汽车机械基础第15章蜗杆传动

第第1515章章 蜗杆传动蜗杆传动蜗杆杆传动是利用是利用蜗轮和和蜗杆的相互杆的相互啮合来合来传递运运动和和动力的机械力的机械传动方式，具有方式，具有传动比大和能比大和能够自自锁等特点。等特点。蜗杆杆传动在汽在汽车上上的的应用比用比较广泛，例如，托森差速器利用广泛，例如，托森差速器利用蜗轮蜗杆的相互杆的相互啮合以合以及扭矩及扭矩单向地从向地从蜗轮传动到到蜗杆杆齿轮的特点的特点实现了差速了差速锁止功能，止功能，如如图15-1（a）所示。又如，汽）所示。又如，汽车机械式机械式转向机相当于一个向机相当于一个蜗杆杆传动箱，将方向箱，将方向盘的旋的旋转运运动转变为控制控制车轮的直的直线运运动，如，如图15-1（b）所示。）所示。蜗轮蜗杆（a）托森差速器（b）蜗轮蜗杆转向机第第1515章章 蜗杆传动蜗杆传动15.1 蜗杆传动概述蜗杆传动概述蜗杆杆传动是一种在空是一种在空间交交错轴之之间传递运运动和和动力的力的传动方式，交方式，交错轴的的夹角通常角通常为 ，适用于，适用于间断性的工作断性的工作场合。合。蜗杆杆传动主要由主要由蜗杆、杆、蜗轮和机架和机架组成，如成，如图15-2所示。所示。蜗杆蜗轮机架15.1.2 蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型根据根据蜗杆外部形状的不同，杆外部形状的不同，蜗杆杆传动可分可分为圆柱面柱面蜗杆杆传动、圆弧面弧面蜗杆杆传动和和锥面面蜗杆杆传动三种，如三种，如图15-3所示。所示。15.1.3 蜗杆传动的特点蜗杆传动的特点 传动比大，比大，结构构紧凑。凑。蜗杆杆传动具有具有结构构紧凑、体凑、体积小、重小、重量量轻等等优点。点。传动过程平程平稳，几乎没有噪声。，几乎没有噪声。能能实现自自锁。当。当蜗杆的螺旋升角足杆的螺旋升角足够小小时，蜗杆杆传动中将只中将只能由能由蜗杆杆带动蜗轮转动，而不能由，而不能由蜗轮带动蜗杆杆转动，这种特性种特性称称为自自锁性。性。传动效率低。效率低。蜗杆杆传动中，中，蜗轮与与蜗杆之杆之间产生生剧烈的摩擦，烈的摩擦，能量能量损失大，一般效率失大，一般效率为70%80%。当。当蜗杆杆传动具有自具有自锁性性时，其其传动效率不足效率不足50%。制造成本制造成本较高。高。15.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数普通圆柱蜗杆传动的主要参数 和几何尺寸和几何尺寸普通普通圆柱柱蜗杆杆传动的示意的示意图如如图15-4所示，通所示，通过蜗杆杆轴线且垂直且垂直于于蜗轮轴线的平面称的平面称为中中间平面。中平面。中间平面既是平面既是蜗杆的杆的轴向截面，向截面，又是又是蜗轮的端面。在中的端面。在中间平面内，平面内，蜗杆杆传动啮合的情形相当于合的情形相当于渐开开线齿条和条和齿轮之之间的的啮合，因此合，因此圆柱柱蜗杆杆传动的主要参数和几的主要参数和几何尺寸均以中何尺寸均以中间平面平面为基准。基准。由于由于蜗轮是利用与是利用与蜗杆尺寸相同的杆尺寸相同的蜗轮滚刀配刀配对加工而成的，加工而成的，为限制限制滚刀的数目，国刀的数目，国标为每一个每一个标准模数准模数规定了一定数目的定了一定数目的标准准蜗杆分度杆分度圆直径直径d1。d1与模数与模数m的比的比值称称为蜗杆的直径因数，用符号杆的直径因数，用符号q表示。表示。15.2.1 普通圆柱蜗杆传动的主要参数普通圆柱蜗杆传动的主要参数为保保证蜗轮与与蜗杆正确杆正确啮合，合，蜗杆的杆的轴面模数面模数ma1、压力角力角 应与与蜗轮的端面模数的端面模数mt2、压力角力角 分分别相等，且需按国相等，且需按国标的有关的有关规定定进行行取取值。1模数和模数和压力角力角2分度分度圆直径直径蜗杆的杆的头数（数（齿数）即数）即蜗杆螺旋杆螺旋线的数目，用符号的数目，用符号z1表示。通常表示。通常z1取取1，2，4，6。3蜗杆的杆的头数数图15-5所示所示为蜗杆的分度杆的分度圆柱及展开示意柱及展开示意图。蜗杆的螺旋面与分度杆的螺旋面与分度圆柱的交柱的交线称称为螺旋螺旋线，图示示蜗杆分度杆分度圆柱上有两条螺旋柱上有两条螺旋线，即，即 。相。相邻螺旋螺旋线之之间的的轴向距离称向距离称为齿距，用符号距，用符号pa1表示，同一条螺旋表示，同一条螺旋线上相上相邻两两齿间的的轴向距离称向距离称为导程，用符号程，用符号pz表示。表示。则15.2.1 普通圆柱蜗杆传动的主要参数普通圆柱蜗杆传动的主要参数蜗轮齿数用符号数用符号z2表示。表示。z2不宜太小，否不宜太小，否则容易降低容易降低传动的平的平稳性；性；z2也不宜也不宜过大，否大，否则在模数一定在模数一定时，蜗轮直径将增大，并引起与之直径将增大，并引起与之啮合合蜗杆杆长度的增加，从而降低度的增加，从而降低蜗杆的弯曲杆的弯曲刚度。度。4蜗轮的的齿数数5导程角程角（a）蜗杆分度圆柱 （b）展开图螺旋螺旋线与与蜗杆杆轴端面的端面的夹角称角称为蜗杆分度杆分度圆上的上的导程角，程角，简称称导程角，程角，用符号用符号 表示。表示。15.2.1 普通圆柱蜗杆传动的主要参数普通圆柱蜗杆传动的主要参数5导程角程角由由图中几何关系可知中几何关系可知根据根据导程角程角 的旋向，的旋向，蜗杆可分杆可分为左旋和右旋，通常情况下多左旋和右旋，通常情况下多为右旋。右旋。为保保证蜗轮与与蜗杆的正确杆的正确啮合，合，蜗杆的杆的导程角程角 与与蜗轮的螺旋角的螺旋角 应大小相等、旋向相同。当大小相等、旋向相同。当导程角程角 小于材料的当量摩擦角小于材料的当量摩擦角时，蜗杆杆传动即可即可实现自自锁，此，此时 。15.2.2 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸表15-1 普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式几何尺寸符号计算公式蜗杆分度圆直径d1蜗杆齿顶圆直径da1蜗杆齿根圆直径df1蜗杆直径系数q中心距a15.2.3 蜗轮与蜗杆的转向关系蜗轮与蜗杆的转向关系蜗杆杆传动中，中，蜗轮和和蜗杆的旋向杆的旋向应保持一致，即同保持一致，即同为左旋或右旋，具体左旋或右旋，具体可通可通过右手定右手定则来判定。右手的手心朝着自己，四指的指向与来判定。右手的手心朝着自己，四指的指向与蜗杆或杆或蜗轮的的轴线方向保持一致。若方向保持一致。若齿向与右手拇指指向一致，向与右手拇指指向一致，则代表代表该蜗轮或或蜗杆的旋向杆的旋向为右旋，如右旋，如图15-6（a），（），（b）所示；反之）所示；反之则代表左旋，如代表左旋，如图15-6（c）所示。）所示。蜗轮的回的回转方向与方向与蜗杆的旋向和回杆的旋向和回转方向有关，具体可通方向有关，具体可通过左（右）手左（右）手定定则来判定。左旋来判定。左旋蜗杆用左手，右旋杆用左手，右旋蜗杆用右手，四指沿着杆用右手，四指沿着蜗杆回杆回转方方向弯曲，大拇指伸直代表向弯曲，大拇指伸直代表蜗杆杆轴线，则与大拇指指向相反的方向即与大拇指指向相反的方向即为蜗轮上上啮合点的合点的线速度方向，如速度方向，如图15-7所示。所示。图15-6 蜗轮或蜗杆旋向的判断图15-7 蜗轮转向的判断15.3 蜗杆传动的材料蜗杆传动的材料 和结构、失效形式和结构、失效形式由由蜗杆杆传动的特点可知，的特点可知，蜗轮蜗杆的材料除了要求具有足杆的材料除了要求具有足够的的强度外，度外，还应具有良好的减摩性、耐磨性以及抗胶合的能力。由于具有良好的减摩性、耐磨性以及抗胶合的能力。由于蜗杆上杆上齿的的啮合次数多于合次数多于蜗轮，因此，因此蜗杆的杆的齿面硬度要比面硬度要比蜗轮高，高，较为理想的理想的蜗杆杆传动材料是青材料是青铜材料的材料的蜗轮匹配淬硬磨削的匹配淬硬磨削的钢制制蜗杆。杆。1蜗轮材料名称典型牌号抗拉强度适用滑动速度工作条件铸造锡青铜ZCuSn10P1220 MPa各类稳定载荷的重要场合铸造铝青铜ZCuAl10Fe3Mn2250 MPa中低载荷的场合灰铸铁HT200115 MPa低速场合2蜗杆蜗杆汽汽车维修机械中的修机械中的蜗杆一般杆一般选用碳用碳钢或合金或合金钢制造。制造。为提高表面硬度，提高表面硬度，需要需要对蜗杆杆进行适当的行适当的热处理。理。蜗杆常用杆常用钢材料的牌号、材料的牌号、热处理方法、理方法、齿面硬度及适用面硬度及适用场合如表合如表15-3所示。所示。材料名称牌号热处理方法齿面硬度适用场合渗碳钢20Cr，20CrMnTi渗碳淬火5863 HRC高速、大功率的重要传动场合表面淬火钢42CrNi，40Cr，45表面淬火4555 HRC平速度较高、功率较大的传动场合调质钢40，45调质220270 HBW低速、非重要场合15.3.2 蜗杆蜗轮的结构蜗杆蜗轮的结构由于直径不大，由于直径不大，蜗杆通常与杆通常与轴制成一个整体，称制成一个整体，称为蜗杆杆轴。根据。根据轴上螺上螺旋部分加工方法的不同，旋部分加工方法的不同，蜗杆杆轴可分可分为车削削蜗杆杆轴和和铣削削蜗杆杆轴，如，如图15-8所示。所示。1蜗杆的杆的结构构2蜗轮的结构蜗轮的结构蜗轮的的结构可分构可分为整体式和整体式和组合式两合式两类。当青。当青铜材料的材料的蜗轮直径直径（d100 mm）较小小时，通常采用整体，通常采用整体浇铸式式结构，如构，如图15-9（a）所示。）所示。当当蜗轮直径直径较大大时，为节约材料，常常采用材料，常常采用组合式合式结构，构，齿圈用青圈用青铜，轮芯用芯用铸铁或碳素或碳素钢。根据。根据齿圈与圈与轮芯芯连接方式的不同，接方式的不同，组合式合式蜗轮结构又可分构又可分为压配式、拼配式、拼铸式和螺栓式和螺栓连接式，如接式，如图15-9（b），（），（c），），（d）所示。）所示。（a）整体浇铸式 （b）压配式 （c）拼铸式 （d）螺栓连接式15.3.3 蜗杆传动的失效形式蜗杆传动的失效形式与与齿轮传动类似，似，蜗杆杆传动的形式有的形式有轮齿折断、折断、齿面点面点蚀、齿面磨面磨损以及以及齿面胶合等。由于在面胶合等。由于在蜗杆杆传动中，中，蜗轮与与蜗杆杆啮合合齿面面间的相的相对滑滑动速度很高，摩擦力速度很高，摩擦力较大，故大，故蜗杆杆传动最容易最容易发生的失效形式是生的失效形式是齿面磨面磨损和胶合。其中，和胶合。其中，闭式式蜗杆杆传动的主要失效形式是的主要失效形式是齿面胶合，开式面胶合，开式蜗杆杆传动的主要失效的主要失效形式是形式是齿面磨面磨损。15.4 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡蜗杆传动的效率、润滑和热平衡汽汽车中的中的蜗杆杆传动多多为闭式式传动，其，其传动效率效率为齿轮啮合效率合效率 对总效率效率 的影响最大，其大小的影响最大，其大小为工作条件闭式传动开式传动自锁传动65%50%70%80%90%96%15.4.2 蜗杆传动的润滑蜗杆传动的润滑蜗杆杆传动常用的常用的润滑方式有油池滑方式有油池润滑和滑和喷油油润滑。当滑滑。当滑动速度速度 时，蜗杆杆传动一般采用油池一般采用油池润滑。滑。为减少减少搅油油损失，失，蜗杆放置在杆放置在蜗轮下下方，且不宜浸油方，且不宜浸油过深，如深，如图15-10（a）所示。当滑）所示。当滑动速度速度 时，一般将一般将蜗杆放置在杆放置在蜗轮上方，如上方，如图15-10（b）所示。当）所示。当 时，蜗杆杆传动多采用多采用喷油油润滑，如滑，如图15-10（c）所示。）所示。15.4.3 蜗杆传动的热平衡蜗杆传动的热平衡热平衡是指在平衡是指在单位位时间内摩擦内摩擦产生的生的热量等于散量等于散发的的热量。在量。在闭式式传动中，要求箱体内的油温和周中，要求箱体内的油温和周围环境温度之差不超境温度之差不超过允允许值，即，即 箱体表面散箱体表面散热系数，系数，单位位为W/(m2)，一般取，一般取 ；如果如果实际温度差超温度差超过温度允温度允许差，差，则需要需要对蜗杆杆传动进行散行散热，具体可，具体可采用以下措施：采用以下措施：（a）（b）（c）在箱体外在箱体外蜗杆杆轴端加装端加装风扇，扇，进行人工通行人工通风，如，如图15-11（a）所示。）所示。在箱体内油池中安装蛇形在箱体内油池中安装蛇形水管，通入冷水水管，通入冷水进行降温，如行降温，如图15-11（b）所示。）所示。喷射射压力油力油进行循行循环润滑滑降温，如降温，如图15-11（c）所示。）所示。