[工学]机械设计蜗杆课件

机械设计蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动是机械工程中最重要的传动机构之一，专门用于垂直交错轴之间的运动和动力传递这种传动系统以其独特的螺旋啮合方式，能够实现高传动比和紧凑的结构设计，广泛应用于各种工业设备中课程大纲1蜗轮蜗杆传动基本原理2几何参数与设计计算传动机构工作原理、几何关系和运动特性分析尺寸计算方法、参数选择原则和标准化要求3材料选择与强度分析工程应用与新技术材料特性、失效模式、受力分析和设计准则蜗轮蜗杆传动概述基本构成传动特性蜗轮蜗杆传动由蜗杆（主动轴）和蜗轮（从动轴）组成，两轴在空传动比范围通常为8到100，适合大减速比场合具有良好的平稳间呈垂直交错状态蜗杆类似螺旋，蜗轮齿面为螺旋齿，通过螺旋性和较低的噪声水平，能够传递较大的扭矩，是垂直交错轴传动的啮合实现动力传递理想选择蜗轮蜗杆传动的特点传动比大结构紧凑自锁性能单级传动可达空间利用率高，在特定条件下具100:1，远超其他适合紧凑型设计有自锁功能，提齿轮传动要求供安全保障平稳运转运转平稳，噪声低，振动小蜗轮蜗杆传动的优缺点主要优点主要缺点•结构紧凑，占用空间小•传动效率相对较低•传动比大，减速效果显著•发热量大，温升明显•运转平稳，冲击载荷小•磨损较严重，维护成本高•具有自锁性能，安全可靠•制造精度要求高改进措施•选用优质材料和润滑剂•改善散热条件•提高制造和装配精度•优化设计参数蜗轮蜗杆传动的应用场景精密仪器提升机械测量设备、光学仪器的精机床工具密传动起重设备、电梯等垂直运车床、铣床等工具机械的动机构进给系统减速器汽车转向工业减速机的核心传动部件汽车转向器、调节机构等蜗杆的类型1圆柱蜗杆最常用的标准蜗杆类型，制造简单，应用广泛2锥形蜗杆端部呈锥形，便于装配调整，适用于高精度场合3砂漏形蜗杆中间细两端粗，接触面积大，承载能力强4球面蜗杆特殊球面几何形状，具有良好的啮合特性普通圆柱蜗杆的类型型蜗杆（直线型）A轴向截面为直边梯形，制造简单，精度较低，适用于一般传动型蜗杆（凸型）I轴向截面为凸弧形，齿形渐开线，精度高，传动性能好型蜗杆（凹型）K轴向截面为凹弧形，制造复杂，但啮合性能优良型蜗杆（直线凸型）N-结合直线和凸弧特点，兼顾制造便利和性能要求蜗轮的类型圆柱形蜗轮最常见的蜗轮类型，结构简单，制造方便，适用于大多数传动场合齿面为螺旋面，与蜗杆螺旋线啮合球面蜗轮齿面为球面形状，接触面积大，承载能力强，但制造工艺复杂，成本较高，用于重载传动碟形蜗轮外形类似碟子，厚度相对较薄，重量轻，适用于轻载高速传动，在精密仪器中应用较多蜗轮蜗杆的基本参数₁z蜗杆头数蜗杆螺旋线的条数，通常为1-4₂z蜗轮齿数蜗轮圆周上的齿数，影响传动比₂₁i=z/z传动比蜗轮齿数与蜗杆头数的比值m模数标准化的基本参数，决定齿的大小蜗杆的主要参数参数名称符号计算公式备注分度圆直径d₁d₁=q×m q为直径系数螺旋角γγ=λ等于导程角导程角λtanλ=z₁/q决定传动比轴向模数mx mx=m标准模数蜗轮的主要参数分度圆直径1d₂=m×z₂端面模数2mt=m/cosλ齿形角3α=20°（标准值）齿宽与齿高4b₂≤

0.75da₁,h=

2.2m蜗杆传动的几何关系1标准模数关系1m=mx=mt，三个模数相等分度圆直径2d₁=q×m，q为分度圆直径系数导程角计算3λ=arctanz₁/q，决定传动特性蜗杆传动的几何关系2蜗轮分度圆直径理论中心距1d₂=m×z₂a=d₁+d₂/22几何验证实际中心距4确保啮合条件满足3a′按标准值选取蜗轮蜗杆啮合条件1螺旋角相等蜗轮的螺旋角必须等于蜗杆的导程角，确保正确啮合2旋向一致蜗轮和蜗杆的螺旋方向必须相同，保证传动连续性3模数相等轴向模数mx与端面模数mt必须相等，满足几何约束4中心距正确实际装配中心距必须与设计中心距匹配，确保正常工作蜗杆传动的尺寸计算蜗杆头数选择蜗轮最小齿数z₁通常选择1-4，头数越多效率越z₂min=40，防止根切现象实高，但制造越困难单头蜗杆传动际应用中常选择更多齿数以获得更比大，多头蜗杆效率高平稳的传动直径系数范围q=8-20，影响蜗杆刚度和强度较大的q值提高刚度，但增加尺寸蜗杆的主要尺寸计算尺寸名称计算公式说明分度圆直径d₁=q×m基准直径齿顶高ha₁=m标准齿顶高齿根高hf₁=

1.2m包含间隙齿顶圆直径da₁=d₁+2ha₁外圆直径齿根圆直径df₁=d₁-2hf₁内圆直径蜗轮的主要尺寸计算分度圆直径齿高参数最大外径d₂=z₂×m，ha₂=m，hf₂=dae₂=d₂+蜗轮的基准直

1.2m，标准齿高2ha₂，蜗轮的最径，是设计的基系数大外圆直径础参数喉圆直径dai₂=d₂-2hf₂+21-cosλ，考虑蜗杆影响蜗轮蜗杆传动的强度设计齿面接触强度防止齿面点蚀和胶合，是主要的设计准则计算接触应力并与许用应力比较齿根弯曲强度防止齿根断裂，特别是蜗轮齿根计算弯曲应力，确保安全系数蜗杆轴强度校核蜗杆轴的扭转和弯曲强度，确保轴的可靠性轴承寿命计算轴承的额定寿命，确保整个传动系统的耐久性蜗轮蜗杆的材料选择蜗杆材料蜗轮材料主要选用优质碳素钢和合金钢，如45钢、40Cr、38CrMoAl等主要选用青铜材料，具有良好的耐磨性和减摩性能常用材料包括要求具有良好的耐磨性和足够的硬度锡青铜、铝青铜等•45钢经济性好，适用于一般场合•ZCuSn10P1锡磷青铜，性能优良•40Cr强度高，适用于中等载荷•ZCuAl10Fe3铝青铜，强度高•38CrMoAl高强度，用于重载传动•ZCuSn5Pb5Zn5含铅青铜，减摩性好蜗杆的热处理1调质处理HB240-280，提高综合机械性能，是最常用的热处理方法2表面淬火HRC48-55，提高表面硬度和耐磨性，保持心部韧性3氮化处理HV900-1100，获得极高的表面硬度，耐磨性极佳4渗碳淬火表面硬心部韧，适用于高精度高载荷传动蜗轮材料的选择依据速度载荷工作环境25%权重20%权重12高速重载选用高性能材料考虑温度、湿度、腐蚀性标准化经济因素25%权重4330%权重符合国家和行业标准要求成本效益分析，性价比平衡蜗轮蜗杆传动的失效形式齿面点蚀接触应力过大导致的疲劳破坏，表现为齿面出现小坑是蜗轮蜗杆传动最常见的失效形式，特别是在高载荷条件下齿面胶合摩擦热导致的粘着磨损，齿面材料转移通常发生在润滑不良或载荷突然增大的情况下，严重时会造成传动完全失效磨损严重长期使用导致的齿形改变，传动精度下降磨损是渐进过程，会影响传动比精度和运转平稳性，需要定期维护蜗轮蜗杆的设计准则接触强度主要设计准则1弯曲强度2重要校核项目温升控制3热平衡要求刚度要求4精度保证制造精度5工艺基础蜗轮蜗杆受力分析概述复杂受力体系摩擦力影响蜗轮蜗杆传动的受力状态比平螺旋啮合产生的滑动摩擦对传行轴齿轮传动更为复杂，需要动效率和受力分析有重要影响考虑三维空间的力和力矩效率计算摩擦损失是影响传动效率的主要因素，需要准确计算各个力的分量蜗杆的受力分析力的名称计算公式方向说明轴向力Fa₁Fa₁=2T₁/d₁×沿蜗杆轴线方向tanα/cosλ径向力Fr₁Fr₁=2T₁/d₁×tanα指向蜗杆轴心×tanλ圆周力Ft₁Ft₁=2T₁/d₁切向作用力蜗轮的受力分析蜗轮受力公式力的方向特点蜗轮作为从动件，其受力与蜗杆相互关联轴向力Fa₂等于蜗杆的蜗轮的受力方向与蜗杆密切相关，必须满足作用力与反作用力的平圆周力，径向力Fr₂垂直指向轴心，圆周力Ft₂驱动蜗轮旋转衡关系正确的受力分析是轴承选择和轴设计的基础•轴向力Fa₂=2T₂/d₂×tanλ径向力决定了轴承的径向载荷，轴向力影响轴承的轴向载荷，而圆周力则直接关系到输出扭矩的大小•径向力Fr₂=2T₂/d₂×tanα•圆周力Ft₂=2T₂/d₂蜗轮蜗杆传动的受力平衡轴向力平衡Fa₁=Ft₂蜗杆轴向力等于蜗轮圆周力径向力平衡Fr₁=Fr₂两者径向力大小相等方向相反圆周力平衡Ft₁=Fa₂蜗杆圆周力等于蜗轮轴向力蜗轮蜗杆传动的效率计算效率公式摩擦角关系提高效率措施η=tanλ/tanλ+tanρ′tanρ′=f/cosα增大导程角、减小摩擦系数、改善润滑条件、提高表面质量、选择合适的材料其中ρ′为当量摩擦角，λ为蜗杆导程角f为摩擦系数，α为齿形角摩擦角直接配对效率与这两个角度密切相关影响传动效率和自锁性能蜗轮蜗杆传动的自锁性自锁条件临界角计算1λρ′，导程角小于摩擦角λcr=arctanf/cosα2注意事项应用优势4自锁时效率极低，发热严重3防止反向传动，提供安全保障蜗轮蜗杆的热平衡计算发热量计算1P损=P输入1-η，功率损失全部转化为热量散热量计算2P散=KAt-t₀，K为散热系数，A为散热面积热平衡条件3P损=P散，达到热平衡时温度稳定蜗轮蜗杆的润滑设计润滑方式润滑油选择油量计算冷却系统根据速度和载荷选择合考虑粘度、添加剂、温确保充分润滑而不造成必要时设计专门的冷却适的润滑方式度特性等因素搅油损失散热系统蜗轮蜗杆的润滑方式1油浴润滑最简单的润滑方式，适用于低速传动，蜗轮浸入油中带起润滑油2喷射润滑用油泵将润滑油喷射到啮合区，适用于高速重载传动3油雾润滑将润滑油雾化后输送到润滑点，适用于高速精密传动4循环润滑润滑油循环使用，带有冷却和过滤系统，适用于连续工作润滑油的选择1粘度要求根据工作温度和转速选择合适的粘度等级，一般选用中等粘度的齿轮油2极压添加剂添加极压剂提高承载能力，防止齿面胶合和点蚀，特别重要3抗氧化性能良好的抗氧化性延长油品使用寿命，减少维护工作量4温度适应性宽的工作温度范围，在高温下保持稳定性，低温下流动性好蜗轮蜗杆传动的装配设计轴承系统密封与箱体蜗杆轴通常采用圆锥滚子轴承或角接触球轴承，能够承受较大的轴密封系统防止润滑油泄漏和外界污染物进入，常用油封、毡圈等向力和径向力轴承的预紧和游隙调整对传动精度至关重要箱体设计要考虑散热、检修、排油等功能蜗轮轴承载相对较小，可选用深沟球轴承或圆柱滚子轴承轴承的轴向间隙调整机构确保正确的啮合间隙，补偿制造误差和装配误差润滑与蜗轮蜗杆的润滑可以统一考虑通常采用垫片调整或螺纹调整结构蜗轮蜗杆的加工工艺蜗杆加工蜗杆的加工方法主要有车削、铣削和磨削车削适用于精度要求不高的场合，铣削可获得较高精度，磨削用于最终精加工蜗轮加工蜗轮加工主要采用专用铣刀、滚齿机或蜗杆砂轮磨削加工精度直接影响传动的平稳性和噪声水平装配工艺装配时要严格控制中心距、轴向位置和啮合间隙通过涂色检查啮合接触区域，确保接触质量蜗杆的加工方法加工方法精度等级适用场合特点车削加工IT8-IT9一般传动成本低，效率高铣削加工IT7-IT8中等精度精度较高，表面质量好磨削加工IT6-IT7高精度传动精度最高，表面粗糙度小蜗轮的加工方法特种铣刀加工使用专门设计的蜗轮铣刀，刀具廓形与蜗杆螺旋面相配加工效率高，适用于批量生产，但刀具成本较高滚齿加工采用滚齿机和专用滚刀进行加工，能够获得较高的加工精度和表面质量，适用于中等批量生产成型砂轮磨削使用成型砂轮进行精密磨削，获得最高的加工精度，主要用于高精度蜗轮的最终加工工序蜗杆砂轮磨削使用蜗杆形砂轮磨削蜗轮齿面，能够获得与蜗杆完全共轭的齿面，确保最佳的啮合性能蜗轮蜗杆的图形表示规则蜗杆表示方法蜗轮表示方法在主视图中，蜗杆的齿顶圆和齿根蜗轮的齿顶最外圆和分度圆用实线圆用实线表示，分度圆用点划线表表示，齿顶喉圆用虚线表示在端示轴向剖视图中螺旋线用直线简面视图中，轮齿用规定的简化画法化表示表示啮合装配图装配图中要正确表示两齿轮的啮合关系，分度圆相切，轮齿部分相互遮挡的处理要符合制图标准蜗杆的图形表示齿根圆表示齿顶圆表示20%比重220%比重用粗实线表示内轮廓1用粗实线表示外轮廓分度圆表示25%比重3用细点划线表示基准参数标注5轴向剖视15%比重标注关键技术参数420%比重螺旋线简化为直线蜗轮的图形表示1齿顶最外圆dae用粗实线表示蜗轮的最大外圆直径，是蜗轮外形的主要轮廓线2齿顶喉圆dai用虚线表示蜗轮齿顶的内缘圆，反映蜗杆对蜗轮齿形的影响3分度圆表示用细点划线表示蜗轮的分度圆，是设计和计算的基准圆4特征尺寸标注标注模数、齿数、中心距等关键参数，符合国家制图标准蜗轮蜗杆啮合的图形表示1主视图遮挡处理2分度圆相切表示在主视图中，前面的零件遮挡后面的零件，被遮挡部分用虚左视图中蜗轮和蜗杆的分度圆在理论啮合点相切，用细点划线表示或省略不画线准确表示3剖视图特殊规定4装配间隙表示齿轮类零件的轮齿部分一般不画剖面线，保持清晰的齿形轮实际装配中存在的必要间隙用细线表示，不夸大表现廓蜗轮蜗杆传动的主要设计参数8-80传动比范围常用传动比区间，兼顾效率和减速效果

0.7-

0.97传动效率典型效率范围，与导程角和摩擦系数相关1-10标准模数按GB标准选择，影响齿轮尺寸和强度50-500中心距范围常用中心距系列，单位毫米蜗轮蜗杆传动的设计流程参数优化结构完善和图纸绘制1热平衡检查2温升计算和散热设计强度校核3接触强度和弯曲强度验算几何设计4尺寸计算和几何关系确定初步计算5基本参数选择和传动比确定蜗轮蜗杆减速器设计案例输入参数确定1功率P=

5.5kW，转速n₁=1450rpm，传动比i=40传动参数计算2选择z₁=2，z₂=80，模数m=3，中心距a=126mm零件设计3蜗杆选用40Cr调质，蜗轮选用ZCuSn10P1青铜装配设计4轴承选型、润滑方式、密封结构和箱体设计案例分析高精度蜗轮蜗杆系统项目背景解决方案某精密机床主轴进给系统要求传动比80:1，定位精度±

0.02mm，采用硬齿面蜗杆和精密青铜蜗轮配对，蜗杆表面氮化处理HV1000，运转平稳无振动传统齿轮传动无法满足精度和紧凑性要求蜗轮采用离心铸造高锡青铜技术难点包括高传动精度、低回差、长期稳定性、紧凑结构设计精密磨削加工保证IT6级精度，温控润滑系统维持恒温，特殊预紧需要解决制造精度、装配精度和热变形控制等关键问题结构消除回差最终实现±

0.01mm定位精度，使用寿命超过10年蜗轮蜗杆传动新技术发展硬齿面技术复合材料应用计算机辅助设计表面硬化处理技术提高新型复合材料减重增强，CAD/CAE/CAM一体化耐磨性，延长使用寿命，特殊涂层减摩耐磨，提设计，仿真分析优化结提高承载能力升性能构参数制造工艺创新数控加工、增材制造等新工艺提高精度和效率在蜗轮蜗杆设计中的应用CAD/CAE参数化建模强度分析基于参数驱动的三维建模，快速生成不同1有限元分析计算应力分布，优化结构设计，规格的蜗轮蜗杆2预测疲劳寿命优化设计啮合仿真4多目标优化算法，在满足约束条件下寻找动态啮合过程仿真，分析接触状态和传动3最优设计方案误差。