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蜗轮蜗杆设计
第12章蜗杆传动
基本内容:
类型、应用、失效形式、材料选择、力的分析、强度计算、效率、润滑和热平衡计算等。
基本要求:
掌握蜗杆传动的受力分析及强度计算、了解热平衡原理和计算方法、蜗杆传动的类型、特点等。
学时:
课堂教学:
3学时。
第一讲
§12-1概述
一、特点和应用
在大多数情况下,两轴在空间是互相垂直的,轴交角∑=90°。
广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门。
▲结构组成:
蜗杆——一般为主动件
蜗轮——
根据蜗杆与蜗轮的相互位置:
——上置蜗杆传动
——下置蜗杆传动
——旁置蜗杆传动
▲特点:
1)能得到很大的单级传动比。
2)结构紧凑
3)工作平稳、无噪声、冲击振动小。
4)可以实现自锁。
缺点:
5)传动效率较低——
一般η=0.7~0.9
具有自锁性能η≈0.4
6)需用贵重的减摩材料(如青铜)制造。
材料价格较高。
二、分类
▲按蜗杆形状不同可分为三类
——圆柱蜗杆传动:
——环面蜗杆传动
——锥蜗杆传动,见图
▲按蜗杆螺旋线方向不同:
——左旋蜗杆
——右旋蜗杆
▲按蜗杆头数不同:
——单头蜗杆:
主要用于传动比较大的场合,要求自锁的传动必须采用单头蜗杆。
——多头蜗杆:
主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。
▲对于圆柱蜗杆传动:
根据加工时刀具位置的不同,可以分为三种
1、阿基米德蜗杆:
2、渐开线蜗杆:
3、法向直廓蜗杆:
§12-2圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
中间平面——通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面
对于阿基米德圆柱蜗杆传动在中间平面上为齿条与齿轮啮合传动。
一、主要参数
模数m、压力角α、蜗杆分度圆直径d1、蜗杆直径系数q、蜗杆导程角γ、螺旋角β。
蜗杆头数Z1、蜗轮齿数Z2、传动比i、齿速比u、中心距a、变位系数x。
1、模数m和压力角α
在中间平面上
蜗杆的模数——轴向模数mx
蜗轮的模数——端面模数mt
(因蜗杆的轴向齿距px应与蜗轮端面齿距pt相等,故mx=mt=m为标准模数)
蜗杆的压力角——轴向压力角αx
蜗轮的压力角——端面压力角αt(αx=αt=20°)
2、蜗杆分度圆直径d1,亦称蜗杆中圆直径。
由于蜗轮的加工,采用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀切制,故
为了蜗轮刀具规定尺寸的标准化、系列化,将蜗杆分度圆直径d1定为标准值。
3、蜗杆直径系数q和导程角γ
将蜗杆由分度圆展开,设蜗杆头数为Z1,
则
q=Z1/
式中程角γ角的范围为3.5°~33°
▲由于蜗杆传动的交错角为90°,故γ≤β2
4、蜗杆头数Z1、蜗轮齿数Z2、传动比i
——蜗杆头数Z1
当要求反行程自锁时,可取Z1=1。
但重载传动不宜采用单头蜗杆。
常用的蜗杆头数为l、2、4、6。
——蜗轮齿数Z2
根据齿数比和蜗杆头数决定:
Z2=i·Z1。
蜗轮齿数一般取Z2=32~80齿。
——传动比i
因为蜗杆转一圈,蜗轮转圈,所以蜗杆传动的传动比i和齿数比u分别为:
5、中心距a
对于标准蜗杆传动
▲蜗杆传动的正确啮合条件
模数相等
压力角相等
旋向相同蜗杆的导程角等于蜗轮的螺旋角。
二、圆桩蜗杆传动的几何尺寸计算
圆柱蜗杆传动的基本几何尺寸见图,有关尺寸的计算公式见表。
第二讲
§12-3蜗杆传动的失效形式、材料和结构
一、失效形式
蜗杆传动的失效形式和齿轮传动类似,但由于蜗轮和蜗杆之间的相对滑动较大,因摩擦产生热量大,使润滑油温度升高,润滑条件变坏,更容易产生胶合和磨粒磨损。
——对闭式蜗杆传动,如果不能及时散热,往往因胶合而影响其工作
——对开式蜗杆传动或润滑条件不良闭式蜗杆传动,则磨损就显得突出
——在蜗杆传动中,点蚀通常只出现在蜗轮轮齿上。
二、材料
1、对材料的基本要求:
1具有足够的强度
2具有足够的刚度
3其材料的匹配(或组合)上应具有良好的减磨性、耐磨性和抗胶合能力。
2、常用材料
——蜗杆材料:
考虑到蜗杆应具有一定强度和刚度要求,一般采用钢制造。
按材料分:
有碳钢和合金钢
1对高速重载或比较重要的、要求持久性高的动力传动的蜗杆传动,采用硬面蜗杆
采用低碳合金钢:
20Cr、20CrMnTi等,表面渗碳淬火,表面硬度58HRC~63HRC
或采用中碳钢、中碳合金钢:
40、45、42SIMn等,表面淬火,硬度45HRC~55HRC,32CrMo50CrV,渗氮,65HRC~70HRC
在制造时必须磨削,用氮化钢渗氮处理的蜗杆可以不磨削,但需要抛光。
2受短时冲击载荷的蜗杆,中低速、中等载荷的蜗杆传动,用调质蜗杆
45、40Cr、40CrNi、42CrMo等,调质,硬度<270HB
3蜗轮直径很大时,也可以采用青铜蜗杆,蜗轮则用铸铁。
——蜗轮材料,通常是指蜗轮齿冠部分的材料。
鉴于与蜗杆材料之间的匹配关系,主要有以下几种:
1青铜
ZCusnl0PI——砂型铸造;(10—l铸锡青铜)——离心铸造
ZCusnl0ZnZ——砂型铸造;(l—2铸锡青铜)——离心铸造
锡青铜的特点:
其强度极限小于300MPa,减摩性,耐磨性、抗胶合性能好,但价格较高。
适用与滑动速度Vs12~15m/s的重要传动中。
无锡青铜的特点:
其强度极限大于300MPa,机械性能较高,耐冲击,但抗胶合性能较差(容易发生胶合),价格较低,适用与滑动速度Vs小于6m/s的传动中。
2黄铜抗点蚀强度高,但磨损性能差,宜用于低滑动速度场合。
3灰铸铁HT300
球墨铸铁QT800-2
适用于滑动速度Vs小于2m/s的工况。
,
直径较大的蜗轮常用铸铁。
三、蜗杆和蜗轮的结构
蜗杆——通常与轴做成整体,常见的蜗杆结构例见图
a图结构既可以车制,也可以铣制,b图结构只能铣制。
蜗轮——可制成整体的或组合的。
§12-4圆柱蜗杆传动受力分析
与斜齿轮相似,蜗杆传动中作用在齿面上的法向压力Fn仍可分解为圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。
显然,作用于蜗杆上的轴向力等于蜗轮上的圆周力;
蜗杆上的圆周力等于蜗轮上的轴向力;
蜗杆上的径向力则等于蜗轮上的径向力。
这些对应力的数值相等,方向彼此相反。
已知:
T1、T2、d1、d2
作用于蜗轮轮齿上的圆周力Ft2、轴向力Fa2、径向力Fr2分别为:
式中:
第三讲
§12-5圆柱蜗杆传动的强度计算
蜗杆传动的强度计算与齿轮传动一样,其计算的理论依据同齿轮传动相同。
蜗轮齿面接触强度的计算——仍以赫之公式为理论计算基础。
——对于钢制蜗杆和青铜或铸铁蜗轮
校核式
设计式
许用应力的确定:
——当蜗轮材料为锡青铜制造时,蜗轮的失效形式主要是疲劳点蚀
其许用应力由表12-4确定
——当蜗轮材料为无锡青铜或铸铁制造时,蜗轮的失效形式主要是胶合(不属于疲劳性质)
其许用应力由表12-5确定
§12-6圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算
一、蜗杆传动的效率
闭式蜗杆传动的效率与齿轮传动的效率类似,即
式中:
η1——传动啮合效率;
η2——油的搅动和飞溅损耗时的效率;
η3——轴承效率。
蜗杆主动总效率:
式中ρ’——当量摩擦角。
可根据滑动速度由表12—2查取
滑动速度根据下式计算:
▲在作初步设计时,蜗杆传动的总效率可取下列数值:
对于闭式传动Z1=1η=0.70~0.75
Z1=2η=0.75~0.82
Z1=4η=0.87~0.92
对于开式传动Z1=1、2η=0.60~0.70
二、蜗杆传动的润滑
1、润滑剂的选择——润滑油粘度指标是选择润滑剂的主要依据,可参考表11—5确定。
2、润滑方法
蜗杆传动的润滑方法主要根据滑动速度大小确定
Vs<5m/s——浸油润滑;
5m/s<Vs<10m/s——浸油润滑或压力喷油润滑,
Vs>10m/s——压力喷油润滑
三、蜗杆传动的热平衡计算
由于蜗杆传动效率低,发热量大,若不及时散热,会引起油温升高,润滑失效,导致轮齿磨损加剧,甚至出现胶合。
因此对连续工作的闭式蜗杆传动要进行热平衡计算。
根据热功当量原理:
传动的发热量为1000Pl(1-η)
箱体的散热量为αtA(t一to)
根据热平衡条件:
单位时间内,蜗杆传动的发热量等于散发出去的热量
由此得1000Pl(1-η)=αtA(t一to)
△t[△t]
此处:
P1——蜗杆传递功率;η——传动效率
(t一to)=△t——温度差,一般为60~70℃
to——工作环境温度,通常取20℃;t——箱体内的工作温度;t<90℃
αt—一表面传热系数,根据箱体周围通风条件:
一般取αt=10~17W/(m2·℃)
A——箱体的散热面积m2
若油温过高,达不到热平衡的条件,可采取下列措施:
——在不增大箱体尺寸的前提下,设法增加散热而积。
如增加散热片等
——在蜗杆轴端装设风扇:
这是最简单的强制冷却的方法。
——外冷却压力喷油润滑:
需配置润滑油循环系统。
——油池内安装冷却水管。
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