蜗轮和蜗杆设计详解.ppt

11 1蜗杆传动的类型和特点 11 2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 11 3蜗杆传动的失效形式和计算 11 4蜗杆传动的材料和结构 11 5蜗杆传动的强度计算 11 6蜗杆传动的效率 润滑及热平衡 11 7普通圆柱蜗杆传动的精度等级 11 8常用各类齿轮传动的选择 第11章祥解蜗轮蜗杆传动设计 11 1蜗杆传动的类型和特点 其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 其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的车刀切制而成的 其蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转曲面 这种蜗杆同时啮合齿数多 传动平稳 齿面利于润滑油膜形成 传动效率较高 11 1 1蜗杆传动的类型 同时啮合齿数多 重合度大 传动比范围大 10 360 承载能力和效率较高 可节约有色金属 11 1蜗杆传动的类型和特点 11 1 2蜗轮传动的特点 蜗杆传动的最大特点是结构紧凑 传动比大 传动平稳 噪声小 可制成具有自锁性的蜗杆 蜗杆传动的主要缺点是效率较低 蜗轮的造价较高 11 2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面 称为中间平面 在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合就相当于渐开线齿条与齿轮的啮合 在蜗杆传动的设计计算中 均以中间平面上的基本参数和几何尺寸为基准 11 2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 11 2 1蜗杆传动的主要参数及其选择 1 蜗杆的头数z1 蜗轮齿数z2和传动比i 较少的蜗杆头数 如 单头蜗杆 可以实现较大的传动比 但传动效率较低 蜗杆头数越多 传动效率越高 但蜗杆头数过多时不易加工 通常蜗杆头数取为1 2 4 6 蜗轮齿数主要取决于传动比 即z2 iz1 z2不宜太小 如z2 26 否则将使传动平稳性变差 z2也不宜太大 否则在模数一定时 蜗轮直径将增大 从而使相啮合的蜗杆支承间距加大 降低蜗杆的弯曲刚度 传动比i 11 2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 2 模数m和压力角a 3 导程角l 在m和d1为标准值时 z1 l 正确啮合时 蜗轮蜗杆螺旋线方向相同 且l b 11 2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 4 蜗杆分度圆直径d1和蜗杆直径系数q 由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的 为了限制滚刀的数目 国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1 直径d1与模数m的比值称为蜗杆的直径系数 当模数m一定时 q值增大则蜗杆直径d1增大 蜗杆的刚度提高 因此 对于小模数蜗杆 规定了较大的q值 以保证蜗杆有足够的刚度 11 2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 5 中心距 11 2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 11 2 2蜗杆传动的几何尺寸计算 标准中心距 径向间隙 蜗轮螺旋角 蜗杆导程角 齿根圆直径 齿顶圆直径 齿根高 齿顶高 分度圆直径 蜗轮 蜗杆 计算公式 符号 名称 11 3蜗杆传动的失效形式和计算准则 11 3 1蜗杆传动的失效形式 1 齿面见相对滑动速度v 蜗杆传动的主要问题是摩擦磨损严重 这是设计中要解决的主要问题 蜗轮磨损 系统过热 蜗杆刚度不足是主要的失效形式 2 齿轮的失效形式 11 3蜗杆传动的失效形式和计算准则 11 3 2蜗杆传动的计算准则 对于闭式蜗轮传动 通常按齿面接触疲劳强度来设计 并校核齿根弯曲疲劳强度 对于开式蜗轮传动 或传动时载荷变动较大 或蜗轮齿数z2大于90时 通常只须按齿根弯曲疲劳强度进行设计 由于蜗杆传动时摩擦严重 发热大 效率低 对闭式蜗杆传动还必须作热平衡计算 以免发生胶合失效 11 4蜗杆传动的材料和结构 11 4 1蜗杆传动的材料 为了减摩 通常蜗杆用钢材 蜗轮用有色金属 铜合金 铝合金 高速重载的蜗杆常用15Cr 20Cr渗碳淬火 或45钢 40Cr淬火 低速中轻载的蜗杆可用45钢调质 蜗轮常用材料有 铸造锡青铜 铸造铝青铜 灰铸铁等 11 4蜗杆传动的材料和结构 11 4 2蜗杆 蜗轮的结构 1 蜗杆的结构 蜗杆螺旋部分的直径不大 所以常和轴做成一个整体 当蜗杆螺旋部分的直径较大时 可以将轴与蜗杆分开制作 无退刀槽 加工螺旋部分时只能用铣制的办法 有退刀槽 螺旋部分可用车制 也可用铣制加工 但该结构的刚度较前一种差 2 蜗轮的结构 为了减摩的需要 蜗轮通常要用青铜制作 为了节省铜材 当蜗轮直径较大时 采用组合式蜗轮结构 齿圈用青铜 轮芯用铸铁或碳素钢 常用蜗轮的结构形式如下 11 4蜗杆传动的材料和结构 观看涡轮照片 11 5蜗杆传动的强度计算 普通蜗杆传动的承载能力计算2 11 5 1蜗杆传动的受力分析 蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似 轮齿在受到法向载荷Fn的情况下 可分解出径向载荷Fr 周向载荷Ft 轴向载荷Fa 蜗杆传动受力方向判断 在不计摩擦力时 有以下关系 11 5蜗杆传动的强度计算 11 5 2蜗轮齿面接触疲劳强度计算 蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为 适用于钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮 涡轮齿面接触疲劳强度的设计公式为 11 5蜗杆传动的强度计算 11 5 3蜗轮齿轮的齿根弯曲疲劳强度计算 涡轮齿根弯曲强度的校核公式为 设计公式为 11 5蜗杆传动的强度计算 11 5 4蜗杆材料的许用应力 1 蜗轮材料的许用应力 sH 蜗轮材料的许用应力 sH 由材料的抗失效能力决定 其计算公式为 2 蜗轮的许用弯曲应力 sF 11 6蜗杆传动的效率 润滑及热平衡计算 11 6 1蜗杆传动效率 h1 计及啮合摩擦损耗的效率 h2 计及轴承摩擦损耗的效率 h3 计及溅油损耗的效率 h1是对总效率影响最大的因素 可由下式确定 所以Z1 效率与蜗杆头数的大致关系为 闭式传动Z1 总效率 0 7 0 750 75 0 820 82 0 92 式中 l 蜗杆的导程角 v 当量摩擦角 普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡2 11 6 2蜗杆传动的润滑 润滑的主要目的在于减摩与散热 具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近 润滑油 润滑油粘度及给油方式 润滑油量 润滑油的种类很多 需根据蜗杆 蜗轮配对材料和运转条件选用 一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择 给油方法包括 油池润滑 喷油润滑等 若采用喷油润滑 喷油嘴要对准蜗杆啮入端 而且要控制一定的油压 润滑油量的选择既要考虑充分的润滑 又不致产生过大的搅油损耗 对于下置蜗杆或侧置蜗杆传动 浸油深度应为蜗杆的一个齿高 当蜗杆上置时 浸油深度约为蜗轮外径的1 3 11 6蜗杆传动的强度计算 11 6蜗杆传动的强度计算 11 6 3蜗杆传动的热平衡计算 由于传动效率较低 对于长期运转的蜗杆传动 会产生较大的热量 如果产生的热量不能及时散去 则系统的热平衡温度将过高 就会破坏润滑状态 从而导致系统进一步恶化 系统因摩擦功耗产生的热量为 自然冷却从箱壁散去的热量为 Ks 箱体表面的散热系数 可取Ks 8 15 17 45 W m2 A 箱体的可散热面积 m2 t1 润滑油的工作温度 t0 环境温度 在热平衡条件下可得 可用于系统热平衡验算 一般t1 70 90 可用于结构设计 11 6蜗杆传动的强度计算 11 7蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护 蜗杆传动的精度选择 GB10089 88对普通圆柱蜗杆传动规定了1 12个精度等级 1级精度最高 其余等级依次降低 12级为最低 6 9级精度应用最多 6级精度传动一般用于中等精度的机床传动机构 圆周速度v2 5m s 7级精度用于中等精度的运输机或高速传递动力场合 速度v2 7 5m s 8级精度一般用于一般的动力传动中 圆周速度v2 3m s 9级精度一般用于不重要的低速传动机构或手动机构 蜗杆传动安装 蜗杆传动安装要求精度高 应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线 如右图所示 为保证传动的正确啮合 工作时蜗轮的中间平面不允许有轴向移动 因此蜗轮轴支撑应采用两端固定的方式 蜗杆传动的维护很重要 又注意周围的通风散热情况 解 1 选择材料并确定许用应力蜗杆 由于功率不大 采用45钢表面淬火 硬度 45HRC 蜗轮 因转速较高 采用抗胶合性能好的铸锡青铜 ZcuSn10P1 砂模铸造 查表11 6 蜗轮材料的基本许用接触应力为 查表11 8 蜗轮材料的基本许用弯曲应力为 11 7蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护 计算寿命系数 计算许用应力 11 7蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护 2 确定蜗杆头数和蜗轮齿数 由表11 1 根据传动比i值取 3 计算蜗轮转矩 取 4 按齿面接触疲劳强度计算 11 7蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护 得m 8 q 10 由式 11 11 得 齿根的弯曲疲劳强度校核合格 11 7蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护 5 验算传动效率 蜗杆分度圆速度为 查表11 9得 11 7蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护 6 热平衡计算 符合要求 7 中心距a及各部分尺寸 各部分尺寸计算略 11 7蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护 8 精度选择 由v2选择精度等级 精度等级选择参考GB10089 88 故选8级精度 9 绘制蜗杆 蜗轮零件工作图 11 7蜗杆传动的精度等级选择及其安装维护 11 8常用各类齿轮传动的选择 11 8 1各类齿轮传动性能的比较 11 8常用各类齿轮传动的选择 11 8 2传动类型的选择 在选择传动类型时应考虑以下几个方面 传递大功率时 一般均采用圆柱齿轮 在联合使用圆柱 圆锥齿轮时 应将圆锥齿轮放在高速级 圆柱齿轮和谐齿轮相比 一般斜齿轮的强度比直齿轮高 且传动平稳 所以用于高速场合 直齿轮用于低速场合 直齿圆锥齿轮仅用于V 5m s的场合 高速时可采用曲面齿等 由工作条件确定选用开式传动或闭式传动 蜗杆的圆周速度v4m s时采用上置式蜗杆传动 联合使用齿轮 蜗杆传动时 有齿轮传动在高速级和蜗杆传动在高速级两种布置形势 前者结构紧凑 后者传动效率较高