蝸輪和蝸桿設(shè)計詳解.ppt

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1、11.1 蝸桿傳動的類型和特點 11.2 蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算 11.3 蝸桿傳動的失效形式和計算 11.4 蝸桿傳動的材料和結(jié)構(gòu) 11.5 蝸桿傳動的強度計算 11.6 蝸桿傳動的效率、潤滑及熱平衡 11.7 普通圓柱蝸桿傳動的精度等級 11.8 常用各類齒輪傳動的選擇,第11章 祥解蝸輪蝸桿傳動設(shè)計,11.1 蝸桿傳動的類型和特點,其齒面一般是在車床上用直線刀刃的 車刀切制而成，車刀安裝位置不同， 加工出的蝸桿齒面的齒廓形狀不同。,其蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧形 的車刀切制而成的。,其蝸桿體在軸向的外形是以凹弧面為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面，這種蝸桿同時嚙合齒數(shù)多，傳動平穩(wěn)；齒面利

2、于潤滑油膜形成，傳動效率較高；,11.1.1 蝸桿傳動的類型,同時嚙合齒數(shù)多，重合度大；傳動比范圍大(10360)；承載能力和效率較高；可節(jié)約有色金屬。,11.1 蝸桿傳動的類型和特點,11.1.2 蝸輪傳動的特點,蝸桿傳動的最大特點是結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大。,傳動平穩(wěn)、噪聲小。,可制成具有自鎖性的蝸桿。,蝸桿傳動的主要缺點是效率較低。,蝸輪的造價較高。,11.2 蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算,垂直于蝸輪軸線且通過蝸桿軸線的平面，稱為中間平面。在中間平面內(nèi)蝸桿與蝸輪的嚙合就相當(dāng)于漸開線齒條與齒輪的嚙合。在蝸桿傳動的設(shè)計計算中，均以中間平面上的基本參數(shù)和幾何尺寸為基準(zhǔn) 。,11.2 蝸桿傳動的主

3、要參數(shù)和幾何尺寸計算,11.2.1 蝸桿傳動的主要參數(shù)及其選擇,1.蝸桿的頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2和傳動比 i,較少的蝸桿頭數(shù)（如：單頭蝸桿）可以實現(xiàn)較大的傳動比，但傳動效 率較低；蝸桿頭數(shù)越多，傳動效率越高，但蝸桿頭數(shù)過多時不易加工。通 常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4、6。,蝸輪齒數(shù)主要取決于傳動比，即z2= i z1 。 z2不宜太小（如z226)，否則將使傳動平穩(wěn)性變差。 z2也不宜太大，否則在模數(shù)一定時，蝸輪直徑將增大，從而使相嚙合的蝸桿支承間距加大，降低蝸桿的彎曲剛度。,傳動比 i,11.2 蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算,2.模數(shù)m和壓力角a,3.導(dǎo)程角l,在m和d1為標(biāo)準(zhǔn)值時，z1l,

4、正確嚙合時，蝸輪蝸桿螺旋線方向相同，且lb,11.2 蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算,4.蝸桿分度圓直徑d1和蝸桿直徑系數(shù)q,,,由于蝸輪是用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀配對加工而成的，為了限制 滾刀的數(shù)目，國家標(biāo)準(zhǔn)對每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿分度圓 直徑d1。,直徑d1與模數(shù)m的比值稱為蝸桿的直徑系數(shù)。,,,當(dāng)模數(shù)m一定時，q值增大則蝸桿直徑d1增大，蝸桿的剛度提高。因此，對于小模數(shù)蝸桿，規(guī)定了較大的q值，以保證蝸桿有足夠的剛度。,11.2 蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算,5.中心距,11.2 蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算,11.2.2 蝸桿傳動的幾何尺寸計算,,,,,,,,,

5、,,,,,,,,,,,,,標(biāo)準(zhǔn)中心距,徑向間隙,蝸輪螺旋角,蝸桿導(dǎo)程角,齒根圓直徑,齒頂圓直徑,齒根高,齒頂高,分度圓直徑,蝸輪,蝸桿,計算公式,符號,名稱,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,11.3 蝸桿傳動的失效形式和計算準(zhǔn)則,11.3.1 蝸桿傳動的失效形式,1.齒面見相對滑動速度v；,,蝸桿傳動的主要問題是摩擦磨損嚴(yán)重，這是設(shè)計中要解決的主要問題。,蝸輪磨損、系統(tǒng)過熱、蝸桿剛度不足是主要的失效形式。,2.齒輪的失效形式；,11.3 蝸桿傳動的失效形式和計算準(zhǔn)則,11.3.2 蝸桿傳動的計算準(zhǔn)則,對于閉式蝸輪傳動，通常按齒面接觸疲勞強度來設(shè)計，

6、并校核齒根彎曲疲勞強度。,對于開式蝸輪傳動，或傳動時載荷變動較大，或蝸輪齒數(shù)z2大于90時，通常只須按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計。,由于蝸桿傳動時摩擦嚴(yán)重、發(fā)熱大、效率低，對閉式蝸桿傳動還必須作熱平衡計算，以免發(fā)生膠合失效。,11.4 蝸桿傳動的材料和結(jié)構(gòu),11.4.1 蝸桿傳動的材料,為了減摩，通常蝸桿用鋼材，蝸輪用有色金屬（銅合金、鋁合金）。,高速重載的蝸桿常用15Cr、20Cr滲碳淬火，或45鋼、40Cr淬火。,低速中輕載的蝸桿可用45鋼調(diào)質(zhì)。,蝸輪常用材料有：鑄造錫青銅、鑄造鋁青銅、灰鑄鐵等。,11.4 蝸桿傳動的材料和結(jié)構(gòu),11.4.2 蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu),1.蝸桿的結(jié)構(gòu),蝸桿螺旋部分的

7、直徑不大，所以常和軸做成一個整體。當(dāng)蝸桿螺旋 部分的直徑較大時，可以將軸與蝸桿分開制作。,無退刀槽，加工螺旋部分時只能用銑制的辦法。,有退刀槽，螺旋部分可用車制，也可用銑制加工，但該結(jié)構(gòu)的剛度 較前一種差。,2.蝸輪的結(jié)構(gòu),為了減摩的需要，蝸輪通常要用青銅制作。為了節(jié)省銅材，當(dāng)蝸輪直徑較大時，采用組合式蝸輪結(jié)構(gòu)，齒圈用青銅，輪芯用鑄鐵或碳素鋼。常用蝸輪的結(jié)構(gòu)形式如下：,11.4 蝸桿傳動的材料和結(jié)構(gòu),觀看渦輪照片,11.5 蝸桿傳動的強度計算,普通蝸桿傳動的承載能力計算2,11.5.1 蝸桿傳動的受力分析,蝸桿傳動的受力分析與斜齒圓柱齒輪相似，輪齒在受到法向載荷Fn的情況下，可分解出徑向載荷F

8、r、周向載荷Ft、軸向載荷Fa。,蝸桿傳動受力方向判斷,在不計摩擦力時，有以下關(guān)系：,,11.5 蝸桿傳動的強度計算,11.5.2 蝸輪齒面接觸疲勞強度計算,蝸輪齒面接觸疲勞強度的校核公式為 ：,,適用于鋼制蝸桿對青銅或鑄鐵蝸輪,渦輪齒面接觸疲勞強度的設(shè)計公式為,,11.5 蝸桿傳動的強度計算,11.5.3 蝸輪齒輪的齒根彎曲疲勞強度計算,渦輪齒根彎曲強度的校核公式為：,設(shè)計公式為：,,,11.5 蝸桿傳動的強度計算,11.5. 4 蝸桿材料的許用應(yīng)力,1.蝸輪材料的許用應(yīng)力sH,蝸輪材料的許用應(yīng)力sH由材料的抗失效能力決定。其計算公式為,2.蝸輪的許用彎曲應(yīng)力sF,,,11.6 蝸桿傳動的效

9、率、潤滑及熱平衡計算,11.6.1 蝸桿傳動效率,h1計及嚙合摩擦損耗的效率；,h2計及軸承摩擦損耗的效率；,h3計及濺油損耗的效率；,h1是對總效率影響最大的因素，可由下式確定：,所以 Z1,效率與蝸桿頭數(shù)的大致關(guān)系為： 閉式傳動Z1 總 效 率 0.7 0.75 0.750.82 0.820.92,式中：l 蝸桿的導(dǎo)程角； v當(dāng)量摩擦角。,普通蝸桿傳動的效率潤滑與熱平衡2,11.6.2 蝸桿傳動的潤滑,潤滑的主要目的在于減摩與散熱。具體潤滑方法與齒輪傳動的潤滑相近。,潤滑油,潤滑油粘度及給油方式,潤滑油量,潤滑油的種類很多，需根據(jù)蝸桿、蝸輪配對材料和運轉(zhuǎn)條件選用。,一般根據(jù)

10、相對滑動速度及載荷類型進行選擇。給油方法包括：油池潤 滑、噴油潤滑等，若采用噴油潤滑，噴油嘴要對準(zhǔn)蝸桿嚙入端，而且要控 制一定的油壓。,潤滑油量的選擇既要考慮充分的潤滑，又不致產(chǎn)生過大的攪油損耗。對于下置蝸桿或側(cè)置蝸桿傳動，浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個齒高；當(dāng)蝸桿上置時，浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。,11.6 蝸桿傳動的強度計算,11.6 蝸桿傳動的強度計算,11.6.3 蝸桿傳動的熱平衡計算,,由于傳動效率較低，對于長期運轉(zhuǎn)的蝸桿傳動，會產(chǎn)生較大的熱量。 如果產(chǎn)生的熱量不能及時散去，則系統(tǒng)的熱平衡溫度將過高，就會破壞潤 滑狀態(tài)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)進一步惡化。,系統(tǒng)因摩擦功耗產(chǎn)生的熱量為：,自然冷卻從箱

11、壁散去的熱量為：,Ks箱體表面的散熱系數(shù)，可取Ks (8.1517.45)W/(m2)；,A 箱體的可散熱面積(m2)；,t1潤滑油的工作溫度()；t0環(huán)境溫度()。,在熱平衡條件下可得：,可用于系統(tǒng)熱平衡驗算，一般t17090,可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計,11.6 蝸桿傳動的強度計算,11.7 蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護,蝸桿傳動的精度選擇,GB 10089-88對普通圓柱蝸桿傳動規(guī)定了112個精度等級,1級精度最高，其余等級依次降低，12級為最低，69級精度應(yīng)用最多,6級精度傳動一般用于中等精度的機床傳動機構(gòu)，圓周速度v25m/s,7級精度用于中等精度的運輸機或高速傳遞動力場合,速度v27.5

12、m/s,8級精度一般用于一般的動力傳動中，圓周速度v23m/s,9級精度一般用于不重要的低速傳動機構(gòu)或手動機構(gòu),蝸桿傳動安裝,蝸桿傳動安裝要求精度高。應(yīng)使蝸輪的中間平面通過蝸桿的軸線。如右圖所示。,為保證傳動的正確嚙合，工作時蝸輪的中間平面不允許有軸向移動，因此蝸輪軸支撐應(yīng)采用兩端固定的方式。,蝸桿傳動的維護很重要，又注意周圍的通風(fēng)散熱情況。,解： （1）選擇材料并確定許用應(yīng)力 蝸桿：由于功率不大，采用45鋼表面淬火，硬度45HRC。 蝸輪：因轉(zhuǎn)速較高，采用抗膠合性能好的鑄錫青銅，ZcuSn10P1，砂 模鑄造。 查表11.6，蝸輪材料的基本許用接觸應(yīng)力為,,

13、查表11.8，蝸輪材料的基本許用彎曲應(yīng)力為,,11.7 蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護,計算壽命系數(shù),,,計算許用應(yīng)力：,,,11.7 蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護,（2）確定蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù),由表11.1，根據(jù)傳動比i值取,,,（3）計算蝸輪轉(zhuǎn)矩,取,,（4）按齒面接觸疲勞強度計算,,,,,11.7 蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護,得m=8，q=10,由式（11.11）得,,齒根的彎曲疲勞強度校核合格。,11.7 蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護,（5）驗算傳動效率,蝸桿分度圓速度為,查表11.9得,11.7 蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護,（6）熱平衡計算,,,,符合

14、要求。,（7）中心距a及各部分尺寸,,各部分尺寸計算略。,11.7 蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護,（8）精度選擇,由v2選擇精度等級。精度等級選擇參考GB10089-88。,,故選8級精度。,（9）繪制蝸桿、蝸輪零件工作圖,11.7 蝸桿傳動的精度等級選擇及其安裝維護,11.8 常用各類齒輪傳動的選擇,11.8.1 各類齒輪傳動性能的比較,11.8 常用各類齒輪傳動的選擇,11.8.2 傳動類型的選擇,在選擇傳動類型時應(yīng)考慮以下幾個方面,傳遞大功率時，一般均采用圓柱齒輪。,在聯(lián)合使用圓柱、圓錐齒輪時，應(yīng)將圓錐齒輪放在高速級,圓柱齒輪和諧齒輪相比，一般斜齒輪的強度比直齒輪高，且傳動平穩(wěn)，所以用于高速場合。直齒輪用于低速場合,直齒圓錐齒輪僅用于V5m/s的場合，高速時可采用曲面齒等。,由工作條件確定選用開式傳動或閉式傳動。,蝸桿的圓周速度v4m/s時采用上置式蝸桿傳動。,聯(lián)合使用齒輪、蝸桿傳動時，有齒輪傳動在高速級和蝸桿傳動在高速級兩種布置形勢。前者結(jié)構(gòu)緊湊，后者傳動效率較高。,