机械设计基础 蜗杆传动

二、蜗杆传动的材料
1. 为了减摩，通常蜗杆用钢材（耐磨），蜗轮用有色金属（ 铜合金、铝合金，较好的减摩性）。 2. 高速重载的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳淬火，或45钢、40Cr 淬火。 3. 低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。 4. 蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。
三、蜗杆、涡轮的结构
蜗杆
蜗轮
二、蜗杆传动的特点
1.蜗杆传动的优点 （1）传动比大，结构紧凑。一般 i =10~40，在只传递运动 的分度机构中，可达1000。这样大的传动比如果用齿轮传 动，则需要采用多级传动才行，因此蜗杆传动结构紧凑， 体积小，重量轻 （2） 传动平稳，噪声低。由于蜗杆上的齿是连续不间断 的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿无啮 入和啮出的过程，因此工作平稳、噪声小。 （3）可制成具有自锁性的蜗杆。当蜗杆的螺旋升角小于啮 合面的当量摩擦角时，机构具有自锁性，蜗杆只能带动蜗 轮转动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。
力的大小
圆周力
2T1 Ft1 Fa 2 d1
轴向力
2T2 Ft 2 Fa1 d2
径向力
Fr 1 Fr 2 Ft 2 tan
蜗杆传动受力方向判断
在分析蜗杆传动受力时，应注意其受力方向的确定。 主、从动轮上各对应的力大小相等，方向相反。蜗杆 所受圆周力的方向总是与它的转向相反；径向力的 方向总是指向轴心的。蜗杆受的轴向力的方向与蜗 杆的旋向和蜗杆的旋转方向有关。 方法： 左右手定则
Fr 2
Fr1
蜗杆传动受力方向判断
蜗杆的旋转方向和螺旋线方向如图所示，试判断蜗杆、 蜗轮所受径向力、圆周力和轴向力的方向，以及蜗轮的旋 转方向。 径向力 Fr1 =径向力 Fr 2 指向各自轴心 与转向相反
Fr 2
周向力 Ft1 =轴向力 Fa 2
Ft1
Fa 2
Fr1
蜗杆传动受力方向判断
蜗杆的旋转方向和螺旋线方向如图所示，试判断蜗杆、 蜗轮所受径向力、圆周力和轴向力的方向，以及蜗轮的旋 转方向。 径向力 Fr1 =径向力 Fr 2 指向各自轴心 与转向相反
3.螺栓连接式蜗轮 这种结构的齿圈与轮芯用普通螺栓或铰制孔螺栓连接 ，由于装拆方便，常用于尺寸大或磨损后需要更换蜗 轮齿圈的场合。
4.镶铸式蜗轮 将青铜轮缘铸在铸铁轮芯上，轮芯上制出榫（sǔn）槽 ，以防轴向滑动。
榫（sǔn）：竹、木、石制器物或构件上利 用凹凸方式相接处凸出的部分。
四、蜗杆传动的安装
渐开线蜗杆传动(ZI型) 渐开线蜗杆是使刀具切削平面通过蜗杆基圆的切平面时 ，所切出的蜗杆。其齿廓在基圆的切平面内为直线，而齿 廓与垂直于蜗杆轴线的平面交线为渐开线。这种蜗杆可用 滚刀滚铣，也可进行磨削。因而，制造精度较高，也可采 用硬齿面。适用于批量生产、大功率、高速传动的场合。
法向直廓蜗杆传动(ZN型)
第二节 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算
在中间平面上，蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮 与齿条的啮合，因此，设计蜗杆传动时，其参数和尺 寸均在中间平面内确定，并沿用渐开线圆柱齿轮传动 的计算公式。
一、蜗杆传动的主要参数
1.蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2 蜗杆头数（齿数） z1即为蜗杆螺旋线的数目，蜗杆的 头数z1一般取1、2、4。当传动比大于40或要求蜗杆自 锁时，取z1 =1；当传递功率较大时，为提高传动效率 、减少能力损失，常取z1为2、4。蜗杆头数越多，加 工精度越难保证。
蜗杆的直径较小，通常和轴制成一个整体。螺旋部分 常用车削[ xiāo]加工，也可以用铣削加工；车削加工 时需要有退刀槽，因此刚性较差（区分车削和铣削）
按材料和尺寸的不同，蜗轮的结构分为多种形式。 1.整体式蜗轮 主要用于直径较小的青铜蜗轮或铸铁蜗轮
2.齿圈式蜗轮
为了节省贵重金属，直径较大的蜗轮常采用组合结构，齿圈用 青铜材料，齿芯用铸铁或铸钢制造。两者采用H7/r6配合（基孔 制配合，孔公差等级为7级，轴公差等级为6级），并用4~6个直 径为1.2m~1.5m的螺钉加固。m为蜗轮的模数。为了便于钻孔， 应将螺孔中心线向材料较硬的轮芯部分偏移2~3mm。这种结构 用于尺寸不太大而且工作温度变化较小的场合。
三、蜗杆传动的类型
按蜗杆形状不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、圆弧蜗 杆传动和锥面蜗杆传动，其中圆柱蜗杆传动应用最广。
圆柱蜗杆传动有普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两 类。
普通圆柱蜗杆传动的蜗杆按刀具加工位置的不同又可分为 阿基米德蜗杆（ZA型）、渐开线蜗杆（ZI型）、法向直廓 蜗杆（ZN型）等；其中阿基米德蜗杆由于加工方便，其应 用最为广泛。
1.蜗杆传动的主要缺点 （1）效率较低。这是因为蜗轮与蜗杆在啮合处有较大的相 对滑动，因而发热量大，效率较低。传动效率一般为 0.7~0.8，当蜗杆传动具有自锁性时，效率小于0.5。 （2） 蜗轮造价较高。为减轻齿面磨损及防止胶合，蜗轮 多采用青铜制造，成本高。 （3）不能任意互换啮合。在蜗轮蜗杆传动中，因为蜗轮的 轮齿是呈圆弧形包围着蜗杆，所以切制蜗轮的蜗轮滚刀参 数必须与工作蜗杆的参数完全相同，即不仅模数、压力角 相同，滚刀与蜗杆的分度圆直径、螺旋的头数、升角等也 都要求相同，因此蜗轮滚刀的专用性大，而且仅是模数相 同的蜗杆与蜗轮是不能任意互换啮合的。
★蜗杆传动安装要求精度高。应使蜗轮的中间平面通 过蜗杆的轴线。 ★为保证传动的正确啮合，工作时蜗轮的中间平面不 允许有轴向移动，因此蜗轮轴支撑应采用两端固定的 方式。 ★蜗杆传动的维护很重要，要注意周围的通风散热情 况。
五、蜗杆传动的失效形式
蜗杆传动的主要失效形式是胶合和磨损。闭式蜗杆传 动以胶合为主要失效形式，开式蜗杆传动主要是齿面 磨损。 蜗杆传动中齿廓间有 较大的相对滑动，滑 动速度vs沿蜗杆螺旋 线的方向。v1为蜗杆 的圆周速度，v2为蜗 轮的圆周速度。
螺杆与螺纹一样，有单头、多头之分，也有左旋、右 旋之分。蜗轮的形状像斜齿轮， 它的螺旋角的大小、方向和螺 杆螺旋升角的大小、方向相同， 为了改善蜗杆与蜗轮的啮合情 况，通常将蜗轮圆柱表面的母 线做成圆弧形，部分地包围着 蜗杆，故在轴向剖面中，蜗轮 轮齿沿齿宽方向是圆弧形。
通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面称为中间平面， 如图所示，由于在中间平面内，蜗杆的形状呈标准直边 齿条形，蜗轮在中间平面内的齿形也是一般的渐开线齿 形。但在与中间平面平行的其他截面内，蜗杆的形状不 是直边齿条形，蜗轮的齿形也不是渐开线齿形。
通常情况下取蜗轮齿数z2 =28~80。若z2 <28，会使传动 的平稳性降低，且易产生根切；若z2过大，蜗轮直径 增大，与之相应蜗杆的长度增加，刚度减小，从而影 响啮合的精度。z1、z2可根据传动比i按表10-1选取。
传动比i 蜗杆头数z1 蜗轮齿数z2 7~13 4 28~52 14~27 2 28~54 28~40 2,1 28~80 >40 1 >40Fra bibliotektan
L d1

z1m d1

z1m d1

z1 q
当m一定时，q越小， d1越小，升角λ越大，传动效率 越高，但蜗杆的刚度和强度降低。
4.模数m和压力角α 如前所述，在中间平面上蜗杆与蜗轮的啮合可以看做 齿条与齿轮的啮合，蜗杆的轴向齿距pa1应等于蜗轮的 端面齿距pt2，即蜗杆的轴向模数ma1应等于蜗轮的端面 模数mt2，蜗杆的轴向压力角αa1应等于蜗轮的端面压力 角αt2。标准模数见表10-2
3.蜗杆传动的中心距为
4.传动比i
n1 z2 1 i n2 z1 / z 2 z1
蜗杆传动的几何尺寸计算
名称 符号 蜗杆 计算公式 蜗轮
分度圆直径
齿顶高 齿根高 齿顶圆直径 齿根圆直径 蜗杆导程角 蜗轮螺旋角 径向间隙 标准中心距
d
d1 mq
d 2 mz
ha
hf
da
ha m h f 1.2m d a1 (q 2)m d a 2 (Z 2 2)m
阿基米德蜗杆传动(ZA型) 阿基米德蜗杆的外形像梯形螺杆，在轴向剖面上，其牙形 角呈直边齿条形（牙形角为40°），在垂直于轴线的剖面上
为阿基米德螺旋线，加工方法与普通梯形螺纹相似，应使刀
刃顶平面通过蜗杆轴线。该类型蜗杆具有加工、测量简单、 方便等优点；单齿面不便于磨削，不宜采用硬齿面，传动效 率低，只是用于低速轻载的传动中。
3.蜗杆分度圆直径d1和蜗杆直径系数q 加工蜗杆时，蜗杆滚刀的参数应与相啮合的蜗杆完全 相同，几何尺寸基本相同。由 z1m z1m L tan d d d 1 1 1
可得蜗杆的分度圆直径可写成 z1 d1 m tan
可见，蜗杆的分度圆直径d1不仅与模数有关，而且还 与齿数z1和螺旋线升角λ有关。
规定中间平面上的模数和压力角为标准值，则 蜗杆传动的正确啮合条件为： ma1 = mt2 = m αa1 = αt2 = α=20° λ=β（大小相等，旋向相同）
二、蜗杆传动的几何计算公式
1.蜗杆分度圆直径
d1 m q
2.蜗轮分度圆直径
d 2 mz2
a d1 d2 q z2 m 2 2
蜗杆传动由蜗杆和蜗轮 组成，用于传递空间两 交错轴之间的运动和动 力，一般两轴交错角为 90°。通常蜗杆为主动 件，从传动性质来看， 蜗轮蜗杆传动实际上是 齿轮传动的一个特例。 根据蜗杆的位置，有上 置式和下置式蜗杆传动 。在减速器、船舶分油 机中应用有蜗杆传动。
生活中的实例
第一节 概述
一、蜗杆传动的组成
同一模数的蜗杆，由于齿数z1和螺旋线升角λ的不同， d1随之变化，致使滚刀规格的数目较多，很不经济。 为了较少滚刀的数量，有利于标准化，国标规定，对 应于每一个模数m，规定了一至四种蜗杆分度圆直径d1 ，并把d1与m的比值称为蜗杆直径系数q，即 d1 q m
式中， d1、 m已标准化；q为导出量，不一定是整数。