第十一章蜗杆传动

第十一章蜗杆传动第一节蜗杆传动的类型一、蜗杆传动的特点优点：1）i大可高达1000；2）螺旋传动（相当），多齿啮合，传动平稳，振动小，噪声低；3）当v，可实现反向自锁。缺点：1）啮合面间相对滑动速度大，磨擦大，效率低；当有自锁性时，效率更低。2）成本高（蜗轮用贵重的减摩材料制造）；3）安装时对中心距尺寸精度要求高。二、蜗杆传动分类根据蜗杆端面形状：圆柱蜗杆、环面蜗杆、锥蜗杆1、圆柱蜗杆：1）普通圆柱蜗杆传动阿基米德蜗杆（阿基米德螺旋线）法面直廓蜗杆（延伸渐开线）渐开线蜗杆（渐开线）锥面包络圆柱蜗杆（圆锥面族的包络面）2）圆弧圆柱蜗杆第二节普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算1、中间平面一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数1、m和压力角。1xm=2tm=m,1x=2t=2、1d和qmdq13、2,1zz,121221ddzznni，2d=22zmt,11221zmqmqmdttx1z少，则i大，但效率低，易实现自锁6,4,2,11z，28≤2z≤804、导程角s——导程，1xp——齿距tg=qzdmzdmzdpzdsx111111111大，效率高5、中心距aa=221dd=2)(2mzmq=2)(2zqm二、蜗杆传动变位的特点：1、变位原因：为了配凑中心距或提高蜗杆传动承载能力及传动效率s1d2、只变蜗轮、不变蜗杆。变位后，蜗轮节圆、分度圆仍旧重合，但蜗杆的节线，分度线不重合。3、变位传动的应用1）变位前后，蜗轮齿数不变（2'2zz），蜗杆传动的中心距改变（'aa）则222212'mxddmxaa2）变位前后，'aa，2'2zz。因为：)(22)2(2222'2221zqmxzqmmxdd，所以22'22xzz，则22'22zzx第三节普通圆柱蜗杆传动承载能力计算一、失效形式、设计准则及材料选择1、失效形式：闭式：点蚀、胶合开式：齿面磨损和轮齿折断2、设计准则：闭式：按齿面接触强度设计，按弯曲强度校核、热平衡计算；开式：按齿根弯曲疲劳强度设计，考虑到磨损会使轮齿变薄，将m增大10%左右。3、材料选择：由失效知，蜗轮（杆）材料不仅要有足够的强度，更要有良好的耐磨性和磨合性。蜗杆：45、40Cr、40；对于极低速和手动蜗杆，可用铸铁。蜗轮：（考虑两齿面间相对速度）：高速而重要的用铸造锡青铜s3sm低速用铸造铝铁青铜s4sm极低速轻载用球墨铸铁、灰铸铁s2sm注意：为了防止变形，要对蜗轮进行时效处理。二、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。在不计摩擦力时，有以下关系：a211t12FdTFt2a1FFr2r1FF2222dTFttan2r2tFF为蜗轮端面压力角或蜗杆轴面压力角；n为蜗杆法面压力角；为分度圆导程角。三、蜗杆传动的强度计算1、蜗轮齿面接触疲劳强度的计算校核公式HEEnHaKTZZZLKF320式中：nF为啮合齿面上的法向载荷，N；0L为接触线总长，mm；为综合曲率半径，mm；EZ为材料的弹性影响系数，MPa；a为中心距，mm；Z为蜗杆传动的接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数（接触系数）。K为载荷系数，KKKKA；设计公式322HEZZKTa注意：蜗轮失效形式因其材料的强度和性能的不同而不同，故许用接触应力的确定方法也不同。1）材料为锡青铜（MPaB300）时,因其抗胶合能力好，故承载能力主要取决于蜗轮的接触疲劳强度。（H与应力循环次数N有关）'HHNKH，8710NKHN，hLjnN260式中：'H为蜗轮的基本许用接触应力；HNK为接触强度的寿命系数；N为应力循环次数；j为蜗轮每转一转，每个轮齿啮合的次数；2n为蜗轮转速；hL为工作寿命。2）灰铸铁或高强度青铜（MPaB300），因其抗点蚀能力强，承载能力主要取决于抗胶合能力。（H与滑动速度s有关）2、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算（开式或2z过多）校核公式][2222222222FSaFanSaFantFYYYYmdbKTYYYYmbKF式中：2b为蜗轮轮齿弧长；nm为法面模数；2SaY为齿根应力校正系数；2FaY为轮齿齿形系数；Y为重合度系数；Y为螺旋角影响系数。上式化简，得][53.12212FFanFYYmddKT，FNFFK'][][，9610NKFN式中：'][F为计入齿根应力校正系数2SaY后蜗轮的基本许用应力。设计公式YYzKTdmFaF22212][53.1四、蜗杆的刚度计算（挠度）蜗杆受力变形，轮齿载荷集中，影响正常啮合。][483'2121yLEIFFyrt式中；1tF（1rF）分别为蜗杆所受的圆周力（径向力）；E为材料的弹性模量；I为危险截面的惯性矩；'L为两端支承间的跨距。五、普通蜗杆传动的精度等级及其选择1.对蜗轮、蜗杆、蜗杆传动规定了12个精度等级。1）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；2）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/s3）7级精度用于运输和一般工业中的中等速度的动力传动，圆周速度v27.5m/s4）8级精度一般用于每昼夜只有短时工作的次要低速传动，圆周速度v2≤3m/s5）9级精度一般用于不重要的低速传动机构或手动机构2.精度选择：1）蜗轮圆周速度。2）工作环境和状况（中速、不重要、间歇、手动、开式）。3.最小法向侧隙：a、b、c、d、e、f、g、h,↘(且h=0)4.最小法向侧隙选用原则：使用场合。第四节圆弧圆柱蜗杆传动设计计算一、概述承载能力约为普通圆柱的1.5～2.5倍。传动效率高，使用寿命长。但摩擦损失大，发热量大，仍以胶合为主，其次是磨损。目前仍套用圆柱蜗杆传动。二、传动主要参数及选择1.齿形角0：推荐值0=023±20。但考虑到齿形角对蜗杆、蜗轮的加工工艺性，啮合时接触线的形状以及承载能力等影响。常取0=0232.变位系数2x：为了有利于油膜的形成和啮合传动时有足够的接触面积，并避免根切，应取minx＞0.5，同时为了避免齿顶变尖和减小啮合区，取maxx≤1.5。3.齿廓圆弧半径：↓→承载能力↑，但太小将产生干涉现象。4.侧隙Cs：为了形成油膜，并考虑到蜗轮滚刀的刃磨方便等因素，Cs要比普通圆柱蜗杆传动大一些。三、强度计算1、失效形式：胶合，磨损，轮齿折断。2、强度计算：闭式：齿面接触，以接触来设计，以弯曲来校核。开式：弯曲，以弯曲来设计，以接触来校核。3、按普通圆柱蜗杆传动计算公式进行计算4、根据功率、转速、传动比，初步确定中心距a，然后确定该传动中蜗杆与蜗轮的主要几何参数。5、校核蜗轮齿面接触疲劳强度的安全系数。minlimHHHSS，)2(2222mxdbYZFmzmtH，wnhfffK0lim式中：H为蜗轮齿面接触应力；lim为蜗轮齿面接触疲劳极限；minHS为最小安全系数；2tF为蜗轮分度圆上的圆周力；mZ系数；2mb为蜗轮平均齿宽；zY为蜗杆齿的齿形系数；0K为蜗轮与蜗杆的配对材料系数；hf为寿命系数；nf为速度系数；wf为载荷系数。6、校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度的安全系数。1maxlimFFFCCS，2max2maxbmFCntF式中：limFC为蜗轮齿根应力系数极限值；maxFC为蜗轮齿根最大应力系数；max2tF为蜗轮平均圆上的最大圆周力；2b为蜗轮齿弧长；nm为法面模数。注意：0=023时，改善受力壮况，显著提高了蜗轮轮齿的弯曲强度，如再采用大的正变位系数，齿根厚度将进一步增大，弯曲强度就更加提高。经验证明，齿根的弯曲疲劳强度远远大于齿面接触疲劳强度。所以一般只进行齿面接触疲劳强度计算。另：要进行蜗杆刚度校核、热平衡计算。第五节普通圆柱蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算一、效率1、定义：%100输入功输出功2、组成：啮合效率1（主要因素），当蜗杆为主动时)(21tgtg；轴承效率2；搅油效率3（与回转件的浸油深度、回转件的结构、油粘度、回转件圆周线速度等有关）3、=1234、提高效率的措施：1）蜗杆头数增多；2）增大，但效果小。二、润滑1、润滑原因：蜗杆传动低，发热量大，导致胶合和过度磨损，要润滑。2、润滑作用：减少摩擦、降低磨损、散热、防蚀等。3、润滑油的选择：根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。4、润滑油粘度及给油方式：一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。5、润滑方式：齿面间s（相对滑动速度）来选择。闭式：s＜5sm油池润滑，蜗杆下置，s=5~10sm油池或压力喷油，蜗杆上置s10sm压力喷油开式及半开式或速度较低的闭式蜗杆传动，人工周期加润滑油（脂）。注意：如采用喷油润滑，油嘴应该对准蜗杆啮入端；蜗杆正反转时，两边都要装喷油嘴，而且要控制一定的压力。6、润滑油量：原则上为了有利于动压油膜的形成，且有助散热，要有适当的油量。对于下置蜗杆或侧置蜗杆，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当为上置蜗杆时，浸油深度应为蜗轮外径的1/3。三、热平衡计算.1、热平衡的原因：齿面间s大，啮合低，导致发热量大。若不及时散热，将会使箱体内工作T急剧上升，润滑油粘度下降，润滑失效，磨损加剧，胶合。2.计算目的：限制箱体内温升t不超过限度值。3.计算准则：1：发热量；2：散热量)1(10001P，)(02adttS式中：P为蜗杆传递的功率；d为箱体的表面传热系数；S为有效散热面积；0t为油的工作T；at为周围空气T。由1=2得在既定条件下的油温为SPttda)1(10000或在既定条件下，保持正常工作温度所需要的散热面积为)()1(10000adttPS4、采取措施：1）加大散热面积。2）在蜗杆端装风扇，人工通风。3）在箱体油池内装循环冷却管。4）对于大功率蜗杆传动，可采用压力喷油循环润滑。第六节普通圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计蜗杆：蜗杆轴（蜗杆直径小）分开式（蜗杆直径大）蜗轮：齿圈式用于不太大或工作温度变化较小的地方螺栓联接式用于尺寸较大或容易磨损的蜗轮整体浇铸式用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮拼铸式用于成批制造的蜗轮