蜗轮蜗杆传动设计

7蜗杆传动7.1蜗杆传动的特点、应用和类型7.1.1蜗杆传动的特点和应用组成：蜗杆、蜗轮（一般蜗杆为主动件，蜗轮为从动件）作用：传递空间交错的两轴之间的运动和动力。通常Σ=90°应用：用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造工业中。最大传递功率为750Kw，通常用在50Kw以下。特点:1）、传动比大。单级时i=5~80，一般为i=15~50，分度传动时i可达到1000，结构紧凑。2）、传动平稳、噪声小。3）、自锁性，当蜗杆导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，可实现自锁。4）、蜗杆传动效率较低，其齿面间相对滑动速度大，齿面磨损严重。5）、蜗轮的造价较高。为降低摩擦，减小磨损，提高齿面抗胶合能力，蜗轮常用贵重的铜合金制造。7.1.2蜗杆传动的类型按照蜗杆的形状不同分为：圆柱蜗杆传动(a)、环面蜗杆传动(b)、锥面蜗杆传动(c)。（a）圆柱蜗杆传动（b）环面蜗杆传动（c）锥面蜗杆传动图7-1蜗杆传动的类型1、圆柱蜗杆传动蜗杆有左、右旋之分。螺杆的常用齿数（头数）z1=1~4，头数越多，传动效率越高。蜗杆加工由于安装位置不同，产生的螺旋面在相对剖面内的齿廓曲线形状不同。1）、阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）如图所示，阿基米德蜗杆是齿面为阿基米德螺旋面的圆柱蜗杆。通常是在车床上用刃角α0=20°的车刀车制而成，切削刃平面通过蜗杆曲线，端面齿廓为阿基米德螺旋线。其齿面为阿基米德螺旋面。优、缺点：蜗杆车制简单，精度和表面质量不高，传动精度和传动效率低。头数不宜过多。应用：头数较少，载荷较小，低速或不太重要的场合。图7-2阿基米德蜗杆(2）、法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）如图所示，法向直廓蜗杆加工时，常将车刀的切削刃置于齿槽中线（或齿厚中线）处螺旋线的法向剖面内，端面齿廓为延伸渐开线。优、缺点：常用端铣刀或小直径盘铣刀切制，加工简便，利于加工多头蜗杆，可以用砂轮磨齿，加工精度和表面质量较高。应用：用于机场的多头精密蜗杆传动。3）、渐开线蜗杆（ZI蜗杆）如图所示，渐开线蜗杆是齿面为渐开线螺旋面的圆柱蜗杆。用车刀加工时，刀具切削刃平面与基圆相切，端面齿廓为渐开线。优、缺点：可以用单面砂轮磨齿，制造精度、表面质量、传动精度及传动效率较高。应用：用于成批生产和大功率、高速、精密传动，故最常用。2、环面蜗杆传动特点：（1）、齿轮表面有较好的油膜形成条件，抗胶合的承载能力和效率都较高；（2）、同时接触的齿数较多，承载能力为圆柱蜗杆传动的1.5~4倍；（3）、制造和安装较复杂，对精度要求高；（4）、需要考虑冷却的方式。3、锥面蜗杆传动特点：（1）、啮合齿数多，重合度大，传动平稳，承载能力强；（2）、蜗轮用淬火钢制造，节约有色金属。图7-6锥面蜗杆图7-7蜗轮蜗杆的主要参数7.2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸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。7.2.1主要参数1、模数m和压力角a蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴向模数mx1、压力角αx1应与蜗轮的端面模数、压力角相等，即mx1=mt2=mαx1=αt2=α=20°β=γβ：为蜗轮的螺旋角，γ：螺杆的导程角。表7-1圆柱蜗杆的基本尺寸和参数2、螺杆导程角γpx1：为蜗杆轴向齿距，px1=πm（mm）；γ为导程角（°）。导程角越大，传动效率越高，γ=3.5°~55°。传动效率高时，常取γ=15°~30°，采用多头蜗杆。若要求传动时反向自锁时，取γ≤3°40′。3、蜗杆分度圆直径d1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。导程角γ大，其传动效率高，但会使蜗杆的强度、刚度降低。在蜗杆刚度允许的情况下，设计蜗杆传动时，要求传动效率高时，d1可以选小值，当要求强度和刚度大时，d1选大值。4、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，可以实现自锁；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＜28)，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，蜗轮尺寸越大，刚度越小，影响传动的啮合精度，所以蜗轮齿数不大于100，常取32~80。z1、z2之间最好互质，利于磨损均匀。传动比i：（7.1）传动比i的公称值有：5，7.5，10*，12.5，15，20*，25，30，40*，50，60，70，80*。带*的为基本传动比，优先选用。5、中心距：（7.2）为便于大批生产，减少箱体类型，有利于标准化、系列化，国标中对一般圆柱蜗杆减速装置的中心距推荐为：40，50，63，80，100，125，160，（180），200，（225），250，（280），315，（335），400，（450），500。7.2.2蜗杆传动何尺寸表7-2蜗杆传动何尺寸7.3蜗杆传动的失效形式、材料和精度7.3.1蜗杆传动的失效形式及设计准则1、失效形式主要失效形式有：齿面疲劳点蚀、胶合、磨损及轮齿折断。齿面间相对滑动速度vs：（7.3）在润滑及散热不良时，闭式传动易出现胶合，但由于蜗轮的材料通常比蜗杆材料软，发生胶合时，蜗轮表面金属粘到蜗杆的螺旋面上，使、蜗轮工作齿面形成沟痕。蜗轮轮齿的磨损严重，尤其在开式传动和润滑油不清洁的闭式传动中。2、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。7.3.2蜗杆蜗轮常用材料及热处理蜗轮和蜗杆材料要有一定的强度，还要有良好的减摩性、耐摩性和抗胶合能力。蜗杆传动常用青铜（低速时用铸铁）做蜗轮齿圈，与淬硬并磨制的钢制蜗杆相匹配。1、蜗杆材料及热处理一般不重要的蜗杆用45钢调质处理；高速、重载但载荷平稳时用碳钢、合金钢，表面淬火处理；高速、重载且载荷变化大时，可采用合金钢渗碳淬火处理。表7-3蜗杆材料及热处理2、蜗轮材料及许用应力锡青铜：减摩性、耐磨性好，抗胶合能力强，但价格高，用于相对滑动速度vs≤25m/s的高速重要蜗杆传动中；铸铝青铜：强度好、耐冲击而且价格便宜，但抗胶合能力和耐磨性不如锡青铜，一般用于vs≤10m/s的蜗杆传动中；灰铸铁：用于vs≤2m/s的低速、轻载、不重要的蜗杆传动中。表7-3锡青铜蜗轮的许用应力表7-4铝铁青铜及铸铁蜗轮的许用应力7.3.3蜗杆传动的精度等级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，蜗轮圆周速度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,蜗轮圆周速度v2＜7.5m/s，8级精度一般用于一般的动力传动中，蜗轮圆周速度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，蜗轮圆周速度v2＜1.5m/s。7.4蜗杆传动的强度计算7.4.1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。在不计摩擦力时，有以下关系：图7-8蜗杆传动的受力分析7.4.2蜗杆传动的强度计算1、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：（7.4）适用于钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮(齿圈)配对蜗轮轮齿面接触疲劳强度的设计公式为：（7.5）2、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算蜗轮齿根弯曲强度的校核公式为：（7.6）设计公式为：（7.7）7.5蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算7.5.1蜗杆传动的效率（7.8）η1——轮齿啮合齿面间摩擦损失的效率；η2——考虑油的搅动和飞溅损耗时的效率；η3——考虑轴承摩擦损失时的效率；η1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：（7.9）式中：l——蜗杆的导程角；jv——当量摩擦角。（7.10）效率与蜗杆头数的大致关系为：闭式传动Z1１２４总效率η0.65~0.750.75~0.820.82~0.92自锁时：η＜0.5开式传动：z1=1、2时η=0.60~0.707.5.2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：润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。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。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：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。7.5.3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：（7.11）自然冷却从箱壁散去的热量为：（7.12）K——箱体表面的散热系数，自然通风良好时：K＝(14~17.5)W/(m2?℃)；在没有循环空气流动的场所：K＝(8.7~10.5)W/(m2?℃)；A——箱体的可散热面积(m2)；A=A1+0.5A2,A1指箱体外壁与空气接触而内壁能被油飞溅到的箱壳面积，A2指箱体的散热片面积。t1——润滑油的工作温度(℃)；t2——环境温度(℃)，一般取20℃。在热平衡条件下可得：（7.13）可用于系统热平衡验算，一般t1≤90℃散热措施：如果工作温度t1超过了[t1],则首先考虑在不增大箱体尺寸的前提下，设法增加散热面积。如不能满足要求可用下列强制措施解决。1）在蜗杆轴端装设风扇；2）采用循环压力喷油冷却；3）在箱体油池内装蛇形官。7.6蜗杆和蜗轮的结构7.6.1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，如图7-9所示；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，如图7-10所示。图7-9无退刀槽时螺旋部分的加工图7-10有退刀槽时螺旋部分的加工7.6.2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：图7-11蜗轮的结构