蜗轮蜗杆受力分析

２０１３年第２期　张娟：蜗杆传动中蜗杆和蜗轮转向的判定及轮齿受力分析　２５　蜗杆传动中蜗杆和蜗轮转向的判定　

（中吴（大连）化工研究设计院有限公司，辽宁大连　１１６０２３）　摘要：通过对蜗杆传动中蜗杆和蜗轮转动方向的判断，对轮齿的受力进行了分析，解决了蜗杆和蜗　轮在啮合节点处的受力方向的问题。　关键词：蜗杆传动；蜗杆；蜗轮；啮合点；轴向力；圆周力；径向力；左、右手法则　中图分类号：ＴＨ　１３２．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００５—８３７０（２０１３）０２—２５—０３　蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，它用于传递空间　交错的两轴之间的运动和动力，通常蜗杆为主动件。　运动可以是增速或减速，最常用的是两轴交错角的　减速运动。螺旋方向可以是右旋或左旋，一般多取　右旋，蜗杆和蜗轮的螺旋线方向必须一致。由于蜗　杆传动的震动、冲击和噪声均很小，工作较平稳，能　以单级传动获得较大的传动比，结构紧凑，可以自　锁，所以在机床、汽车、冶金、矿山、起重机械设备以　及纯碱行业等的传动系统中得到了广泛的应用。例　如在机床工业中，蜗杆传动几乎成为一般低速转动　工作台和分度机构最常用的传动形式；在起重机械　中，各种提升设备、电梯和自动扶梯等都采用了蜗杆　传动；在纯碱行业中澄清桶的减速和提升装置也都　采用了蜗杆传动。因此正确判断蜗杆传动转动方　向、受力方向是非常重要的。　１　常见的蜗杆传动的类型　根据蜗杆的形状不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗　杆传动、环面蜗杆传动。根据齿面形状不同，圆柱蜗　杆传动又分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆　传动（ＺＣ型）两类，其中普通圆柱蜗杆传动又分为阿　基米德圆柱蜗杆（ＺＡ型）、法向直廓圆柱蜗杆（ＺＮ　型）、渐开线圆柱蜗杆（ＺＩ型）和锥面包络圆柱蜗杆　（ＺＫ型）四种传动形式。环面蜗杆传动分为平面一　次包络环面蜗杆（ＴＶＰ型）、平面二次包络环面蜗杆　（Ｔ０Ｐ型）和直廓环面蜗杆（球面蜗杆）（ＴＳＬ型）三　种传动形式。　２蜗杆传动中蜗杆和蜗轮转动方向的　判定　蜗杆和蜗轮的转动方向的判定用“主动轮左、右　手法则”，即根据主动件螺旋线的旋向来决定是用左　手法则还是右手法则，如果是左旋则用左手法则，是　右旋则用右手法则。如图１（ａ）所示，蜗杆的旋向为　右旋，蜗杆的转向为垂直纸面向里，则根据右手法　则，四指顺着蜗杆的转向握住蜗杆，大拇指指向的相　反方向即为蜗轮在啮合点处线速度的方向（水平向　右），由此便可确定蜗轮的转向为逆时针旋转。反过　来，如果知道蜗轮螺旋线的旋向和转向同样也可以　确定蜗杆的转向。如图１（ｂ）所示，根据右手法则判　断出蜗杆的转向为逆时针旋转。如果知道蜗杆和蜗　轮的转向，也可以判断出蜗杆和蜗轮的螺旋线的旋　向，如图１（ｃ）所示，判断出蜗杆和蜗轮的旋向为左　旋。（注：图中双点划线为所求结果）

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摘　要：蜗轮蜗杆机构在具备一定条件后就会具有较好的自锁性，但是传动机构却会出现失效的状态。通过对失效的机理进行分析得出结论，同时对驱动制动装置的功能作用进行深入分析。关键词：自锁 摩擦角 螺旋升角蜗轮蜗杆自锁失效原因分析张天才 河南省新乡市第134厂高群永 上海宝钢集团 一、 轧钢作业时立辊轧机的主要功能轧钢作业时立辊轧机的主要功能有两个：其一是对板坯进行宽度方向侧压、其二是限制穿带板坯的宽度方向的延展。其传动机构为马达驱动蜗轮蜗杆推动立辊开度变化。在传动设备中，因为蜗轮蜗杆机构具备良好的自锁性而应用于广泛。但是在实际运用的过程中存在这种情况：当马达驱动蜗轮蜗杆传动时，当在承载过程中如果马达制动机构失效的时候，立辊开度就无法保持，这就意味着蜗轮蜗杆的自锁性能丧失了。蜗轮蜗杆机构一般都具备良好的自锁性，而为什么此蜗轮蜗杆机构的自锁性会失效呢，本文着重论述影响其自锁性的因素。二、自锁原理蜗轮蜗轮传动时，当蜗杆的螺旋升角γ小于摩擦角ψ时（γ∠ψ），该机构具有很好的自锁性。如图1所示：摩擦力F达到最大值Fmax时，这时的夹角也达到最大值ψ,把ψ定义为摩擦角。tanψ=F/N=μN/N=μ 摩擦角ψ的正切等于静摩擦系数。因为根据力平衡与分解可得：当主动力R在摩擦角之内，其与法线（N方向）夹角小于摩擦角ψ，法向分力必于与N平衡，同时切向分力则必小于最大静摩擦力，摩擦力F未达到最大值，则力系平衡。如果作用于物体的主动力R的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总有一个全反力R＇与之平衡，物体保持静止；反之，如果主动力R的作用线在摩擦角之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。这种与力大小无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件。因此，对应于蜗轮蜗杆机构的传递性质分析：蜗杆的螺旋升角γ，蜗轮作用于蜗杆上的力始终为竖直方向，主作用力与法线夹角也为γ，根据自锁原理，若存在自锁则摩擦角必须涵盖于γ，即存在γ∠ψ，此为蜗轮蜗杆的自锁条件。

蜗轮蜗杆受力分析练习题

蜗轮蜗杆是机械传动系统中常用的一种传动装置，它通过螺旋线的副动件与螺旋线的主动件之间的啮合来传递力矩和转速。在实际的应用中，对于蜗轮蜗杆的受力分析是非常重要的，它涉及到材料的使用、装配的精度、安全性等方面。

首先，我们来讨论一个简单的蜗轮蜗杆传动系统。假设蜗轮的压力角为α，蜗杆的半锥角为β，蜗轮的齿轮系数为γ。现在，我们需要计算蜗轮和蜗杆的受力情况。

根据蜗轮和蜗杆的设计参数，我们可以得到蜗轮蜗杆的几何参数。然后，利用几何参数和传动比，我们可以计算蜗杆的转矩和蜗轮的力矩。这些力矩包括径向力矩、切向力矩和轴向力矩。

在设计过程中，我们需要确定蜗杆的强度。蜗杆的强度是通过材料的强度和几何尺寸来确定的。当蜗杆受到力矩作用时，它会受到弯曲应力和剪切应力的影响。因此，我们需要根据受力情况来计算蜗杆的强度。

接下来是蜗轮的受力分析。蜗轮的受力分析包括齿根处和齿顶处的受力情况。齿根处的受力主要包括切向力和径向力，而齿顶处的受力主要包括切向力和轴向力。

在实际应用中，我们需要考虑到蜗杆和蜗轮的轴向力。当蜗轮和蜗杆安装在机械设备中时，由于传动力矩的作用，会产生轴向力。这些轴向力需要通过轴承来承受和传递。 除了受力分析，我们还需要考虑蜗轮和蜗杆的疲劳寿命。由于蜗轮和蜗杆在传动过程中会不断受到变向载荷，因此需要对其疲劳寿命进行评估。通过疲劳寿命的分析，我们可以判断蜗轮蜗杆传动系统是否能够满足设计的要求。

最后，我们需要对蜗轮蜗杆传动系统进行安全性评估。在传动过程中，由于材料的疲劳损伤、装配精度的误差等因素，会导致蜗轮和蜗杆的磨损和失效。因此，我们需要通过安全性评估来确保传动系统的可靠性和安全性。

总之，蜗轮蜗杆的受力分析是机械设计中非常重要的一部分。在实际应用中，我们需要考虑到蜗轮和蜗杆的几何参数、材料的强度、受力情况、疲劳寿命和安全性等因素。只有通过全面的受力分析，我们才能设计出更加可靠和安全的蜗轮蜗杆传动系统。

蜗轮蜗杆受力分析

蜗轮蜗杆是一种常用的传动装置，广泛应用于机械工程中。在进行蜗轮蜗杆的受力分析时，需要考虑以下几个方面：蜗轮蜗杆受力、力的传递路径、材料的应力和变形等。

首先要对蜗轮蜗杆的受力进行分析。蜗轮蜗杆传动时，通过蜗杆的螺旋线与蜗轮的齿面配合，使蜗轮绕自身轴线旋转并传递力矩。在这个过程中，蜗轮和蜗杆分别承受轴向力和径向力。轴向力是由于蜗杆的螺旋线对蜗轮齿面的作用，使蜗杆的轴向力沿蜗杆轴线方向产生，而蜗轮受到等大反向轴向力。径向力是由于蜗轮的齿面曲率半径与蜗杆螺旋线的半径差导致的，在传动过程中使得蜗轮和蜗杆受到径向力，造成受力状态的变化。

其次，要对力的传递路径进行分析。蜗轮蜗杆传动的力矩是由蜗杆传递给蜗轮的，在传递过程中遵循力的平衡原理。蜗杆上的力矩通过轴承传递给蜗杆轴承座，再通过蜗杆轴承座传递给机架。而蜗轮上的力矩则通过蜗轮轴承传递给蜗轮轴承座，再通过蜗轮轴承座传递给机架。这样，蜗轮和蜗杆上的力矩同时传递到机架上，实现了力的平衡。

最后，要考虑材料的应力和变形对蜗轮蜗杆的影响。传动过程中，蜗轮和蜗杆上的受力会导致材料的应力产生变化，甚至会引起材料的变形。在进行蜗轮蜗杆设计时，要考虑到材料的强度和刚度等因素，以确保蜗轮蜗杆的可靠性和稳定性。

总结起来，蜗轮蜗杆的受力分析是一个复杂的过程，需要综合考虑受力、力的传递路径、材料的应力和变形等因素。只有在合理的受力分析基础上进行设计，才能确保蜗轮蜗杆的正常运转和长期使用。