機(jī)械設(shè)計(jì)課程講義

1、盤銑刀放置在蝸桿齒盤銑刀放置在蝸桿齒槽的法向面內(nèi)，各剖槽的法向面內(nèi)，各剖面齒廓均為曲線面齒廓均為曲線第四章第四章 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)一、一、蝸桿傳動(dòng)的類型及其特點(diǎn)蝸桿傳動(dòng)的類型及其特點(diǎn)(1) 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)用直母線刀刃加工用直母線刀刃加工車刀切削平面通過車刀切削平面通過蝸桿軸線、軸向剖蝸桿軸線、軸向剖面為直線齒廓面為直線齒廓阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿錐面包絡(luò)圓柱蝸桿錐面包絡(luò)圓柱蝸桿1. 類型類型 用于不太重要場(chǎng)合用于不太重要場(chǎng)合廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用阿基米德蝸桿阿基米德蝸桿錐面包絡(luò)圓柱蝸桿錐面包絡(luò)圓柱蝸桿(2) 圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧車刀刀刃平面圓弧車刀刀刃平面通

2、過蝸桿軸線通過蝸桿軸線環(huán)面砂輪裝置在蝸桿環(huán)面砂輪裝置在蝸桿螺旋線的法面內(nèi)螺旋線的法面內(nèi)中間平面上蝸桿齒廓凹弧形、蝸輪齒中間平面上蝸桿齒廓凹弧形、蝸輪齒廓 凸 弧 形廓 凸 弧 形 承 載 能 力 較 普 通 型 高承 載 能 力 較 普 通 型 高50150% 傳動(dòng)效率達(dá)傳動(dòng)效率達(dá)90%目前正推廣目前正推廣2. 特點(diǎn)特點(diǎn) (1) 傳動(dòng)比大傳動(dòng)比大 i = 1080從運(yùn)動(dòng)關(guān)系看，蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺母與螺桿傳動(dòng)從運(yùn)動(dòng)關(guān)系看，蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺母與螺桿傳動(dòng)(2) 傳動(dòng)平穩(wěn)傳動(dòng)平穩(wěn)(4) 摩擦發(fā)熱大、傳動(dòng)效率低摩擦發(fā)熱大、傳動(dòng)效率低(3) 有自鎖性有自鎖性 ( 蝸桿升角蝸桿升角當(dāng)量摩擦角當(dāng)量摩擦角)v二、

3、二、普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及幾何尺寸普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及幾何尺寸 (阿基米德蝸桿為例阿基米德蝸桿為例) 1. 中間平面內(nèi)蝸桿嚙合特點(diǎn)中間平面內(nèi)蝸桿嚙合特點(diǎn) 在中間平面內(nèi)，相當(dāng)于斜齒條與斜齒輪的嚙合在中間平面內(nèi)，相當(dāng)于斜齒條與斜齒輪的嚙合(1) 正確嚙合條件正確嚙合條件蝸桿軸面周節(jié)蝸桿軸面周節(jié)蝸輪端面周節(jié)蝸輪端面周節(jié)1xp2tp模數(shù)：模數(shù)：(標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值)mmmtx21壓力角壓力角 ：(標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值)02120tx(2) 蝸桿傳動(dòng)參數(shù)及幾何尺寸計(jì)算與齒輪傳動(dòng)相同蝸桿傳動(dòng)參數(shù)及幾何尺寸計(jì)算與齒輪傳動(dòng)相同參數(shù)：參數(shù)：.、m幾何尺寸計(jì)算：幾何尺寸計(jì)算：.222222、aahddmzd通過蝸

4、桿軸線且垂直通過蝸桿軸線且垂直與蝸輪軸線的平面與蝸輪軸線的平面2. 主要參數(shù)主要參數(shù)加工蝸輪要用與蝸桿同樣參數(shù)和直徑的蝸輪滾刀加工蝸輪要用與蝸桿同樣參數(shù)和直徑的蝸輪滾刀要減少滾刀數(shù)目、便于刀具標(biāo)準(zhǔn)化要減少滾刀數(shù)目、便于刀具標(biāo)準(zhǔn)化交錯(cuò)角為交錯(cuò)角為900的螺旋齒輪傳動(dòng)：的螺旋齒輪傳動(dòng)： 大小相等、方向相同大小相等、方向相同(1) 模數(shù)模數(shù)和壓力角和壓力角m(2) 蝸桿分度圓直徑蝸桿分度圓直徑1d則將則將1d定為標(biāo)準(zhǔn)值定為標(biāo)準(zhǔn)值并與并與 m有一定的搭配關(guān)系有一定的搭配關(guān)系直徑系數(shù)直徑系數(shù)mdq1(3) 蝸桿分度圓柱導(dǎo)程角蝸桿分度圓柱導(dǎo)程角11111dmzdpzdpztgx的蝸桿具有自鎖性的蝸桿具有自

5、鎖性030302190090故故與與導(dǎo)程導(dǎo)程zp周節(jié)周節(jié)xp(4) 傳動(dòng)比傳動(dòng)比 i加工困難加工困難1 實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比或要求自鎖實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比或要求自鎖傳動(dòng)比傳動(dòng)比1221zznni蝸桿頭數(shù)蝸桿頭數(shù)1z1zz1 =2、4 要求效率要求效率避免根切避免根切避免蝸桿過長(zhǎng)避免蝸桿過長(zhǎng)引起剛度不足引起剛度不足蝸輪齒數(shù)蝸輪齒數(shù)2z100272 z 一般取一般取70292z(5) 相對(duì)滑動(dòng)速度相對(duì)滑動(dòng)速度sv)/(cos60000cos111smndvvs齒間的齒間的sv摩擦發(fā)熱摩擦發(fā)熱11dmztg蝸輪變、蝸桿保持不變蝸輪變、蝸桿保持不變蝸輪變位計(jì)算與齒輪相同蝸輪變位計(jì)算與齒輪相同配湊中心距符合標(biāo)準(zhǔn)值配湊中

6、心距符合標(biāo)準(zhǔn)值(6) 變位系數(shù)變位系數(shù)2x未變位未變位222121mzddda變位后變位后22122mxmzdmxaa湊傳動(dòng)比符合推薦值湊傳動(dòng)比符合推薦值 (中心距保持不變中心距保持不變)蝸輪齒數(shù)蝸輪齒數(shù)蝸輪輪齒頂變尖蝸輪輪齒頂變尖蝸輪根切蝸輪根切變位系數(shù)變位系數(shù)maammzdmax2122未變位未變位 2z變位后變位后 2z221mzda2212mxmzda由由aa 得變位系數(shù)得變位系數(shù)2222zzx2x2x普通蝸桿傳動(dòng)普通蝸桿傳動(dòng)7 . 07 . 02x圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)15 . 02x3. 幾何尺寸計(jì)算幾何尺寸計(jì)算 基本尺寸與齒輪傳動(dòng)類似基本尺寸與齒輪傳動(dòng)類似(1) 蝸輪蝸

7、輪3個(gè)圓個(gè)圓(2) 蝸輪輪緣寬度蝸輪輪緣寬度b (3) 蝸桿螺紋長(zhǎng)度蝸桿螺紋長(zhǎng)度b1齒根圓齒根圓2fd喉圓喉圓(同齒輪齒頂圓同齒輪齒頂圓)2ad頂圓頂圓2ed閉閉式式傳傳動(dòng)動(dòng)開式開式傳動(dòng)傳動(dòng) 失效形式失效形式(發(fā)生在蝸輪上發(fā)生在蝸輪上) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則三、三、蝸桿傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則蝸桿傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 輪和輪和齒膠齒膠齒合齒合面面點(diǎn)點(diǎn)蝕蝕控制點(diǎn)蝕和膠合：控制點(diǎn)蝕和膠合：控制折斷控制折斷(z2 80)：齒面接觸強(qiáng)度條件齒面接觸強(qiáng)度條件hph輪齒彎曲強(qiáng)度條件輪齒彎曲強(qiáng)度條件fpf控制溫升：控制溫升：熱平衡計(jì)算熱平衡計(jì)算輪齒輪齒折斷折斷控制折斷：控制折斷：輪齒彎曲強(qiáng)度條件輪齒彎曲強(qiáng)度

8、條件fpf注注 蝸桿主要是控制軸的變形蝸桿主要是控制軸的變形四、四、材料及許用應(yīng)力材料及許用應(yīng)力 1. 材料及熱處理材料及熱處理 蝸桿蝸輪材料組合：蝸桿蝸輪材料組合： 碳素鋼：碳素鋼： 45、合金鋼：合金鋼： 40cr、20cr、20crmnti、熱處理熱處理調(diào)質(zhì)：調(diào)質(zhì)：減摩減摩 耐磨耐磨 抗膠合抗膠合蝸桿蝸桿材料材料45 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) (硬度硬度 350hbs)淬火：淬火：40cr表面淬火表面淬火(4555hrc) 20cr滲碳淬火滲碳淬火(5863hrc) 蝸輪蝸輪容易產(chǎn)生膠合容易產(chǎn)生膠合灰鑄鐵灰鑄鐵鋁鐵青銅鋁鐵青銅 鑄錫磷青銅鑄錫磷青銅 價(jià)廉價(jià)廉價(jià)昂價(jià)昂 抗膠合差抗膠合差 強(qiáng)強(qiáng) sv按按sv

9、選材選材 sm/2sm/4sm/25材料材料sv2. 許用應(yīng)力許用應(yīng)力 (1) 許用接觸應(yīng)力許用接觸應(yīng)力 傳動(dòng)的承載能力取傳動(dòng)的承載能力取決于蝸輪的接觸強(qiáng)度決于蝸輪的接觸強(qiáng)度 蝸輪為蝸輪為的青銅時(shí)的青銅時(shí)mpab300nhphpz壽命系數(shù)壽命系數(shù) 8710nzn應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù) tnn260 傳動(dòng)的承載能力取決傳動(dòng)的承載能力取決于蝸輪的抗膠合能力于蝸輪的抗膠合能力 蝸輪為鑄鐵或蝸輪為鑄鐵或 的青銅時(shí)的青銅時(shí) mpab300與材料組合及與材料組合及 有關(guān)有關(guān) hpsv(2) 許用彎曲應(yīng)力許用彎曲應(yīng)力nfpfpy9610nyn壽命系數(shù)壽命系數(shù) tnn260應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)五、普通圓

10、柱蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度條件五、普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度條件1. 受力分析受力分析 (1) 力的分解力的分解 以蝸桿為對(duì)象以蝸桿為對(duì)象 (3) 力的方向力的方向法面內(nèi)：法面內(nèi)： nf圓周力圓周力徑向力徑向力蝸桿上蝸桿上與轉(zhuǎn)向相反與轉(zhuǎn)向相反蝸輪上蝸輪上與轉(zhuǎn)向相同與轉(zhuǎn)向相同1 tf2tf和和指向各自的輪心指向各自的輪心1rf2rf切面內(nèi)：切面內(nèi)： 徑向力徑向力 1rf1f圓周力圓周力 1tf軸向力軸向力 1af1f(2) 力的關(guān)系力的關(guān)系21atff21taff21rrff同同直直齒齒輪輪軸向力：軸向力： 左旋蝸桿用左手法則左旋蝸桿用左手法則右旋蝸桿用右手法則右旋蝸桿用右手法則蝸桿上蝸桿上用左右手法則判定用

11、左右手法則判定1af(4) 力的大小力的大小21112atfdtf12222atfdtftgftgftgfftnanr2111cos112212ntntpp輸入功率輸出功率itt12nrtgff11coscos11ffa tghantghbcosabtgtgn利用赫茲公式、考慮蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)利用赫茲公式、考慮蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)2齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件 校核式校核式： 彈性系數(shù)彈性系數(shù) 銅或鑄鐵蝸輪銅或鑄鐵蝸輪與鋼蝸桿組合時(shí)與鋼蝸桿組合時(shí) )(922122mpazdmtkzhpaehmpaze160設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 ：使用系數(shù)使用系數(shù) 同齒輪傳動(dòng)同齒輪傳動(dòng))()(9322212mmzztk

12、dmhpea借用斜齒輪彎曲強(qiáng)度公式、考慮蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)借用斜齒輪彎曲強(qiáng)度公式、考慮蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn) 注注 3彎曲疲勞強(qiáng)度條件彎曲疲勞強(qiáng)度條件校核式校核式：設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 ：)(64. 12122mpayyzdmtkfpfaaf)(64. 132212mmyyztkdmfafpa(1) 蝸輪蝸輪 按按查表查表fay3coszzv(2) 蝸輪蝸輪 01401y(3) 計(jì)算出計(jì)算出 值、按表選標(biāo)準(zhǔn)值值、按表選標(biāo)準(zhǔn)值 12dmmd、1六、蝸桿傳動(dòng)的效率和熱平衡計(jì)算六、蝸桿傳動(dòng)的效率和熱平衡計(jì)算 1. 蝸桿傳動(dòng)的效率蝸桿傳動(dòng)的效率 (1) 效率效率攪油損耗效率攪油損耗效率軸承摩檫損耗效率軸承摩檫損耗效率輪齒嚙合

13、檫損耗效率輪齒嚙合檫損耗效率(2) 提高效率的途徑提高效率的途徑蝸桿制造困難蝸桿制造困難 321)(1vtgtg效率效率)()96. 095. 0(vtgtg)(11dmztg 1zv028一般一般采用減摩性好的材料，如青銅采用減摩性好的材料，如青銅蝸桿放在高速級(jí)蝸桿放在高速級(jí)1vsvv2. 2. 熱平衡計(jì)算熱平衡計(jì)算發(fā)熱發(fā)熱)1 (10001p散熱散熱)(01ttakt計(jì)算式計(jì)算式ptttakpt011)1 (1000環(huán)境溫度、環(huán)境溫度、一般取一般取200工作溫度工作溫度許用工作溫度、許用工作溫度、一般取一般取600 700散熱面積散熱面積散熱系數(shù)散熱系數(shù)冷卻措施冷卻措施增加散熱面積增加散熱

14、面積 (增大箱體、加散熱片增大箱體、加散熱片)提高散熱系數(shù)提高散熱系數(shù) (冷卻油溫冷卻油溫)的估值的估值1z 1 2 3 40.7 0.8 0.85 0.9七、七、圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1) 失效以膠合為主失效以膠合為主普通圓柱蝸輪承受的轉(zhuǎn)矩普通圓柱蝸輪承受的轉(zhuǎn)矩(2) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)大于齒面接觸疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)大于齒面接觸疲勞強(qiáng)度(3) 采用凸凹弧齒廓相嚙合及采用凸凹弧齒廓相嚙合及承載能力較普通蝸桿高承載能力較普通蝸桿高023引入承載能力提高系數(shù)引入承載能力提高系數(shù)h令令htt22圓弧圓柱蝸輪承受的轉(zhuǎn)矩圓弧圓柱蝸輪承受的轉(zhuǎn)矩只需進(jìn)行齒面接觸

15、強(qiáng)度計(jì)算只需進(jìn)行齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算即可滿足輪齒的工作能力即可滿足輪齒的工作能力(4) 將將代入普通圓柱蝸接觸強(qiáng)度條件式代入普通圓柱蝸接觸強(qiáng)度條件式htt22校核式校核式：)(922122mpahzdmtkzhpaeh設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 ：)()(9322212mmzzhtkdmhpea)245)(95. 0(261623zah式中：式中：初估值初估值1 . 119. 3h兩軸線平行兩軸線平行兩軸線相交兩軸線相交兩軸線交錯(cuò)兩軸線交錯(cuò)直齒直齒斜齒斜齒人字齒人字齒直齒直齒弧齒弧齒螺旋齒螺旋齒蝸桿蝸桿 實(shí)例：實(shí)例：1) 材料、熱處理材料、熱處理閉式普通圓柱蝸桿傳動(dòng)，平穩(wěn)載荷、工作壽命閉式普通圓柱蝸桿傳動(dòng)，平穩(wěn)

16、載荷、工作壽命 5 年、年、8 h /天、天、20min/14701911irnkwp蝸桿材料及熱處理蝸桿材料及熱處理 40cr 表面淬火后磨削表面淬火后磨削蝸輪材料蝸輪材料 zcusn10p1 zcusn5pb5zn5 砂模鑄造砂模鑄造 砂模鑄造砂模鑄造 蝸輪基本許用接觸蝸輪基本許用接觸應(yīng)力應(yīng)力表表4-6240 150)(mpahp蝸輪轉(zhuǎn)速蝸輪轉(zhuǎn)速73.5 73.5min)/(2rninn/12蝸輪工作小時(shí)蝸輪工作小時(shí) 12000 1200083005t)(ht蝸輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)蝸輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)tnn260n71029. 571029. 50.81 0.81nz蝸輪壽命系數(shù)蝸輪壽命系數(shù)87/1

17、0nzn設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù) 方案方案 1 方案方案 2 許用接觸應(yīng)力許用接觸應(yīng)力)(mpahpnhphpz194.4 121.52) 確定有關(guān)參數(shù)確定有關(guān)參數(shù)使用系數(shù)使用系數(shù)ak 表表3-1 1.1 1.1蝸桿頭數(shù)蝸桿頭數(shù)2 21z411z蝸輪齒數(shù)蝸輪齒數(shù)2zizz1240 40初估傳動(dòng)效率初估傳動(dòng)效率0.82 0.82蝸輪轉(zhuǎn)矩蝸輪轉(zhuǎn)矩)(2nmmt2024340 20243401162/1055. 9nipt)( mpaze彈性系數(shù)彈性系數(shù)160 160 3) 接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)12dm計(jì)算計(jì)算值值)(3mm22212)/(9hpeazztkdm8485 2172112dm取取標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值)(3mm表表4-19000 2187510 12.5)(mmm模數(shù)模數(shù)表表4-1設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù) 方案方案 1 方案方案 2表表4-1蝸桿分度圓直徑蝸桿分度圓直徑)(1mmd90 140蝸輪分度圓直徑蝸輪分度圓直徑)(2mmd22mzd 400 500中心距中心距)(mm