11-蜗轮蜗杆传动解析
蜗杆蜗轮传动的受力分析
蜗杆蜗轮传动的受力分析
蜗杆传动时，齿面上作用的法向力Fn 和摩擦力Ff 可分解为三个相互垂直的分力：圆周力Ft 、径向力Fr 和轴向力Fa 。
当蜗杆轴与蜗轮轴交错角为90°且蜗杆主动时，蜗杆蜗轮所受力的大小和对应关系为：
Ft1=−Fa2=
2T1d1，Fa1=−Ft2=2T2d2， Fr1=Fr2=Ft2∗tanα 其中：T1=9549P n (T1:输入扭矩Nm ，P ：输入功率Kw ，转速n ：r/min)
T2=T1∗i ∗η (i ：传动比，η传动效率)
T =9549P n 的来历：
T =F ∗r =1000P v ∗r =1000P rω∗r =1000P 2πn/60≈9549P n 当蜗杆主动时，各力方向判断如下：
蜗杆上的圆周力 Ft1的方向与蜗杆转向相反。
蜗杆上的轴向力 Fa1的方向可以根据蜗杆的螺旋线旋向和蜗杆转向，用（左）右手定则判断。
蜗轮上的圆周力 Ft2 的方向与蜗轮的转向相同（与蜗杆上的轴向力 Fa 1的方向相反）。
蜗轮上的轴向力 Fa2 的方向与蜗杆上的圆周力 Ft1的方向相反。
蜗杆和蜗轮上的径向力 Fr1 、Fr2的方向分别指向各自的轴心。
举例如下：。
蜗轮蜗杆传动概述
蜗轮蜗杆传动概述蜗轮蜗杆传动是一种常见的机械传动方式，广泛应用于各种工业设备和机械装置中。
它通过蜗轮和蜗杆之间的啮合来传递动力和转矩，具有传动比大、结构紧凑、传动平稳等优点。
下面将对蜗轮蜗杆传动进行概述。
蜗轮蜗杆传动是一种副动副。
副动副是指在传动过程中，动力从一个运动副传递到另一个运动副，而不改变传动方向的一类传动方式。
在蜗轮蜗杆传动中，蜗杆是主动副，即输入动力的一方，而蜗轮则是被动副，即输出动力的一方。
这种传动方式可以实现大范围的传动比，通常在10:1至100:1之间。
蜗轮蜗杆传动的结构相对简单，占用空间小。
蜗杆是一种类似螺旋的零件，其螺旋线与蜗轮的齿轮相啮合。
蜗杆一般由高硬度的材料制成，如合金钢，以提高其耐磨性和传动效率。
而蜗轮则由灰铸铁或铜制成，以增加其齿轮的强度和耐用性。
蜗轮蜗杆传动的传动过程相对平稳，减少了传动中的冲击和振动。
这是因为蜗杆的螺旋线与蜗轮齿轮的啮合角度较大，一般在5°至15°之间。
这种大的啮合角度使得蜗轮蜗杆传动具有相对较高的传动效率和较低的噪声水平。
此外，蜗轮蜗杆传动还具有一定的自锁性，即在无外力作用下，蜗轮很难被反向转动，这在一些需要保持位置稳定的设备中具有重要作用。
蜗轮蜗杆传动具有广泛的应用领域。
它常用于各种机械装置中，如起重机、输送带、机床等。
在起重机中，蜗轮蜗杆传动可以提供大的传动比，使得起重机能够承载较大的负荷。
在输送带中，蜗轮蜗杆传动可以提供稳定的传动，并且能够适应不同的工作环境。
在机床中，蜗轮蜗杆传动可以提供精确的位置控制和平稳的转速控制。
蜗轮蜗杆传动是一种常见的机械传动方式，具有传动比大、结构紧凑、传动平稳等优点。
它在各种机械装置和工业设备中得到了广泛应用，发挥着重要的作用。
经典传动机构蜗轮蜗杆的动图原理解析
经典传动机构蜗轮蜗杆的动图原理解析⼤家在⽇常的⼯作中接触到的蜗杆传动多不多，你所在的⾏业设计时经常选⽤蜗杆传动吗。
平时咱们见到的最多的都是圆柱蜗杆，⼩编的理解中单头的蜗杆⽐较好加⼯，精度也能得到保证，但是效率低。
多头蜗杆效率⾼，但加⼯困难，精度相对较低。
但即使这样，蜗杆的使⽤依然有它的巧妙之处。
接下来咱们就分享⼀下来⾃越南的设计师Nguyen Duc Thang使⽤Inventor绘制的有关蜗杆传动的机械结构。
蜗杆传动1：齿轮箱三个蜗杆传动的串⾏连接。
输⼊端是黄⾊蜗杆，输出端是粉⾊蜗轮，它们是同轴的。
每个驱动器的传动⽐：i1、i2、i3。
总⽐率i=i1×i2×i3=30×20×20 =12000。
蜗杆传动2：齿轮箱⼀个螺杆同时驱动3个齿轮，齿轮轴与螺杆的轴线成直⾓。
这种结构可以取代更昂贵的齿轮装置。
蜗杆传动3：滚动蜗轮蜗轮在蜗杆上滚动，以调节两个滚筒的轴距。
蜗杆传动4：旋转滚动蜗杆机床转台，蜗杆绕其轴旋转并同时在蜗轮上滚动。
蜗杆传动5a：旋转和平移蜗杆除了旋转，输⼊蜗杆还通过圆柱凸轮纵向移动，蜗轮反向旋转。
蜗杆传动5b：旋转和平移蜗杆蜗杆传动由⼯作轴上的凸轮补偿，产⽣齿轮的间歇运动。
输⼊端是绿轴。
橙⾊单头蜗杆与绿轴之间有定位接头。
粉⾊凸轮静⽌不动。
凸轮轮廓由两个⽅向相反的螺旋曲线组成，曲线的节距等于蜗杆节距。
红⾊弹簧保持凸轮和紫⾊销之间的接触。
输⼊旋转⼀周，齿轮保持不动，然后转动⼀个齿。
蜗杆传动6：绕蜗杆旋转的齿轮齿轮绕蜗杆旋转，红⾊标识证明齿轮绕其轴旋转。
绕蜗轮轴完成1次旋转，齿轮绕轴旋转Z1/Z2。
Z1：蜗杆的线程数。
Z2：齿轮的齿数。
蜗杆传动7：旋转和滚动蜗杆轨迹蜗杆绕其轴旋转，同时在齿轮上滚动。
蜗杆的点(在垂直于蜗杆轴并包含轮轴的平⾯中)沿着环形螺旋线(绿⾊)运动。
不在所述平⾯中的点跟踪斜圆环螺旋(橙⾊)。
蜗杆传动8：绕蜗杆轨迹旋转的齿轮齿轮同时绕轴和蜗杆旋转。
蜗轮蜗杆传动详解
§蜗杆传动的特点和类型 §圆柱蜗杆传动的主要参数 §蜗杆传动的失效形式、材料和结构 §圆柱蜗杆传动的效率、润滑
《机械设计基础 》
Northwest A&F University
第一节 蜗杆传动的特点和类型
蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的，用于传，蜗轮是从动件。
第三节蜗杆传动的失效形式、材料和结构
二、蜗杆和蜗轮的结构
由于蜗杆的直径不大，所以常和轴做成一个整体（蜗杆 轴），当蜗杆的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。
无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。
有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构
的刚度 较前一种差。
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蜗杆导程角
蜗轮螺旋角 径向间隙 标准中心距
第十二章 蜗杆传动
符号
d ha
hf da
df
c
a
计算公式
蜗杆
蜗轮
d1 mq
d2 mz
ha m h f 1.2m
d a1 (q 2)m da2 (Z2 2)m
d f 1 (q 2.4)m arctg Z1
q
d f 2 (Z 2 2.4)m
第十二章 蜗杆传动
第六节圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算
二、蜗杆传动的润滑
➢ 目的：减摩、散热。 ➢ 润滑油的粘度和给油方法可参照表11-5选取。 ➢ 一般根据相对滑动速度选择润滑油的粘度和给油方法。
蜗杆下置时，浸油深度应为蜗杆的一个齿高； 给油方法： 油池润滑： 蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的 1/6～1/3。
圆弧圆柱蜗杆传动
环面蜗杆传动 蜗杆的外形是圆弧回转面，同时啮合的齿数多，传动平稳； 齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；
蜗轮蜗杆传动PPT课件
蜗杆传动的类型和特点 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算
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（一）教学要求 1、了解蜗杆传动特点、类型 2、掌握蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算 3、熟悉普通圆柱蜗杆传动的正确啮合条件、
强 度计算及热平衡计算等。 （二）教学的重点与难点
重点：普通圆柱蜗杆传动的几何参数计算、 正确啮合条件、强度计算。
VS
V1 cos
d1n1 60 1000 cos
(m / s) V1
较大的VS易发生齿面磨损和胶 合；如润滑条件良好（形成油膜条 件）则较大的VS则有助于形成润滑 油膜，减少摩擦、磨损，提高传动 效率。
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2.失效形式： 主要有点蚀、齿根折断、齿面胶合和磨损。最常见失
效是齿面胶合和过度磨损。
11.8 常用各类齿轮传动的选择
11.8.1 各类齿轮传动性能的比较
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11.8.2 传动类型的选择
在选择传动类型时应考虑以下几个方面 传递大功率时，一般均采用圆柱齿轮。 在联合使用圆柱、圆锥齿轮时，应将圆锥齿轮放在高 速级
圆柱齿轮和谐齿轮相比，一般斜齿轮的强度比直齿轮 高，且传动平稳，所以用于高速场合。直齿轮用于低速 场合
为了减摩，通常蜗杆用碳钢和合金钢制成，高速重载 的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳(shentan)淬火，或45钢、 40Cr淬火。低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。
蜗轮用有色金属，常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝 青铜、灰铸铁等。
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11.4.2 蜗杆、蜗轮的结构
1.蜗杆的结构 蜗杆通常与轴做成一体，称为蜗杆轴。 （1）铣(xi)制蜗杆
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总效率：
1 2 3
第十一章蜗杆传动
Fa2
→蜗右杆旋
蜗轮右旋
三、 蜗杆传动强度计算
计算准则: 防止点蚀和胶合: 接触疲劳强度准则 防止磨损和折断: 弯曲疲劳强度准则
计算对象: 蜗轮 原因: ①蜗轮材料差（蜗杆常用碳钢或合金钢，并作淬火处理， 蜗轮常采用青铜，使其形成具有良好减摩性的滑动摩擦 副）； ②中间平面内，蜗杆齿形齿根强度高于蜗轮轮齿的强度。
三、蜗杆传动的热平衡计算 1．目的: 对于闭式传动，若散热性能不好，必须
进行热平衡 计算，为防止胶合或急剧磨损。
2．理论依据 热平衡1 条100件0 1:单hP位1 时间内2 蜗dS杆to 传ta 动所产生的热量
Φ1to ≤ ta同 1一000P时1dS1间h内 tp箱体的散热量Φ2。
式中αd箱体表面的传热系数， αd =（8.7～
2、常用材料 材料的基本要求：足够的强度、磨合和耐磨性。 蜗杆：碳钢或合金钢
高速重载：15Cr、20Cr并经渗碳淬火，或40、 45.40Cr并经
淬火，以提高表面硬度，增加耐磨性， 要求淬火
后的硬度达到40～55HRC，经氮化后 的硬度为
55～62HRC。 低速中载：40、45，调质，硬度220～
3. 蜗杆的分度圆直径d1和导程角γ
蜗杆分度圆柱上的螺旋线升角称为导程角γ
pa pa
tan z1 pa z1m z1m d1 d1 d1
πd1
d1
m
z1
tan
加工蜗轮时滚刀的尺寸与与之啮合的蜗杆尺寸相同, 但m一
定时, 由于z1和γ的变化, d1是变化的, 即需要配备很多加工蜗
轮的滚刀。
↓刀具数量
蜗杆传动
概述 普通圆柱蜗杆传动的基本参数及几何尺寸计算 普通圆柱蜗杆传动承载能力计算 圆弧圆柱蜗杆传动设计计算 普通圆柱蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计 环面蜗杆传动 蜗杆传动的现状及发展方向
蜗轮蜗杆讲解
蜗轮蜗杆讲解
蜗轮蜗杆传动是一种特殊的交错轴斜齿轮传动，主要由蜗杆和蜗轮组成。
以下是关于蜗轮蜗杆传动的详细讲解：
1. 组成：
* 蜗杆：具有一个或几个螺旋齿，并且与蜗轮啮合而组成交错轴齿轮副的齿轮。
其分度曲面可以是圆柱面、圆锥面或圆环面。
* 蜗轮：类似斜齿圆柱齿轮，但为了改善啮合情况，通常将其齿廓做成圆弧形，以包住蜗杆部分。
2. 工作原理：
* 蜗轮蜗杆传动时，蜗轮轮齿沿着蜗杆的螺旋面作滑动和滚动。
* 蜗杆和螺纹类似，有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。
* 当蜗杆升角小于齿轮间的当量摩擦角时，蜗杆蜗轮传动具有反行程自锁性，即只能以蜗杆带动蜗轮，不能以蜗轮带动蜗杆。
3. 特点：
* 传动比大：这意味着当蜗杆转动一定的角度时，蜗轮可以转动更大的角度。
* 结构紧凑：由于其紧凑的结构，蜗轮蜗杆传动通常用于需要较小空间的应用。
* 传动平稳，无噪声：这使得蜗轮蜗杆传动在需要平稳、安静的场合特别有用。
* 具有自锁性：如上所述，当蜗杆升角小于齿轮间的当量摩擦角时，传动具有反行程自锁性。
* 传动效率较低：由于滑动和滚动的存在，传动效率相对较低。
* 磨损较严重：由于齿面之间的滑动和滚动，导致齿面磨损较严重。
* 蜗杆轴向力较大：这可能导致轴承摩擦损失较大。
4. 应用：
* 蜗轮蜗杆传动广泛应用于各种机械中，如机床、减速器、汽车、飞机等。
它们通常用于传递交错轴之间的运动和动力，特别是在需要大传动比、紧凑结构和自锁性的场合。
11第十一章-蜗杆传动解析PPT课件
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但由于在啮合处存在相当大的滑动，故其效率低、发热量大 和磨损严重，故不适合于大功率传动和长期连续工作的场合。 蜗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。
7、传动比 i12 i12= n1/n2 = z2/z1 ≠ d2 / d1
一般取：5,7.5,10,12.5,15,20,25,30,40,50,60,70,80。优先采用10,20,40,80 （称为基本传动比）
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四、正确啮合条件 ma1mt2m a1t2 1 2
γ1 导程角 β1
二． 教学重点和难点
重点：蜗杆传动的受力分析，有关参数的选择原则，及效率 和热平衡计算。
难点：蜗杆传动的受力分析及热平衡计算。
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第一节 蜗杆传动设计的概述
一、蜗杆传动的特点及应用(characteristics)
蜗杆传动是一种空间交错轴(skew shafts)间传递运动的机构。
法向直廓蜗杆（ZN）轴剖面内的
齿廓为凹圆弧，又称延伸渐开线蜗杆。 车制时刀刃顶面置于螺旋线法面上，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。这种蜗杆磨削困 难。
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渐开线蜗杆（ZI）端面齿形为渐开线，
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。
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圆弧圆柱蜗杆传动 环面蜗杆传动 蜗杆的外形是圆弧回转面,同时啮合的齿数多,传动平稳;齿
面利于润滑油膜形成，传动效率较高; 锥蜗杆传动 重合度大;承载能力和效率较高。
本章主要介绍普通圆柱蜗杆及其设计。
三、蜗杆传动的精度等级
分为12个精度等级,常用5～9级。
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第一节 蜗杆传动的特点和类型
主要用于中小功率,间断工作的场合。 广泛用于机床、冶金、矿山及起重设备中。
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第一节 蜗杆传动的特点和类型
二、蜗杆传动的类型
普通圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆传动
阿其基齿米面德一蜗般杆是（在车ZA床蜗上杆用）直线刀刃的
渐车开刀线切蜗制杆而成（,车ZI刀蜗安杆装）位置不同, 法加向工直出廓的蜗蜗杆杆（的Z齿N廓蜗形杆状）不同。
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第一节 蜗杆传动的特点和类型
蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的,用于传递空间交错两轴之 间的运动和动力。交错角一般为90°。传动中一般蜗杆是 主动件,蜗轮是从动件。
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第一节 蜗杆传动的特点和类型
一、蜗杆传动的特点:
1．传动比大,一般 i =10~80,最大可达1000; 2．重合度大,传动平稳,噪声低; 3．结构紧凑,可实现反行程自锁; 4． 蜗杆传动的主要缺点齿面的相对滑动速度大,效率低; 5. 蜗轮的造价较高。
u 滑动速度的大小,对齿面的润滑情况、 齿面失效形式、发热以及传动效率等 都有很大影响。
蜗杆分左旋和右旋。
u 蜗杆还有单头和多头之分。
左 旋
右 旋
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蜗杆的类型
圆柱蜗杆
环面蜗杆
圆锥蜗杆
普通圆柱蜗杆
（按刀具位置不同）
阿基米德蜗杆 延伸渐开线（法向直廓）蜗杆 渐开线蜗杆
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按蜗杆的外形分类
圆 柱 蜗 杆 传
环 面 蜗 杆
动
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锥蜗杆
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第一节 蜗杆传动的特点和类型
中间平面:通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面。 是蜗杆的轴面 是蜗轮的端面
v 蜗杆、蜗轮的参数和尺寸大多在中间平面（主平面）内确定。
v 由于蜗轮是用与蜗杆形状相仿的滚刀,按范成原理切制轮齿,
所以ZA蜗杆传动中间平面内蜗轮与蜗杆的啮合就相当于渐
开线齿轮与齿条的啮合。
L
p
主
平
面
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B 11
3. 蜗杆直径系数q和导程角γ
由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限 制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗 杆分度圆直径d1（参见表12-1）。
直径d1与模数m的比值称为蜗杆的直径系数q。即:
q d1 m
是导出值
d1 = q m≠z1m
u 当模数m一定时,q值增大则蜗杆直径d1增大,蜗杆的刚度提高。因此，对
第11章 蜗杆传动
§11-1 蜗杆传动的特点和类型 §11-2 圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 §11-3 蜗杆传动的失效形式、材料和结构 §11-4 圆柱蜗杆传动的受力分析 §11-5 圆柱蜗杆传动的强度计算 §11-6 圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算
《机202械1/2设/11 计基础 》
自锁性好
px px pz
( 1 2 )
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第二节圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
4.齿面间滑动速度vs
蜗杆传动即使在节点C处啮合,齿廓之 间也有较大的相对滑动,滑动速度vs
沿蜗杆螺旋线方向。设蜗杆圆周速度
为v l、蜗轮圆周速度为v 2 ，由图
12-6可得
vsv1 2v2 2cv1 osm/s (1-3 2)
于小模数蜗杆，规定了较大的q值，以保证蜗杆有足够的刚度。
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第二节圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
➢ 如图所示蜗杆螺旋面与分度圆柱的交线为螺旋线。
d1
d1
导pz程 z1px1z1m
tg z 1 p x z 1 m z 1 d 1 d 1 q
但制造困难
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后两种蜗杆的加工,刀具安装较困难,生产率低，故常用阿基 米德蜗杆。
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第二节圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
一、圆柱蜗杆传动的主要参数:
1. 模数m和压力角α 中间平面:通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面。
主10
第二节圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
系)
v 常取，z1＝1，2，4，6。 可根据传动比，参考表 12-2中的荐
2021/2/1用1 值选取。
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第二节圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
z2= i z1 。 如 z2太小,将使传动平稳性变差。如 z2太大,蜗轮直径 将增大，使蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。
一般取 z2＝32～80。（Z1与Z2的荐用值表:12-2）
γ=β
2. 传动比i、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2 v 设蜗杆头数为z1，蜗轮齿数为z2，当蜗杆转一周时，蜗轮转
过 z1 个齿( z1 / z2周)。因此，其传动比为
i n1 z2 d 2
n2 z1
d1
( 1 1 )2
v z1↑→↑→效率 η↑,但加工困难。
v z1↓→ 传动比 i↑,但传动效率 η↓。(蜗杆头数与传动效率关
u 如图上图所示，齿厚与齿槽宽相等的圆柱称为蜗杆分度圆柱 (或称为中圆柱)。蜗杆分度圆(中圆)直径用d1表示，其值见表 12-1。蜗轮分度圆直径以d2表示。
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第二节圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
v 在两轴交错角为90°的蜗杆传动中,蜗杆分度圆柱上的导程
角γ应与蜗轮分度圆上的螺旋角β大小相等旋向相同,即
第二节圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
在主平面内,蜗轮蜗杆的传动相当于齿轮齿条的啮合传动。
u 蜗轮蜗杆正确啮合条件是:蜗杆的轴面模数 ma1和轴面压力 角αa1应分别等于蜗轮的端面模数mt2和端面压力角αt2,即
ma1 =mt2 =m αa1=αt2= α u 模数m的标准值,见表12-1;压力角标准值为20°，ZA蜗杆取 轴向压力角为标准值，ZI蜗杆取法向压力角为标准值。
nn
阿基米德螺线
n
n
阿基米德蜗杆(ZA)
2
轴面---直线
nn
n
n
延伸渐开线 延伸渐开线蜗杆(ZI)
加工:刀具平面垂直于螺线 特点:端面---延伸渐开线
法面---直线
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第一节 蜗杆传动的特点和类型
渐开线
基圆
渐开线蜗杆(ZI)
加工:刀刃与蜗杆的基圆柱相切 特点:端面---渐开线