北工大機械設計基礎教案12蝸桿傳動

PAGEPAGE11第12章蝸桿傳動基本內容：類型、應用、失效形式、材料選擇、力的分析、強度計算、效率、潤滑和熱平衡計算等。基本要求：掌握蝸桿傳動的受力分析及強度計算、了解熱平衡原理和計算方法、蝸桿傳動的類型、特點等。學時：課堂教學：3學時。第一講§12-1概述一、特點和應用在大多數情況下，兩軸在空間是互相垂直的，軸交角∑＝90°。廣泛應用在機床、汽車、儀器、起重運輸機械、冶金機械以及其他機械制造部門。▲結構組成：蝸桿——一般為主動件蝸輪——根據蝸桿與蝸輪的相互位置：——上置蝸桿傳動——下置蝸桿傳動——旁置蝸桿傳動▲特點：能得到很大的單級傳動比。結構緊湊工作平穩、無噪聲、沖擊振動小。可以實現自鎖。缺點：傳動效率較低——一般η＝0.7～0.9具有自鎖性能η≈0.4需用貴重的減摩材料（如青銅）制造。材料價格較高。二、分類▲按蝸桿形狀不同可分為三類——圓柱蝸桿傳動：——環面蝸桿傳動——錐蝸桿傳動，見圖▲按蝸桿螺旋線方向不同：——左旋蝸桿——右旋蝸桿▲按蝸桿頭數不同：——單頭蝸桿：主要用于傳動比較大的場合，要求自鎖的傳動必須采用單頭蝸桿。——多頭蝸桿：主要用于傳動比不大和要求效率較高的場合。▲對于圓柱蝸桿傳動：根據加工時刀具位置的不同，可以分為三種1、阿基米德蝸桿：2、漸開線蝸桿：3、法向直廓蝸桿：§12-2圓柱蝸桿傳動的主要參數和幾何尺寸中間平面——通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面對于阿基米德圓柱蝸桿傳動在中間平面上為齒條與齒輪嚙合傳動。一、主要參數模數m、壓力角α、蝸桿分度圓直徑d1、蝸桿直徑系數q、蝸桿導程角γ、螺旋角β。蝸桿頭數Z1、蝸輪齒數Z2、傳動比i、齒速比u、中心距a、變位系數x。1、模數m和壓力角α在中間平面上蝸桿的模數——軸向模數mx蝸輪的模數——端面模數mt（因蝸桿的軸向齒距px應與蝸輪端面齒距pt相等，故mx＝mt＝m為標準模數）蝸桿的壓力角——軸向壓力角αx蝸輪的壓力角——端面壓力角αt（αx＝αt＝20°）2、蝸桿分度圓直徑d1，亦稱蝸桿中圓直徑。由于蝸輪的加工，采用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀切制，故為了蝸輪刀具規定尺寸的標準化、系列化，將蝸桿分度圓直徑d1定為標準值。3、蝸桿直徑系數q和導程角γ將蝸桿由分度圓展開，設蝸桿頭數為Z1，則q＝Z1/式中程角γ角的范圍為3．5°～33°由于蝸桿傳動的交錯角為90°，故γ≤β24、蝸桿頭數Z1、蝸輪齒數Z2、傳動比i——蝸桿頭數Z1當要求反行程自鎖時，可取Z1＝1。但重載傳動不宜采用單頭蝸桿。常用的蝸桿頭數為l、2、4、6。——蝸輪齒數Z2根據齒數比和蝸桿頭數決定：Z2＝i·Z1。蝸輪齒數一般取Z2＝32～80齒。——傳動比i因為蝸桿轉一圈，蝸輪轉圈，所以蝸桿傳動的傳動比i和齒數比u分別為：5、中心距a對于標準蝸桿傳動▲蝸桿傳動的正確嚙合條件模數相等壓力角相等旋向相同蝸桿的導程角等于蝸輪的螺旋角。二、圓樁蝸桿傳動的幾何尺寸計算圓柱蝸桿傳動的基本幾何尺寸見圖，有關尺寸的計算公式見表。第二講§12-3蝸桿傳動的失效形式、材料和結構一、失效形式蝸桿傳動的失效形式和齒輪傳動類似，但由于蝸輪和蝸桿之間的相對滑動較大，因摩擦產生熱量大，使潤滑油溫度升高，潤滑條件變壞，更容易產生膠合和磨粒磨損。——對閉式蝸桿傳動，如果不能及時散熱，往往因膠合而影響其工作——對開式蝸桿傳動或潤滑條件不良閉式蝸桿傳動，則磨損就顯得突出——在蝸桿傳動中，點蝕通常只出現在蝸輪輪齒上。二、材料1、對材料的基本要求：具有足夠的強度具有足夠的剛度其材料的匹配（或組合）上應具有良好的減磨性、耐磨性和抗膠合能力。2、常用材料——蝸桿材料：考慮到蝸桿應具有一定強度和剛度要求，一般采用鋼制造。按材料分：有碳鋼和合金鋼對高速重載或比較重要的、要求持久性高的動力傳動的蝸桿傳動，采用硬面蝸桿采用低碳合金鋼：20Cr、20CrMnTi等，表面滲碳淬火，表面硬度58HRC～63HRC或采用中碳鋼、中碳合金鋼：40、45、42SIMn等，表面淬火，硬度45HRC～55HRC，32CrMo50CrV，滲氮，65HRC～70HRC在制造時必須磨削，用氮化鋼滲氮處理的蝸桿可以不磨削，但需要拋光。受短時沖擊載荷的蝸桿，中低速、中等載荷的蝸桿傳動，用調質蝸桿45、40Cr、40CrNi、42CrMo等，調質，硬度＜270HB蝸輪直徑很大時，也可以采用青銅蝸桿，蝸輪則用鑄鐵。——蝸輪材料，通常是指蝸輪齒冠部分的材料。鑒于與蝸桿材料之間的匹配關系，主要有以下幾種：青銅ZCusnl0PI——砂型鑄造；（10—l鑄錫青銅）——離心鑄造ZCusnl0ZnZ——砂型鑄造；（l—2鑄錫青銅）——離心鑄造錫青銅的特點：其強度極限小于300MPa，減摩性，耐磨性、抗膠合性能好，但價格較高。適用與滑動速度Vs12～15m/s的重要傳動中。無錫青銅的特點：其強度極限大于300MPa，機械性能較高，耐沖擊，但抗膠合性能較差（容易發生膠合），價格較低，適用與滑動速度Vs小于6m/s的傳動中。黃銅抗點蝕強度高，但磨損性能差，宜用于低滑動速度場合。灰鑄鐵HT300球墨鑄鐵QT800－2適用于滑動速度Vs小于2m/s的工況。，直徑較大的蝸輪常用鑄鐵。三、蝸桿和蝸輪的結構蝸桿——通常與軸做成整體，常見的蝸桿結構例見圖a圖結構既可以車制，也可以銑制，b圖結構只能銑制。蝸輪——可制成整體的或組合的。§12-4圓柱蝸桿傳動受力分析與斜齒輪相似，蝸桿傳動中作用在齒面上的法向壓力Fn仍可分解為圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa。顯然，作用于蝸桿上的軸向力等于蝸輪上的圓周力；蝸桿上的圓周力等于蝸輪上的軸向力；蝸桿上的徑向力則等于蝸輪上的徑向力。這些對應力的數值相等，方向彼此相反。已知：T1、T2、d1、d2作用于蝸輪輪齒上的圓周力Ft2、軸向力Fa2、徑向力Fr2分別為：式中：第三講§12-5圓柱蝸桿傳動的強度計算蝸桿傳動的強度計算與齒輪傳動一樣，其計算的理論依據同齒輪傳動相同。蝸輪齒面接觸強度的計算——仍以赫之公式為理論計算基礎。——對于鋼制蝸桿和青銅或鑄鐵蝸輪校核式設計式許用應力的確定：——當蝸輪材料為錫青銅制造時，蝸輪的失效形式主要是疲勞點蝕其許用應力由表12-4確定——當蝸輪材料為無錫青銅或鑄鐵制造時，蝸輪的失效形式主要是膠合（不屬于疲勞性質）其許用應力由表12-5確定§12-6圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算一、蝸桿傳動的效率閉式蝸桿傳動的效率與齒輪傳動的效率類似，即式中：η1——傳動嚙合效率；η2——油的攪動和飛濺損耗時的效率；η3——軸承效率。蝸桿主動總效率：式中ρ’——當量摩擦角。可根據滑動速度由表12—2查取滑動速度根據下式計算：▲在作初步設計時，蝸桿傳動的總效率可取下列數值：對于閉式傳動Z1=1η=0．70～0．75Z1=2η=0．75～0．82Z1=4η=0．87～0．92對于開式傳動Z1=1、2η=0．60～0．70二、蝸桿傳動的潤滑1、潤滑劑的選擇——潤滑油粘度指標是選擇潤滑劑的主要依據，可參考表11—5確定。2、潤滑方法蝸桿傳動的潤滑方法主要根據滑動速度大小確定Vs＜5m/s——浸油潤滑；5m/s＜Vs＜10m/s——浸油潤滑或壓力噴油潤滑，Vs＞10m/s——壓力噴油潤滑三、蝸桿傳動的熱平衡計算由于蝸桿傳動效率低，發熱量大，若不及時散熱，會引起油溫升高，潤滑失效，導致輪齒磨損加劇，甚至出現膠合。因此對連續工作的閉式蝸桿傳動要進行熱平衡計算。根據熱功當量原理：傳動的發熱量為1000Pl（1－η）箱體的散熱量為αtA（t一to）根據熱平衡條件：單位時間內，蝸桿傳動的發熱量等于散發出去的熱量由此得1000Pl（1－η）＝αtA（t一to）△t[△t]此處：P1——蝸桿傳遞功率；η——傳動效率（t一to）＝△t——溫度差，一般為60～70℃to——工作環境溫度，通常取20℃；