第十三章 蜗杆传动 13.1 概述 蜗杆传动的特点和应用

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1 第十三章 蜗杆传动 13.1 概述 13.1.1 蜗杆传动的特点和应用
第十三章 蜗杆传动 13.1 概述 蜗杆传动的特点和应用 蜗杆传动是由蜗杆、蜗轮副组成的用以传递空间交错轴间的运动和动力的一种机械传动。通常轴交角为90º。 主要特点 1.能实现大传动比 2.冲击载荷小、传动平稳，噪声低 3.具有自锁性 4.摩擦损失较大，效率低 5.成本高 蜗杆传动不适用于大功率和长期连续工作的传动。

2 蜗杆传动的分类 a）圆柱蜗杆传动 b）环面蜗杆传动 c）锥蜗杆传动

3 圆柱蜗杆传动

4 环面蜗杆传动

5 锥蜗杆传动

6 1.普通圆柱蜗杆传动

7 a）阿基米德蜗杆(ZA) 一般用于低速、轻载或不太重要的传动。

8 用于蜗杆头数较多，转速较和较精密的传动。
b）渐开线蜗杆(ZI) 用于蜗杆头数较多，转速较和较精密的传动。

9 c）法向直廓蜗杆(ZN) 用于多头精密蜗杆传动。

10 2.圆弧圆柱蜗杆传动(ZC型)

11 环面蜗杆传动 垂直于轴线的剖面， 为阿基米德螺旋线 阿基米德蜗杆传动 锥蜗杆传动 蜗杆传动 通过轴线的剖面，为直线 圆柱蜗杆传动
锥蜗杆传动  圆柱蜗杆传动 阿基米德蜗杆传动 法向直廓蜗杆传动  渐开线圆柱蜗杆传动 垂直于轴线的剖面， 为阿基米德螺旋线 通过轴线的剖面，为直线 为渐开线 通过轴线的剖面， 为凸廓曲线

12 蜗杆传动的精度 12个精度等级

13 13.2 蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构 13.2.1蜗杆传动的失效形式
失效常发生在蜗轮轮齿上。为蜗轮轮齿的齿面胶合、点蚀、磨损、轮齿折断等。

14 蜗轮轮齿折断

15 蜗轮齿面磨损

16 蜗轮齿面胶合

17 蜗杆齿面点蚀

18 材料选择 要求：强度足够，减摩、耐磨、易跑合和抗胶合。 低碳合金钢+渗碳淬火 中碳钢或中碳合金钢+表面淬火 高速重载 蜗杆 低速中载 中碳钢+调质 vs≥12~26 m/s 重要传动 铸造锡青铜 蜗轮 vs≤10 m/s 一般传动 铸造铝铁青铜 vs<2 m/s 不重要传动 灰铸铁和球墨铸铁

19 蜗杆蜗轮的结构 蜗杆制成蜗杆轴:

20 蜗轮结构： 整体式蜗轮 配合式蜗轮 拼铸式蜗轮 螺栓联接式蜗轮

21 13.3 圆柱蜗杆传动的基本参数 ● 模数 m 和压力角α 中间平面 — 包含蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面 蜗轮加工 — 滚刀滚制，滚刀几何参数同相配蜗杆 在中间平面内相当于齿条与齿轮的啮合 在中间平面内 mx1 = mt2 = m αx1 = αt2 = α= 20°

22 ● 蜗杆导程角γ与蜗轮螺旋角β之关系 Σ=90° 时： γ =β 且旋向相同 ● 蜗杆直径系数 q 及分度圆直径d1 d1 — 标准系列值
● 蜗杆导程角γ与蜗轮螺旋角β之关系 Σ=90° 时： γ =β 且旋向相同 β γ ● 蜗杆直径系数 q 及分度圆直径d1 d1 — 标准系列值 限制蜗轮滚刀数量，便于刀具标准化 蜗杆直径系数：q = d1 / m → d1 = m q q与导程角γ之关系：

23 当要求自锁时， 为提高传动效率，导程角选较大值，但导程角过大，加工困难且齿面间相对滑动速度也增大，磨损加速，故 ● 蜗杆头数 z1、蜗轮齿数 z2 及传动比 i i = n1/n2 = z2/z1 ≠ d2 / d1 = d2 / d1 ? z1 = 1、2、4、6 当要求传动比大或要求自锁时，z1=1，但 z1 少，效率低 为避免根切或传递功率较大时，z1=2、4、6， z1 过多,制造困难 z2 = i z1=28 ~ 100 常取 z2 = 32 ~ 80 且z2和z1最好互质。

24 中心距 a =(d1+d2)/2 = m(q+z2)/2 其他尺寸计算见表13.5 普通圆柱蜗杆传动与斜齿圆柱齿轮传动的区别： 齿轮传动 蜗杆传动 传动比 i — i = d2 / d1 i ≠ d2 / d1 m、α — 法面为标准值 中间平面为标准值 β — β1= - β2 γ =β, 旋向相同 d1 — d1= mnz1/cosβ d1=mq,且为标准值

25 变位系数 配凑中心距 变位前后，蜗轮的齿数不变，而传动中心距改变。

26 改变传动比 变位前后，蜗杆传动中心距不变，而蜗轮齿数发生变化。

27 蜗杆传动变位的特点 蜗杆传动变位跟齿条齿轮传动变位类似，蜗轮变位，蜗杆不变。变位后，蜗轮的分度圆与节圆仍然重合，只是蜗杆的节线不再与分度线重合。 蜗杆传动变位的目的 为了配凑中心距或提高蜗杆传动的承载能力及传动效率。

28 13.5 蜗杆传动受力分析和效率计算 蜗杆传动中的作用力 大小： 方向： 与斜齿类似。

29 n1 Fa2 2 Fa1 Ft2 ● Ft1 1 各力应画在受力点上 Ft2 Fa2 Ft1 ● Fr1 Fa1 Fr2 n2 n1

30 13.5 蜗杆传动受力分析和效率计算 蜗杆传动的效率 功率损失有： 齿面间的啮合摩擦损耗； 轴承摩擦损耗； 溅油损耗。 总效率为： 传动啮合效率η1 蜗杆主动： 蜗轮主动：

31 相对滑动速度：

32 导程角是影响蜗杆传动效率的主要参数之一，η1随γ 的增大而提高，当
导程角是影响蜗杆传动效率的主要参数之一，η1随γ 的增大而提高，当 γ=45°-ρv/2 时，效率 η1 最大。 提示： 设计完成后，需验算η ，若与初选值相差太远，则需重选η再设计。 一般取2 .3=0.95~0.96 z1=1, z1=2, z1=4 z1=6 = = = =0.95 估算总效率

33 13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算 闭式动力传动：按接触疲劳强度设计计算，确定传动尺寸，再作弯曲疲劳校核计算，并进行热平衡计算。 开式传动：按弯曲疲劳强度进行设计计算，确定传动尺寸。 初选[d1/a] 值

34 蜗轮齿面接触疲劳强度计算 以赫兹公式为原始公式，按节点处啮合条件来计算。 校核公式 设计公式

35 蜗轮轮齿弯曲疲劳强度计算 13.7 蜗杆轴挠度计算 校核蜗杆的弯曲刚度 13.8 温度计算 润滑油工作温度 工作温度<80º

36 冷却方法和计算 热平衡条件： 单位时间内发热量H1=同时间内的散热量H2 3. 在箱体油池中装设蛇行冷却水泵； 4.采用压力喷油循环润滑。

37 提高散热能力的措施： 1.合理设计箱体结构，以增大散热面积；

38 2.在蜗杆轴上装置风扇，进行人工通风，以提高散热系数；

39 3.在箱体油池中装设蛇行冷却水管；

40 4. 采用压力喷油循环润滑。

41 13.9 蜗杆传动的润滑 13.9.1 润滑油粘度和润滑方法 常采用粘度较大的润滑油。 一般情况下，采用浸油润滑 vs 很大时，采用喷油润滑
蜗杆布置和润滑方式 v1 小时，蜗杆下置 有利于润滑 蜗杆下置 蜗杆上置 v1 >10 m/s时蜗杆上置 避免过大的搅油损失

42 1.蜗杆传动的特点及应用 蜗杆传动是啮合传动，它在中间平面中，蜗轮与蜗杆的啮合，相当于斜齿轮与直齿条相啮合。因此，在受力分析、失效形式及强度计算等方面，它与齿轮传动有许多相似之处。就蜗杆而言，又与螺杆有相似之处，蜗杆齿为连续不断的螺旋齿轮，故传动平稳、噪声低，并可在一定条件下实现自锁。但由于在啮合处存在相当大的滑动，因而其失效形式主要是胶合、磨损与点蚀，且传动效率较低。所以在材料与参数选择、设计准则及热平衡计算等方面又独具特色。由于效率较低，故不适合于大功率和长期连续工作的场合。

43 2.蜗杆传动的正确啮合条件

44 3.蜗杆的直径系数 1）物理意义 切制蜗轮时用的是蜗轮滚刀，其齿形参数和直径尺寸等要求与该蜗轮配对啮合的蜗杆完全一致。在同一模数时，由于齿数及导程角的变化，将有很多直径不同的蜗杆可供选择，这就要配备很多加工蜗轮的滚刀。为了减少加工蜗轮滚刀的数目，便于刀具的标准化，将d1定为标准值，即对应每一个m规定一定数量的d1。d1与m的比值称为直径系数q。

45 2）q对传动性能的影响 若q增大，则d1增大，即蜗杆刚性提高。又当z1一定时，若增大q，则γ减小而使效率降低，但自锁性好；反之，γ增大，则效率提高。因此，对于小模数的蜗杆，宜选用较大的q值，以保证足够的刚度与强度，适用于小功率传动及需要自锁的场合；对于大模数的蜗杆，宜选用较小q值，以保证一定的效率，适用于较大功率的传动。

46 为了保持刀具的尺寸不变，只对蜗轮进行变位。 变位的目的： （1）凑中心距 （2）凑传动比
4.蜗杆传动变位的特点 为了保持刀具的尺寸不变，只对蜗轮进行变位。 变位的目的： （1）凑中心距 （2）凑传动比

47 5.蜗杆传动的失效形式、材料选用及强度计算特点
（1）由于采用材料和传动结构上的原因，蜗杆螺旋部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，所以失效常发生在蜗轮轮齿上。又因啮合处的相对滑动速度大，所以其主要失效为表面失效，除点蚀外易产生胶合与磨损。因此，对于蜗杆传动中材料的组合，首先要求具有良好的减磨性和抗胶合能力，同时应具有一定的强度。通常蜗杆采用碳钢或合金钢；蜗轮材料则视其传动中相对滑动速度的高低而定。 （2）只需进行蜗轮轮齿的强度计算，对蜗杆必要时应进行刚度校核。 一般情况下，蜗轮轮齿很少发生弯曲疲劳折断，只有当z2>80~100或开式传动时，才对蜗轮进行弯曲疲劳强度计算。因此，对闭式蜗杆传动，仅按蜗轮齿面接触强度进行设计，而无需校核蜗轮轮齿的弯曲强度。

48 6.蜗杆传动具有那些特点？它为什么要进行热平衡计算？若热平衡计算不合要求时怎么办？
蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、传动平稳、噪声低和在一定条件下能自锁等优点而获得广泛的应用。但蜗杆传动在啮合平面间将产生很大的相对滑动、摩擦发热大、效率低等缺点。 正是由于存在上述缺点，故需要进行热平衡计算。当热平衡计算不合要求时，可采取如下措施： （1） 在箱体外壁增加散热片，以增大散热面积。 （2） 在蜗杆轴端设置风扇，以增大散热系数。 （3）若上述办法还不能满足散热要求，可在箱体油池中装设蛇形冷却管，或采用压力喷油循环润滑。

49 1.与齿轮传动相比较， 不能作为蜗杆传动的优点。
A、传动平稳 B、传动比可以较大 C、可产生自锁 D、传动效率高 2.阿基米德圆柱蜗杆与蜗轮传动的 模数，应符合标准值。 A、端面 B、法面 C、中间平面 3.在标准蜗杆传动中，蜗杆头数一定时，若增大蜗杆直径系数，将使传动效率 。 A、提高 B、减小 C、不变 D、增大也可能减小 4.在其它条件相同时，若增加蜗杆头数，则滑动速度 。 A、增加 B、不变 C、减小 D、可能增加也可能减小

50 5.蜗杆常用材料是 。 A、HT150 B、ZCuSn10P1 C、45号钢 D、GCr15 6.对蜗杆传动进行热平衡计算，其主要目的是为了防止温升过高导致 。 A、材料的机械性能下降 B、润滑油变质 C、蜗杆热变形过大 D、润滑条件恶化而产生胶合失效 7.在蜗杆传动设计中，除规定模数标准化外，还规定蜗杆直径取标准值，其目的是 。 A、限制加工蜗杆的刀具数量 B、限制加工蜗轮刀具的数量，并便于刀具的标准化 C、便于装配 D、提高加工精度