机械设计基础蜗杆传动机构

3.齿面磨损
• 原因：1.啮合过程中存在相对滑动。 • 2.杂物进入轮齿间引起磨损 • 危害：使渐开线齿廓破坏，齿厚减小，降低强 度， 齿隙增大而引起冲击和振动。
• 防止措施：●提高齿面硬度； • ●降低表面粗糙度； • ●降低滑动系数； • ●润滑油定期清洁和更换；（闭式） • ●变开式为闭式。
• 弯曲疲劳强度校核： KFt 2 KTY 1 FaYsa F YFaYsa [ F ] bm bd1m
• 设计公式： （取标准值） 2 KT1 YFaYsa m 3 2 d Z1 [ ]F
5.8.3.3 软齿面齿轮(锻钢)
• 软齿面齿轮的齿面硬度<350HBS，常用中碳钢 和中碳合金钢，如45钢．40Cr，35SiMn等材 料，进行调质（280-300HBW）或正火处理。 这种齿轮适用于强度、精度要求不离的场合， 轮坯经过热处理后进行插齿或滚齿加工（7-8 级），生产便利、成本较低。 • 在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的 齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30一50HBS， 这是因为小齿轮受载荷次敷比大齿轮多，且小 齿轮齿根较薄．为使两齿轮的轮齿接近等强度， 小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
1.轮齿折断
●弯曲疲劳折断——闭式硬齿面齿轮传动最主要的失效 形式 ●过 载 折 断——载荷过大或脆性材料 ●齿根整体折断——直齿，b较小时 ●局 部 折 断——斜齿或偏载，b较大时 • 提高轮齿抗折断能力的措施： ●减小齿根应力集中，增加齿根过渡圆角，降低齿根表 面粗糙度； ●提高安装精度及支承刚性，避免轮齿偏载； ●改善热处理，使其有足够的齿芯韧性和齿面硬度； ●齿根部分进行表面强化处理（喷丸、滚压）。
• 5.8.3.3 软齿面齿轮 • 5.8.3.4 硬齿面齿轮
5.8.3.1 齿轮材料的基本要求
• 由轮齿的失效分析可知，对齿轮材料的基本要 求为： • (1)齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点 蚀、胶合以及塑性变形等； • (2)齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以抵抗 齿根折断和冲击载荷： • (3)应有良好的加工工艺性能及热处理性能．使 之便于加工且便于提高其力学性能。最常用的 齿轮材料是钢．此外还有铸铁及一些非金属材 料等。
2
2.直齿齿轮齿根弯曲疲劳强度计算
• • • • • • • 计算目的：防止轮齿因弯曲疲劳折断 计算假设： 1.只考虑弯曲应力； 2.单齿对啮合； 3.载荷作用于齿顶； 4.计算模型为悬臂梁； 5.用重合度系数考虑齿顶啮合时非单齿对啮合 影响。
2.直齿齿轮齿根弯曲疲劳强度计算
• 弯曲疲劳强度：
M Fca hF cos F 6KFt hF cos F F 2 1 2 W bs cos F bsF 6
5.8.3.2 齿轮材料
• 首先是优质碳素钢和合金结构钢（锻钢）——其次是 铸钢和铸铁——再其次是非铁金属和工程塑料 。 • 大多数采用锻钢——形状复杂、直径较大、不易锻造 的：铸钢或球墨铸铁——传递功率不大、低速、无冲 击、开式齿轮传动：灰铸铁。 • 锻钢 因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处 理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。 • 铸钢 当齿轮的尺寸较大(大于400一600mm)而不便 于锻造时．可用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火 处理以细化晶粒 • 铸铁 低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺 寸大于500mmm时可制咸大齿圈，或制成轮辐式齿轮。
本节完
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5.8齿轮传动的失效、常 用材料及润滑
5.8.1 齿轮轮齿的失效形式 5.8.2 齿轮的设计准则 5.8.3 齿轮的材料与热处理 5.8.4 齿轮的润滑
5.8.1齿轮轮齿的失效形式
• 1.轮齿折断 • 2.齿面疲劳点蚀 • 3.齿面磨损
• 4.齿面胶合 • 5.齿面塑性变形
2 1 2
KT2
mdz
2
2 1 2
[ ]
•
设计公式：
3.25Z E 2 m d1 KT2 ( ) [ H ]z2
2
5.7.3蜗杆传动设计——效率、润滑和热平衡
一、蜗杆传动的效率
1 2 3 (0.95 ~ 0.96)tg / tg ( V )
• η1 ——由啮合摩擦损耗所决定的效率 • η2 ——轴承的效率 • η3 ——蜗杆或蜗轮搅油引起的效率 二、蜗杆传动的润滑 • 目的：1）提高效率2）降低温升，防止磨损和胶合 • 方法： ●蜗杆上置式浸油润滑：润滑效果较差，但 搅油损失小；●蜗杆下置式浸油润滑：润滑效果较 好，但搅油损失大。 三、蜗杆传动热平衡t t 1000P(1 ) (C ) [t ] 80C 0 Kd S t>80°时措施
5.8.3.4 硬齿面齿轮(锻钢)
• 硬齿面齿轮的齿面硬度>350HBS • 常用的材料为中碳钢或中碳合金钢 • 经调质——切齿——表面淬火处理——（磨 齿）。
5.8.4 齿轮的润滑
• 为什么要润滑——啮合齿存在相对滑动：齿面 摩擦和磨损。 • 闭式齿轮： • v<12m/s——浸油润滑，10mm<浸入深度 <h;(转动阻力和润滑油的温升) • V>12m/s——喷油润滑
5.7.2.1 主要参数
• 模数和压力角：蜗轮、蜗杆在中间平面的模数 和压力角为标准值α=20°。 • 正确啮合条件： ma1=mt2=m αa1 =αt2= α γ 1 =β 2 • 蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2: • 蜗杆分度圆直径标准化：蜗杆直径系数 • 蜗杆导程角： pa1=pt2=πm
• 中心距：
• 小齿轮的螺旋角很大、 齿数很小、直径很小、 齿宽很大——完整螺旋 线——杆状——蜗杆
旋向判断
旋向判断
• 蜗杆的旋向根据螺旋线的方向判断 • 蜗轮如下判断： • 1）蜗轮的转向应与蜗轮所受切向力的方向一 致，而蜗轮所受切向力的方向与蜗杆轴向力的 方向相反 • 2）蜗杆轴向力的方向采用主动轮（蜗杆）左 右手定则判断：蜗杆左旋用左手，四指抓向与 蜗杆旋转方向一致，则大拇指指向即是蜗杆所 受轴向力的方向。如果蜗杆右旋用右手，判断 方法同左手。左右手定则同时适用于斜齿轮传 动主动轮轴向力的确定。
4.齿面胶合
• 原因：油膜破坏——齿面高温粘接或压力粘接。 • 防止措施：●采用抗胶合能力强的润滑油； • ●采用角度变位齿轮传动； • ●减小m和齿高h，降低滑动速度 • ●提高齿面硬度； • ●配对齿轮有适当的硬度差； • ●改善润滑与散热条件。
5.齿面塑性变形
• 齿面材料在过大的摩擦力作用下处于屈服状态， 产生沿摩擦力方向的塑性流动，从而使齿面正 确轮廓曲线被损坏。 • 防止措施： ●提高齿面硬度； ●采用高粘度的润滑油或加极压添加剂。
5.8.2齿轮的设计准则
• 5.8.2.1 闭式传动
• 5.8.2.2开式传动
5.8.2.1 闭式传动
• 失效形式：齿面点蚀、轮齿弯曲疲劳折断。 • 1）软齿面（≤350HBS）齿轮主要失效形式是 齿面点蚀，故可按齿面接触疲劳强度进行设计， 确定齿轮尺寸后按齿根弯曲疲劳强度校核。 • 2）硬齿面（>350HBS）或铸铁齿轮，由于抗 点蚀能力较高，轮齿折断的可能性较大，故可 按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮 尺寸后按齿面接触疲劳强度校核。
第五章 机械传动
5.7蜗杆传动机构
目录
5.7.1 概述
5.7.2 蜗杆蜗轮机构的主要参数和尺寸计算
5.7.1 概述
5.7.1.1蜗杆蜗轮的形成
5.7.1.2蜗杆传动机构的类型
5.7.1.3蜗杆蜗轮机构的特点和应用
5.7.1.1蜗杆蜗轮的形成
• 蜗杆传动由蜗轮和蜗杆 组成，用来传递空间两 交叉轴之间的运动和动 力。通常交错角为90。， 蜗杆位主动件。 • 形成——由一对交错斜 齿圆柱齿轮演化而来的。
5.7.1.2蜗杆传动机构的类型
• 根据蜗杆的形状可分 为：圆柱蜗杆传动和 环面蜗杆传动。
• 圆柱蜗杆按螺旋面形 状的不同可分为渐开 线蜗杆和阿基米德蜗 杆。由于阿基米德蜗 杆加工方便，所以应 用广泛。
5.7.1.3蜗杆蜗轮机构的特点和应用
1.传动比大。单级传动比i=8—80，在分度机构 中传动比可达1000。 2.传动平稳、噪声小。蜗杆齿为连续不断的螺 旋齿，逐渐进入啮合和退出啮合。 3.在一定条件下（导程角<当量摩擦角），可 实现自锁。 4.效率较低。η=0.7——0.8。 啮合处有较大的 相对滑动，发热大。 5.蜗轮造价较高：青铜制造—减轻磨损、胶合
2.齿面（疲劳）点蚀
• 齿面点蚀：接触应力（脉动循环应力）>接触疲劳强 度——齿面裂纹——扩展使表面微粒脱落。 • 发生位置：节线附近，闭式齿轮 • 原 因：●单齿对啮合接触应力较大； ●节线处相对滑动速度较低，不易形成润滑油膜； ●润滑油渗入微裂纹，接触应力挤压使裂纹扩展至金 属剥落。 • 防止措施： ●提高齿面硬度； ●降低表面粗糙度； ●采用角度变位； ●选用较高粘度的润滑油； ●提高加工、安装精度； ●改善散热。
旋向判断
5.7.1.1蜗杆蜗轮的形成
• 大齿轮的螺旋角很大、齿 数很多、直径较大、齿宽 较短——轮状——蜗轮 • 为改善啮合状况——将蜗 轮沿齿宽方向做成弧形将 蜗杆部分包住。 • 蜗杆加工——车床，与车 螺纹相似。
• 蜗轮加工——用蜗杆状滚 刀按展成原理加工。 • 蜗杆有左右旋单双头，常 用右旋，导程角γ =90-β
1.直齿齿轮齿面接触疲劳强度计算
• 计算目的：防止轮齿因齿面接触疲劳而出现疲 劳点蚀，要求齿面的最大接触应力不超过接触 疲劳极限应力。 • 计算依据：赫其公式（弹性力学） 1 1 Fnc ( ) • 齿面最大接触应力:
ZE 1
H
2 1 12 1 2 [( )( )] E1 E2
5.8.2.2开式传动
• 对于开式齿轮传动中的齿轮，齿面磨损为其主 要失效形式，故通常按照齿根弯曲疲劳强度进 行设计计算，确定齿轮的模数，考虑磨损因素， 再将模数增大10%——20%，而无需校核接触 强度。