2ms 选灰铸铁,选择方法:初估滑动速度,V,S,=（0.020.03）,青铜,蜗轮,二）蜗轮的材料选择强度足够减摩性好（fV）： fV钢-青铜,25,三、受力分析,法面内：,切面内：,径向力,圆周力,轴向力,(1),力的分解,三、受力分析径向力 圆周力 轴向力,26,(2),力的关系,圆周力,径向力,蜗杆上,与转向相反,蜗轮上,与转向相同,和,指向各自的轮心,轴向力：,左旋蜗杆用左手法则,右旋蜗杆用右手法则,蜗杆上,用左右手法则判定,蜗杆上与转向相反蜗轮上与转向相同和指向各自的轮心蜗杆上用左右,27,6-4,普通圆柱蜗杆传动的设计计算,由于蜗杆材料是钢而蜗轮材料为青铜等和结构上的原因，在一般情况下，失效多发生在蜗轮上。蜗轮轮齿因为一般模数较大，很少发生齿根疲劳断裂，所以闭式传动，仅按齿面接触强度计算开式传动，仅计算齿根弯曲强度。,蜗轮与蜗杆啮合处的齿面接触应力，与齿轮传动相似，利用赫芝应力公式，考虑蜗杆和蜗轮齿廓特点，可得齿面接触疲劳强度条件计算式。由,弹性系数,铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆组合时,而,为接触线长度,因为传动平稳,一、齿面接触疲劳强度条件,6-4 普通圆柱蜗杆传动的设计计算由于蜗杆材料是钢而蜗,28,最小接触线长度,取0.75, 2.2,2,100,代入得,综合曲率半径,由于蜗杆齿形在中间平面为齿条,1,=,，取sin,n,sincos,将的平均值代入后, -接触线长度变化系数,-端面重合度 =1.8-2.2,最小接触线长度取0.75, 2.2,210,29,齿面接触疲劳强度计算,将各结果代入基本公式,弹性系数,铜或铸铁蜗轮,与钢蜗杆组合时,校核式：,设计式,：,使用系数,同齿轮,式中为许用应力，分两种情况：,、蜗轮材料强度极限,b,小于300的青铜，主要失效为疲劳点蚀,许用应力为：,齿面接触疲劳强度计算将各结果代入基本公式 弹性系数 铜,30,武汉理工机械设计第6章蜗杆传动设计ppt课件,31,、蜗轮材料强度极限,b,大于300的青铜，主要失效为胶合,许用应力大小与应力作用次数无关，按下表：,、蜗轮材料强度极限b大于300的青铜，主要失效为胶,32,二、蜗杆的刚度校核,蜗杆受力后，会产生弹性变形，过大的弹性变形会造成蜗杆齿面受力不均，需校核弯曲刚度,式中y为最大许用绕度yd,1000,二、蜗杆的刚度校核蜗杆受力后，会产生弹性变形，过大的弹性,33,6-,3,蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,1.,蜗杆传动的效率,(1),效率,搅油损耗效率,轴承摩檫损耗效率,轮齿啮合摩檫,损耗效率,由于蜗杆传动的效率低，工作时会产生大量的热。在闭式蜗杆传动中，若散热不良，会因油温不断升高，使润滑失效而导致齿面胶合。所以，对闭式蜗杆传动要进行热平衡计算，以保证油温能稳定在规定的范围内.,6-3 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算 ,34,由于轴承摩擦及浸入油中零件搅油所损耗的功率不大，一般,2,3,0.950.96，故总效率为,式中,导程角是影响蜗杆传动啮合效率最,主要的参数之一，从图可见，l随,增大而提高，但到一定值后即下降。,当28后， l随的变化就比,较缓慢，而大导程角的蜗杆制造比,较困难，所以一般选取28后，,35,v,按上表查出,v按上表查出,36,设计之初，为求出蜗轮轴上的转矩T,，可根据蜗杆头数Z,1,对,效率作如下估取,：,闭式蜗杆传动的润滑油的粘度和润滑方法，主要根据相对滑动速度和工作条件来选择，见表6。开式蜗杆传动常采用粘度较高的齿轮油或润滑脂,。,、蜗杆传动的润滑,润滑对蜗杆传动十分重要，为减少磨损和防止产胶合，往往用粘度大的矿物油进行良好的润滑，在润滑油中常加入添加剂，使其提高抗胶合能力。,l1 , 0.7 08 085 0.9,设计之初，为求出蜗轮轴上的转矩T，可根据蜗杆头,37,、蜗杆传动的热平衡计算,由于摩擦损耗全部转化为热量，在单位时间内,式中，为蜗杆传递的功率W；,-蜗杆传动的总效率,。,发热,散热,环境温度,一般取,20,0,工作温度,散热面积,计算式,许用工作温度、,一般取,60,0,70,0,散热面积,散热系数,若为自然冷却方式，则,热量从箱体外壁散发到周围空,气中，其单位时间内的散热量,箱体的散热系数，,1218W(m,)，大,值用于通风良好的环境,热平衡时,、蜗杆传动的热平衡计算 由于摩擦损耗全部转化为热量，在,38,式中，a中心距，mm,若 超过允许值，可采取以下措施，,以增加传动的散热能力：,在箱体外壁增加散热片,，增大散热面积A，,加散热片时，还应注意散热片配置的方向要,有利于热传导。,在蜗杆轴端设置风扇(,图724a)，进行人工,通风，增大散热系数，此时s2028W(m2)。,可在箱体油池中装设蛇形冷却管。,采用压力喷油循环润滑。,式中，a中心距，mm若 超过允许值，可采取以,39,例6-1,图示蜗杆传动中，蜗杆主动，试标出未注明的蜗杆（或,蜗轮）的螺旋线方向及转向，并在图中绘出蜗杆、蜗轮啮合点处,作用力的方向（用三个分力：圆周力F,t,、径向力F,r,、轴向力F,表,示）。,n,1,a）蜗杆下置,b）蜗杆上置,n,1,n,1,C) 蜗杆侧置,蜗杆传动受力分析实例,例6-1 图示蜗杆传动中，蜗杆主动，试标出未注明,40,a）因蜗轮是右旋,a）,n,2,n,2,b）因蜗杆是左旋，故蜗轮为左旋,b）,n,1,n,2,F,a,1,F,r1,F,t1,F,t2,F,r2,F,a,2,c）,因蜗杆是右旋，故,蜗轮为右旋,C),n,2,解答：,1. 根据,蜗杆传动正确啮合条件,=,，确定未注明的蜗杆（或,蜗轮）的螺旋线方向,2. 根据螺旋副的运动规律,，确定未注明的蜗杆（或蜗,轮）的转向。,3. 蜗杆、蜗轮啮合点处作,用力的方向: 因蜗杆为主动件，,圆周力,F,t,1,与,其转向相反；,n,1,n,1,n,1,F,t2,F,r1,F,t1,F,a,1,F,r2,F,a,2,F,a,2,F,r2,F,t2,F,r1,F,t1,F,a,1,F,r1,F,r2,F,t2,F,t1,F,a,1,F,a,2,轴向力,Fa,1,可用右手定则判定,蜗轮所受各力根据蜗杆、蜗轮,各力之间的关系来确定。,径向力,Fr,1指向轮心,O,1 ；,故蜗杆为右旋,a）因蜗轮是右旋,a）n2n2b）因蜗杆是左旋，故蜗轮为左旋,41,本章内容小结,类型、特点，,轮齿受力分析,重点,二,.,蜗杆传动承载能力计算 蜗轮轮齿强度、蜗杆刚度计算,三,.,蜗杆传动热平衡计算控制温升，防止胶合破坏,蜗杆,传动,一.,几何尺寸计算,主要参数及其选择,重点,作业: 6-4 , 6-6 , 6-8,本章内容小结类型、特点，轮齿受力分析重点二. 蜗杆传动承,42,结束,结束,43,例题,例4-1设计离心泵站传动装置的圆弧圆柱蜗杆减速器。已知输入功率P1=53kw，转速n1=1000r/min，传动比i=10，载荷平稳，每天连续工作8小时，要求工作寿命5年。,解：1、选择蜗杆、蜗轮材料和热处理方式及精度等级本着可靠、实用和经济的原则，根据该离心泵传动装置传递功率较大、速度较高的实际工作情况，为了避免蜗轮尺寸过大，可选择较好的蜗杆、蜗轮材料。方案一：蜗杆材料为40Cr，表面淬火(4555HRC)后磨削；蜗轮轮缘材料为ZCuSn10P1，砂模铸造。选取8级精度(GB1008588)。方案二：蜗杆材料为40Cr，表面淬火(4555HRC)后磨削；蜗轮轮缘材料为ZCuSn10P1，离心铸造。选取8级精度(GB1008588)。,例题,44,武汉理工机械设计第6章蜗杆传动设计ppt课件,45,武汉理工机械设计第6章蜗杆传动设计ppt课件,46,武汉理工机械设计第6章蜗杆传动设计ppt课件,47,n1,n,2,F,a2,F,t2,F,r2,F,a1,F,t1,F,r1,圆周力方向,径向力,方向,蜗杆上,与转向相反,蜗轮上,与转向相同,和,指向各自的轮心,轴向力：,左旋蜗杆用左手法则,右旋蜗杆用右手法则,蜗杆上,用左右手法则判定,n1n2Fa2Ft2Fr2Fa1Ft1Fr1蜗杆上与转向相反,48,