设计闭式蜗杆传动并进行热平衡计算的任务要点

由于蜗杆传动的特点，蜗杆副的材料不仅要求有足够的强度，更要有良好的跑合性、耐磨性和抗胶合的能力。因此，常采用青铜作蜗轮的齿圈，与淬硬磨削的钢制蜗杆相配。

一、蜗杆材料选择

蜗杆一般采用碳素钢或合金钢制造，要求齿面光洁并具有较高硬度。对于高速重载的蜗杆常用20Cr、20CrMnTi（渗碳淬火到56～62HRC），或40Cr、42SiMn、45（表面淬火到45～55HRC）等，并应磨削。一般蜗杆可采用45、40等碳素钢调质处理（硬度为220～250HBS），在低速或人力传动中，蜗杆可不经热处理，甚至可采用铸铁。

二、蜗轮材料选择

在重要的高速蜗杆传动中，蜗轮常用锡青铜（ZCuSn10P1）制造，它的抗胶合和耐磨性能好，允许的滑动速度可达25m／s；易于切削加工，但价格贵。在滑动速度vs＜12m／s的蜗杆传动中，可采用含锡量低的锡青铜（ZCuSn5Pb5Zn5）。铝青铜（ZCuAl10Fe3）有足够的强度，铸造性能好、耐冲击、廉价，但切削性能差、抗胶合性能不如锡青铜，一般用于vs＜6m／s的传动。在速度较低，如vs＜2m／s的传动中，可用球墨铸铁或灰铸铁。蜗轮也可用尼龙或增强尼龙材料制成。

做一做

分析任务3.4中蜗杆和蜗轮的选材，学生分组陈述不同材料的性能。

三、蜗杆传动设计

设计准则：对于闭式蜗杆传动，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。如果载荷平稳、无冲击，则可以只按齿面接触疲劳强度设计，不必校核齿根弯曲疲劳强度。

按齿面接触疲劳强度设计公式为

四、校核齿根弯曲疲劳强度

实践证明，蜗轮轮齿因弯曲疲劳强度不足而引起失效的情况较少，因此，针对本任务，该步骤可以不用进行。

五、验算蜗杆传动效率

（一）计算齿面滑动速度vs

蜗杆传动即使在节点P处啮合，齿廓之间也有较大的相对滑动。滑动速度vs沿着蜗杆螺旋线的切线方向。设蜗杆圆周速度为v1、蜗轮的圆周速度为v2，由图3－4－4可得

图3－4－4　蜗杆传动的滑动速度

滑动速度大小对齿面润滑情况、齿面失效形式、发热以及传动效率都有很大影响。

做一做

计算学习任务中蜗杆传动齿面滑动速度，并与前面估算的滑动速度相比较。

（二）传动效率验算

与齿轮传动类似，闭式蜗杆传动的功率损耗包括三部分：轮齿啮合的功率损耗、轴承摩擦损耗以及搅动箱体内润滑油的油阻损耗。因此，总效率为

η＝η1η2η3

由齿面滑动而引起的啮合损耗η1最大，即

式中：λ——蜗杆螺旋升角；

ρv——当量摩擦角，ρv＝arctanfv，如表3－4－7所示。

通常取η2·η3＝0.95～0.97。

表3－4－7　当量摩擦系数和当量摩擦角ρv

续表

做一做

计算传动效率，并与原估算值相比较，判断其是否合理。

六、热平衡计算

蜗杆传动由于摩擦损失很大、效率低，所以工作时发热量就很大。在闭式蜗杆传动中，如果产生的热量不能及时散出，将因油温不断升高而使润滑油黏度降低从而增大摩擦损失，导致齿面磨损加剧，甚至发生胶合。因此，对闭式蜗杆传动要进行热平衡计算，以将油温限制在规定的范围内。

单位时间内由摩擦损耗的功率产生的热量为

经箱体表面散发的热量的相当功率为

蜗杆传动的热平衡的条件为PS＝PC，即

式中：P1——蜗杆的输入功率，单位为kW；

η——蜗杆传动效率；

t0——箱体周围空气温度，单位为℃，常取t0＝20℃；

t1——当达到热平衡时，润滑油的温度，单位为℃；

KS——表面传热系数，单位为W／m2·℃，一般KS＝10～17W／（m2·℃）；

A——箱体散热面积，单位为m2，指内壁被油浸溅，而外壳与空气接触的箱壳外表面积，对于箱体上的散热片及凸缘的表面积可近似按50%计算，设计时，其散热面积可按下式估算：A＝0.33（a／100）1.75m2，a为中心距；

［t1］——齿面间润滑油允许的油温，通常取［t1］＝70℃～90℃。

当工作温度超过允许的范围时可采取相关措施散热，详见自主学习手册。

七、确定精度等级公差和表面粗糙度

考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB／T10089—2018圆柱蜗杆、蜗杆精度中选择8级精度，侧隙种类为f，可以从《机械设计手册》中查得要求的公差项目及表面粗糙度。

八、绘制蜗杆和蜗轮结构工作图(www.xing528.com)

蜗杆绝大多数和轴制成一体，称为蜗杆轴，如图3－4－5所示。螺旋部分常用车削加工，也可以用铣削加工。车削加工需有退刀槽，因此刚性较差。

图3－4－5　蜗杆轴

蜗轮可以制成整体式结构，如图3－4－6（a）所示。但为了节约贵重的有色金属，对大尺寸的蜗轮通常采用组合式结构，即齿圈用有色金属制造，而轮芯用钢或铸铁制成如图3－4－6（b）所示。采用组合结构时，齿圈和轮芯间可用过盈连接。为工作可靠起见，沿接合面圆周装上4～8个螺钉。为了便于钻孔，应将螺孔中心线向材料较硬的一边偏移2～3mm。这种结构用于尺寸不大而工作温度变化又较小的地方。轮圈与轮芯也可由铰制孔用螺栓来连接，如图3－4－6（c）所示，由于装拆方便，故常用于尺寸较大或磨损后需要更换齿圈的场合。对于成批制造的蜗轮，常在铸铁轮芯上浇铸出青铜齿圈，如图3－4－6（d）所示。

图3－4－6　蜗轮结构

做一做

（1）同学们分小组，按照上述设计步骤，对减速器中的普通圆柱蜗杆传动设计参数进行汇总。

（2）绘制蜗轮和蜗杆的工作结构图，填写技术要求，检查并签名。

（3）对减速器中齿轮传动采用的润滑方式进行分析和选择。

本任务配分权重表

设计带式运输机的闭式蜗杆传动。已知电动机功率P＝3kW，转速n＝960r／min，蜗杆传动比i＝21，工作载荷平稳，单向连续运转，每天工作8h，要求使用寿命为5年。

★新视野

优良性能设计技术

在传统性能设计的基础上，提出以提高机械产品综合性能为目的的设计技术，即在对机械及其零件进行材料、结构和尺寸设计的前提下，运用摩擦学及断裂力学等一系列科研成果，从个体设计到系统设计，并从深度和广度上拓展此项设计技术的内涵和外延。其主要内容如下：

可靠性设计和实验技术：该技术是综合众多学科成果以解决产品可靠性为出发点的一门应用工程技术，它研究的是产品和系统的故障原因、消除和预防等问题。

防疲劳断裂设计技术：该技术是研究在交变的外界因素如载荷、电场、温度等作用下，材料和结构在各种工作环境下抗破坏能力的一门学科。

系统动态设计技术：该技术是对结构动态特性，如固有频率、振型、动态响应、运动稳定性等进行分析、评价与设计，以使结构系统在工作过程中受到各种预期可能的瞬变载荷及环境作用时，仍然保持良好的动态性能与工作状态，并具有足够的稳定性。

摩擦学设计技术：该技术是以工程力学、流体力学、流变学、表面物理与表面化学等为主要理论基础，综合利用材料科学和工程热物理等学科的研究成果，以数值计算和表面技术为主要手段的边缘学科。它的基本内容是研究工程表面的摩擦、磨损和润滑问题。

一、知识巩固

对照本任务知识脉络图，梳理自己所掌握的知识体系，并与同学相互交流、研讨个人对某些知识点或技能技巧的理解，注重职业素养的提升。

二、拓展任务

（1）根据任务3.4的工作步骤及方法，利用所学知识，完成自主学习手册中的拓展任务。

（2）查阅机械制图常用技术要求，谈谈自己对技术要求的理解。

1.与齿轮传动相比，蜗杆传动有哪些优点？

2.按照蜗杆形状的不同，蜗杆传动可分为哪几种类型？为什么按蜗杆而不是按蜗轮形状分类？

3.为了提高蜗轮转速，能否改用相同分度圆直径、相同模数的双头蜗杆来替代单头蜗杆与原来的蜗轮啮合？为什么？

4.蜗杆传动比能否写成i＝d2／d1的形式？

5.分析影响蜗杆传动啮合效率的几何因素有哪些？

6.对于反向自锁的蜗杆传动，其蜗杆的蜗杆导程角γ与当量摩擦角φv应满足什么关系？

7.蜗杆传动的强度计算中，为什么只需计算蜗轮轮齿的强度？

8.锡青铜和铝铁青铜的许用接触应力［σH］在意义上和取值上各有何不同？为什么？

9.为什么对连续传动的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算？可采用哪些措施来改善散热条件？

10.标出题10图中未注明的蜗杆或蜗轮的转动方向及螺旋线方向，绘出蜗杆和蜗轮在啮合点处的各个分力。

题10图

11.在题11图所示的蜗杆传动中，蜗杆右旋、主动。为了让轴B上的蜗轮、蜗杆上的轴向力能相互抵消一部分，请确定蜗杆3的螺旋线方向及蜗轮4的转动方向，并确定轴B上蜗杆、蜗轮所受各力的作用位置及方向。

12.题12图所示为圆柱蜗杆—圆锥齿轮传动，已知输出轴上的圆锥齿轮z4的转速n4及转向，为使中间轴上的轴向力互相抵消一部分，在图中画出：

（1）蜗杆、蜗轮的转向及螺旋线方向。

（2）各轮所受轴向力方向。

13.题13图所示为一手动绞车，采用了蜗杆传动装置。已知蜗杆模数m＝10mm，蜗杆分度圆直径d1＝90mm，齿数z1＝1，z2＝50，卷筒直径D＝300mm，重物W＝1500N，当量摩擦系数fv＝0.15，人手推力F＝120N时，求：

（1）欲使重物上升1m，手柄应转多少转？并在图上画出重物上升时的手柄转向。

（2）计算蜗杆的分度圆柱导程角γ，当量摩擦角φv，并判断能否自锁。

（3）计算蜗杆传动效率。

（4）计算所需手柄长度l。

题11图

题12图

题13图