蜗轮蜗杆传动设计

7 蜗杆传动

7.1 蜗杆传动的特点、应用和类型

7.1.1蜗杆传动的特点和应用

组成：蜗杆、蜗轮（一般蜗杆为主动件，蜗轮为从动件）

作用：传递空间交错的两轴之间的运动和动力。通常Σ=90°

应用：用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造工业中。最大传递功率为750Kw，通常用在50Kw 以下。

特点:

1）、传动比大。单级时i=5~80，一般为i=15~50，分度传动时i可达到1000，结构紧凑。

2）、传动平稳、噪声小。

3）、自锁性，当蜗杆导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，可实现自锁。

4）、蜗杆传动效率较低，其齿面间相对滑动速度大，齿面磨损严重。

5）、蜗轮的造价较高。为降低摩擦，减小磨损，提高齿面抗胶合能力，蜗轮常用贵重的铜合金制造。

7.1.2 蜗杆传动的类型

按照蜗杆的形状不同分为：圆柱蜗杆传动(a)、环面蜗杆传动(b)、锥面蜗杆传动(c)。

（a）圆柱蜗杆传动（b）环面蜗杆传动（c）锥面蜗杆传动

图7-1 蜗杆传动的类型

1、圆柱蜗杆传动

蜗杆有左、右旋之分。螺杆的常用齿数（头数）z1=1~4，头数越多，传动效率越高。蜗杆加工由于安装位置不同，产生的螺旋面在相对剖面内的齿廓曲线形状不同。

1）、阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）

如图所示，阿基米德蜗杆是齿面为阿基米德螺旋面的圆柱蜗杆。通常是在车床上用刃角α0=20°的车刀车制而成，切削刃平面通过蜗杆曲线，端面齿廓为阿基米德螺旋线。其齿面为阿基米德螺旋面。

优、缺点：蜗杆车制简单，精度和表面质量不高，传动精度和传动效率低。头数不宜过多。

应用：头数较少，载荷较小，低速或不太重要的场合。

图7-2 阿基米德蜗杆

(2）、法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）

如图所示，法向直廓蜗杆加工时，常将车刀的切削刃置于齿槽中线（或

齿厚中线）处螺旋线的法向剖面内，端面齿廓为延伸渐开线。

优、缺点：常用端铣刀或小直径盘铣刀切制，加工简便，利于加工多头蜗杆，可以用砂轮磨齿，加工精度和表面质量较高。

应用：用于机场的多头精密蜗杆传动。

3）、渐开线蜗杆（ZI蜗杆）

如图所示，渐开线蜗杆是齿面为渐开线螺旋面的圆柱蜗杆。用车刀加工时，刀具切削刃平面与基圆相切，端面齿廓为渐开线。

优、缺点：可以用单面砂轮磨齿，制造精度、表面质量、传动精度及传动效率较高。

应用：用于成批生产和大功率、高速、精密传动，故最常用。

2、环面蜗杆传动特点：

（1）、齿轮表面有较好的油膜形成条件，抗胶合的承载能力和效率都较高；

（2）、同时接触的齿数较多，承载能力为圆柱蜗杆传动的1.5~4倍；

（3）、制造和安装较复杂，对精度要求高；

（4）、需要考虑冷却的方式。

3、锥面蜗杆传动

特点：（1）、啮合齿数多，重合度大，传动平稳，承载能力强；

（2）、蜗轮用淬火钢制造，节约有色金属。

图7-6 锥面蜗杆图7-7 蜗轮蜗杆的主要参数

7.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸

垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面，称为中间平面。在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合就相当于渐开线齿条与齿轮的啮合。在蜗杆传动的设计计算中，均以中间平面上的基本参数和几何尺寸为基准。

7.2.1 主要参数

1、模数m和压力角a

蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴向模数mx1、压力角αx1应与蜗轮的端面模数、

压力角相等，即mx1= mt2 = m

αx1=αt2=α=20°

β=γ

β：为蜗轮的螺旋角，γ：螺杆的导程角。

表7-1 圆柱蜗杆的基本尺寸和参数

2、螺杆导程角γ

px1：为蜗杆轴向齿距，px1=πm（mm）；γ为导程角（°）。导程角越大，传动效率越高，γ=3.5°~55°。传动效率高时，常取γ=15°~30°，采用多头蜗杆。若要求传动时反向自锁时，取γ≤3°40′。

3、蜗杆分度圆直径d1

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。

导程角γ大，其传动效率高，但会使蜗杆的强度、刚度降低。在蜗杆刚度允许的情况下，设计蜗杆传动时，要求传动效率高时，d1可以选小值，当要求强度和刚度大时，d1选大值。

4、蜗杆的头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i

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，可以实现自锁；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。

蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2= i z1 。z2不宜太小（如z2＜28)，否则将使传动平稳性变差。z2也不宜太大，否则在模数一定时，蜗轮尺寸越大，刚度越小，影响传动的啮合精度，所以蜗轮齿数不大于100，常取32~80。z1、z2之间最好互质，利于磨损均匀。

传动比i：（7.1）

传动比i的公称值有：5，7.5，10*，12.5，15，20*，25，30，40*，50，60，70，80*。带*的为基本传动比，优先选用。

5、中心距：（7.2）

为便于大批生产，减少箱体类型，有利于标准化、系列化，国标中对一般圆柱蜗杆减速装置的中心距推荐为：40，50，63，80，100，125，160，（180），200，（225），250，（280），315，（335），400，（450），500。

7.2.2 蜗杆传动何尺寸

表7-2 蜗杆传动何尺寸

7.3 蜗杆传动的失效形式、材料和精度

7.3.1蜗杆传动的失效形式及设计准则

1、失效形式

主要失效形式有：齿面疲劳点蚀、胶合、磨损及轮齿折断。

齿面间相对滑动速度vs：（7.3）

在润滑及散热不良时，闭式传动易出现胶合，但由于蜗轮的材料通常

比蜗杆材料软，发生胶合时，蜗轮表面金属粘到蜗杆的螺旋面上，使、

蜗轮工作齿面形成沟痕。蜗轮轮齿的磨损严重，尤其在开式传动和润滑油不清洁的闭式传动中。

2、计算准则

对于闭式蜗轮传动，通常按齿面接触疲劳强度来设计，并校核齿根弯曲疲劳强度。

对于开式蜗轮传动，或传动时载荷变动较大，或蜗轮齿数z2大于90时，通常只须按齿根弯曲疲劳强度进行设计。

由于蜗杆传动时摩擦严重、发热大、效率低，对闭式蜗杆传动还必须作热平衡计算，以免发生胶合失效。

7.3.2 蜗杆蜗轮常用材料及热处理

蜗轮和蜗杆材料要有一定的强度，还要有良好的减摩性、耐摩性和抗胶合能力。蜗杆传动常用青铜（低速时用铸铁）做蜗轮齿圈，与淬硬并磨制的钢制蜗杆相匹配。

1、蜗杆材料及热处理

一般不重要的蜗杆用45钢调质处理；

高速、重载但载荷平稳时用碳钢、合金钢，表面淬火处理；

高速、重载且载荷变化大时，可采用合金钢渗碳淬火处理。