蜗轮蜗杆

第8章蜗杆传动8.1蜗杆传动的类型、特点、参数和尺寸8.2蜗杆传动的失效形式、设计准则和常用材料8.3蜗杆传动受力分析及强度计算8.4蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算8.5蜗杆和蜗轮的结构8.6蜗杆传动的安装与维护本章知识导读1.主要内容本章主要介绍普通圆柱蜗杆传动的主要参数、几何尺寸计算、强度计算以及热平衡计算。2.重点、难点提示蜗杆传动的主要参数、受力分析及强度计算。蜗杆传动8.1蜗杆传动的类型、特点、参数和尺寸蜗杆传动蜗杆传动由蜗杆、蜗轮组成。用于传递空间两交错轴之间的运动和动力，通常两轴交错角为90°。一般用作减速传动，广泛应用于各种机械设备和仪表中。8.1.1蜗杆传动的类型和特点按蜗杆的形状不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动(a)所示、圆弧面蜗杆传动(b)所示和锥面蜗杆传动(c)所示。蜗杆传动的类型阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）圆柱蜗杆按其齿廓曲线形状的不同，又可分为阿基米德蜗杆(ZA型)、渐开线蜗杆(ZI型)、法面直廓蜗杆(ZN型)等几种。阿基米德蜗杆，其端面齿廓为阿基米德螺旋线，轴向齿廓为直线。它一般在车床上用成型车刀切制。按螺旋方向不同，蜗杆可分为左旋和右旋。蜗杆传动特点(1)传动比大，结构紧凑。单级蜗杆传动比i=5～80，若只传递运动(如分度机构)，其传动比可达1000。(2)传动平稳，噪声小。由于蜗杆齿呈连续的螺旋状，它与蜗轮齿的啮合是连续不断地进行的，同时啮合的齿数较多，故传动平稳，噪声小。(3)可制成具有自锁性的蜗杆。当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。(4)传动效率低。因蜗杆传动齿面间存在较大的相对滑动，摩擦损耗大，效率较低。一般为0.7～0.8，具有自锁性的蜗杆传动，效率小于0.5。(5)蜗轮的造价较高。为减轻齿面的磨损及防止胶合，蜗轮一般要采用价格较贵的有色金属制造，因此造价较高。蜗杆传动特点8.1.2蜗杆传动的基本参数和尺寸通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的剖面称为中间平面。该平面为蜗杆的轴面或为蜗轮的端面。在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。因此，该平面内的参数为标准值。(1)蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i蜗杆头数z1(齿数)即为蜗杆螺旋线的数目z1少，效率低，但易得到大的传动比,z1多，效率提高，但加工精度难以保证。一般取z1=1～4。1.蜗杆传动的主要参数及其选择齿数越多，蜗轮的尺寸越大，蜗杆轴也相应增长而刚度减小，影响啮合精度。故蜗轮齿数不宜多于100。但为避免蜗轮根切，保证传动平稳，蜗轮齿数z2应不少于28。一般取z2=28～80。蜗轮齿数z2蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2=iz1。传动比当蜗杆转过一周时，蜗轮将转过z1个齿，故传动比为i=n1/n2。n1、n2分别为蜗杆、蜗轮的转速，单位r/min。1221zznni12dd表8-1蜗杆头数Z1与蜗轮齿数的推荐值(2)模数m和压力角α蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力角应与蜗轮的端面模数、压力角相等，即ma1=mt2=maa1=at2=20°蜗杆的轮齿成螺旋线形状绕于分度圆柱上，将蜗杆分度圆柱展开，其螺旋线与端面的夹角λ称为蜗杆的导程角。mzpzLa111（3）蜗杆的导程角λ和涡轮的螺旋角11111tanzmzmLddd涡轮的螺旋角：左旋和右旋正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且＝γ根据啮合传动原理，轴交角为90°的蜗杆传动正确啮合条件为β为蜗轮的螺旋角，其旋向与λ相同在切制蜗轮轮齿时，所用滚刀的直径和齿形参数必须与该蜗轮相啮合的蜗杆一致。为了限制滚刀的数目以及便于滚刀的标准化，对于每一种模数的蜗杆，国家标准制定了蜗杆分度圆直径d1的标准值，并把d1与m的比值称为蜗杆直径系数q，即q=d1/m(4)蜗杆分度圆直径d1和直径系数q表8-2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。11111tanzmzmLddd2.蜗杆传动的几何尺寸计算mzqdda)(21)(21221中心距传动比i1221zznni12dd3、蜗杆传动方向的判断8.2蜗杆传动的失效形式、设计准则和常用材料蜗杆传动的设计准则是:对闭式蜗杆传动，一般按齿面接触疲劳强度设计，必要时进行齿根弯曲疲劳强度校核。此外，还应做热平衡核算，限制工作温度。对开式蜗杆传动，通常以保证齿根弯曲疲劳强度作为主要设计准则。当蜗杆直径较小而跨距较大时，还应作蜗杆轴的刚度验算。8.2.1蜗杆传动的失效形式和设计准则8.2.2蜗杆传动的常用材料及选择蜗杆一般用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常用低碳合金钢，如15Cr、20Cr、20CrMnTi等，经渗碳淬火，表面硬度56～62HRC。中速中载蜗杆可用优质碳素钢或合金结构钢，如45、40Cr等。经表面淬火，表面硬度40～55HRC。低速或不重要的传动，蜗杆可用45钢经调质处理，表面硬度小于270HBS。蜗杆常用材料蜗轮常用材料为青铜和铸铁。锡青铜耐磨性能及抗胶合性能较好，但价格较贵，常用的有ZCuSn10Pb(铸锡磷青铜)、CuSn5Pb5Zn5(铸锡锌铅青铜)等，用于滑动速度较高的场合。铝铁青铜的力学性能较好，但抗胶合性略差。常用的有ZCuAl9Fe4Ni4Mn2（铸铝铁镍青铜）等，用于滑动速度较低的场合。灰铸铁只用于滑动速度vs≤2m./s的传动中。蜗轮常用材料8.3蜗杆传动受力分析及强度计算8.3.1蜗杆传动的受力分析由于蜗杆与蜗轮轴交错90°角，根据作用力与反作用力原理可得一般先确定蜗杆(主动件)的受力方向。其所受的圆周力Ft1的方向与转向相反，径向力Fr1的方向沿半径指向轴心，轴向力Fa1的方向取决于螺旋线的旋向和蜗杆的转向，按“主动轮左右手法则”来确定。作用于蜗轮上的力可根据作用力与反作用力原理来确定。蜗杆蜗轮受力方向的判别方法蜗轮齿面接触疲劳强度计算可以参照斜齿轮的计算方法进行。其校核公式为8.3.2蜗杆传动强度计算K：载荷系数，K=1～1.3。T2：蜗轮上的转矩，单位N·mm。［σH］蜗轮材料的许用接触应力，单位MPa。蜗轮齿面接触疲劳强度的设计公式为当蜗轮材料为铝铁青铜或灰铸铁时，其主要的失效形式为胶合，此时进行的接触强度计算是条件性计算。8.3.2蜗杆传动强度计算8.4蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算8.4.1蜗杆传动的效率（表8-7）蜗杆传动的总效率为η1、η2、η3分别为蜗杆传动的啮合效率、轴承效率和搅油效率。决定蜗杆传动总效率的是η1，一般取η2η3=0.95～96。效率与蜗杆头数的大致关系为：闭式传动Z1１２４总效率η0.7~0.750.75~0.820.82~0.928.4.2蜗杆传动的润滑在闭式蜗杆传动中，润滑方式可分为浸油润滑和压力喷油润滑。对于开式传动，则采用粘度较高的齿轮油或润滑脂进行润滑。8.4.3蜗杆传动的热平衡计算单位时间内产生的发热量Q1为如果工作温度超过允许的范围，应采取下列措施以增加传动的散热能力:(1)在箱体外表面设置散热片，以增加散热面积A。(2)在蜗杆轴上安装风扇。(3)在箱体油池内安装蛇形冷却水管，用循环水冷却。(4)利用循环油冷却。蜗杆传动散热方法8.5蜗杆和蜗轮的结构蜗杆轴铣制蜗杆是在轴上直接铣出螺旋部分，刚性较好。车制蜗杆，为便于车螺旋部分留有退刀槽，使轴径小于蜗杆根圆直径，削弱了蜗杆的刚度。蜗杆的结构形式蜗轮的结构形式蜗轮的结构形式8.6蜗杆传动的安装与维护蜗杆传动的维护：蜗杆传动工作一段时间后应测试油温，如果超过油温的允许范围应停机或改善散热条件。还要经常检查蜗轮齿面是否保持完好。润滑对于保证蜗杆传动的正常工作及延长使用期限很重要。蜗杆传动的安装位置要求根据蜗杆传动的啮合特点，应使蜗轮的中间平面通过蜗杆的轴线，为此，蜗杆传动安装后，要仔细调整蜗轮的轴向位置，使其定位准确，否则难以正确啮合。