介绍蜗杆传动的原理及应用
蜗杆传动的类型、特点、参数和尺寸 蜗杆传动的失效形式、设计准则和常用材料 蜗杆传动受力分析及强度计算 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算 蜗杆和蜗轮的结构
蜗杆传动的安装与维护
介绍知识导读
1.主要内容 本章主要介绍普通 圆柱蜗杆传动的主要参 数、几何尺寸计算、强 度计算以及热平衡计算。 2.重点、难点提示 蜗杆传动的主要参 数、受力分析及强度计 算。
蜗杆传动的类型和特点
圆柱蜗杆按其齿廓曲线形状的不同，又可分为阿
基米德蜗杆(ZA型)、渐开线蜗杆(ZI型)、法面直廓蜗杆 (ZN型)等几种。
阿基米德蜗杆，其端 面齿廓为阿基米德螺旋线， 轴向齿廓为直线。它一般 在车床上用成型车刀切制。 按螺旋方向不同，蜗 杆可分为左旋和右旋。
阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）
蜗杆传动的类型、特点、参数和尺寸
蜗杆传动由蜗杆、 蜗轮组成。 用于传递空间两 交错轴之间的运动和 动力，通常两轴交错 角为90°。一般用作 减速传动，广泛应用 于各种机械设备和仪 表中。
蜗杆传动
蜗杆传动的类型和特点
蜗杆传动பைடு நூலகம்类型
按蜗杆的形状不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动 (a)所示、圆弧面蜗杆传动(b)所示和锥面蜗杆传动(c)所 示。
蜗杆传动特点
(1)传动比大，结构紧凑。单级蜗杆传动比i=5～80，
若只传递运动(如分度机构)，其传动比可达1000。 (2)传动平稳，噪声小。由于蜗杆齿呈连续的螺旋状， 它与蜗轮齿的啮合是连续不断地进行的，同时啮合的齿数 较多，故传动平稳，噪声小。 (3)可制成具有自锁性的蜗杆。当蜗杆的螺旋线升角 小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。
蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算
蜗杆传动的效率 蜗杆传动的总效率为 当蜗杆为主动件时，η1 可 近似按螺旋传动的效率计算
λ：蜗杆的导程角。 传动的啮合效率、轴承效率 ρv ：当量摩擦角，ρv=arctanfv， 和搅油效率。 ρv 随滑动速度vs 的增大而减少。 决定蜗杆传动总效率的是η1， 这是由于vs的增大，使油膜易于 一般取η2 η3 =0.95～96。 形成，导致摩擦系数下降。
则有
2.蜗杆传动的几何尺寸计算
蜗杆传动的失效形式、设计准则和常用材料
蜗杆传动的失效形式和设计准则
蜗杆传动的设计准则是:对闭式蜗杆传动，一 般按齿面接触疲劳强度设计，必要时进行齿根弯 曲疲劳强度校核。此外，还应做热平衡核算，限 制工作温度。 对开式蜗杆传动，通常以保证齿根弯曲疲劳强 度作为主要设计准则。当蜗杆直径较小而跨距较 大时，还应作蜗杆轴的刚度验算。
η1、η2、η3分别为蜗杆
蜗杆传动的润滑
在闭式蜗杆传动中，润滑方式可分为浸油 润滑和压力喷油润滑。 对于开式传动，则采用粘度较高的齿轮油 或润滑脂进行润滑。
蜗杆传动的热平衡计算
单位时间内产生的发热量Q1为
如果工作温度超过允许的范围，应采取下列措施以增 加传动的散热能力: (1)在箱体外表面设置散热片，以增加散热面积A。 (2)在蜗杆轴上安装风扇。 (3)在箱体油池内安装蛇形冷却水管，用循环水冷却。 (4)利用循环油冷却。
蜗杆传动的常用材料及选择 蜗杆常用材料
蜗杆一般用碳钢或合金钢制成。 高速重载蜗杆常用低碳合金钢，如15Cr、20Cr、 20CrMnTi等，经渗碳淬火，表面硬度56～62HRC。 中速中载蜗杆可用优质碳素钢或合金结构钢，如 45、40Cr等。经表面淬火，表面硬度40～55HRC。 低速或不重要的传动，蜗杆可用45钢经调质处理， 表面硬度小于270HBS。
1.蜗杆传动的主要参数及其选择 (2)模数m和压力角α 蜗杆传动也是以模数作为主要计算参 数的。 由于在中间平面内，蜗杆传动相当于 齿轮与齿条的啮合传动，所以蜗杆的轴面 模数ma1和轴面压力角α a1分别与蜗轮的端 面模数mt2和端面压力角α t2相等，且为标 准值。
1.蜗杆传动的主要参数及其选择 （3）蜗杆的导程角λ
蜗轮常用材料
蜗轮常用材料为青铜和铸铁。锡青铜耐磨性 能及抗胶合性能较好，但价格较贵，常用的有 ZCuSn10Pb(铸锡磷青铜)、CuSn5Pb5Zn5(铸锡 锌铅青铜)等，用于滑动速度较高的场合。 铝铁青铜的力学性能较好，但抗胶合性略差。 常用的有ZCuAl9Fe4Ni4Mn2（铸铝铁镍青铜）等， 用于滑动速度较低的场合。 灰铸铁只用于滑动速度vs≤2m./s的传动中。
蜗杆传动受力分析及强度计算
蜗杆传动的受力分析
由于蜗杆与蜗轮轴交错 90°角，根据作用力与反作 用力原理可得
蜗杆蜗轮受力方向的判别方法
一般先确定蜗杆(主动件) 的受力方向。 其所受的圆周力Ft1的方向 与转向相反，径向力Fr1的方向 沿半径指向轴心，轴向力Fa1的 方向取决于螺旋线的旋向和蜗 杆的转向，按“主动轮左右手 法则”来确定。 作用于蜗轮上的力可根据 作用力与反作用力原理来确定。
在切制蜗轮轮齿时，所用滚刀的直径和齿形参数必须与 该蜗轮相啮合的蜗杆一致。 而蜗杆分度圆直径d1不仅与模数有关，还随z1/ tanλ的数 值而变化。即使m相同，也会有许多不同直径的蜗杆。 为了限制滚刀的数目以及便于滚刀的标准化，对于每一 种模数的蜗杆，国家标准制定了蜗杆分度圆直径d1的标准 值，并把d1 与m的比值称为蜗杆直径系数q，即 q=d1/m
蜗杆传动强度计算
蜗轮齿面接触疲劳强度计算可以参照斜齿轮 的计算方法进行。其校核公式为
K：载荷系数，K=1～1.3。 T2：蜗轮上的转矩，单位N· mm。 ［σH］蜗轮材料的许用接触应力，单位MPa。
蜗杆传动强度计算
蜗轮齿面接触疲劳强度的设计公式为
当蜗轮材料为铝铁青铜或灰铸铁时，其主要 的失效形式为胶合，此时进行的接触强度计算是 条件性计算。
蜗杆传动的安装位置要求
蜗杆传动的维护：蜗杆传动工作一段时间后应测试油 温，如果超过油温的允许范围应停机或改善散热条件。还 要经常检查蜗轮齿面是否保持完好。润滑对于保证蜗杆传 动的正常工作及延长使用期限很重要。
蜗杆的轮齿成 螺旋线形状绕于分 度圆柱上，将蜗杆 分度圆柱展开，其 螺旋线与端面的夹 角λ 称为蜗杆的导 程角。由图可知， 蜗杆螺旋线的导程 为
1.蜗杆传动的主要参数及其选择
根据啮合传动原理，轴交角为 90°的蜗杆传动正确啮合条件为
β为蜗轮的螺旋角，其旋向与λ相同
(4)蜗杆分度圆直径d1和直径系数q
蜗杆传动特点
(4)传动效率低。因蜗杆传动齿面间存在较大的 相对滑动，摩擦损耗大，效率较低。一般为0.7～ 0.8，具有自锁性的蜗杆传动，效率小于0.5。 (5)蜗轮的造价较高。为减轻齿面的磨损及防止 胶合，蜗轮一般要采用价格较贵的有色金属制造， 因此造价较高。
蜗杆传动的基本参数和尺寸
通过蜗杆轴线并垂 直于蜗轮轴线的剖面称 为中间平面。 该平面为蜗杆的轴 面或为蜗轮的端面。 在中间平面内蜗杆 与蜗轮的啮合相当于渐 开线齿轮与齿条的啮合。 因此，该平面内的参数 为标准值。
蜗杆和蜗轮的结构
蜗杆轴
蜗杆的结构形式
铣制蜗杆是在轴上直接铣出螺旋部分，刚性较好。 车制蜗杆，为便于车螺旋部分留有退刀槽，使轴径小 于蜗杆根圆直径，削弱了蜗杆的刚度。
蜗轮的结构形式
蜗杆传动的安装与维护
根据蜗杆传动的啮合特 点，应使蜗轮的中间平面通过 蜗杆的轴线，为此，蜗杆传动 安装后，要仔细调整蜗轮的轴 向位置，使其定位准确，否则 难以正确啮合。
阿基米德蜗杆传动
1.蜗杆传动的主要参数及其选择
(1)蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i
蜗杆头数z1(齿数)即为蜗杆螺旋线的数目 z1少，效率低，但易得到大的传动比,z1多， 效率提高，但加工精度难以保证。 一般取z1=1～4。当传动比大于40或要求 蜗杆具有自锁性时，取z1=1。
1.蜗杆传动的主要参数及其选择 蜗轮齿数z2
蜗轮齿数z2由传动比和蜗杆的头数决定。齿数越 多，蜗轮的尺寸越大，蜗杆轴也相应增长而刚度减小， 影响啮合精度。故蜗轮齿数不宜多于100。但为避免蜗 轮根切，保证传动平稳，蜗轮齿数z2应不少于28。一 般取z2=28～80。
传动比
当蜗杆转过一周时，蜗轮将转过z1个齿， 故传动比 为i=n1 /n2。n1、n2分别为蜗杆、蜗轮的转速，单位 r/min。