第十一章 蜗杆传动

第十一章 蜗杆传动
§11-1 蜗杆传动的类型 §11-2 普通蜗杆传动的主要参数与尺寸计算 §11-3 普通蜗杆传动的承载能力计算 §11-5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡计算
§11-6 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计
概
述
蜗杆传动是一种在空间 交错轴间传递运动的机构。
两轴线交错的夹角可为任意
值，常用的为90°。这种传

d1 (分度圆周长)
m
z1m
z1 pa z1m z1 pz tan d1 d1 d1 q
在m和d1为标准值时，z1↑→ γ↑ 正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且γ＝β2
5、传动比 i 6、蜗轮齿数z2
n1 z 2 d 2 mz2 i n2 z1 d1 mq
其主要特点为：效率高，一般可达90%以上；
承载能力高，一般可较普通圆柱蜗杆传动高出
50%～150%；体积小；质量小；结构紧凑。这种传
动已广泛应用到冶金、矿山、化工、建筑、起重等 机械设备的减速机构中。
二、
环面蜗杆传动的特征是，蜗杆体在轴向的外形是 以凹圆弧为母线所形成的旋转曲面，所以把这种蜗杆
传动叫做环面蜗杆传动。在这种传动的啮合带内，蜗
传输中的应用受到限制。
随着加工工艺技术的发展和新型蜗杆传动技术的不断出现， 蜗杆传动的优点得到进一步的发扬，而其缺点得到较好地克服。
因此蜗杆传动已普遍应用于各类运动与动力传动装臵中。
§11-1 蜗杆传动的类型
按蜗杆的形状不同，蜗杆传动可分为：圆柱蜗杆 传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。
圆柱蜗杆传动分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆
柱蜗杆传动。
一、
普通圆柱蜗杆的齿面（除ZK型蜗杆外）一般是在
车床上用直线刀刃的车刀车制的。根据车刀安装位臵
的不同，所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲
线也不同。根据不同的齿廓曲线，普通圆柱蜗杆可分 为阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）、渐开线蜗杆（ZI蜗杆）、 法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）和锥面包络圆柱蜗杆（ZK蜗 杆）等四种。GB10085-1988推荐采用ZI蜗杆和ZK蜗杆
圆弧圆柱蜗杆传动和普通圆柱蜗杆传动相似，只是齿
廓形状有所区别。这种蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形 的刀具切制的，而蜗轮是用范成法制造的。在中间平面 (即蜗杆轴线和蜗杆副连心线所在的平面)上，蜗杆的齿廓 为凹弧，而与之相配的蜗轮的齿廓则为凸弧形。
所以，圆弧圆柱蜗杆传动是一种凹凸弧齿廓相 啮合的传动，也是一种线接触的啮合传动。
蜗杆传动的历史、现状与发展趋势
一、蜗杆传动的历史
古典的直纹面圆柱蜗杆传动，是历史最长、应用 最广的蜗杆传动机构，它具有设计简便，制造和安装 工艺性能好，成本低等优点。但是，由于其瞬时接触
线形状不利于流体动压油膜的形成，致使润滑状态不
良，蜗轮齿面上存在胶合“危险区”，因而存在功率 耗损大，传动效率低、磨损严重和承载能力低等缺点，
轮的节圆位于蜗杆的节弧面上，亦即蜗杆的节弧沿蜗 轮的节圆包着蜗轮。
在中间平面内，蜗杆和蜗轮都是直线齿廓。由于
同时相啮合的齿对多，而且轮齿的接触线与蜗杆齿运
动的方向近似于垂直，这就大大改善了轮齿受力情况 和润滑油膜形成的条件，因而承载能力约为阿基米德 蜗杆传动的2～4倍，效率一般高达0.85～0.9；但它 需要较高的制造和安装精度。 除上述环面蜗杆传动外，还有包络环面蜗杆传 动。这种蜗杆传动分为一次包络和二次包络(双包) 环面蜗杆传动两种。它们的承载能力和效率较上述
（2）渐开线蜗杆(ZI蜗杆)
这种蜗杆的端面齿廓为渐开线，所以它相当于一个少齿 数（齿数等于蜗杆头数）、大螺旋角的渐开线圆柱斜齿轮。
ZI蜗杆可用两把直线 刀刃的车刀在车床上车削 加工。刀刃顶面应与基圆 柱相切，其中一把刀具高 于蜗杆轴线，另一把刀具 则低于蜗杆轴线。刀具的 齿形角应等于蜗杆的基圆 柱螺旋角。这种蜗杆可以 在专用机床上磨削。一般 用于蜗杆头数较多，转速 较高和较精密的传动。
名称
分度圆直径
符号 蜗杆
计算公式 蜗轮
d
d1 mq
d 2 mz
齿顶高
齿根高
ha
hf
da
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
ha m h f 1.2m d a1 (q 2)m d a 2 (Z 2 2)m
d f 1 (q 2.4)m
d1与模数m的比值(q=d1／m)称为蜗杆的直径系数。
3、蜗杆的头数z1
普通蜗杆传动的参数与 尺寸1
较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大
的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效
率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数 取为1、2、4、6。
4、导程角γ
蜗杆头数和直径 系数选定之后，导程 角也就确定了。
大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的 弯曲刚度，影响正常的啮合。
7、中心距
1 1 a (d1 d 2 ) m(q z2 ) 2 2
标准普通圆柱蜗杆传动的基本尺寸和参数列于表
11-2。设计普通圆柱蜗杆减速装臵时，在按接触强度 或弯曲强度确定中心距a或m2d1后，一般应按表11-2 的数据确定蜗杆与蜗轮的尺寸和参数,并按表值予以 匹配。
（3）法向直廓蜗杆(ZN蜗杆)
这种蜗杆的端面齿廓为延伸渐开线，法面(N-N)齿廓为直 线。车削时车刀刀刃平面臵于螺旋线的法面上，加工简单，可 用砂轮磨削，常用于多头精密蜗杆传动。
（4）锥面包络圆柱蜗杆(ZK蜗杆)
这是一种非线性螺旋 曲面蜗杆。它不能在车床 上加工，只能在铣床上铣 制并在磨床上磨削。加工 时，除工件作螺旋运动外， 刀具同时绕其自身的轴线 作回转运动。这时，铣刀 (或砂轮)回转曲面的包络 面即为蜗杆的螺旋齿面， 在I-I及N-N截面上的齿廓 均为曲线。这种蜗杆便于 磨削，蜗杆的精度较高， 应用日渐广泛。
（3）重视正式使用前的低速轻载跑合工序和跑合
规律的研究。
§11-2 普通蜗杆传动的主要参数与尺寸计算
在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与 齿轮的啮合传动。故在设计蜗杆传动时，均取中间平面 上的参数（如模数、压力角等）和尺寸（如齿顶圆、分 度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。
一、 普通蜗杆传动的主要参数及其选择 1、模数m 和压力角α
面胶合及过度磨损等。
由于蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮轮齿 的强度，所以失效经常发生在蜗轮轮齿上。因此， 一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。
蜗杆蜗轮在节点处的相对滑动速度为：
比蜗杆的圆周速度还要大，所以在蜗杆、蜗 轮的齿廓间将产生很大的相对滑动，引起较大的摩 擦、磨损和发热，导致传动效率的降低，从而增加 了产生胶合和磨损失效的可能性，尤其在润滑不良
动由于具有结构紧凑、传动
比大、传动平稳以及在一定 的条件下具有可靠的自锁性
等优点，应用颇为广泛。
蜗杆传动的主要特点：
1．传动比大，一般为i=5～80，大的可达300以上； 2．重合度大，传动平稳，噪声低； 3．当蜗杆的螺旋升角小于当量摩擦角时，传动具有自锁性； 4．摩擦磨损问题突出，磨损是主要的失效形式； 5．传动效率低，具有自锁性时，效率低于40%。 由于上述特点，蜗杆传动主要用于运动传递，而在动力
对参数进行优化等方面的研究都取得了突破性的进
展。
三、蜗杆传动的发展趋势
目前，蜗杆传动的发展趋势主要表现在改善蜗杆 传动质量的途径与措施的研究方面，主要措施有：
（1）改善蜗杆副啮合瞬时接触线的形状，增大齿
面接触点处的诱导曲率半径。近年出现的各种新型蜗 杆传动及变态蜗杆传动，都是朝着这方面努力的结果。 （2）在共轭齿面作出“人工油涵”，为连续充分 供油创造条件，使共轭齿面具备形成动压油膜的条件。
普通蜗杆传动的参数与尺寸2
蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2=iz1，z2不宜
太小，z2min≥17,避免根切。 但当z2＜26时，传动平 稳性较差，当z2≥30时，可以始终有两对以上的齿啮 合, 通常规定z2大于28。 当蜗轮直径一定时，z2越大，模数就越小，使轮
齿的弯曲强度降低；当模数不变时，蜗轮尺寸就要加
动效率较高和蜗杆可以磨削等优点，现已大量应用于
冶金、造船、采矿、机械、建筑、天文等行业，受到 普遍欢迎。
二、蜗杆传动的现状
近二十年来，蜗杆传动的研制取得了较大的进
展，出现了各种新型的蜗杆传动与变态蜗杆传动，
如滚锥、指锥或球面的二次包络环面蜗杆传动，曲 率可控点接触蜗杆，超环面行星蜗杆传动等已经达 到相当的水平。尤其是利用计算机技术与图形功能 对蜗杆传动的啮合状态、齿面接触状态进行分析，
在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确 啮合，常用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀来加工与其配 对的蜗轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就得有一 种对应的蜗轮滚刀。对于同一模数，可以有很多不同 直径的蜗杆，因而对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀。 为了限制蜗轮滚刀的数目以及便于刀具的标准化， 将蜗杆分度圆直径d1定为标准值，即对应于每一标准模 数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。并把直径
蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力
角应与蜗轮的端面模数、压力角相等，即
ma1= mt2 = m
αa1=αt2 阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）的轴面压力角αa=20°， 其余三种(ZA、ZN、ZI、ZK)蜗杆的法向压力角
αn=20°。
Fra Baidu bibliotek
tan n tan a cos
2、蜗杆的分度圆直径d1
圆弧圆柱蜗杆传动 其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形 的车刀切制而成的。
环面蜗杆传动 其蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转 曲面，这种蜗杆同时啮合齿数多，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 同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10～360)；承 载能力和效率较高；可节约有色金属。
载能力和效率较高；侧隙便于控制和调整；能作离
合器使用；可节约有色金属；制造安装简便，工艺 性好。但由于结构上的原因传动具有不对称性，因 而正、反转时受力不同，承载能力和效率也不同。
蜗杆传动的类型
圆柱蜗杆传动
其齿面一般是在车床上用直线刀刃的 阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 车刀切制而成，车刀安装位臵不同， 普通圆柱蜗杆传动 加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆
d f 2 (Z 2 2.4)m
df


arctg
Z1 q

c
a
c 0 .2 m
a 0.5(d1 d 2 ) 0.5(q z 2 )
二、 蜗杆传动的几何尺寸计算
§11-3 普通蜗杆传动的承载能力计算
普通蜗杆传动的承载能力计算1
一、蜗杆传动的失效形式
蜗杆传动的失效形式也有点蚀、齿根折断、齿
使其不能满足工业发展的需要。
从20世纪20年代起，随着材料技术、润滑技术、 计算机技术等一系列新技术的发展及蜗杆传动新啮合
理论的应用，极大地促进了蜗杆传动技术的进步，对
已有的蜗杆传动进行了改进，提高了承载能力、使用
寿命和传动效率，同时诸多新型蜗杆传动相继问世。
如二次包络尼曼圆柱蜗杆副，偏臵蜗杆副、圆弧圆柱 蜗杆及其各种变态形式，为蜗杆传动技术的发展开辟 了新的途径。
两种。
（1）阿基米德蜗杆(ZA蜗杆)
这种蜗杆，在垂直于 蜗杆轴线的平面(即端面) 上，齿廓为阿基米德螺旋 线，在包含轴线的平面上 的齿廓(即轴向齿廓)为直 线，其齿形角α=20°。 它可在车床上用直线刀刃 的单刀(当导程角γ≤3° 时)或双刀(当γ>3°时) 车削加工。安装刀具时， 切削刃的顶面必须通过蜗 杆的轴线。这种蜗杆磨削 困难，当导程角较大时加 工不便。一般用于低速、 轻载或不太重要的传动。
环面蜗杆传动均有显著的提高。
三、
锥蜗杆传动也是一种空间交错轴之间的传动，两
轴交错角通常为90°。蜗杆是由在节锥上分布的等导 程的螺旋所形成的，故称为锥蜗杆。而蜗轮在外观上 就象一个曲线齿锥齿轮，它是用与锥蜗杆相似的锥滚 刀在普通滚齿机上加工而成的，故称为锥蜗轮。
锥蜗杆传动的特点是：同时接触的点数较多， 重合度大；传动比范围大（一般为10～360），承
根据蜗杆的齿廓形状及形成原理，蜗杆传动可分为：
20世纪 60年代初我国开始引进、研制平面一次
包络环面蜗杆传动，并成功地应用于冶金、机床行业。
1971年首都钢铁公司机械厂在制造斜齿平面蜗轮副的 基础上又创造了我国第一套平面包络环面蜗轮副， 1977年命名为首钢SG71型蜗杆副，获得国家发明二等 奖。平面二次包络环面蜗杆传动具有承载能力大、传