第七章 蜗杆传动 第一节 蜗杆传动的类型和特点蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成，用来传递空间两交错轴的运动和动力。
如图7-1所示。
通常两轴交错角为90°,蜗杆为主动件。
一、蜗杆传动的类型如图7-2所示，根据蜗杆的形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动（图a ），环面蜗杆传动（图b ）,和锥面蜗杆传动(图c )。
圆柱蜗杆传动，按蜗杆轴面齿型又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。
普通蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制，可分为阿基米德蜗杆（ZA 型）、渐开蜗杆（ZI 型）和法面直齿廓蜗杆（ZH 型）等几种。
如图7-3所示，车制阿基米德蜗杆时刀刃顶平面通过蜗杆轴线。
该蜗杆轴向齿廓为直线，端面齿廓为阿基米德螺旋线。
阿基米德蜗杆易车削难磨削，通常在无需磨削加工情况下被采用，广泛用于转速较低的场合。
图7-1蜗杆传动如图7-4所示，车制渐开线蜗杆时，刀刃顶平面与基圆柱相切，两把刀具分别切出左、右侧螺旋面。
该蜗杆轴向齿廓为外凸曲线，端面齿廓为渐开线。
渐开线蜗杆可在专用机床上磨削，制造精度较高，可用于转速较高功率较大的传动。
蜗杆传动类型很多，本章仅讨论目前应用最为广泛的阿基米德蜗杆传动。
二、蜗杆传动的特点(1)传动比大，结构紧凑。
单级传动比一般为10～40(<80)，只传动运动时（如分度机构），传动比可达1000。
(2)传动平稳，噪声小。
由于蜗杆上的齿是连续的螺旋齿，蜗轮轮齿和蜗杆是逐渐进入啮合又逐渐退出啮合的，故传动平稳，噪声小。
(3)有自锁性。
当蜗杆导程角小于当量摩擦角时，蜗轮不能带动蜗杆转动，呈自锁a) b) c) 图7-2蜗杆传动的类型状态。
手动葫芦和浇铸机械常采用蜗杆传动满足自锁要求。
(4)传动效率低。
蜗杆蜗轮啮合处有较大的相对滑动，摩擦剧烈、发热量大，故效率低。
一般η＝0.7～0.9，具有自锁性能的蜗杆效率仅0.4。
(5)蜗轮造价较高。
为了减摩和耐磨，蜗轮常用青铜制造，材料成本较高。
由上述特点可知：蜗杆传动适用于传动比大，传递功率不大，两轴空间交错的场合。
图7-3 阿基米德蜗杆图7-4渐开线蜗杆第二节蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算图7-5所示阿基米德蜗杆传动，通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面称为主平面（中间平面）。
在主平面上蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。
为了加工方便，规定主平面的几何参数为标准值。
一、蜗杆传动的基本参数1.蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i蜗杆头数z1,即为蜗杆螺旋线的数目。
蜗杆的头数一般取z1=1～6。
当传动比大于40图7-5 阿基米德蜗杆传动的几何尺寸或要求自锁时取z 1=1；当传动功率较大时，为提高传动效率取较大值，但蜗杆头数过多，加工精度难于保证。
蜗轮的齿数一般取z 2＝27～80。
z 2过少将产生根切；z 2过大，蜗轮直径增大，与之相应的蜗杆长度增加，刚度减小。
蜗杆传动的传动比i 等于蜗杆与蜗轮转速之比。
当蜗杆回转一周时，蜗轮被蜗杆推动转过z 1个齿（或z 1/z 2周），因此传动比为：1221z z n n i ==（７-1）式中：n 1、n 2分别为蜗杆和蜗轮的转速（r/min ）。
在蜗杆传动设计中，传动比的公称值按下列数值选取：5、7.5、10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、70、80。
其中10、20、40、80为基本传动比应优先选用。
z 1、z 2可根据传动比i 按表7-1选取。
表7-1 和的推荐值由于蜗杆传动在主平面内相当于渐开线齿轮与齿条的啮合，而主平面是蜗杆的轴向平面又是蜗轮的端面（见图7-5），与齿轮传动相同，为保证轮齿的正确啮合，蜗杆的轴向模数m a 1应等于蜗轮的端面模数m t 2；蜗杆的轴向压力角1a α应等于蜗轮的端面压力角2t α；蜗杆分度圆导程角γ应等于蜗轮分度圆螺旋角β，且两者螺旋方向相同。
即：βγααα=====2121t a t a mm m3.蜗杆的分度圆直径d 1和导程角β如图7-6所示，将蜗杆分度圆柱展开，其螺旋线与端平面的夹角γ称为蜗杆的导程角。
可得：11111γd mz d p z tg a =π=(7-2) 式中：p a 1为蜗杆轴向齿距(mm)；d 1为蜗杆分度圆直径（mm ）。
蜗杆的螺旋线与螺纹相似也分左旋和右旋，一般多为右旋。
对动力传动为提高效率应采用较大的γ值，即采用多头蜗杆；对要求具有自锁性能的传动，应采用γ<033''︒的蜗杆传动，此时蜗杆的头数为1。
由式7-2得：mq tg z md =γ=11 (7-3) 式中：γ=tg z q 1称为蜗杆的直径系数，当m 一定时，q 值增大，则蜗杆直径d 1增大，蜗杆的刚度提高。
小模数蜗杆一般有较大的q 值，以使蜗杆有足够的刚度。
蜗杆与蜗轮正确啮合，加工蜗轮的滚刀直径和齿形参数必须与相应的蜗杆相同，为限制蜗轮滚刀的数量，d1亦标准化。
d1与m有一定的匹配如表7-2所示。
图7-6 分度圆柱展开图表7-2蜗杆基本参数（Σ= 90º）(摘自GB/T10085-88)4.中心距a蜗杆传动中，当蜗杆节圆与蜗轮分度圆重合时称为标准传动，其中心距为： )(21a 21d d +=（7-4） 规定标准中心距为40、50、63、80、100、125、160、（180）、200、（225）、250、（280）、315、（355）、400、（450）、500。
在蜗杆传动设计时中心距应按上述标准圆整。
二、蜗杆传动的几何尺寸计算标准阿基米德蜗杆传动主要几何尺寸计算公式如表7-3所示。
表7-3 阿基米德蜗杆传动的几何尺寸计算第三节 蜗杆传动的失效形式、设计准则、材料和结构一、蜗杆传动的失效形式和设计准则 1.齿面相对滑动速度v s蜗杆传动中蜗杆的螺旋面和蜗轮齿面之间有较大的相对滑动。
滑动速度v s 沿蜗杆螺旋线的切线方向。
如图7-7所示，v 1为蜗杆的圆周速度，v 2为蜗轮的圆周速度，作速度三角形得：γcos 12221v v v v s =+= (7-5) 较大的滑动速度v s ，对齿面的润滑情况、齿面的失效形式及传动效率都有很大的影响,其概略值如图7-8所示。
2.轮齿的失效形式和设计准则蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相似，有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损和胶合等，但由于蜗杆、蜗轮的齿廓间相对滑动速度较大、发热量大而效率低，因此传动的主要失效形式为胶合、磨损和点蚀。
由于蜗杆的齿是连续的螺旋线，且蜗杆的强度高于蜗轮，因而失效多发生在蜗轮轮齿上。
在闭式传动中，蜗轮的主要失效形式是胶合与点蚀；在开式传动中，主要失效形式是磨损。
综上所述，蜗杆传动的设计准则为：闭式蜗杆传动按齿面接触疲劳强度设计，并校核齿根弯曲疲劳强度，为避免发生胶合失效还必须作热平衡计算；对开式蜗杆传动通常只需按齿根弯曲疲劳强度设计。
实践证明，闭式蜗杆传动，当载荷平稳无冲击时，蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况多发生于齿数z 2 >80～100时，所以在齿数少于以上数值时，弯曲强度校核可不考虑。
二、蜗杆、蜗轮的材料和结构 1.蜗杆、蜗轮的材料选择根据蜗杆传动的主要失效形式可知，蜗杆和蜗轮材料不仅要求有足够的强度，更重要的是要具有良好的减摩性、耐磨性和抗胶合能力。
蜗杆一般用碳钢或合金钢制造。
对高速重载传动常用15Cr 、20Cr 、20CrMnTi 等，经渗碳淬火，表面硬度56～62HRC,须经磨削。
对中速中载传动，蜗杆材料可用45、40Cr 、35SiMn 等，表面淬火，表面硬度45～55HRC ，须要磨削。
对速度不高，载荷不大的蜗杆，材料可用45钢调质或正火处理，调质硬度220~270HBS 。
蜗轮材料可参考相对滑动速度v s 来选择。
铸造锡青铜抗胶合性、耐磨性好，易加工，允许的滑动速度v s 高，但强度较低，价格较贵。
一般ZCuSn10P1允许滑动速度可25m/s, ZCuSn5Pb5Zn5常用于v s <12m/s 的场合。
铸造铝青铜，如ZCuAl10Fe3,其减磨性和抗胶合性比锡青铜差，但强度高，价格便宜，一般用于v s ≤4m/s 的传动。
灰铸铁（HT150、HT200），用于v s ≤2m/s 的低速轻载传动中。
2.蜗杆、蜗轮的结构蜗杆常和轴做成一体，称为蜗杆轴，如图7-9所示（只有d f /d ≥1.7时才采用蜗杆齿圈套装在轴上的型式）。
车制蜗杆需有退刀槽，d=d f – (2~4)mm ，故刚性较差（图a ）；图7-7 蜗杆传动滑动速度图7-8 滑动速度v s 的概略值a ）b ）图7-9 蜗杆轴结构铣削蜗杆无退刀槽时d可大于d f (图b)，刚性较好。
蜗轮结构分为整体式和组合式两种，如图7-10所示。
图a)所示的整体式蜗轮用于铸铁蜗轮及直径小于100mm的青铜蜗轮。
图b)、c)、d)均为组合式结构，其中图b）为齿圈式蜗轮，轮芯用铸铁或铸钢制造，齿圈用青铜材料，两者采用过盈配合（H7/s6或H7/r6），并沿配合面安装4～6个紧定螺钉，该结构用于中等尺寸而且工作温度变化较小的场合。
图c）为螺栓式蜗轮，齿圈和轮芯用普通螺栓或铰制孔螺栓连接，常用于尺寸较大的蜗轮。
图d）为镶铸式蜗轮，将青铜轮缘铸在铸铁轮芯上然后切齿，适用于中等尺寸批量生产的蜗轮。
a) b) c) d)图7-10 蜗轮结构第四节蜗杆传动的强度计算一、蜗杆传动的受力分析蜗杆传动受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相似，齿面上的法向力F n可分解为三个相互垂直的分力：圆周力F t 、轴向力F a、径向力F r，如图7-11所示。
蜗杆为主动件，轴向力F a1的方向由左、右手定则确定。
图7-11为右旋蜗杆，用右手四指指向蜗图7-11 蜗杆传动受力分析杆转向，拇指所指方向就是轴向力F a1的方向。
圆周力F t 1与主动蜗杆转向相反；径向力F r 1指向蜗杆中心。
蜗轮受力方向，由F t 1与F a2、F a1与F t 2、F r 1与F r 2的作用力与反作用力关系确定（图7-11）。
各力的大小可按下式计算：112a 12d TF F t == N （7-6）2221a 2d TF F t == N (7-7)αtan 221t r r F F F == N (7-8)ηi T T 12= Nmm (7-9)式中：T 1、T 2分别为作用在蜗杆和蜗轮上的转矩，η为蜗杆传动的总效率。
二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度计算与斜齿轮相似，以赫兹公式为计算基础，按节点处的啮合条件计算齿面接触应力，可推出对钢制蜗杆与青铜蜗轮或铸铁蜗轮校核公式如下：221222212520520z d m kT d d kT H ==σ ≤ []H σ （7-10） 设计公式为： 12d m ≥[]222520⎪⎭⎫ ⎝⎛H z kT σ （7-11）式中：T 2为蜗轮轴的转矩，Nmm ；K 为载荷系数K =1～1.5,当载荷平稳相对滑动速度较小时（v S < 3m/s ）取较小值，反之取较大值，严重冲击时取K =1.5；[σH ]— 蜗轮材料的许用接触应力，MPa 。
