蝸桿箱設(shè)計(jì)
蝸桿箱設(shè)計(jì),蝸桿箱設(shè)計(jì),蝸桿,設(shè)計(jì)
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摘要
Abstract
第一章 引言
1.1 課題的意義
幾乎在各式機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中都可以見到蝸桿箱的蹤跡,從交通工具的船舶、汽車、機(jī)車,建筑用的重型機(jī)具,機(jī)械工業(yè)所用的加工機(jī)具及自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備,到日常生活中常見的家電,鐘表等等.其應(yīng)用從大動(dòng)力的傳輸工作,到小負(fù)荷,精確的角度傳輸都可以見到減速機(jī)的應(yīng)用,且在工業(yè)應(yīng)用上,減速機(jī)具有減速及增加轉(zhuǎn)矩功能。因此廣泛應(yīng)用在速度與扭矩的轉(zhuǎn)換設(shè)備。減速機(jī)的作用主要有:
圖1-1蝸桿箱
1)降速同時(shí)提高輸出扭矩,扭矩輸出比例按電機(jī)輸出乘減速比,但要注意不能超出減速機(jī)額定扭矩。
2)減速同時(shí)降低了負(fù)載的慣量,慣量的減少為減速比的平方。大家可以看一下一般電機(jī)都有一個(gè)慣量數(shù)值。
蝸桿箱分類:
主要型號:WP系列蝸桿箱、WH系列蝸桿箱和CW系列蝸桿箱等。
1.WP系列蝸桿箱包括WPA/WPS/WPW/WPE/WPZ/WPD
2.WH系列蝸桿箱包括WHT/WHX/WHS/WHC
3.CW系列蝸桿箱包括CWU/CWS/CWO
蝸桿箱的常見問題及分析
一、常見問題及其原因。
(1)減速機(jī)發(fā)熱和漏油,
(2)蝸輪磨損,
(3)傳動(dòng)小斜齒輪磨損,
(4)軸承(蝸桿處)損壞。
1、減速機(jī)發(fā)熱和漏油
蝸輪減速機(jī)為了提高效率,一般均采用有色金屬做蝸輪, 采用較硬的鋼材,由于它是滑動(dòng)摩擦傳動(dòng),在運(yùn)行過程中,就會(huì)產(chǎn)生較高的熱量,使減速機(jī)各零件和密封之間熱膨脹產(chǎn)生差異,從而在各配合面產(chǎn)生間隙,而油液由于溫度的升高變稀,容易造成泄漏。主要原因有四點(diǎn),一是材質(zhì)的搭配是否合理,二是嚙合磨擦面的表面質(zhì)量,三是潤滑油的選擇,添加量是否正確,四是裝配質(zhì)量和使用環(huán)境。
2、蝸輪磨損
蝸輪一般采用錫青銅,配對的蝸桿材料一般用45鋼淬硬至HRC45一55,還常用40C:淬硬HRC50一55,經(jīng)蝸桿磨床磨削至粗糙度RaO. 8 fcm,減速機(jī)正常運(yùn)行時(shí),蝸桿就象一把淬硬的“銼刀”,不停地銼削蝸輪,使蝸輪產(chǎn)生磨損。一般來說,這種磨損很慢,象某廠有些減速機(jī)可以使用10年以上。如果磨損速度較快,就要考慮減速機(jī)的選型是否正確,是否有超負(fù)荷運(yùn)行,蝸輪蝸桿的材質(zhì),裝配質(zhì)量或使用環(huán)境等原因。
3、傳動(dòng)小斜齒輪磨損
一般發(fā)生在立式安裝的減速機(jī)上,主要跟潤滑油的添加量和潤滑油的選擇有關(guān)。立式安裝時(shí),很容易造成潤滑油油量不足,當(dāng)減速機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),電機(jī)和減速機(jī)間傳動(dòng)齒輪油流失,齒輪得不到應(yīng)有的潤滑保護(hù),啟動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中得不到有效的潤滑導(dǎo)致機(jī)械磨損甚至損壞。
4、蝸桿軸承損壞
減速機(jī)發(fā)生故障時(shí),即使減速箱密封良好,該廠還是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)減速機(jī)內(nèi)的齒輪油已經(jīng)被乳化,軸承已生銹、腐蝕、損壞,這是因?yàn)闇p速機(jī)在運(yùn)停過程中,齒輪油由熱變冷后產(chǎn)生的水分凝聚造成;當(dāng)然,也和軸承質(zhì)量,裝配工藝方法密切相關(guān)。
蝸桿箱國家標(biāo)準(zhǔn)
TP型平面包絡(luò)環(huán)面蝸輪減速器(JB/T9051-1999)
CW系列圓弧圓柱蝸桿減速器(JB/T7935-1999)
ZC1型雙級蝸桿及齒輪-蝸桿減速器(JB/T7008-1993)
SCW軸裝式圓弧圓柱蝸桿減速機(jī)(JB/T6387-1992)
WD型圓柱蝸桿減速機(jī)(JB/ZQ4390-79)
CW系列圓弧圓柱蝸桿減速器(GB9147-88)
WH系列圓弧圓柱蝸桿減速機(jī)(JB2318-79)
平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿減速器(ZBJ19021-89)
圓弧圓柱蝸桿減速器(GB9147-88)
圓柱蝸桿減速器(JB/ZQ4390-86)
蝸桿箱常見問題原因分析:齒輪-蝸桿箱是一種結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大,在一定條件下具有自鎖功能的傳動(dòng)機(jī)械。而且安裝方便、結(jié)構(gòu)合理,得到越來越廣泛的應(yīng)用。它是在蝸輪蝸桿減速器輸入端加裝一個(gè)斜齒輪減速器,構(gòu)成的多級減速器可獲得非常低的輸出速度,比單級蝸輪減速機(jī)具有更高的效率,而且振動(dòng)小、噪聲及能低。
常見問題及其原因
1.減速機(jī)發(fā)熱和漏油。為了提高效率,蝸輪減速機(jī)一般均采用有色金屬做蝸輪,蝸桿則采用較硬的鋼材。由于是滑動(dòng)摩擦傳動(dòng),運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較多的熱量,使減速機(jī)各零件和密封之間熱膨脹產(chǎn)生差異,從而在各配合面形成間隙,潤滑油液由于溫度的升高變稀,易造成泄漏。造成這種情況的原因主要有四點(diǎn),一是材質(zhì)的搭配不合理;二是嚙合摩擦面表面的質(zhì)量差;三是潤滑油添加量的選擇不正確;四是裝配質(zhì)量和使用環(huán)境差。
2.蝸輪磨損。蝸輪一般采用錫青銅,配對的蝸桿材料用45鋼淬硬至HRC4555,或40Cr淬硬HRC5055后經(jīng)蝸桿磨床磨削至粗糙度Ra0.8μm。減速機(jī)正常運(yùn)行時(shí)磨損很慢,某些減速機(jī)可以使用10年以上。如果磨損速度較快,就要考慮選型是否正確,是否超負(fù)荷運(yùn)行,以及蝸輪蝸桿的材質(zhì)、裝配質(zhì)量或使用環(huán)境等原因。
3.傳動(dòng)小斜齒輪磨損。一般發(fā)生在立式安裝的減速機(jī)上,主要與潤滑油的添加量和油品種有關(guān)。立式安裝時(shí),很容易造成潤滑油量不足,減速機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),電機(jī)和減速機(jī)間傳動(dòng)齒輪油流失,齒輪得不到應(yīng)有的潤滑保護(hù)。減速機(jī)啟動(dòng)時(shí),齒輪由于得不到有效潤滑導(dǎo)致機(jī)械磨損甚至損壞。
4.蝸桿軸承損壞。發(fā)生故障時(shí),即使減速箱密封良好,還是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)減速機(jī)內(nèi)的齒輪油被乳化,軸承生銹、腐蝕、損壞。這是因?yàn)闇p速機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后,齒輪油溫度升高又冷卻后產(chǎn)生的凝結(jié)水與水混合。當(dāng)然,也與軸承質(zhì)量及裝配工藝密切相關(guān)。
解決方法
1.保證裝配質(zhì)量??少徺I或自制一些專用工具,拆卸和安裝減速機(jī)部件時(shí),盡量避免用錘子等其他工具敲擊;更換齒輪、蝸輪蝸桿時(shí),盡量選用原廠配件和成對更換;裝配輸出軸時(shí),要注意公差配合;要使用防粘劑或紅丹油保護(hù)空心軸,防止磨損生銹或配合面積垢,維修時(shí)難拆卸。
2.潤滑油和添加劑的選用。蝸齒減速機(jī)一般選用220#齒輪油,對重負(fù)荷、啟動(dòng)頻繁、使用環(huán)境較差的減速機(jī),可選用一些潤滑油添加劑,使減速機(jī)在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒輪油依然附著在齒輪表面,形成保護(hù)膜,防止重負(fù)荷、低速、高轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)時(shí)金屬間的直接接觸。添加劑中含有密封圈調(diào)節(jié)劑和抗漏劑,使密封圈保持柔軟和彈性,有效減少潤滑油漏。
3.減速機(jī)安裝位置的選擇。位置允許的情況下,盡量不采用立式安裝。立式安裝時(shí),潤滑油的添加量要比水平安裝多很多,易造成減速機(jī)發(fā)熱和漏油。
4.建立潤滑維護(hù)制度??筛鶕?jù)潤滑工作“五定”原則對減速機(jī)進(jìn)行維護(hù),做到每一臺(tái)減速機(jī)都有責(zé)任人定期檢查,發(fā)現(xiàn)溫升明顯,超過40℃或油溫超過80℃,油的質(zhì)量下降或油中發(fā)現(xiàn)較多的銅粉以及產(chǎn)生不正常的噪聲等現(xiàn)象時(shí),要立即停止使用,及時(shí)檢修,排除故障,更換潤滑油。加油時(shí),要注意油量,保證減速機(jī)得到正確的潤滑。
1.2 課題的國內(nèi)外背景
一、國內(nèi)的發(fā)展概況
國內(nèi)的減速器多以齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)為主,但普遍存在著功率與重量比小,或者傳動(dòng)比大而機(jī)械效率過低的問題。另外,材料品質(zhì)和工藝水平上還有許多弱點(diǎn)。由于在傳動(dòng)的理論上、工藝水平和材料品質(zhì)方面沒有突破,因此,沒能從根本上解決傳遞功率大、傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、機(jī)械效率高等這些基本要求。
二、國外發(fā)展概況
國外的減速器,以德國、丹麥和日本處于領(lǐng)先地位,特別在材料和制造工藝方面占據(jù)優(yōu)勢,減速器工作可靠性好,使用壽命長。但其傳動(dòng)形式仍以定軸齒輪傳動(dòng)為主,體積和重量問題,也未解決好。當(dāng)今的減速器是向著大功率、大傳動(dòng)比、小體積、高機(jī)械效率以及使用壽命長的方向發(fā)展。
第二章 蝸桿傳動(dòng)簡介
2-1 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)和類型
蝸桿傳動(dòng)是由蝸桿和蝸輪組成的,用于傳遞空間交錯(cuò)兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。交錯(cuò)角一般為90°。傳動(dòng)中一般蝸桿是主動(dòng)件,蝸輪是從動(dòng)件。
圖2-1 蝸桿傳動(dòng)
一、蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn):
1.傳動(dòng)比大,一般 i =10~80,最大可達(dá)1000;
2.重合度大,傳動(dòng)平穩(wěn),噪聲低
3.結(jié)構(gòu)緊湊,可實(shí)現(xiàn)反行程自鎖;
4.蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)齒面的相對滑動(dòng)速度大,效率低;
5. 蝸輪的造價(jià)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(dòng)的類型
三、蝸桿傳動(dòng)的精度等級
分為12個(gè)精度等級,常用5~9級。
蝸桿分左旋和右旋。
圖2-1左旋蝸桿
圖2-3右旋蝸桿
蝸桿還有單頭和多頭之分。
圖2-4 蝸桿頭數(shù)
圓柱蝸桿 環(huán)面蝸桿 圓錐蝸桿
圖2-5
2-2圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸
1. 模數(shù)m和壓力角α
中間平面:通過蝸桿軸線并與蝸輪軸線垂直的平面。是蝸桿的軸面,是蝸輪的端面
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(dòng)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(dòng)相當(dāng)于齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)。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αa1應(yīng)分別等于蝸輪的端面模數(shù)mt2和端面壓力角αt2,即
ma1 =mt2 =m
αa1=αt2= α
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12-1。蝸輪分度圓直徑以d2表示。
在兩軸交錯(cuò)角為90°的蝸桿傳動(dòng)中,蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角γ應(yīng)與蝸輪分度圓上的螺旋角β大小相等旋向相同,即
γ=β
2. 傳動(dòng)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(shí),蝸輪轉(zhuǎn)過 z1 個(gè)齒( z1 / z2周)。因此,其傳動(dòng)比為
z1↑→g↑→效率 η↑,但加工困難。
z1↓→ 傳動(dòng)比 i↑,但傳動(dòng)效率 η↓。
常取,z1=1,2,4,6。 可根據(jù)傳動(dòng)比,參考表 12-2中的薦用值選取。z2= i z1 。 如 z2太小,將使傳動(dòng)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 z2=32~80。(Z1與Z2的薦用值表:12-2)
3. 蝸桿直徑系數(shù)q和導(dǎo)程角γ
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。
直徑d1與模數(shù)m的比值稱為蝸桿的直徑系數(shù)q。即:
d1 = q m≠z1m
當(dāng)模數(shù)m一定時(shí),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。
蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算
表2-1 蝸桿傳動(dòng)計(jì)算公式
標(biāo)準(zhǔn)中心距
徑向間隙
蝸輪螺旋角
蝸桿導(dǎo)程角
齒根圓直徑
齒頂圓直徑
齒根高
齒頂高
分度圓直徑
蝸輪
蝸桿
計(jì)算公式
符號
名稱
2.3 蝸桿傳動(dòng)的失效形式、材料和結(jié)構(gòu)
一、蝸桿傳動(dòng)的失效形式及材料選擇
1. 主要失效形式:膠合、磨損、點(diǎn)蝕等。
在潤滑良好的閉式傳動(dòng)中,若不能及時(shí)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(dòng)中,蝸輪輪齒的磨損尤其顯著。
2. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
1)閉式傳動(dòng):按蝸輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì);之后校核蝸輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度,并進(jìn)行熱平衡計(jì)算。
2)開式傳動(dòng):通常只計(jì)算蝸輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
3.常用材料
由于蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn),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(gè)整體(蝸桿軸),當(dāng)蝸桿的直徑較大時(shí),可以將軸與蝸桿分開制作。
圖2-6
無退刀槽,加工螺旋部分時(shí)只能用銑制的辦法。
圖2-7
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。
3.4 圓柱蝸桿傳動(dòng)的受力分析
蝸桿傳動(dòng)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。
1. 力的大小
當(dāng)兩軸交錯(cuò)角為90°時(shí),各力大小為:
式中:T2=T1iη,η為蝸桿傳動(dòng)的效率。
2.力的方向
當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí),各力方向判斷如下:
① 蝸桿上的圓周力 Ft1的方向與蝸桿轉(zhuǎn)向相反。
② 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。
③ 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)。
④ 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。
⑤ 蝸桿和蝸輪上的徑向力 Fr1 、Fr2的方向分別指向各自的軸心。
蝸桿傳動(dòng)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(jì)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(jì)算蝸桿傳動(dòng)的承載能力,而在選用許用應(yīng)力時(shí)適當(dāng)考慮膠合和磨損失效因素的影響,故其強(qiáng)度計(jì)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(dòng)只需對蝸輪輪齒進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
1. 蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
目的:防止“點(diǎn)蝕”和“膠合”失效。
強(qiáng)度條件:σH≤[σH]
以蝸桿蝸輪節(jié)點(diǎn)為計(jì)算點(diǎn),計(jì)算齒面接觸應(yīng)力 σH 。
校核公式:
設(shè)計(jì)公式:
上兩式 中KA 為載荷系數(shù),一般取KA=1.1~1.3。當(dāng)載荷平穩(wěn),蝸輪圓周速度 v2≤3m/s和 7級精度以上時(shí),取小值,否則取大值。
當(dāng)蝸輪材料為錫青銅時(shí),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(diǎn)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(dòng)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(shí),材料的強(qiáng)度較高,抗點(diǎn)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。
2. 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
目的:防止“疲勞斷齒”。
強(qiáng)度條件:σF≤[σF]
校核公式:
設(shè)計(jì)公式:
蝸桿的剛度計(jì)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(huì)影響正常的嚙合傳動(dòng)。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:
2.5 圓柱蝸桿傳動(dòng)的效率、潤滑和熱平衡計(jì)算
一、蝸桿傳動(dòng)的效率
與齒輪傳動(dòng)類似,閉式蝸桿傳動(dòng)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(dòng)箱體內(nèi)潤滑油的油阻損耗。其總效率為:
η=η1η2η3
其中最主要的是嚙合效率,當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí),嚙合效率可按螺旋傳動(dòng)的效率公式求出。
因此考慮 η2η3后,蝸桿傳動(dòng)的總效率為:
式中:γ為蝸桿導(dǎo)程角;ρ′為當(dāng)量摩擦角,ρ′=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(dòng)速度等有關(guān)
估計(jì)蝸桿傳動(dòng)的總效率時(shí),可取下列數(shù)值:
閉式傳動(dòng):z1=1 2 4
η=0.70~0.75 0.75~0.82 0.87~0.92
開式傳動(dòng):z1=1 、2 η=0.60~0.70
二、蝸桿傳動(dòng)的潤滑
目的:減摩、散熱。
潤滑油的粘度和給油方法可參照表11-5選取。
一般根據(jù)相對滑動(dòng)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(shí),常將蝸桿置于蝸輪之上,形成上置式傳動(dòng),由蝸輪帶油潤滑。
潤滑方式的選擇:
當(dāng)vs≤ 5~10 m/s時(shí),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(shí),采用蝸桿在上的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)vs > 10~15 m/s時(shí),采用壓力噴油潤滑。
圖2-8
蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算:
由于蝸桿傳動(dòng)效率低、發(fā)熱量大,若不及時(shí)散熱,會(huì)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(dòng)要進(jìn)行熱平衡計(jì)算。
熱平衡:在單位時(shí)間內(nèi),摩擦產(chǎn)生的熱量等與散發(fā)的熱量。
在閉式傳動(dòng)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;
αt——表面散熱系數(shù),根據(jù)箱體周圍通風(fēng)條件,一般取 αt =10~17W/(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(jì)算;
[△t]——溫差允許值,一般為 60~70℃。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:
⑴ 增加散熱面積 合理設(shè)計(jì)箱體結(jié)構(gòu),鑄出或焊上散熱片。
⑵ 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。
圖2-9
按蝸桿的外形分類:
圖2-10 圓柱蝸桿傳動(dòng)
圖2-11 環(huán)面蝸桿
圖2-12 錐蝸桿
第三章 蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 蝸桿傳動(dòng)類型的選擇
由GB/T10085—1988 的推薦,采用漸開線蝸桿(ZI)。
3.2 蝸桿選擇材料
考慮到蝸桿傳動(dòng)功率不大,速度只是中等,故蝸桿用45 鋼;因希望效率高些, 耐磨性好些, 故蝸桿螺旋齒面要求淬火,硬度為
45~55HBC。蝸輪用鑄錫青銅ZCuSn10P1,金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重
的有色金屬,僅齒圈用青銅制造,而輪芯用灰鑄鐵HT100 制造。
3.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
(1)確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2
設(shè)定T2=461608 N·mm
(2)確定載荷系數(shù)K
因工作載荷較穩(wěn)定,故取載荷分布不均勻系數(shù)Kβ=1;由表11-5
選取使用系數(shù)KA=1;由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,可取動(dòng)載系數(shù)KV=1.05;
則
K = KA × Kβ× KV
=1×1×1.05
=1.05
(3)確定彈性影響系數(shù)ZE
因選用的是鑄錫青銅蝸輪和鋼蝸桿相配,故ZE=160MPa1/2
(4) 確定接觸系數(shù)Zρ
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1 和傳動(dòng)中心距a 的比值d1/a=0.35,從圖11-18 中可查得Zρ=2.9
(5)確定許用接觸應(yīng)力[σH]
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫青銅ZCuSn10P1,金屬模鑄造,蝸桿螺旋齒
面硬度>45HRC,可從表11-7 中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力
[σH]′=268MPa。
工作壽命Lh 按300 個(gè)工作日,兩班制計(jì)算。每天工作十六小時(shí)!
Lh=300×20×8×16=96000h
應(yīng)力循環(huán)次數(shù):
N = 60jn2Lh
= 60×1×16.25×96000
= 1.0264×108
壽命系數(shù):
KHN= =0.7497
許用應(yīng)力:
[σH]= KHN×[σH]′
= 0.7497×268
= 200.9106MPa
(6)計(jì)算中心距
a≥ 3 2
2 E H KT ( Z Z /[σ ] ) ρ
=132.47mm
取中心距a=160mm,因i 蝸桿=20,故從表11-2 中取模數(shù)m=6.3mm,
蝸桿分度圓直徑d1=63mm。這時(shí)d1/a=0.39,從圖11-18
中可查得接觸系數(shù)Zρ′=2.75,因?yàn)閆ρ′﹤Zρ,因此以上計(jì)算結(jié)果可用。
3.4 蝸桿傳動(dòng)主要參數(shù)與幾何尺寸
(1)蝸桿
由表11-2 查得蝸桿頭數(shù)Z1=2 , 直徑系數(shù)q=10, 分度圓導(dǎo)程角γ=11°18′36″。
軸向齒距:
Pa=πm=3.14×6.3=19.782mm
齒頂圓直徑:
da1= d1+2ha*m=63+2×6.3=75.6mm
齒根圓直徑:
df1= d1-2m( ha*+ c*)
= 63-2×6.3×(1+0.2)
= 47.88mm
蝸桿軸向齒厚:
Sa= 0.5πm =0.5×19.782 = 9.891mm
法向齒厚:
Sn= Sa×cosγ = 9.699 mm
齒頂高:
ha1= ha*m = 6.3 mm
齒頂高:
hf1=( ha*+c*) m=7.56mm
(2) 蝸輪
由表11-2 查得蝸輪齒數(shù)Z2=41,變位系數(shù)x2=-0.1032
驗(yàn)算傳動(dòng)比:
i = Z2 /Z1=41/2=20.5
此時(shí)傳動(dòng)比誤差為(20.5-20)/20=2.5%是允許的。
蝸輪分度圓直徑:
d2 = m Z2=6.3×41=258.3mm
蝸輪喉圓直徑:
da2 = d2+2m(ha*+x2)
= 258.3+2×6.3×(1-0.1032)
= 269.600mm
蝸輪齒根圓直徑:
df2 = d2-2m(ha*-x2+ c*)
= 258.3-2×6.3×(1-0.1032+0.2)
=241.88mm
蝸輪齒頂高:
ha2= m(ha*+x2) = 5.650mm
蝸輪齒根高:
h f2= m(ha*-x2+ c*)= 8.525mm
蝸輪輪寬的確定:
B≤0.75da1=0.75×75.6=56.7mm
故取B=50mm.
(3) 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
當(dāng)量齒數(shù):
zv2 = z2/cos3γ
= 41/cos311.31°
=43.48mm
根據(jù)x2=-0.1032 和zv2=43.48,由圖11-19 查得YFa=2.48.螺旋角影響系數(shù)Yβ=1-γ/140°=0.9192
由表11-8 查得
蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力:
[σF]′=56MPa.
壽命系數(shù):
KFN= 9 106 /N =0.5995
許用彎曲應(yīng)力:
[σF]= KFN×[σF]′
= 0.5995×56
=33.57MPa
σF = 1.53K T2YFa Yβ/ d1 d2m
= 18.55MPa
因此,σF≤[σF],滿足彎曲強(qiáng)度條件。
3.5 蝸桿軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.5.1 初步確定軸的最小直徑
3.5.1蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.軸d I ??II 的值由帶輪的大小及聯(lián)接確定,裝配方案見圖2.2,采取一端固定一端游動(dòng)(蝸桿軸系溫升較高,跨距較大,這種結(jié)構(gòu)比較合適),固定端采用一對圓錐滾子軸承,游動(dòng)端采用圓柱滾子軸承。
圖3
2.根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度。
( 1 )為了滿足開式皮帶傳動(dòng)帶輪的軸向定位要求,I--II 軸段右端需制出一軸肩h=(0.07-0.1)dI--II,故取II--III 段的直徑dII--III=38mm。d III ??IV比dII--III 高出一個(gè)軸肩位置, 為了方便選取與軸承的配合, 取d III ??IV =40mm。
( 2 ) 蝸桿螺旋長度為( 蝸桿齒形部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)) l>=(11+0.06
Z2)m=84.798mm,取l=85mm. 與螺旋部分連接的軸段直徑d f -(2~
4)mm,取軸環(huán)與蝸桿螺旋部分之間的直徑為dIV--V=dVI--VII=70mm,其中d f =47.88mm。
( 3 )初選軸承
選用深溝球軸承和圓錐滾子軸承,圓錐滾子軸承成對安裝為固定
端,根據(jù)安裝段的直徑分別取30208 , 其規(guī)格為d×D×T=40mm×80mm×19.75mm。
( 4 )右箱體端蓋的厚度約為e=9.6mm,取其總尺寸度為24.6。得到
有段箱體內(nèi)壁到端蓋外側(cè)總長度為67.25mm,左右兩端對稱取左側(cè)與之相等,左側(cè)甩油盤與箱體內(nèi)壁對齊,且在Φ35 的直徑上,左側(cè)軸承的左端用彈性擋圈固定,彈性擋圈規(guī)格為:S=1.5mm,擋圈與軸肩距離n=3mm,所以可取得lIII--IV=33.5mm。取右側(cè)端蓋到帶輪距離為16.25mm,故lII--III=50mm。
( 5 )根據(jù)蝸輪的頂圓直徑取269,距箱體內(nèi)壁距離為12mm 箱體壁
厚10mm,再考慮到安裝端蓋的凸臺(tái)及墊片厚度,綜合考慮得螺旋部分
兩側(cè)的長度為lIV-V= lVI-VII=68.05mm。
3.確定軸上圓角和倒角尺寸。
參考表15-2,取軸端倒角為2×45°,圓角見圖,未注圓角為2mm。
第四章 校核計(jì)算
4.1 效率驗(yàn)算
已知γ=11°18′36″;φv=arctanfv, 與相對滑動(dòng)速度有關(guān)
Vs = πd1 n1/60×1000cosγ
= 3.14×63×267.650/60000/cos(11.31°)
= 1.0927m/s
從表11-18 中用插值法查得:
fv = 0.0441
φv = 2.4°
η=(0.95~0.96)tanγ/tan(γ+φv)
=0.783
因?yàn)棣?η3=0.78,滿足彎曲強(qiáng)度,因此不用重算。
減速器結(jié)構(gòu)的確定
為了節(jié)約有色金屬,蝸輪采用裝配式;蝸桿螺旋部分的直徑不大,
所以和軸作成一個(gè)整體,做成蝸桿軸。
蝸桿分度圓的圓周速度:
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)v<4-5m/s 時(shí)常將蝸桿放在下面,因此本方案采用蝸桿下置的設(shè)計(jì)方案。
4.2 蝸桿軸的粗校核:
蝸桿與蝸輪的受力大小相等,方向相反
F t = 834N
F a = 3109N
F r =1132N
豎直面內(nèi):如上圖
支反力: Fr = FNV1 +FNV 2
代入數(shù)值求得: F NV1 =224N F NV 2 =908N
求得彎矩為:
水平面內(nèi):如上圖
求支反力:
求得結(jié)果:
彎矩為:
扭矩:如上圖
T = 26262.8N.mm
總彎矩:
按彎扭組合,第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力取? =0.6
45#鋼的許用應(yīng)力即軸滿足彎扭強(qiáng)度要求,但是剩余部分較大, 故將材料改為Q235-A 更加合適, 許用應(yīng)力 。
4.3 蝸桿軸的精校核
1) 蝸桿軸的彎曲剛度校核
蝸桿軸簡化的力學(xué)模型中其跨距為
把階梯軸看成是當(dāng)量直徑為dv 光軸,然后再按材料力學(xué)中的公式計(jì)
算。
當(dāng)量直徑:
蝸桿撓度:
查表15-5 , 選用一般用途的軸, 得到其允許的撓度[y]=
(0.0003--0.0005)L=(0.0809—0.1214)mm,顯然,y<[y],故滿足
剛度要求,合適。
2)蝸桿軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核
軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角∮來表示,階梯軸扭轉(zhuǎn)角∮[單位
為(·)/m],計(jì)算公式為
,,分別表示階梯軸第i 段上所受扭矩、長度和極慣
性矩。
其中由于只有左半部分受扭矩,故:
L= 130.05mm,G=8.1×104Mpa
查表可得一般傳動(dòng)軸允許的撓度[? ]=0.5~1(·)/m
計(jì)算所得? =0.055(·)/m
顯然,? <[? ],故上述結(jié)果可
總結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
外文文獻(xiàn)原文:
外文文獻(xiàn)翻譯:
最后說明
由于每個(gè)部分有不同的人負(fù)責(zé),時(shí)間比較急,難免會(huì)有一些錯(cuò)誤。我們都會(huì)給你認(rèn)真的更改,合作愉快!??!
等你們向老師把具體的要求問清了,根據(jù)要求把你們的摘要,Abstract,總結(jié),等發(fā)給你們。
如果需要外文翻譯,最后你們打印說明書時(shí)也會(huì)發(fā)一份給你們,對于部分論文字?jǐn)?shù)不夠的不要緊在你們最后修改時(shí)會(huì)給你們添加好的,請放心?。?!
44
附錄二:外文翻譯
ZN型的環(huán)面蝸桿齒輪組的數(shù)學(xué)模型與蝸輪
齒工作面
陳冠宇a, Chung-Biau Tsayb
a機(jī)械工程學(xué)系, 國立交通大學(xué),新竹30010,臺(tái)灣,中華民國
b機(jī)械工程學(xué)系,明新科技大學(xué),信欣路1號,新竹 30401,臺(tái)灣,中華民國
文章信息:
文章歷史:
2008年9月18日收到
2009年1月13日收到訂正形式
2009年2月10日接受
2009年3月21 日提交網(wǎng)上
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