页数：69页文件大小：3.92 MB来源： 机械设计ppt课件
本课件讲述蜗杆传动的组成与特点，说明蜗杆传动的类型、主要参数与几何尺寸关系，分析其失效形式、材料选择与受力情况，并给出蜗轮齿面接触强度、齿根弯曲强度计算以及效率、润滑与热平衡校核方法。
蜗杆传动封面
第九章蜗杆传动
1.1 蜗杆传动的特点
9.1.1蜗杆传动的特点和应用蜗杆传动的特点：1、单级传动比大，结构紧凑。
2、传动平稳，无噪音3、可自锁4、传动效率低5、成本高9.1概述
1.2 蜗杆传动的类型7-2蜗
9.1.2蜗杆传动的类型7-2蜗杆传动的类型圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动普通圆柱蜗杆圆弧齿圆柱蜗杆阿基米德蜗杆渐开线蜗杆法向直廓蜗杆锥面包络蜗杆
阿基米德蜗杆传动
(ZA型)阿基米德蜗杆又称为轴向直齿廓蜗杆，这种蜗杆切削时的刀具切削平面通过蜗杆轴线，所切出的蜗杆齿廓在轴面内为直线；
在与轴线垂直的平面内，为阿基米德螺旋线。
该类型蜗杆具有加工、测量简单、方便等优点；
单齿面不便于磨削，不宜采用硬齿面，传动效率低，只是用于低速轻载的传动中。
a)单刀加工（当导程角γ≤3°时）b)双刀加工（当导程角γ＞3°时）
渐开线蜗杆
(ZI型)渐开线蜗杆是使刀具切削平面通过蜗杆基圆的切平面时，所切出的蜗杆。
其齿廓在基圆的切平面内为直线，而齿廓与垂直于蜗杆轴线的平面交线为渐开线。
这种蜗杆可用滚刀滚铣，也可进行磨削。
因而，制造精度较高，也可采用硬齿面。
适用于批量生产、大功率、高速传动的场合。
法向直廓蜗杆
（ZN型)法向直廓蜗杆又称为延伸渐开线蜗杆，切削时刀具的切削平面在垂直于齿槽（或齿厚）中点螺旋线的法平面内，在法面内的齿形为直线。
而在垂直于轴线平面内的齿形为延伸渐开线。
这种蜗杆容易实现磨削，可采用硬齿面，精度和传动效率较高。
适用于螺旋线数较多、导程较大的蜗杆传动。
a)单刀加工b)双刀加工
锥面包络圆柱蜗杆（ZK）
蜗杆的螺旋面是圆锥面族的包络曲面，使用盘状铣刀或砂轮加工的。
加工时，除蜗杆作螺旋运动外，刀具还绕其自身的轴线作回转运动，蜗杆在各个剖面上的齿廓均为曲线。
圆弧圆柱蜗杆
（ZC型）圆弧圆柱蜗杆（ZC）与上述蜗杆不同，其齿廓的形状为圆弧。
用于传递动力的圆弧齿圆柱蜗杆，在螺旋线的法平面内齿廓为凹圆弧；
在蜗杆的轴面内为近似的凹圆弧。
蜗轮齿廓在蜗杆的轴面内为近似的凸圆弧。
因此，蜗杆蜗轮啮合时为凹凸圆弧齿啮合传动，承载能力大、结构紧凑、传动效率高，是目前我国推广使用的一种蜗杆传动。
b)蜗杆法面齿形c)蜗杆轴面齿形
9.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数
和几何尺寸9.2.1普通圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择1、蜗杆传动的正确啮合条件及模数m和压力角α中间平面：通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面。
蜗杆传动的设计计算以中间平面为准♦正确啮合条件：=mt2=m2ma1αa1=αt2=αγ=β—蜗杆的导程角γ2β—蜗轮螺旋角
蜗杆分度圆直径d1和导程角
2、蜗杆分度圆直径d1和导程角γ为了限制蜗轮滚刀的数目并便于滚刀的标准化，因此对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d121.61.251mmm(18)22.4(28)35.528202020.418d1mm11289.61427251.271.6831.253518m2d1mm43.152.5mmm(31.5)40(50)7156(28)35.5(45)2845(22.4)(35.5)d1mm8006401136504352.5446.5556140175221.9281m2d1mm
普通圆柱蜗杆传动的主要参数
tgγ=z1Px/πd1=z1m/d1
普通圆柱蜗杆传动的主要参数
>401>4028~402、128~8014~27228~547~13428~52传动比i蜗杆头数z1蜗轮齿数z23、传动比i蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z2z1↓，自锁↑，但效率↓；
z1↑，效率↑，但制造困难。
因此，要求传动效率高的蜗杆传动选较多的头数；
而要求自锁的蜗杆传动则选单头为宜。
n2Z1=Z2i=n1传动比蜗杆头数Z1通常取为：1，2，4,6蜗轮齿数Z2=iZ1，一般取Z2=26~80但需注意：①规定z2≥28（z2min≥17）。
∵当z2＜26时，啮合区↓↓，传动平稳性↓；
当z2≥30时，可实现两对齿以上的啮合。
②传递动力时，要求z2≤80。
∵当d2不变时，z2↑，m↓，蜗轮轮齿弯曲强度↓；
而当m不变时，z2↑, →d2↑，→蜗杆长度↑→蜗杆刚度↓。
③此外还应避免蜗杆头数与蜗轮齿数之间存有公因数，以使蜗杆蜗轮磨损均匀。
蜗杆头数与蜗轮头数的荐用值
传动中心距和变位系数
4传动中心距和变位系数212d=1(d+d)为了凑培中心距或微量改变传动比，或为了提高蜗杆传动的承载能力及传动效率，也常用变位蜗杆传动，但只对蜗轮进行变位，蜗杆不变位。
中心距计算公式：
⑴蜗蜗杆传动的变位杆传动变位的方法
在切制蜗轮时，使刀具相对于加工标准蜗轮时的位置沿径向进行移位来实现。
⑵蜗杆传动变位的目的：①凑配中心距（变位前后，z2=z’2，即i不变，a’≠a）a′=a+xm=m(q+z+2x)22−0.5≤x≤+0.5常用范围：为了有利于提高蜗轮轮齿的强度，最好取x2＞0mx=a′−a
②改变传动比
（变位前后，a’=a，但z’2≠z2，即i改变，）变位前：2(q+z)a=变位后：(m2m22′q+z+2x)a=′∵a’=a，∴有：z22=z′+2x222x=1(z−z′)当z’2＜z2时x＜0→i↑x＞0→i↓显然：当z’2＞z2时时x=±0.5时x=±1如：z2′=z2干1z2′=z2干2∵蜗轮齿数只能为整数∴x只能取±0.5和±1，而不能取其他的值。
相对滑动速度υsm/s式中
5、相对滑动速度υsm/s式中：d1—蜗杆分度圆直径，mmn1—蜗杆的转速，r/minγ—蜗杆分度圆上的导程角,度υ1cosγ2221=υs=υ+υ=πd1n160×1000cosγ
2.2 蜗杆传动的几何尺寸计算h*
9.2.2蜗杆传动的几何尺寸计算h*=1ac*=0.2
名称符号蜗杆蜗轮分度圆直径
dd1d2=mz2中心距aa=（d1+d2）/2齿顶圆直径dada1=d1+2mda2=d2+2m齿根圆直径dfdf1=d1-2.4mdf2=d2-2.4m蜗轮最大外圆直径de2de2=da2+m蜗轮齿顶圆弧半径Ra2Ra2=df1+0.2m蜗轮齿根圆弧半径Rf2Rf2=da1+0.2m蜗轮轮缘宽度bz1≤3时,b≤0.75da1z1=4时，b≤0.67da1蜗杆分度圆柱上导程γ角γ=arctan（z1m/d1）pP=πm蜗杆螺旋部分长度Lz1=1、2时,L≥(11+0.06z2)m;
z2=4时,L≥(12.5+0.09z2)m;
磨削蜗杆加长量：当m<10(mm)时，加长25（mm）;
当m=10～16(mm)时，加长35～40（mm）
9.3 蜗杆传动的失效形式
设计准则和材料选择9.3.1蜗杆传动的失效形式设计准则设计准则①闭式蜗杆传动：胶合、点蚀和磨损；
开式蜗杆传动：磨料磨损；
②失效通常发生在蜗轮轮齿上；
闭式传动：①先按齿面接触强度设计②再按齿根弯曲强度校核③热平衡计算④细长蜗杆轴需作刚度计算开式传动：只按齿根弯曲疲劳强度计算出m，然后将模数加大10%左右。
9.3.2蜗杆和蜗轮的常用材料
对蜗杆副材料的要求是：有足够的强度、良好的抗胶合性能、耐磨性、减磨性及跑和性能好。
因此常采用青铜作蜗轮的齿圈，与淬硬后经磨削的钢制蜗杆相配。
1）蜗杆材料及选择►蜗杆一般用碳素钢或合金钢制成，要求齿面光洁并具有较高的硬度。
2）蜗轮材料及其选择►蜗轮材料为铸造锡青铜、铸造铝铁青铜、灰铸铁
►铸造锡青铜
（ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5)：减摩性、耐磨性最好，抗胶和能力最强，但是抗弯曲强度较低，价格较高，用于υs>6m/s的重要传动中►铝铁青铜（ZCuAl10Fe3):有足够的强度，价格便宜，但是耐磨性和抗胶和能力差，用于υs≤6m/s的传动中。
►灰铸铁(HT150,HT200):用于υs≤2m/s的低速或手动传动中。
.2蜗杆和蜗轮的常用材料
运动方向判断
1.运动方向判断（用螺旋定则）：♦当蜗杆为右(左)旋时，用右(左)手四指弯曲的方向代表蜗杆的旋转方向，蜗轮的节点速度v2的方向与大拇指指向相反，从而确定蜗轮的转向。
蜗杆传动的受力分析的方向的方法
2.蜗杆传动的受力分析的方向的方法与外啮合圆柱齿轮传动相同（分主、从动件）；
轴向力Fa的方向则可根据相应的圆周力Ft的方向来判定；
Fa1与Ft2方向相反，Ft1与Fa2的方向相反♦力的方向判断：确定圆周力Ft及径向力FrFt1Fa1Fr1Ft2Fa2Fr2
蜗杆传动的计算载荷
2蜗杆传动的计算载荷Pc0nCLKFP=K=KAKβKvKA—使用系数；
查表K—齿向载荷分配系数；
β载荷平稳时，Kβ=1；
有冲击、振动时，Kβ=1.3～1.6。
Kv—动载系数；
v2≤3m/s时，Kv=1.0～1.1;
v2＞3m/s时，Kv=1.1～1.2;
minminπd1θα3600cosγL=ξεLmin—最小接触线长度minξ—接触线长度变化系数，取ξmin=0.75；
εα—端面重合度，取εα=2；
θ—蜗轮包角，取θ=100°122n1c1.31dddP≈2KT2×cosγ=1.62KT2dcosγcosαcosγminL=1.31d1
4.2 蜗轮齿面接触疲劳强度计算
9.4.2蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度计算的校核公式为：设计公式为：mm3MPa式中：T2—作用在蜗轮上的转矩(N.mm)K—载荷系数[σH]—蜗轮材料的许用接触应力，MPaHEEH12m2dz2dd2129KT29KT2≤[σ]=Zσ=Z1222HZdm2≥9KTEz[σ]
若蜗轮齿圈是锡青铜制造
蜗轮的损坏形式蜗杆齿面硬度铸造方法蜗轮材料HRC>45HB≤350200180砂模铸造铸锡磷青铜ZcuSn10P1220200金属模铸造125110砂模铸造铸锡锌铅青铜ZcuSn5Pb5Zn5150135金属模铸造主要是疲劳点蚀锡青铜蜗轮的许用接触应力[σH]
50.25 蜗杆蜗轮
相对滑动速度υsm/s材料643210.50.25蜗杆蜗轮120160180210230250—钢经淬火铝铁青铜ZcuAl10Fe395135150180200215—钢经淬火锰铅黄铜ZcuZn38Mn2Pb2—90115130160渗碳钢灰铸铁HT150HT200—7090110140调制或正火钢灰铸铁HT150HT200若蜗轮为无锡青铜或铸铁制造时，蜗轮的损坏形式主要是胶合铝青铜及灰铸铁蜗轮的许用接触应力[σ]H
♦通常按齿面接触疲劳强度条件计算蜗杆传动
的承载能力，即在选择许用应力的时，要适当考虑胶合和磨损失效因素的影响。
同时，对闭式传动要进行热平衡计算，必要时对蜗杆强度和刚度进行计算。
9.5 蜗杆传动的效率
润滑和热平衡计算9.5.1蜗杆传动的效率3η=η1η2η式中：η1—啮合效率1tan(γ+ρ′)η=tanγη2η3—分别为轴承效率和搅油效率一般取η2η3=0.95~0.96轴承效率一对滚动轴承为η3＝0.99~0.995滑动轴承为η3＝0.9７~0.9８搅油或溅油效率η2≈0.95~0.99
蜗杆传动的总效率
tan(γ+ρ′)η=(0.95~0.97)tanγ在设计蜗杆传动时,可根据蜗杆头数Z1按下表初步估计蜗杆传动的总效率421Z10.87~0.920.75~0.820.7~0.75闭式传动η0.6~0.7开式传动
润滑的目的
由于蜗杆传动滑动速度大、效率低、产生的热量大，如果润滑不当就会导致过渡磨损、甚至产生胶合。
为防止上述问题出现，如何保证蜗杆传动具有良好的润滑状态，就成为蜗杆传动设计时必须考虑的一个至关重要的问题。
1、润滑油及其添加剂为提高蜗杆传动的抗胶合性能，常采用黏度较大的矿物油、或在润滑油中加入适量的添加剂，如抗氧化剂、抗磨剂、油性极压添加剂等。
在表11-20中列出了蜗杆传动常用的润滑油牌号。
2、润滑油粘度及给油方法在表11-21中列出了不同滑动速度时推荐选用的润滑油运动粘度值，供设计时选用。
闭式蜗杆传动常用润滑方法主要有油池浸油润滑、循环喷油润滑等方式。
具体选择可根据蜗杆传动的滑动速度大小确定。
若采用压力喷油润滑，应注意控制油压，并应使喷油嘴对准蜗杆啮入端；
蜗杆正反转时两边都要装喷油嘴。
3、润滑油供油量为保证蜗杆传动的正常润滑、又不致因浸入油池深度过大，过分搅动润滑油而导致功率损失较大和润滑油温升较高而过早失效，必须保证一定的油量。
①蜗杆下置时，浸油深度应不超过一个齿高；
②蜗杆上置时，蜗轮进入深度约为蜗轮外径的三分之一。
同时还应使齿顶与箱底保持适当距离，以防止沉入箱底的杂质被搅起而降低润滑性能。
9.5.2蜗杆传动的润滑
5.3 蜗杆传动的热平衡计算
9.5.3蜗杆传动的热平衡计算所谓热平衡，就是要求蜗杆传动正常连续工作时，由摩擦产生的热量应小于或等于箱体表面散发的热量，以保证温升不超过许用值。
蜗杆传动的发热量较大，对于闭式传动，如果散热不充分，温升过高，就会使润滑油粘度降低，减少润滑作用，导致齿面磨损加剧，甚至引起齿面胶合。
连续工作的闭式蜗杆传动，应进行热平衡计算
w转化为热量的摩擦耗损功率
式中：p—传动输入的功率(kW)η—传动总效率在闭式传动中，热量是通过箱壳散逸。
经箱体表面散发热量的相当功率：t、t0—润滑油的工作温度和环境温度H1=1000P1(1−η)H2=KsA(t−t0)式中：k—散热系数A—散热面积w
如果超过温差允许值
可采取措施,以提高其散热能力12达到热平衡时：H=H0KAs式中：[t]—允许的润滑油许用温度t=t+1000P1(1−η)≤[t]
常用措施
1、合理设计箱体结构铸出或焊上散热片,以增大散热面积2、在蜗杆轴上装置风扇（进行人工通风,以提高散热系数）
在箱体油池内装设蛇行冷却水管
3、在箱体油池内装设蛇行冷却水管
采用压力喷油循环润滑
4、采用压力喷油循环润滑
7.6 蜗杆
和蜗轮的结构1、蜗杆的结构蜗杆轴的形式有两种，一是带有退刀槽的结构，这种结构蜗杆轴的螺纹部分可以车制、也可用铣床铣制，但刚度较差；
另外一种当齿根圆直径小于轴径时，只能铣制。
蜗轮的结构
2、蜗轮的结构
蜗轮可制成整体式或装配式1）
整体式(铸铁蜗轮和直径小于100的青铜蜗轮）
组合式（直径较大时）
2）组合式（直径较大时）
螺栓联接式（直径大于600）
3）螺栓联接式（直径大于600）
浇铸式（大批量）
4）浇铸式（大批量）
如图所示斜齿轮――蜗杆传动
输出轴上斜齿轮4的转向及旋向如图所示，要求：1为使中间轴上蜗轮2和齿轮3的轴向力相抵，请标出蜗杆1的旋向；
2试标出图中蜗杆、蜗轮和齿轮的转向；
3绘出齿轮3与4啮合点所受各力的方向。
例1下图是两级蜗杆减速器
蜗轮4为右旋，逆时针方向转动，要求在2轴上的蜗杆3与蜗轮2的轴向力方向相反，要求在图上：1）画出蜗杆1的旋转方向，画出蜗轮2的螺旋线方向；
2）画出蜗轮2与蜗杆3所受各力的方向；
3）画出蜗杆3的螺旋线方向及其旋转方向。
蜗杆
1234Fr3Fa3Ft4Ft3Fr2Fa2Ft2n1n3
例2下图是齿轮蜗杆减速器
齿轮1的螺旋线方向为右旋，试回答下列问题：1判断齿轮2的轮齿螺旋线方向，并在图中画出；
2在图中画出齿轮1和齿轮2在节点A处所受的轴向力方向；
3为使齿轮2和蜗杆3的轴向力抵消一部分，判断蜗杆3的旋向，并在图中画出？
判断蜗轮4的旋向，并在图中画出。
4画出蜗杆3在节点B处所受三个分力方向，画出蜗轮4的转动方向。
蜗杆
n3Ft2Fa2Fr2Ft3Ft4Fa3Fr33214n1Fa1
例已知一传递动力的蜗杆传动
蜗杆为主动件，它所传递的功率P=3kW，转速n1=960r/min，n2=70r/min，载荷平稳，试设计此蜗杆传动。
解：由于蜗杆传动的强度计算是针对蜗轮进行的，而且对载荷平稳的传动，蜗轮轮齿接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，通常都能满足弯曲强度的要求，因此，只需计算接触强度和热平衡。
选材料
（1）选材料，确定许用接触应力[σH]，蜗杆用45钢，表面淬火45~50HRC；
蜗轮用ZCuSn10P1（10-1锡青铜）砂型铸造。
由表9-5查得[σH]=200。
1．蜗轮轮齿齿面接触强度计算（2）选蜗杆头数z1，确定蜗轮齿数z2，传动比i=n1/n2=960/70=13.71，因传动比不算大，为了提高传动效率，可选z1=2，则z2=iz1=13.71×2=27.42，取z2=27。
蜗杆
1n2Pη26T=9.55×10×=9.55×106×=327428.4N.mm70=9.55×106×3×0.8（3）确定作用在蜗轮上的转矩T2，因z1=2，故初步选取η=0.80，则
确定载荷系数
（4）确定载荷系数K，因载荷平稳，速度较低，取K=1.1，由式（9-11）得5002×1.1×327428.427×200500KT2z2H[σ]m2d≥12≥=3087.6mm3由表9-1，取m=8，d1=80mm。
计算主要几何尺寸蜗杆分度
（5）计算主要几何尺寸蜗杆分度圆直径d1=80mm蜗轮分度圆直径d2=mz2=8×27=216mm中心距a=(d1+d2)=0.5×(80+216)=148mm
蜗杆
sAK1000P10(1−η)Δt=t−t=（1）取Ks=15W/（m2·℃）；
2取散热面积A≈1.1m2；
3效率η=0.8。
2．热平衡计算由式（9-16）得
蜗杆
1.1×150Δt=t-t=1000×3×(1−0.8)=36.36℃＜[Δt]=60~70℃故满足热平衡要求。
3．其他几何尺寸计算（略）4．绘制蜗杆和蜗轮零件工作图（略）
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