十二蜗杆传动 1.教学目标 1.了解掌握蜗杆传动的啮合特点、运动关系和几何参数; 2.掌握蜗杄传动的受力分析、强度计算和热平衡计算方法 2.教学重点和难点 重点:普通囻柱蜗杄传动的啮合特点、运动关系和几何参数 难点:蜗杆传动的受力分析 3.讲授方法:多媒体和演示柜教学 正文 §7.1蜗杆传动概述 蜗杄传动是由蜗杄1和涡轮2组成,如图所示。常用于交错轴 ∑=90的两轴之间传递运动和动力。一般蜗杆为主动件,作减速运 动。蜗杄运动具有传动比大而结构紧凑等优点,所以在各类机械, 如机床、冶金、矿山、起重运输机械中得到广泛使用。 蜗杆传动是在齿轮传动的基础上发展起来的,它具有齿轮传动 图11-1蜗杆传动 的某些特点,即在中间平面(通过蜗杆轴线并垂直于涡轮轴线的平 1—蜗杆2—蜗轮 图7-1 面)内的啮合情况与齿轮齿条的啮合相类似,又有区别与齿轮传动的特性,即其运动特性相当于 螺旋副的工况。蜗杄相当于单头或多头螺杆,涡 轮相当于一个“不完整的螺母”包在蜗杆上。蜗 杆本身轴线转动一周蜗轮相应转过一个或多个 图6-1普通圆柱蜗杆传动
132 十二 蜗杆传动 1．教学目标 1．了解掌握蜗杆传动的啮合特点、运动关系和几何参数； 2．掌握蜗杆传动的受力分析、强度计算和热平衡计算方法； 2．教学重点和难点 重点：普通圆柱蜗杆传动的啮合特点、运动关系和几何参数； 难点：蜗杆传动的受力分析。 3．讲授方法：多媒体和演示柜教学 正 文 §7.1 蜗杆传动概述 蜗杆传动是由蜗杆 1 和涡轮 2 组成，如图所示。常用于交错轴 ∑＝90°的两轴之间传递运动和动力。一般蜗杆为主动件，作减速运 动。蜗杆运动具有传动比大而结构紧凑等优点，所以在各类机械， 如机床、冶金、矿山、起重运输机械中得到广泛使用。 蜗杆传动是在齿轮传动的基础上发展起来的，它具有齿轮传动 的某些特点，即在中间平面（通过蜗杆轴线并垂直于涡轮轴线的平 面）内的啮合情况与齿轮齿条的啮合相类似，又有区别与齿轮传动的特性，即其运动特性相当于 螺旋副的工况。蜗杆相当于单头或多头螺杆，涡 轮相当于一个“不完整的螺母”包在蜗杆上。蜗 杆本身轴线转动一周，蜗轮相应转过一个或多个 图 7-1
齿(如图所示 蜗杆传动的特点 与齿轮传动相比较,蜗杆传动具有传动比大,在动力传递中传动比在8~100之间,在分度 机构中传动比可以达到1000;传动平稳、噪声低;结构紧凑;在一定条件下可以实现自锁等优 点而得到广泛使用。但蜗杄传动有效率低、发热量大和磨损严讠图7-2齿圈部分经常用减磨性能 好的有色金属(如青铜)制造,成本高等缺点 二、蜗杆传动的类型 中 按杆分度曲面的形状洋子锁 LL 不同,蜗杆传动可以分为:圆 蜗杆传动的类型 柱蜗杆传动(如图a)环面蜗 图73 杆传动(如图b)锥蜗杆传动(如图c)三种类型。 1、圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆传动可以分为普通圆柱 蜗杆传动(如前图7-1所示)和圆弧 圆柱蜗杆传动(如后图7-5所示 (1)普通圆柱蜗杆传动 阿基来德周柱蜗杆(ZA) b)渐开线置柱蜗杆(Z c)法向直图柱蜗杆N 普通圆柱蜗杆传动主要分为如图 图6-3國柱蜗杆的主要类型 7-3所示的三种。 a阿基米德圆柱蜗杆(zA蜗杆) 图 如图7-4所示,其齿面为阿基米 德螺旋面加工时,梯形车刀切削刃的个A 阿基米德螺线 阿基米德螺线 顶平面通过蜗杆轴线,在轴向剖面I-I AO ARIKE a)当7≤3时用一把刀车削 b)当y>3时用两把刀车削 图75阿基米德柱蜗杆
133 齿（如图所示）。 一、蜗杆传动的特点 与齿轮传动相比较，蜗杆传动具有传动比大，在动力传递中传动比在 8～100 之间，在分度 机构中传动比可以达到 1000；传动平稳、噪声低；结构紧凑；在一定条件下可以实现自锁等优 点而得到广泛使用。但蜗杆传动有效率低、发热量大和磨损严重，涡轮齿圈部分经常用减磨性能 好的有色金属（如青铜）制造，成本高等缺点。 二、蜗杆传动的类型 按蜗杆分度曲面的形状 不同，蜗杆传动可以分为：圆 柱蜗杆传动（如图 a）、环面蜗 杆传动（如图 b）、锥蜗杆传动（如图 c）三种类型。 1、圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆传动可以分为普通圆柱 蜗杆传动（如前图 7－1 所示）和圆弧 圆柱蜗杆传动（如后图 7－5 所示）。 （1）普通圆柱蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动主要分为如图 7－3 所示的三种。 a.阿基米德圆柱蜗杆（ZA 蜗杆） 如图 7－4 所示，其齿面为阿基米 德螺旋面。加工时，梯形车刀切削刃的 顶平面通过蜗杆轴线，在轴向剖面 I-I 图 7-2 图 7-3 图 7-4 图 7-5
具有直线齿廓,法向剖面N-N上齿廓为外凸线,端面上齿廓为阿基米德螺线。这种蜗杆切制简 单,但难以用砂轮磨削岀精确齿形,精度较低。 b.渐开线圆柱蜗杆(蜗杆) 如图7-4b所示。加工时,车刀刀刃平面与基圆或上或下相切,被切出的蜗杆齿面是渐开 线螺旋面,端面上齿廓为渐开线。这种蜗杆可以磨削,易保证加工精度 c法向直廓圆柱蜗杆(zN蜗杆) 又称延伸渐开线蜗杄,如图6-3c所示。车制时刀刃顶面置于螺旋线的法面上,蜗杆在法 向剖面上具有直线齿廓,在端面上为延伸渐开线齿廓。这种蜗杆可用砂轮磨齿,加工较简单,常 用作机床的多头精密蜗杆传动 (2)圆弧圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆(ZC蜗杆)传动是一种非 ARIMRN 直纹面圆柱蜗杆,在中间平面上蜗杆的齿廓为 凹圆弧,与之相配的涡轮齿廓为凸圆弧,如图 讼的的 7-6所示。这种蜗杆的传动特点是 图6-5圆弧圆柱蜗杆传动 a蜗杆与涡轮两共轭齿面是凹凸啮合,增 图76 大了综合曲率半径,因而单位齿面接触应力减小,接触强度得以提高。 b瞬时啮合时的接触线方向与相对滑动速度方向的夹角(润滑角)大,易于形成和保持共轭 齿面间的动压油膜,使摩擦系数减小,齿面磨损小,传动效率可达95%以上。 在蜗杄强度不削弱的情况下,能增大涡轮的齿根厚度,使涡轮轮齿的弯曲强度増大。 d传动比范围大(最大可以达到100),制造工艺简单,重量轻 e传动中心距难以调整,对中心距误差的敏感性强。 2.环面蜗杆传动
134 具有直线齿廓，法向剖面 N-N 上齿廓为外凸线，端面上齿廓为阿基米德螺线。这种蜗杆切制简 单，但难以用砂轮磨削出精确齿形，精度较低。 b.渐开线圆柱蜗杆（ZI 蜗杆） 如图 7－4b 所示。加工时，车刀刀刃平面与基圆或上或下相切，被切出的蜗杆齿面是渐开 线螺旋面，端面上齿廓为渐开线。这种蜗杆可以磨削，易保证加工精度。 c.法向直廓圆柱蜗杆（ZN 蜗杆） 又称延伸渐开线蜗杆，如图 6－3c 所示。车制时刀刃顶面置于螺旋线的法面上，蜗杆在法 向剖面上具有直线齿廓，在端面上为延伸渐开线齿廓。这种蜗杆可用砂轮磨齿，加工较简单，常 用作机床的多头精密蜗杆传动。 （2）圆弧圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆（ZC 蜗杆）传动是一种非 直纹面圆柱蜗杆，在中间平面上蜗杆的齿廓为 凹圆弧，与之相配的涡轮齿廓为凸圆弧，如图 7－6 所示。这种蜗杆的传动特点是： a.蜗杆与涡轮两共轭齿面是凹凸啮合，增 大了综合曲率半径，因而单位齿面接触应力减小，接触强度得以提高。 b.瞬时啮合时的接触线方向与相对滑动速度方向的夹角（润滑角）大，易于形成和保持共轭 齿面间的动压油膜，使摩擦系数减小，齿面磨损小，传动效率可达 95％以上。 c.在蜗杆强度不削弱的情况下，能增大涡轮的齿根厚度，使涡轮轮齿的弯曲强度增大。 d.传动比范围大（最大可以达到 100），制造工艺简单，重量轻。 e.传动中心距难以调整，对中心距误差的敏感性强。 2．环面蜗杆传动 图 7-6
蜗杄分度曲面是圆环面的蜗杄称为环面蜗杆,和相应的涡轮组成的传动称为环面蜗杆传动 (如图7-7)它又分为:直廓环面蜗杆传动(俗称球面蜗杆传动);平面包络环面蜗杆传动(又 称为一、二次包络);渐开线包络环面蜗杄传动和锥面包络环面蜗杄传动。下面我们看一下直廓 环面蜗杆传动的特点。 一个环面蜗杆,当其轴向齿廓为直线时称 为直廓环面蜗杆和相应的涡轮组成的传动称为 直廓环面蜗杆传动,如图7-7所示 这种蜗杄传动的特点是:由于其蜗杄和涡 轮的外形都是环面回转体,可以互相包容,实现 图6-6直廓环面蜗杆传动 多齿接触和双接触线接触,接触面积大;又由于 图7-7 接触线与相对滑动速度ν之间的夹角约为90°,易于形成油膜,齿面间综合曲率半径也増大等。 因此,在相同的尺寸下,其承载能力可提高15~3倍(小值适于小中心距,大值适于大中心距); 若传递同样的功率,中心距可减小20%~40%。它的缺点是:制造工艺复杂,不可展齿面难以 实现磨削,故不宜获得精度很高的传动。只有批量生产时,才能发挥其优越性,其应用现在已日 益增加。 3.锥蜗杆传动 锥蜗杄传动中的蜗杄为一等导程的锥形螺旋,涡轮则与一曲线齿圆锥齿轮相似(如图6 由于普通圆柱蜗杆传动加工制造简单,用的最为广泛,所以我们主要介绍以阿基米德蜗杄为 代表的普通圆柱蜗杆传动。 §7.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 135
135 蜗杆分度曲面是圆环面的蜗杆称为环面蜗杆，和相应的涡轮组成的传动称为环面蜗杆传动 （如图 7－7）。它又分为：直廓环面蜗杆传动（俗称球面蜗杆传动）；平面包络环面蜗杆传动（又 称为一、二次包络）；渐开线包络环面蜗杆传动和锥面包络环面蜗杆传动。下面我们看一下直廓 环面蜗杆传动的特点。 一个环面蜗杆，当其轴向齿廓为直线时称 为直廓环面蜗杆，和相应的涡轮组成的传动称为 直廓环面蜗杆传动，如图 7－7 所示。 这种蜗杆传动的特点是：由于其蜗杆和涡 轮的外形都是环面回转体，可以互相包容，实现 多齿接触和双接触线接触，接触面积大；又由于 接触线与相对滑动速度 s v 之间的夹角约为 90°，易于形成油膜，齿面间综合曲率半径也增大等。 因此，在相同的尺寸下，其承载能力可提高 1.5～3 倍（小值适于小中心距，大值适于大中心距）； 若传递同样的功率，中心距可减小 20％～40％。它的缺点是：制造工艺复杂，不可展齿面难以 实现磨削，故不宜获得精度很高的传动。只有批量生产时，才能发挥其优越性，其应用现在已日 益增加。 3．锥蜗杆传动 锥蜗杆传动中的蜗杆为一等导程的锥形螺旋，涡轮则与一曲线齿圆锥齿轮相似（如图 6－ 2c）。 由于普通圆柱蜗杆传动加工制造简单，用的最为广泛，所以我们主要介绍以阿基米德蜗杆为 代表的普通圆柱蜗杆传动。 §7.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 图 7-7
如图7-1所示,在中间平面上,普通圆柱 蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动。故 此,在设计蜗杆传动时,均取中间平面上的参数 (如模数、压力角)和尺寸(如齿顶圆、分度圆 中间平面 等)为基准,并沿用齿轮传动的计算关系,其主 要依据是国家标准GB10087-88和GB10088 图6-1普通圆柱蜗杆传动 88 普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择 图7-1 普通圆柱蜗杆传动的主要参数有:模数m、压力角∝、蜗杆头数z1和涡轮齿数z2及蜗杄的 直径d等。进行蜗杄传动设计时,首先要正确地选择参数。这些参数之间是相互联系地,不能 孤立地去确定,而应该根据蜗杆传动地工作条件和加工条件,考虑参数之间地相互影响,综合分 析,合理选定。 1、模数m和压力角a 蜗杆传动的尺寸计算与齿轮传动一样,也是以模数m作为计算的主要参数。在中间平面内 蜗杄传动相当于齿轮和齿条传动,蜗杄的轴向模数和轴向压力角分别与涡轮的端面模数和端面压 力角相等,为此将此平面内的模数和压力角规定为标准值,标准模数见书中所咐表格,标准压 角为a=20°。 2、蜗杆的分度圆直径d1 在蜗杄传动中,为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合,常用与蜗杄相同尺寸的蜗轮滚刀来加 工与其配对的涡轮。这样,只要有一种尺寸的蜗杄,就需要一种对应的涡轮滚刀。对于同—模数, 可以有很多不同直径的蜗杄,因而对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀。显然,这样很不经济。 为了限制涡轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化就对毎一标准模数规定了一定数量的蜗杄分 136
136 如图 7－1 所示，在中间平面上，普通圆柱 蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动。故 此，在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数 （如模数、压力角）和尺寸（如齿顶圆、分度圆 等）为基准，并沿用齿轮传动的计算关系，其主 要依据是国家标准 GB10087-88 和 GB10088 －88。 一、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择 普通圆柱蜗杆传动的主要参数有：模数 m、压力角 、蜗杆头数 z1和涡轮齿数 z2及蜗杆的 直径 d1 等。进行蜗杆传动设计时，首先要正确地选择参数。这些参数之间是相互联系地，不能 孤立地去确定，而应该根据蜗杆传动地工作条件和加工条件，考虑参数之间地相互影响，综合分 析，合理选定。 1、模数 m 和压力角 蜗杆传动的尺寸计算与齿轮传动一样，也是以模数 m 作为计算的主要参数。在中间平面内 蜗杆传动相当于齿轮和齿条传动，蜗杆的轴向模数和轴向压力角分别与涡轮的端面模数和端面压 力角相等，为此将此平面内的模数和压力角规定为标准值，标准模数见书中所附表格，标准压力 角为 ＝20°。 2、蜗杆的分度圆直径 d1 在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆相同尺寸的蜗轮滚刀来加 工与其配对的涡轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就需要一种对应的涡轮滚刀。对于同一模数， 可以有很多不同直径的蜗杆，因而对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀。显然，这样很不经济。 为了限制涡轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化，就对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分 图 7-1