蜗轮蜗杆设计

蜗轮蜗杆传动

蜗杆传动是用来传递空间交错轴之间的运动和动力的。最常用的是轴交角∑=90°的减速传动。蜗杆传动能得到很大的单级传动比，在传递动力时，传动比一般为5~80，常用15~50；在分度机构中传动比可达300，若只传递运动，传动比可达1000。蜗轮蜗杆传动工作平稳无噪音。蜗杆反行程能自锁。

重点学习内容

本章中阿基米德蜗杆传动的失效形式、设计参数、受力分析、材料选择、强度计算、传动效率等为重点学习内容。对热平衡计算、润滑方法、蜗杆蜗轮结构等也应

一、蜗杆传动的类型

圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动

普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动

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)

锥面包络蜗

杆

(ZK蜗

杆)

与上述各类蜗杆配对的蜗轮齿廓，完全随蜗杆的齿廓而异。蜗轮一般是在滚齿机上用滚刀或飞刀加工的。为了保证蜗杆和蜗轮能正确啮合，切削蜗轮的滚刀齿廓，应与蜗杆的齿廓一致；深切时的中心距，也应与蜗杆传动的中心距相同。

圆柱蜗杆传动

１、通圆柱蜗杆传动

（１）阿基米德蜗杆

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α0=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。

（２）渐开线蜗杆

渐开线蜗杆(ZI蜗杆)蜗杆齿面为渐开螺旋面，端面齿廓为渐开线。加工时，车刀刀刃平面与基圆相切。可以磨削，易保证加工精度。一般用于蜗杆头数较多，转速较高和较精密的传动。

（３）法向直廓蜗杆

这种蜗杆的端面齿廓为延伸渐开线，法面(N-N)齿廓为直线。ZN蜗杆也是用直线刀刃的单刀或双刀在车床上车削加工。车削时车刀刀刃平面置于螺旋线的法面上，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，盘状铣刀或砂轮放置在蜗杆齿槽的法向面内，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。

２、圆弧圆柱蜗杆

图示的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。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

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(见下图)。在这种传动的啮合带内，蜗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环面蜗杆传动均有显著的提高。

（三）锥蜗杆

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。

二、蜗杆传动的几何参数和尺寸计算

在计算蜗杆传动几何尺寸之前，先要选择蜗杆传动的几何参数。

圆柱蜗杆传动的主要几何参数

名称符号说明

模数m1）m的大小由强度计算确定，并按GB（表2）取标准值

2）蜗杆轴向模数m a1=蜗轮端面模数m t2=模数m

压力角α1）α的标准值是20°，动力传动允许25°，分度传动允许15°或12°2）ZA蜗杆轴向压力角αa=α；ZA、ZI、ZK蜗杆法向压力角αn=α

蜗杆直径系数q 1）是一个将蜗杆分度圆直径d1限制为标准值的参数：q=d1/m，其值见表2

2）引入该参数是为了限制切制蜗轮时所需要的滚刀数目，提高生产的经

济性。

蜗杆头数z1通常取z1=1、2、4、6，头数过多，导程角过大会使加工困难。

蜗轮齿数z2为了保证始终有两对以上齿啮合，通常规定z2>28,以增加传动的平稳性传动比i121）i12=n1/n2=z2/z1=d2/（mz1）=（2a-d1）/（mz1）=（2a/m-q）/z1

2）减速传动时常用i=15~50，荐用的蜗杆头数与传动比之间的对应值见

表1

齿数比u u=蜗轮齿数z2/蜗杆头数z1，减速传动时u=i

蜗杆导程角γ1）γ多在3°~31°之间。γ小易自锁，γ大传动效率高，但蜗杆加工困难

2）tgγ=z1/q，要求有自锁性能时，γ应小，即应取头数z1=1

中心距a a的大小能反映传递功率的大小，标准中心距见表2

蜗轮变位系数x21）变位的主要目的是配凑中心距和凑传动比，使之符合标准或推荐值。

2）为保持加工蜗轮时的滚刀尺寸不变，蜗杆是不变位的。

3）当配凑中心距时x2=（a'-a）/m

圆柱蜗杆传动的主要几何尺寸的计算公式

名称符号普通圆柱蜗杆传动备注

中心距a a=0.5m(q+z2)a'=0.5m(q+z2+2x2)(变位)

蜗杆分度圆直径d1d1=mq按规定选取