蝸桿傳動教案

.課題名稱蝸桿傳動授課班級授課時間 課題序號17授課課時第47 到 50授課形式講授使用教具投影儀教學(xué)目的1、了解蝸桿傳動的原理；2、了解蝸桿傳動的組成；3、了解蝸桿的特點；4、掌握蝸桿傳動中蝸桿、蝸輪螺旋線方向的判斷及蝸輪回轉(zhuǎn)方向的判定。教學(xué)重點蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算教學(xué)難點蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算更新、補(bǔ)充、刪減內(nèi)容無課外作業(yè) 授課主要內(nèi)容或板書設(shè)計第十章 蝸桿傳動第一節(jié) 蝸桿傳動的特點和類型一、蝸桿傳動的特點二、蝸桿傳動的類型三、蝸桿傳動的精度等級四、蝸桿的類型第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸一、圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù):二、圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算第三節(jié)蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)一、蝸桿傳動的失效形式及材料選擇二、蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)第四節(jié)圓柱蝸桿傳動的受力分析一、力的大小二、力的方向第五節(jié)圓柱蝸桿傳動的強(qiáng)度計算一、蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算二、蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算三、蝸桿的剛度計算第六節(jié)圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算一、蝸桿傳動的效率二、蝸桿傳動的潤滑三、蝸桿傳動的熱平衡計算教學(xué)后記本章內(nèi)容與上一章節(jié)齒輪類似，所以學(xué)生學(xué)習(xí)理解較容易，對本章教學(xué)內(nèi)容掌握較為理想。.課 堂 教 學(xué) 安 排主 要 教 學(xué) 內(nèi) 容 及 步 驟教學(xué)過程 師生活動 設(shè)計意圖等第十章 蝸桿傳動第一節(jié) 蝸桿傳動的特點和類型蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成的，用于傳遞空間交錯兩軸之間的運動和動力。交錯角一般為90。傳動中一般蝸桿是主動件，蝸輪是從動件。一、蝸桿傳動的特點：1傳動比大，一般 i =1080，最大可達(dá)1000；2重合度大，傳動平穩(wěn)，噪聲低；3結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)反行程自鎖；4 蝸桿傳動的主要缺點齒面的相對滑動速度大，效率低；5. 蝸輪的造價較高。 主要用于中小功率，間斷工作的場合。 廣泛用于機(jī)床、冶金、礦山及起重設(shè)備中。二、蝸桿傳動的類型本章主要介紹普通圓柱蝸桿及其設(shè)計。三、蝸桿傳動的精度等級分為12個精度等級，常用59級。蝸桿分左旋和右旋。 左旋 右旋蝸桿還有單頭和多頭之分。四、蝸桿的類型 后兩種蝸桿的加工，刀具安裝較困難，生產(chǎn)率低，故常用阿基米德蝸桿。第二節(jié)圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸一、圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù):1. 模數(shù)m和壓力角中間平面：通過蝸桿軸線并與蝸輪軸線垂直的平面。蝸桿、蝸輪的參數(shù)和尺寸大多在中間平面（主平面）內(nèi)確定。由于蝸輪是用與蝸桿形狀相仿的滾刀，按范成原理切制輪齒，所以ZA蝸桿傳動中間平面內(nèi)蝸輪與蝸桿的嚙合就相當(dāng)于漸開線齒輪與齒條的嚙合。在主平面內(nèi)，蝸輪蝸桿的傳動相當(dāng)于齒輪齒條的嚙合傳動。蝸輪蝸桿正確嚙合條件是：蝸桿的軸面模數(shù) ma1和軸面壓力角a1應(yīng)分別等于蝸輪的端面模數(shù)mt2和端面壓力角t2，即 ma1 =mt2 =m a1=t2= 模數(shù)m的標(biāo)準(zhǔn)值，見表12-1；壓力角標(biāo)準(zhǔn)值為20，ZA蝸桿取軸向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值，ZI蝸桿取法向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值。如圖上圖所示，齒厚與齒槽寬相等的圓柱稱為蝸桿分度圓柱(或稱為中圓柱)。蝸桿分度圓(中圓)直徑用d1表示，其值見表10-1。蝸輪分度圓直徑以d2表示。在兩軸交錯角為90的蝸桿傳動中，蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角應(yīng)與蝸輪分度圓上的螺旋角大小相等旋向相同，即 =2. 傳動比i、蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2設(shè)蝸桿頭數(shù)為z1，蝸輪齒數(shù)為z2，當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)一周時，蝸輪轉(zhuǎn)過 z1 個齒( z1 / z2周)。因此，其傳動比為 z1g效率 ，但加工困難。z1 傳動比 i，但傳動效率 。(蝸桿頭數(shù)與傳動效率關(guān)系)常取，z11，2，4，6。 可根據(jù)傳動比，參考表 10-2中的薦用值選取。z2= i z1 。 如 z2太小，將使傳動平穩(wěn)性變差。如 z2太大，蝸輪直徑將增大，使蝸桿支承間距加大，降低蝸桿的彎曲剛度。一般取 z23280。（Z1與Z2的薦用值表：12-2）3. 蝸桿直徑系數(shù)q和導(dǎo)程角由于蝸輪是用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀配對加工而成的，為了限制滾刀的數(shù)目，國家標(biāo)準(zhǔn)對每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿分度圓直徑d1（參見表12-1）。直徑d1與模數(shù)m的比值稱為蝸桿的直徑系數(shù)q。即：當(dāng)模數(shù)m一定時，q值增大則蝸桿直徑d1增大，蝸桿的剛度提高。因此，對于小模數(shù)蝸桿，規(guī)定了較大的q值，以保證蝸桿有足夠的剛度。 如圖所示蝸桿螺旋面與分度圓柱的交線為螺旋線。4.齒面間滑動速度vs蝸桿傳動即使在節(jié)點C處嚙合，齒廓之間也有較大的相對滑動，滑動速度vs 沿蝸桿螺旋線方向。設(shè)蝸桿圓周速度為v l、蝸輪圓周速度為v 2 ，由圖可得滑動速度的大小，對齒面的潤滑情況、齒面失效形式、發(fā)熱以及傳動效率等都有很大影響。5. 中心距a當(dāng)蝸桿節(jié)圓與分度圓重合時稱為標(biāo)準(zhǔn)傳動，其中心距計算式為 a=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2) 注意： a0.5m(z1+z2) 。中心距的常用值見表10-3注。二、圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算設(shè)計蝸桿傳動時，一般是先根據(jù)傳動的功用和傳動比的要求，選擇蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2，然后再按強(qiáng)度計算確定模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1(或q)，再根據(jù)表10-3計算出蝸桿、蝸輪的幾何尺寸(兩軸交錯角為90、標(biāo)準(zhǔn)傳動)。表10-3 蝸桿傳動的幾何尺寸計算蝸輪的轉(zhuǎn)向左右手法：左旋左手，右旋右手，四指轉(zhuǎn)向w1，拇指反向；即為v2。例10-1 在帶傳動和蝸桿傳動組成的傳動系統(tǒng)中，初步計算后取蝸桿模數(shù) m=4mm、頭數(shù) z1=2、分度圓直徑d1 =40mm，蝸輪齒數(shù) z2=39，試計算蝸桿直徑系數(shù)q、導(dǎo)程角及蝸桿傳動中心距 a 。解(1) 蝸桿直徑系數(shù)=40/4=10(2) 導(dǎo)程角 由式（12-2）得=2/10=0.2 =11.3099(111836“)(3) 傳動中心距 a =0.5(q + z2 )=0.54(10+39)=98mm討論 也可將蝸輪齒數(shù)改為z2=40，即中心距圓整為 a =0.54(10+40)=100mm。由此引起的傳動比的變化可在傳動系統(tǒng)內(nèi)部作適當(dāng)調(diào)整。 如果是單件生產(chǎn)又允許采用非標(biāo)準(zhǔn)中心距，就取 a=98mm。 在不改變傳動比的情況下，若想將中心距圓整為 a=100mm，就只能采用變位傳動了。方法是在切制蝸輪時將滾刀外移2mm，即將滾刀與被切蝸輪的中心距由98mm增加到100mm。有關(guān)變位蝸桿傳動的計算，參見機(jī)械設(shè)計手冊。第三節(jié)蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)一、蝸桿傳動的失效形式及材料選擇1. 主要失效形式：膠合、磨損、點蝕等。在潤滑良好的閉式傳動中，若不能及時散熱，膠合是其主要的失效形式。在開式和潤滑密封不良的閉式傳動中，蝸輪輪齒的磨損尤其顯著。2. 設(shè)計準(zhǔn)則3.常用材料由于蝸桿傳動的特點，蝸桿副的材料不僅要求有足夠的強(qiáng)度，更重要的是具有良好的減摩耐磨和抗膠合性能。為此常采用青銅作蝸輪齒圈，并與淬硬磨削的鋼制蝸桿相匹配。蝸桿的常用材料為碳鋼和合金鋼。高速重載的蝸桿常用15Cr、20Cr滲碳淬火，或45鋼、40Cr淬火。低速中輕載的蝸桿可用45鋼調(diào)質(zhì)。精度要求高的蝸桿需經(jīng)磨削。二、蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)由于蝸桿的直徑不大，所以常和軸做成一個整體（蝸桿軸），當(dāng)蝸桿的直徑較大時，可以將軸與蝸桿分開制作。無退刀槽，加工螺旋部分時只能用銑制的辦法。有退刀槽，螺旋部分可用車制，也可用銑制加工，但該結(jié)構(gòu)的剛度 較前一種差。為了減摩的需要，蝸輪通常要用青銅制作。為了節(jié)省銅材，當(dāng)蝸輪直徑較大時，采用組合式蝸輪結(jié)構(gòu)，齒圈用青銅，輪芯用鑄鐵或碳素鋼。常用蝸輪的結(jié)構(gòu)形式如下：第四節(jié)圓柱蝸桿傳動的受力分析蝸桿傳動的受力分析與斜齒圓柱齒輪相似，輪齒所受法向力Fn可分解為：徑向力Fr、周向力Ft、軸向力Fa。一、力的大小當(dāng)兩軸交錯角為90時，各力大小為：式中：T2=T1i，為蝸桿傳動的效率。二、力的方向 當(dāng)蝸桿主動時，各力方向判斷如下： 蝸桿上的圓周力 Ft1的方向與蝸桿轉(zhuǎn)向相反。 蝸桿上的軸向力 Fa1的方向可以根據(jù)蝸桿的螺旋線旋向和蝸桿轉(zhuǎn)向，用（左）右手定則判斷。 蝸輪上的圓周力 Ft2 的方向與蝸輪的轉(zhuǎn)向相同（與蝸桿上的軸向力 Fa1的方向相反）。 蝸輪上的軸向力 Fa2 的方向與蝸桿上的圓周力 Ft1的方向相反。 蝸桿和蝸輪上的徑向力 Fr1 、Fr2的方向分別指向各自的軸心。主動輪（ 蝸桿） ：左旋用左手右旋用右手四指-w方向拇指-Fa1方向從動輪（ 蝸輪） ： Ft2與Fa1反向，由此確定其轉(zhuǎn)向。例1：標(biāo)出各圖中未注明的蝸桿或蝸輪的轉(zhuǎn)動方向，繪出蝸桿和蝸輪在嚙合點處的各分力的方向（均為蝸桿主動）。例：傳動系統(tǒng)如圖，已知輪4為輸出輪，轉(zhuǎn)向如圖，試：1、合理確定蝸桿、蝸輪的旋向；2、標(biāo)出各輪受力方向。蝸桿傳動的主要失效形式是膠合和磨損。但目前依據(jù)膠合和磨損的強(qiáng)度計算缺乏可靠的方法和數(shù)據(jù)，因而通常沿用接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計算蝸桿傳動的承載能力，而在選用許用應(yīng)力時適當(dāng)考慮膠合和磨損失效因素的影響，故其強(qiáng)度計算公式是條件性的。由于蝸桿齒是連續(xù)的螺旋，其材料的強(qiáng)度又很高，因而失效總是出現(xiàn)在蝸輪上，所以蝸桿傳動只需對蝸輪輪齒進(jìn)行強(qiáng)度計算。第五節(jié)圓柱蝸桿傳動的強(qiáng)度計算一、蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算目的：防止“點蝕”和“膠合”失效。強(qiáng)度條件：HH以蝸桿蝸輪節(jié)點為計算點，計算齒面接觸應(yīng)力 H 。校核公式:設(shè)計公式：上兩式 中KA 為載荷系數(shù)，一般取KA=1.11.3。當(dāng)載荷平穩(wěn)，蝸輪圓周速度 v23m/s和 7級精度以上時，取小值，否則取大值。當(dāng)蝸輪材料為錫青銅時，其材料具有良好的抗膠合能力,蝸輪的損壞形式主要是疲勞點蝕，其承載能力取決于輪齒的接觸疲勞強(qiáng)度。因此，許用接觸應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、材料及相對滑動速度v2有關(guān)?？砂幢?2-4 選擇。當(dāng)蝸輪材料為無錫青銅、黃銅或鑄鐵時，材料的強(qiáng)度較高，抗點蝕能力強(qiáng)，蝸輪的損壞形式主要是膠合，其承載能力取決于其抗膠合能力，與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無關(guān)，因此，許用接觸應(yīng)力可從表12-5查取。 二、蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算目的：防止“疲勞斷齒”。強(qiáng)度條件：FF校核公式：設(shè)計公式：三、蝸桿的剛度計算:蝸桿較細(xì)長，支承距離大，若受力后產(chǎn)生的撓度過大，則會影響正常的嚙合傳動。蝸桿產(chǎn)生的撓度應(yīng)小于許用撓度。由切向力和徑向力產(chǎn)生的撓度分別為：合成總撓度為：第六節(jié)圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算一、蝸桿傳動的效率與齒輪傳動類似，閉式蝸桿傳動的功率損耗包括三部分：輪齒嚙合摩擦損耗，軸承中摩擦損耗以及攪動箱體內(nèi)潤滑油的油阻損耗。其總效率為 =123其中最主要的是嚙合效率，當(dāng)蝸桿主動時，嚙合效率可按螺旋傳動的效率公式求出。因此考慮 23后，蝸桿傳動的總效率為式中：為蝸桿導(dǎo)程角；為當(dāng)量摩擦角，=arctgf。當(dāng)量摩擦系數(shù) f主要與蝸桿副材料、表面狀況以及滑動速度等有關(guān)(見表10-7)。所以 z1估計蝸桿傳動的總效率時，可取下列數(shù)值：閉式傳動 z1=1 2 4 =0.700.75 0.750.82 0.870.92 開式傳動 z1=1 、2 =0.600.70 二、蝸桿傳動的潤滑目的：減摩、散熱。潤滑油的粘度和給油方法可參照表10-5選取。一般根據(jù)相對滑動速度選擇潤滑油的粘度和給油方法。為減小攪油損失，下置式蝸桿不宜浸油過深。蝸桿線速度v2>4m/s時，常將蝸桿置于蝸輪之上，形成上置式傳動，由蝸輪帶油潤滑。潤滑方式的選擇：當(dāng)vs 510 m/s時，采用油池浸油潤滑。為了減少攪油損失，下置式蝸桿不宜浸油過深。當(dāng)v1> 4 m/s時，采用蝸桿在上的結(jié)構(gòu)。當(dāng)vs > 1015 m/s時，采用壓力噴油潤滑。三、蝸桿傳動的熱平衡計算由于蝸桿傳動效率低、發(fā)熱量大，若不及時散熱，會引起箱體內(nèi)油溫升高、潤滑失效，導(dǎo)致輪齒磨損加劇，甚至出現(xiàn)膠合。因此對連續(xù)工作的閉式蝸桿傳動要進(jìn)行熱平衡計算。熱平衡：在單位時間內(nèi)，摩擦產(chǎn)生的熱量等與散發(fā)的熱量。在閉式傳動中，熱量系通過箱殼散逸，且要求箱體內(nèi)的油溫t() 和周圍空氣溫度 t0() 之差不超過允許值式中：t溫度差， t=t-t0;P1蝸桿傳遞功率，單位為 kW;t表面散熱系數(shù)，根據(jù)箱體周圍通風(fēng)條件，一般取 t =1017W/(m2)；A散熱面積，單位為 m2 ，指箱體外壁與空氣接觸而內(nèi)壁被油飛濺到的箱殼面積，對于箱體上的散熱片，其散熱面積按50%計算；t溫差允許值，一般為 6070。并應(yīng)使油溫 t (=t0 +t) 小于 90 。如果超過溫差允許值，可采用下述冷卻措施： 增加散熱面積 合理設(shè)計箱體結(jié)構(gòu)，鑄出或焊上散熱片。提高表面散熱系數(shù) 在蝸桿軸上裝置風(fēng)扇或在箱體油池內(nèi)裝設(shè)蛇形冷卻水管或用循環(huán)油冷卻。導(dǎo)入：通過減速器減速裝置導(dǎo)入?？床痖_的減速器演示PPT左右旋向與螺紋旋向判定方法相同。課前準(zhǔn)備蝸桿一根與蝸輪一個，課堂演示蝸輪與蝸桿傳動過程。 對比阿基米德蝸桿與漸開線螺桿的區(qū)別，主要分析加工蝸桿時刀具安裝的不同。講解蝸桿主要參數(shù)的時候要與齒輪及螺紋主要參數(shù)進(jìn)行對比。其中有很多相通的地方，如模數(shù)、壓力角。列舉蝸桿蝸輪傳動案例，說明該傳動能應(yīng)用在較大傳動比場合，是該傳動的優(yōu)點。讓學(xué)生分組討論導(dǎo)程角對加工制造與自鎖的關(guān)系。講明判定傳動轉(zhuǎn)向的方法，舉例講解其應(yīng)用。對傳動失效形式的掌握有例于學(xué)生在今后使用過程中合理的保護(hù)蝸輪、蝸桿，所以要讓學(xué)生掌握這部分內(nèi)容。受力分析是教學(xué)的難點，此內(nèi)容不需要講解過細(xì)，讓學(xué)生大體了解。 要求學(xué)生試著查表找數(shù)據(jù)進(jìn)行，代入公式進(jìn)行強(qiáng)度驗算。讓學(xué)生列舉蝸桿的潤滑方式。并分組討論在不同場合用不同潤滑方式。