機械設(shè)計基礎(chǔ)蝸桿傳動

機構(gòu)與機械傳動蝸桿傳動目前一頁\總數(shù)五十八頁\編于一點蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，用于傳遞空間兩交錯軸之間的運動和動力，一般兩軸交錯角為90°。通常蝸桿為主動件，從傳動性質(zhì)來看，蝸輪蝸桿傳動實際上是齒輪傳動的一個特例。根據(jù)蝸桿的位置，有上置式和下置式蝸桿傳動。在減速器、船舶分油機中應(yīng)用有蝸桿傳動。目前二頁\總數(shù)五十八頁\編于一點生活中的實例目前三頁\總數(shù)五十八頁\編于一點第一節(jié)概述一、蝸桿傳動的組成螺桿與螺紋一樣，有單頭、多頭之分，也有左旋、右旋之分。蝸輪的形狀像斜齒輪，它的螺旋角的大小、方向和螺桿螺旋升角的大小、方向相同，為了改善蝸桿與蝸輪的嚙合情況，通常將蝸輪圓柱表面的母線做成圓弧形，部分地包圍著蝸桿，故在軸向剖面中，蝸輪輪齒沿齒寬方向是圓弧形。目前四頁\總數(shù)五十八頁\編于一點通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面稱為中間平面，如圖所示，由于在中間平面內(nèi)，蝸桿的形狀呈標(biāo)準(zhǔn)直邊齒條形，蝸輪在中間平面內(nèi)的齒形也是一般的漸開線齒形。但在與中間平面平行的其他截面內(nèi)，蝸桿的形狀不是直邊齒條形，蝸輪的齒形也不是漸開線齒形。蝸桿蝸輪目前五頁\總數(shù)五十八頁\編于一點目前六頁\總數(shù)五十八頁\編于一點二、蝸桿傳動的特點1.蝸桿傳動的優(yōu)點（1）傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊。一般i=10~40，在只傳遞運動的分度機構(gòu)中，可達1000。這樣大的傳動比如果用齒輪傳動，則需要采用多級傳動才行，因此蝸桿傳動結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕（2）傳動平穩(wěn)，噪聲低。由于蝸桿上的齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時是連續(xù)不斷的，蝸桿齒無嚙入和嚙出的過程，因此工作平穩(wěn)、噪聲小。（3）可制成具有自鎖性的蝸桿。當(dāng)蝸桿的螺旋升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時，機構(gòu)具有自鎖性，蝸桿只能帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，而蝸輪不能帶動蝸桿轉(zhuǎn)動。目前七頁\總數(shù)五十八頁\編于一點1.蝸桿傳動的主要缺點（1）效率較低。這是因為蝸輪與蝸桿在嚙合處有較大的相對滑動，因而發(fā)熱量大，效率較低。傳動效率一般為0.7~0.8，當(dāng)蝸桿傳動具有自鎖性時，效率小于0.5。（2）蝸輪造價較高。為減輕齒面磨損及防止膠合，蝸輪多采用青銅制造，成本高。（3）不能任意互換嚙合。在蝸輪蝸桿傳動中，因為蝸輪的輪齒是呈圓弧形包圍著蝸桿，所以切制蝸輪的蝸輪滾刀參數(shù)必須與工作蝸桿的參數(shù)完全相同，即不僅模數(shù)、壓力角相同，滾刀與蝸桿的分度圓直徑、螺旋的頭數(shù)、升角等也都要求相同，因此蝸輪滾刀的專用性大，而且僅是模數(shù)相同的蝸桿與蝸輪是不能任意互換嚙合的。目前八頁\總數(shù)五十八頁\編于一點三、蝸桿傳動的類型按蝸桿形狀不同，蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動、圓弧蝸桿傳動和錐面蝸桿傳動，其中圓柱蝸桿傳動應(yīng)用最廣。目前九頁\總數(shù)五十八頁\編于一點圓柱蝸桿傳動有普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動兩類。目前十頁\總數(shù)五十八頁\編于一點普通圓柱蝸桿傳動的蝸桿按刀具加工位置的不同又可分為阿基米德蝸桿（ZA型）、漸開線蝸桿（ZI型）、法向直廓蝸桿（ZN型）等；其中阿基米德蝸桿由于加工方便，其應(yīng)用最為廣泛。目前十一頁\總數(shù)五十八頁\編于一點阿基米德蝸桿傳動(ZA型)

阿基米德蝸桿的外形像梯形螺桿，在軸向剖面上，其牙形角呈直邊齒條形（牙形角為40°），在垂直于軸線的剖面上為阿基米德螺旋線，加工方法與普通梯形螺紋相似，應(yīng)使刀刃頂平面通過蝸桿軸線。該類型蝸桿具有加工、測量簡單、方便等優(yōu)點；單齒面不便于磨削，不宜采用硬齒面，傳動效率低，只是用于低速輕載的傳動中。目前十二頁\總數(shù)五十八頁\編于一點目前十三頁\總數(shù)五十八頁\編于一點目前十四頁\總數(shù)五十八頁\編于一點漸開線蝸桿傳動(ZI型)

漸開線蝸桿是使刀具切削平面通過蝸桿基圓的切平面時，所切出的蝸桿。其齒廓在基圓的切平面內(nèi)為直線，而齒廓與垂直于蝸桿軸線的平面交線為漸開線。這種蝸桿可用滾刀滾銑，也可進行磨削。因而，制造精度較高，也可采用硬齒面。適用于批量生產(chǎn)、大功率、高速傳動的場合。目前十五頁\總數(shù)五十八頁\編于一點目前十六頁\總數(shù)五十八頁\編于一點法向直廓蝸桿傳動(ZN型)目前十七頁\總數(shù)五十八頁\編于一點第二節(jié)蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算在中間平面上，蝸輪與蝸桿的嚙合相當(dāng)于漸開線齒輪與齒條的嚙合，因此，設(shè)計蝸桿傳動時，其參數(shù)和尺寸均在中間平面內(nèi)確定，并沿用漸開線圓柱齒輪傳動的計算公式。一、蝸桿傳動的主要參數(shù)1.蝸桿頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2蝸桿頭數(shù)（齒數(shù)）z1即為蝸桿螺旋線的數(shù)目，蝸桿的頭數(shù)z1一般取1、2、4。當(dāng)傳動比大于40或要求蝸桿自鎖時，取z1=1；當(dāng)傳遞功率較大時，為提高傳動效率、減少能力損失，常取z1為2、4。蝸桿頭數(shù)越多，加工精度越難保證。目前十八頁\總數(shù)五十八頁\編于一點目前十九頁\總數(shù)五十八頁\編于一點通常情況下取蝸輪齒數(shù)z2=28~80。若z2<28，會使傳動的平穩(wěn)性降低，且易產(chǎn)生根切；若z2過大，蝸輪直徑增大，與之相應(yīng)蝸桿的長度增加，剛度減小，從而影響嚙合的精度。z1、z2可根據(jù)傳動比i按表10-1選取。傳動比i7~1314~2728~40>40蝸桿頭數(shù)z1422,11蝸輪齒數(shù)z228~5228~5428~80>40目前二十頁\總數(shù)五十八頁\編于一點2.蝸桿螺旋線升角λ蝸桿螺旋面與分度圓柱面的交線為渦旋線。將蝸桿分度圓柱展開，其螺旋線與端面的夾角即為蝸桿分度圓柱上的螺旋升角λ，或稱螺桿的導(dǎo)程角。由圖可得蝸桿螺旋線的導(dǎo)程為：蝸桿分度圓柱上螺旋線升角λ與導(dǎo)程的關(guān)系為：通常λ=3.5°~27°，升角小時傳動效率低，但可實現(xiàn)自鎖；升角大時傳動效率高，但加工較困難。目前二十一頁\總數(shù)五十八頁\編于一點3.蝸桿分度圓直徑d1和蝸桿直徑系數(shù)q加工蝸桿時，蝸桿滾刀的參數(shù)應(yīng)與相嚙合的蝸桿完全相同，幾何尺寸基本相同。由可得蝸桿的分度圓直徑可寫成可見，蝸桿的分度圓直徑d1不僅與模數(shù)有關(guān)，而且還與齒數(shù)z1和螺旋線升角λ有關(guān)。目前二十二頁\總數(shù)五十八頁\編于一點同一模數(shù)的蝸桿，由于齒數(shù)z1和螺旋線升角λ的不同，d1隨之變化，致使?jié)L刀規(guī)格的數(shù)目較多，很不經(jīng)濟。為了較少滾刀的數(shù)量，有利于標(biāo)準(zhǔn)化，國標(biāo)規(guī)定，對應(yīng)于每一個模數(shù)m，規(guī)定了一至四種蝸桿分度圓直徑d1，并把d1與m的比值稱為蝸桿直徑系數(shù)q，即式中，d1、m已標(biāo)準(zhǔn)化；q為導(dǎo)出量，不一定是整數(shù)。當(dāng)m一定時，q越小，d1越小，升角λ越大，傳動效率越高，但蝸桿的剛度和強度降低。目前二十三頁\總數(shù)五十八頁\編于一點4.模數(shù)m和壓力角α如前所述，在中間平面上蝸桿與蝸輪的嚙合可以看做齒條與齒輪的嚙合，蝸桿的軸向齒距pa1應(yīng)等于蝸輪的端面齒距pt2，即蝸桿的軸向模數(shù)ma1應(yīng)等于蝸輪的端面模數(shù)mt2，蝸桿的軸向壓力角αa1應(yīng)等于蝸輪的端面壓力角αt2。標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)見表10-2目前二十四頁\總數(shù)五十八頁\編于一點目前二十五頁\總數(shù)五十八頁\編于一點規(guī)定中間平面上的模數(shù)和壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值，則蝸桿傳動的正確嚙合條件為：ma1=mt2=mαa1=αt2=α=20°λ=β（大小相等，旋向相同）目前二十六頁\總數(shù)五十八頁\編于一點二、蝸桿傳動的幾何計算公式1.蝸桿分度圓直徑2.蝸輪分度圓直徑3.蝸桿傳動的中心距為4.傳動比i目前二十七頁\總數(shù)五十八頁\編于一點標(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蝸桿傳動的幾何尺寸計算目前二十八頁\總數(shù)五十八頁\編于一點第三節(jié)蝸桿傳動的受力分析二、蝸桿傳動的幾何計算公式蝸桿傳動的受力分析與斜齒圓柱齒輪相似。為簡化問題，作兩個假設(shè)：（1）蝸輪輪齒和蝸桿螺旋面之間的相互作用力集中于節(jié)點P，并按單齒對嚙合考慮；（2）暫不考慮嚙合齒面間的摩擦力。Fn可分解為三個互相垂直的分力：圓周力、徑向力和軸向力。目前二十九頁\總數(shù)五十八頁\編于一點力的大小圓周力

軸向力

徑向力

目前三十頁\總數(shù)五十八頁\編于一點目前三十一頁\總數(shù)五十八頁\編于一點蝸桿傳動受力方向判斷在分析蝸桿傳動受力時，應(yīng)注意其受力方向的確定。主、從動輪上各對應(yīng)的力大小相等，方向相反。蝸桿所受圓周力的方向總是與它的轉(zhuǎn)向相反；徑向力的方向總是指向軸心的。蝸桿受的軸向力的方向與蝸桿的旋向和蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。方法：左右手定則左旋蝸桿用左手定則判斷右旋蝸桿用右手定則判斷目前三十二頁\總數(shù)五十八頁\編于一點拇指的指向為螺桿相對螺母前進的方向。右手定則四指彎曲與蝸桿轉(zhuǎn)動方向一致。目前三十三頁\總數(shù)五十八頁\編于一點左手定則左旋蝸桿目前三十四頁\總數(shù)五十八頁\編于一點蝸桿傳動受力方向判斷

蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向和螺旋線方向如圖所示，試判斷蝸桿、蝸輪所受徑向力、圓周力和軸向力的方向，以及蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向。目前三十五頁\總數(shù)五十八頁\編于一點蝸桿傳動受力方向判斷

蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向和螺旋線方向如圖所示，試判斷蝸桿、蝸輪所受徑向力、圓周力和軸向力的方向，以及蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向。徑向力=徑向力指向各自軸心目前三十六頁\總數(shù)五十八頁\編于一點蝸桿傳動受力方向判斷

蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向和螺旋線方向如圖所示，試判斷蝸桿、蝸輪所受徑向力、圓周力和軸向力的方向，以及蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向。徑向力=徑向力周向力=軸向力指向各自軸心與轉(zhuǎn)向相反目前三十七頁\總數(shù)五十八頁\編于一點蝸桿傳動受力方向判斷

蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向和螺旋線方向如圖所示，試判斷蝸桿、蝸輪所受徑向力、圓周力和軸向力的方向，以及蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向。徑向力=徑向力周向力=軸向力周向力=軸向力左旋螺旋線左手定則向左指向各自軸心與轉(zhuǎn)向相反目前三十八頁\總數(shù)五十八頁\編于一點蝸桿傳動受力方向判斷

蝸桿的旋轉(zhuǎn)方向和螺旋線方向如圖所示，試判斷蝸桿、蝸輪所受徑向力、圓周力和軸向力的方向，以及蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向。徑向力=徑向力周向力=軸向力周向力=軸向力從動輪轉(zhuǎn)向目前三十九頁\總數(shù)五十八頁\編于一點第四節(jié)蝸桿傳動的其他內(nèi)容一、蝸桿加工蝸輪通常在滾齒機上用蝸輪滾刀或飛刀加工成型。為了保證蝸輪與蝸桿的正確嚙合，蝸輪滾刀幾何尺寸理論上與配對蝸桿完全相同，因此蝸輪滾刀齒形精度直接影響蝸桿傳動質(zhì)量。目前四十頁\總數(shù)五十八頁\編于一點二、蝸桿傳動的材料為了減摩，通常蝸桿用鋼材（耐磨），蝸輪用有色金屬（銅合金、鋁合金，較好的減摩性）。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。目前四十一頁\總數(shù)五十八頁\編于一點三、蝸桿、渦輪的結(jié)構(gòu)蝸桿的直徑較小，通常和軸制成一個整體。螺旋部分常用車削[

xiāo]加工，也可以用銑削加工；車削加工時需要有退刀槽，因此剛性較差（區(qū)分車削和銑削）目前四十二頁\總數(shù)五十八頁\編于一點目前四十三頁\總數(shù)五十八頁\編于一點按材料和尺寸的不同，蝸輪的結(jié)構(gòu)分為多種形式。1.整體式蝸輪主要用于直徑較小的青銅蝸輪或鑄鐵蝸輪目前四十四頁\總數(shù)五十八頁\編于一點2.齒圈式蝸輪為了節(jié)省貴重金屬，直徑較大的蝸輪常采用組合結(jié)構(gòu)，齒圈用青銅材料，齒芯用鑄鐵或鑄鋼制造。兩者采用H7/r6配合（基孔制配合，孔公差等級為7級，軸公差等級為6級），并用4~6個直徑為1.2m~1.5m的螺釘加固。m為蝸輪的模數(shù)。為了便于鉆孔，應(yīng)將螺孔中心線向材料較硬的輪芯部分偏移2~3mm。這種結(jié)構(gòu)用于尺寸不太大而且工作溫度變化較小的場合。目前四十五頁\總數(shù)五十八頁\編于一點3.螺栓連接式蝸輪這種結(jié)構(gòu)的齒圈與輪芯用普通螺栓或鉸制孔螺栓連接，由于裝拆方便，常用于尺寸大或磨損后需要更換蝸輪齒圈的場合。目前四十六頁\總數(shù)五十八頁\編于一點4.鑲鑄式蝸輪將青銅輪緣鑄在鑄鐵輪芯上，輪芯上制出榫（sǔn）槽，以防軸向滑動。榫（sǔn）：竹、木、石制器物或構(gòu)件上利用凹凸方式相接處凸出的部分。目前四十七頁\總數(shù)五十八頁\編于一點四、蝸桿傳動的安裝★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?！餅楸ＷC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?！镂仐U傳動的維護很重要，要注意周圍的通風(fēng)散熱情況。目前四十八頁\總數(shù)五十八頁\編于一點五、蝸桿傳動的失效形式蝸桿傳動的主要失效形式是膠合和磨損。閉式蝸桿傳動以膠合為主要失效形式，開式蝸桿傳動主要是齒面磨損。蝸桿傳動中齒廓間有較大的相對滑動，滑動速度vs沿蝸桿螺旋線的方向。v1為蝸桿的圓周速度，v2為蝸輪的圓周速度。目前四十九頁\總數(shù)五十八頁\編于一點由于齒廓間較大的相對滑動產(chǎn)生熱量，使?jié)櫥蜏囟壬叨兿?，潤滑條件變差，傳動效率變低。同時，由于這種齒廓間的相對滑動導(dǎo)致蝸桿傳動的主要失效形式為膠合、磨損和齒面點蝕等。當(dāng)潤滑條件差及散熱不良時，閉式傳動極易出現(xiàn)膠合；磨損則多發(fā)生在開式傳動中。目前五十頁\總數(shù)五十八頁\編于一點在蝸桿傳動中，因為材料及結(jié)構(gòu)的原因，蝸桿輪齒的強度高于蝸輪輪齒的強度，所以失效部位常常發(fā)生于蝸輪的輪齒上。為控制由于齒廓間的相對滑動而產(chǎn)生的磨損及發(fā)熱量，除要求選擇具有足夠的強度、耐磨性、跑合性和抗膠合性能的材料外，蝸桿傳動還要求有好的散熱條件。目前五十一頁\總數(shù)五十八頁\編于一點六、蝸桿傳動的散熱方法（1）在箱體外表面設(shè)置散熱片（2）在蝸桿軸上安裝風(fēng)扇（3）在箱體油池內(nèi)裝蛇形冷卻水管（4）大功率傳動時采用循環(huán)油冷卻目前五十二頁\總數(shù)五十八頁\編于一點七、蝸桿傳動的計算準(zhǔn)則在進行蝸桿傳動設(shè)計時，對于閉式傳動，通常按齒面接觸疲勞強度來設(shè)計，并校核齒根彎曲疲勞強度。如果載荷平穩(wěn)、無沖擊，可以只按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，不必校核齒根彎曲疲勞強度。實踐證明，蝸輪輪齒因彎曲疲勞強度不足而引起失效的情況較少。對于開式傳動，或傳動時傳動載荷變動較大，或蝸輪齒數(shù)Z2大于90時，通常只需按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計。此外，由于蝸桿傳動時摩擦嚴(yán)重