1、机械设计基础机械设计基础第第1 1页页学习情境学习情境2：数控系统显示画面及操作：数控系统显示画面及操作 蜗杆传动蜗杆传动主讲教师主讲教师：何彩颖：何彩颖机械设计基础机械设计基础第第2 2页页15-1 15-1 蜗杆传动的类型和特点蜗杆传动的类型和特点一、蜗杆传动的类型一、蜗杆传动的类型蜗杆蜗杆（根据蜗杆的形状分类）圆柱蜗杆传动锥蜗杆传动环面蜗杆传动机械设计基础机械设计基础第第3 3页页 圆柱蜗杆传动，按蜗杆轴面齿型又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。 普通蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制，可分为阿基米德蜗杆（ZA型）、渐开线蜗杆（ZI型）和法面直齿廓蜗杆（ZN型）等几种。其中，
2、阿基米德蜗杆应用最为广泛。机械设计基础机械设计基础第第4 4页页二、蜗杆机构的特点二、蜗杆机构的特点1、传动比大传动比大。蜗杆传动的单级传动比在传递动力时，i=580，常用的为i=1550。分度传动时i可达1000，因而结构紧凑。2、传动平稳，噪声低传动平稳，噪声低。蜗杆与涡轮的啮合连续，同时啮合的齿对数较多。3、具有自锁性具有自锁性。当蜗杆的螺旋角小于轮齿间的当量摩擦角时，蜗杆传动能自锁，即只能由蜗杆带动涡轮，而涡轮不能够带动蜗杆。4、传动效率低传动效率低。蜗杆传动在啮合处有相对滑动，当滑动速度较大时，则会产生较严重的摩擦磨损，发热大，效率低。一般只有0.70.8。具有自锁功能的蜗杆机构，它
3、的效率一般不大于0.5。 5、制造成本较高制造成本较高。涡轮常用贵重的减摩材料（如青铜）制成。 因此，蜗杆传动适用于传动比大，传递功率不大的机械上。机械设计基础机械设计基础第第5 5页页15-2 15-2 蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算机械设计基础机械设计基础第第6 6页页一、蜗杆传动的主要参数一、蜗杆传动的主要参数1 1、蜗杆头数、蜗杆头数z z1 1和蜗轮齿数和蜗轮齿数z z2 2和传动比和传动比i i 蜗杆头数根据传动比和传动蜗杆的效率来确定。一般取1、2、4、6，当要求自锁和大传动比时，取1；当传动功率较大，为提高传动效率取大值，但蜗杆的头数过多，加工
4、精度难以保证。 蜗轮的齿数一般取z22780，齿数过少将发生根切，齿数过多将导致与之相应的蜗杆长度增加，刚度减小。1221nzinz 传动比机械设计基础机械设计基础第第7 7页页2 2、模数、模数m m和压力角和压力角 由于蜗杆传动在中间平面内相当于渐开线齿轮与齿条的啮合，而中间平面是蜗杆的轴向平面又是蜗轮的端面，与齿轮传动相同，为保证轮齿的正确啮合，蜗杆的轴向模数 应等于蜗轮的端面模数 ；蜗杆的轴向压力角 应等于蜗轮的端面压力角 ；蜗杆分度圆导程角 应等于蜗轮分度圆螺旋角 ，且两者螺旋方向相同。 即阿基米德蜗杆传动的正确啮合条件为：1xm2tm1x2t1212xtxtmmm机械设计基础机械设
5、计基础第第8 8页页3 3、蜗杆的分度圆直径、蜗杆的分度圆直径d d1 1和导程角和导程角11111tanxz pz mdd 蜗杆传动的效率与导程角有关，导程角越大，传动效率越高。当传递动力时，要求高效率，取 ，此时采用多头蜗杆；若蜗杆传动要求具有自锁性能时，常取 的单头蜗杆。0015 3003 3011tanzdmmq机械设计基础机械设计基础第第9 9页页1tanzq称为蜗杆的直径系数 当m一定，q值增大，蜗杆的直径增大，刚度提高。小模数蜗杆一般具有大的q值，以使蜗杆具有足够的刚度。 为保证蜗轮于蜗杆的正确啮合，加工蜗轮的滚刀直径和齿形参数必须于相应的蜗杆相同，为限制蜗轮滚刀的数目，蜗杆直径
6、d1已标准化。机械设计基础机械设计基础第第1010页页机械设计基础机械设计基础第第1111页页4 4、中心距、中心距a a122()22ddm qza 蜗杆传动中，当蜗杆分度圆与蜗轮分度圆重合时称为标准传动，其中心距为： 规定标准中心距为40、50、63、80、100、125、160、（180）、200、（225）、250、（280）、315、（355）、400、（450）、500。在蜗杆传动设计时，中心距按上述标准元整。机械设计基础机械设计基础第第1212页页二、蜗杆传动的几何尺寸计算二、蜗杆传动的几何尺寸计算机械设计基础机械设计基础第第1313页页15-3 15-3 蜗杆传动的失效形式、设
7、计准则、蜗杆传动的失效形式、设计准则、材料和结构材料和结构一、蜗杆传动的失效形式和设计准则一、蜗杆传动的失效形式和设计准则1、齿面相对滑动速度、齿面相对滑动速度vs22112cossvvvv 滑动速度的大小，对齿面的润滑情况、齿面实效形式、发热以及传动效率都有很大的影响。机械设计基础机械设计基础第第1414页页2、轮齿的失效形式和设计准则、轮齿的失效形式和设计准则1）轮齿的失效形式 蜗杆传动的失效形式主要有胶合、点蚀、磨损胶合、点蚀、磨损等。由于蜗杆的齿是连续的螺旋线，因而失效多发生在蜗轮轮齿上。 在闭式传动中，主要失效形式是胶合胶合与点蚀点蚀；在开式传动中，主要失效形式是磨损磨损。机械设计基
8、础机械设计基础第第1515页页 实践证明实践证明：当载荷平稳无冲击时，蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况多发生于齿数80100时，所以在齿数少于上述数值时，弯曲强度校核可不考虑。 由于蜗杆常与轴做成一体，设计时可按一般轴对蜗杆强度进行验算，必要时进行刚度验算。2）设计准则 闭式蜗杆传动闭式蜗杆传动按齿面接触疲劳强度设计，并校核齿根弯曲疲劳强度，为避免发生胶合还必须作热平衡计算； 开式蜗杆传动开式蜗杆传动通常只需按齿根弯曲疲劳强度设计。机械设计基础机械设计基础第第1616页页二、蜗杆、蜗轮的材料和结构二、蜗杆、蜗轮的材料和结构1、蜗杆、蜗轮的材料选择、蜗杆、蜗轮的材料选择 蜗杆常用的材料为碳钢和
9、合金钢蜗杆常用的材料为碳钢和合金钢，要求表面光洁并且有高硬度。对一般蜗杆传动可采用45、40等碳钢调质处理，硬度为220250HBS。对高速重载的传动，常用20Cr、20CrMnTi渗碳淬火到5665HRC，或40Cr、38SiMnMo表面淬火到4555HRC，并磨削。 蜗轮常用材料为青铜和铸铁蜗轮常用材料为青铜和铸铁。 由于蜗杆传动的特点，蜗杆副的材料不仅要求有足够足够的强度的强度，更重要的是具有良好的减摩耐磨良好的减摩耐磨和抗胶合性能抗胶合性能。为此常采用青铜作蜗轮齿圈，并与淬硬磨削的钢制蜗杆相匹配。 机械设计基础机械设计基础第第1717页页2、蜗杆、蜗轮的结构、蜗杆、蜗轮的结构机械设计基
10、础机械设计基础第第1818页页机械设计基础机械设计基础第第1919页页机械设计基础机械设计基础第第2020页页学习情境学习情境2：数控系统显示画面及操作：数控系统显示画面及操作 蜗杆传动蜗杆传动主讲教师：何彩颖主讲教师：何彩颖机械设计基础机械设计基础第第2121页页15-4 15-4 蜗杆传动的强度计算蜗杆传动的强度计算一、蜗杆传动的受力分析一、蜗杆传动的受力分析1121221222122tgtxtxrtrTFFdTFFdFFF 式中：T2=T1i，为蜗杆传动的效率。机械设计基础机械设计基础第第2222页页2rF1rF1 tF 2xF2tF1xF机械设计基础机械设计基础第第2323页页二、蜗轮
11、齿面接触疲劳强度计算二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算 对于钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮（指齿圈），蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为 ：22222121 2520520HHKTKTd dm d z蜗轮齿面接触疲劳强度的设计公式为： 上两式中K 为载荷系数，一般取K=1.11.5。当载荷平稳，相对滑动速度较小时，取小值，否则取大值。 H为蜗轮材料的许用接触应力。22122520()Hm dKTz机械设计基础机械设计基础第第2424页页三、蜗轮齿面弯曲疲劳强度计算三、蜗轮齿面弯曲疲劳强度计算 由于蜗轮轮齿的齿形比较复杂，通常近似地将蜗轮看作斜齿轮按圆柱齿轮弯曲强度公式来计算，化简后齿根弯曲强度的校核公式为
12、：蜗轮齿面接触疲劳强度的设计公式为： YF2为蜗轮的齿形系数 F为蜗轮材料的许用弯曲应力。.cos2FF 2F122 2KTYd d m. cos221F 22F2 2KTm dYz机械设计基础机械设计基础第第2525页页15-5 15-5 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算一、蜗杆传动的效率一、蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动总效率包括： 考虑轮齿啮合齿面间摩擦损失时的效率；（主要考虑） 考虑轴承摩擦损失的效率； 考虑浸入油池中的零件搅动润滑油时的溅油损耗率。蜗杆传动的总效率为：其中 蜗杆导程角； 当量摩擦角， ， 为当量摩擦系数,主要与蜗杆传动的材料、表面硬度和相对
13、滑动速度有关。varctanvvfvf( .)tantan()v0 950 97机械设计基础机械设计基础第第2626页页 由此可知，增大导程角 可提高效率，故常采用多头蜗杆。但导程角过大，会引起蜗杆加工困难，而且导程角 时，效率提高很少。 时，蜗杆传动具有反向自锁性，但效率很低(45HRC45HRC。 蜗轮：采用铸铝青铜，蜗轮：采用铸铝青铜，ZcuAl10Fe3ZcuAl10Fe3，砂模铸造，估，砂模铸造，估计计 。 查表可知，蜗轮材料的基本许用接触应力为查表可知，蜗轮材料的基本许用接触应力为120HMPa（2 2）确定蜗杆头数和蜗轮齿数）确定蜗杆头数和蜗轮齿数根据传动比根据传动比i i值，查
14、表取值，查表取12z 2125 250ziz（3 3）计算蜗轮转矩）计算蜗轮转矩 2T612119.55 10.PTT iin取取0.86259.55 100.8 256551721450TN mmN mm6/svm s机械设计基础机械设计基础第第3333页页（4 4）确定模数和分度圆直径）确定模数和分度圆直径由于载荷平稳，取载荷系数由于载荷平稳，取载荷系数 ，按公式可得，按公式可得 1.1K 22231225005001.1 65517250 120Hm dKTmmz35005mm查表，查表， 按按2315005m dmm选取选取2315376m dmm得得m=8m=8，q=10q=1018
15、 1080dmqmmmm 蜗杆分度圆直径蜗杆分度圆直径（5 5）计算主要尺寸）计算主要尺寸228 50400dmzmmmm 12arctanarctan11.3110zq蜗轮分度圆直径蜗轮分度圆直径蜗杆导程角蜗杆导程角机械设计基础机械设计基础第第3434页页中心距中心距128040024022ddammmm（6 6）验算传动效率）验算传动效率蜗杆分度圆速度蜗杆分度圆速度1 113.14 80 1450/6.07/60 100060 1000d nvm sm s齿面相对滑动速度齿面相对滑动速度106.07/6.19/coscos11.31svvm sm s0.035vf 查表得：查表得：2 00
16、(2 )oovtan(0.95 0.97)tan()vtan11.31(0.95 0.97)0.80 0.82tan(11.312 ) 与原估计与原估计0.80 相近。相近。机械设计基础机械设计基础第第3535页页（7 7）热平衡计算）热平衡计算 取室温取室温020tC取散热系数取散热系数 ：通风散热条件好，故取：通风散热条件好，故取215/()skWmC 1101000(1)sPttK A1000(1 0.80) 52015 1.53CC63.5770 90CC符合要求。符合要求。 根据题意，箱体散热面积根据题意，箱体散热面积1.751.75222400.33()0.33()1.53100100aAmmsk机械设计基础机械设计基础第第3636页页
