第十二章 蜗杆传动 第十四、十六章 轴 轴承

.,第十二章蜗杆传动,用于传递空间互相垂直轴之间的回转运动和动力；一般交错轴间的夹角90。,.,12-1蜗杆传动的特点和类型,传动原理可看作螺旋齿轮的衍生机构；或可看作螺旋传动。,.,蜗杆传动的特点,优点：传动比大。在动力传动中i=880，分度机构中可达1000。结构紧凑；传动平稳，蜗杆是连续不断的螺旋齿，蜗轮齿和它是逐步进入和退出啮合，同时啮合的齿又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低,.,蜗杆传动的特点,缺点：在啮合处具相对滑动速度较大。磨损大；效率较低；为减磨，蜗轮一般选青铜制造，成本高；功率一般在50KW以下。,.,蜗杆传动的类型,按蜗杆形状分圆柱蜗杆圆弧面蜗杆按旋向分右旋常用左旋,.,按其蜗旋面形状分阿基米德蜗杆渐开线蜗杆：垂直于轴的截面内为渐开线,.,蜗杆传动的常用精度,7级精度适用蜗杆圆周速度7.5m/s；8级精度适用蜗杆圆周速度3m/s；9级精度适用蜗杆圆周速度1.5m/s。,.,12-2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算,一、蜗杆传动的主要参数1.模数和压力角主平面通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面。主平面内蜗杆蜗轮的啮合相当于齿轮与齿条啮合。主平面内蜗轮齿廓为渐开线。,.,标准模数和压力角,蜗杆传动在主平面内模数和压力角为标准值；设计计算以主平面内的参数和几何关系为准；标准模数蜗杆轴向模数，蜗轮端面模数；表12-1。标准压力角为20蜗杆轴向压力角、蜗轮端面压力角。,.,蜗杆传动正确啮合条件,交错轴间的夹角90：模数和压力角分别相等；蜗杆中圆柱上的导程角=蜗轮分度圆上的螺旋角，且旋向相同。,.,2.传动比、蜗杆头数、蜗轮齿数,传动比蜗杆头数z1：取1传动比大，效率较低，可能自锁；取2、4传动效率高，用于大功率传动。蜗轮齿数z2：大于26避免根切；不宜大于80避免蜗杆跨度大,刚度小，影响啮合精度。,.,3、蜗杆直径系数q和导程角,q=d1/m为减少滚刀型号并使之标准化，限制蜗杆直径。,.,4、齿面间相对滑动速度,在节点啮合时，沿齿向的滑动速度。相对滑动速度大小影响：润滑；齿面失效形式；发热；传动效率。,.,5.中心距a,未变位蜗杆传动中心距为：,.,二、几何参数计算,蜗杆传动的几何尺寸计算公式，见表12-3。在主平面内定义各几何参数。,.,12-3蜗杆传动的失效形式、材料和结构,一、蜗杆传动的失效形式及材料选择主要失效形式：胶合：发热油稀不利于润滑胶合；疲劳点蚀；磨损。,.,避免失效的措施：,合理的选择材料；必要的强度计算；有效的润滑和散热。,.,材料选择,要求：足够的强度；良好的减摩耐磨性和抗胶合能力。常采用青铜作蜗轮的齿圈与淬硬磨削的钢制蜗杆相配。,.,材料选择,蜗杆：碳素钢或合金钢，表面光洁，硬度较高。铸铁。蜗轮：铸锡磷青铜，抗胶合抗磨好，较贵。锡锌铅青铜；铝铁青铜；铸铁。,.,蜗杆和蜗轮的结构,蜗杆绝大多数和轴做成一体蜗杆轴。,.,蜗轮结构,整体式；组合结构为节约贵金属。,.,12-4蜗杆传动的受力分析,法向力Fn可分解为轴向、切向和径向三个力。各力方向的判断方法同斜齿轮。各力的大小：,.,12-5蜗杆传动的强度计算,蜗杆传动中蜗杆材料强度一般高于蜗轮材料强度，失效一般发生在蜗轮轮齿上。齿面接触强度：设计公式,.,12-6蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算,一、蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的功耗轮齿的啮合功耗轴承的摩擦功耗主要功耗搅油功耗蜗杆传动的效率可根据螺旋传动的计算公式得到：,.,提高蜗杆传动效率的措施,提高导程角增加头数z1；减小当量摩擦角见表12-7提高蜗杆齿面硬度；提高齿面相对滑动速度。,.,.,二、蜗杆传动的润滑,润滑对于蜗杆传动是一个重要的问题，影响到其传动效率和早期失效润滑油的粘度和和给油方法主要是根据相对滑动速度和载荷类型进行选择，见表12-9。,.,三、蜗杆传动的热平衡计算,闭式蜗杆传动相对滑动速度大发热量大，若不及时散热油温升高，润滑失效轮齿磨损加剧，甚到胶合。因此对于连续工作的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算。,.,热平衡计算,热量通过箱体散出，且要求油温t与周围室温之差不大于允许值：温差允许值一般为6070C，且油温不超过90C,.,提高散热量的方法,增加散热面积A；提高散热系数kt。,.,小测验,斜齿轮和直齿轮比较有哪些优缺点？齿轮传动的强度条件是针对哪些失效形式？一般齿轮传动的H1H2，H1H2，F1F2；影响接触疲劳强度最大的几何参数是。影响弯曲疲劳强度最大的几何参数是。一对斜齿轮和蜗杆传动组成的传动如图所示，要想使轴上的轴向力最小，试确定斜齿轮1、斜齿轮2、蜗杆、蜗轮的旋向；并画出轴上斜齿轮和蜗杆各分力的方向。,n1,z1,z2,z3,z4,.,第十四章轴,用于支承作回转零件实现回转运动、传递转矩。,.,轴的分类（按受载类型分）,转轴同时受转矩和弯矩；传动轴只受转矩，不受弯矩；心轴只受弯矩，不受转矩；,.,轴的分类（按轴的形状分）,直轴曲轴挠性钢丝轴,.,轴的设计,根据工作要求：考虑制造工艺等因素，选择合适的材料；进行结构设计；经强度和刚度计算，定出轴的结构形状和尺寸；必要时还要考虑轴的振动稳定性。,.,14-2轴的材料,碳素钢35、45、50号等，具有较好的综合机械性能；45钢：应用最广泛，应进行正火或调质处理；不重要的轴也可用Q235。合金钢20Cr，20CrMnTi，27Cr2Mo1V，38CrMoAlA等，具有较高的机械性能，价格贵；合金钢对应力集中敏感性较大；铸铁球墨铸铁等，成本低，吸振性能好，对应力集中敏感性低，强度好。钢的种类和热处理方式对轴的刚度的影响较小。轴的刚度增加的有效措施增大轴的直径。,.,14-3轴的结构设计,原则：工艺性好加工、装拆工艺性好；定位轴和轴上的零件都要有一个准确的位置；固定各零件要可靠地相对（径向、轴向、周向）固定；减小应力集中。,.,一、工艺性要求,阶梯轴便于轴上零件的装拆。便于加工：轴端倒角砂轮越程槽退刀槽要求不同的加工面，要加以区分力求结构和尺寸简单,.,二、轴上零件的定位,轴肩套筒,.,三、轴上零件的固定,轴向固定轴肩；套筒；螺母；挡圈；压板；紧定螺钉；卡环,.,注意几点：,与轮毂相配合的轴段长度要略小于轮毂长度；轴肩过渡圆角半径小于轴上零件的圆角半径或倒角。,.,周向固定,键；花键；过盈配合。键应布置在同一直线上，便于加工；键长不能过长。,.,四、轴的各段直径和长度的确定,轴的各段直径应与轮毂的名义径向尺寸相同。直径应取圆整尺寸；装滚动轴承的轴颈按轴承的内直径选。轴的各段长度可根据轮毂的宽度和其他条件确定根据工作条件的精度要求合理地选择：公差配合；表面粗糙度。轴颈和轴头的同轴度。,.,五、减小应力集中,减小应力集中的多种结构：减少截面尺寸变化；变化处用圆角过渡，半径尽量大。,.,五、改善轴上的受力,.,14-4轴的强度计算,针对不同的受载状况，常用两种计算方法：按扭转强度计算；按弯扭合成强度计算。,.,一、按扭转强度计算,用于：只受扭转载荷的传动轴；可以估算承受弯扭载荷轴的直径。强度条件,.,式中：P轴传递的功率，kw；n轴的转速，rmin；许用切应力，MPa；见表14-2；C与轴材料有关的系数，可由表14-2查得。当轴上有键槽时，单键d增大3，双键d增大7。,.,二、按弯扭合成强度计算,常见的轴既受扭矩、又受弯矩作用。按第三强度理论计算危险截面上的应力其中M产生的其中T产生的则合成应力,.,强度条件,是根据转矩性质而定的应力校正系数。转矩T不变T为脉动循环T为对称循环取1；-1b0b+1b分别为材料在对称循环应力、脉动循环应力、静应力状态下的许用弯曲应力；其值可由表14-3选取。,.,具体计算步骤,（1）根据结构设计结果，确定外载荷作用点、大小、方向和支点位置，绘制轴的受力计算简图；（2）确定坐标系，将外载荷分解为水平面和垂直面内的分力，求出水平、垂直两平面的支反力；（3）绘制水平面、垂直平面的弯矩MV、MH图；,.,（4）计算合成弯矩,绘制合成弯矩图；（5）绘制转矩图；（6）按照强度理论，求出当量弯矩，绘制当量弯矩图；,.,(7)根据当量弯矩图确定危险截面，校核危险截面轴径d：设计式：式中：W轴的抗弯截面模量。,.,设计过程,初估轴径结构设计强度校核修改设计,.,14-5轴的刚度计算,对于重要的或有刚度要求的轴，应进行刚度计算。轴的刚度计算：弯曲刚度计算：yyy轴的挠度；y轴的许用挠度；轴的偏转角；轴的许用偏转角；扭转刚度计算：轴的扭转角；轴的许用扭转角。常用轴的变形许用值见表14-4。,.,14-6轴的临界转速,共振载荷的变化频率与轴的自振频率相同或接近时。临界转速发生共振现象时轴的转速。高转速的轴、受周期性外载荷的轴，须进行临界转速计算，使轴的自振频率与周期载荷的作用频率不同。,.,.,.,第十六章滚动轴承,.,16-1滚动轴承的基本类型和特点,滚动轴承是标准件；功用：在径向、轴向支承固定轴系；使轴系在在周向回转自如。,.,滚动轴承优缺点,优点：起动力矩小。宽度小，轴向结构紧凑。大多数滚动轴承能同时受径向和轴向载荷。消耗润滑剂少，便于密封，易于维护。成批生产，成本较低,.,缺点：,承受冲击载荷能力较差。高速重载荷下轴承寿命较低。振动及噪声较大。,.,轴承类型,接触角滚动体与外圈接触处的法线和垂直于轴承轴心线的平面间的夹角。,.,轴承类型,按滚动体的形状分球轴承滚子轴承圆柱圆锥球面滚针,.,常用轴承的类型和特性,.,.,.,选择滚动轴承的类型应考虑：,滚动体的轴承的工作载荷：载荷大小；载荷性质；载荷方向；轴承转速；内、外圈允许角偏斜；尺寸、性价比等。,.,球轴承适用于转速较高、载荷不大、要求旋转精度高的场合。滚子轴承适用于转速较低、载荷较大或有冲击载荷的场合。角接触球轴承、圆锥滚子轴承适用于轴承上同时受径向和轴向联合载荷；,.,16-2滚动轴承的代号,国标规定，轴承代号有三部分：前置代号基本代号后置代号类型代号尺寸系列代号内径代号,.,(2)前置代号用字母表示。(3)后置代号,后置代号共有8组，其顺序及含义分别为：5)公差等级代号有：/P0、P6、P6x、P5、P4、/P2；分别表示标准规定的0、6、6x、5、4、2公差等级；2级精度最高，0级最低，0级可以省略不写；如：6203、6203P6。,.,16-3滚动轴承的失效形式及选择,一、滚动轴承的失效形式通过轴心线的轴向载荷Fa作用于滚动轴承时各滚动体平均分担载荷；,.,轴承在纯径向载荷Fr作用下：,各滚动体承受载荷不同；处于Fr作用线最下位置的滚动体承载最大；远离作用线的各滚动体承载逐渐减小。内外圈相对转动的滚动轴承，每个滚动体所受的径向载荷是脉动循环变载荷。,.,失效形式及解决方法,疲劳点蚀寿命计算。永久变形静强度计算。磨损润滑和密封。胶合。破损等。,.,二、滚动轴承的寿命,滚动轴承的寿命滚动轴承的一个套圈或滚动体首次出现疲劳点蚀前，一个套圈相对天另一套圈的转数。轴承寿命的可靠度R一组相同的轴承在一定条件下能达到或超过规定寿命的百分率。,.,额定寿命L，单位：百万转,一组相同型号轴承在相同条件下运转，其可靠度为90%时，能达到或超过的寿命。90%的轴承在发生疲劳点蚀前能达到或超过该寿命。对于单个轴承，在达到此寿命前不发生破坏的概率为90%。,.,额定动载荷C,基本额定动载荷C额定寿命L=1百万转，可靠度为90%时，轴承所能承受的载荷。径向基本额定动载荷Cr向心轴承的寿命试验结果。轴向基本额定动载荷Ca推力轴承的寿命试验结果。Cr、Ca值可由产品目录或机械设计手册查得。,.,轴承寿命计算公式,试验表明P当量动载荷，N。寿命系数：球轴承为3；滚子轴承为10/3。,.,寿命公式的修正,ft温度系数。温度大于100时，缩短寿命，修正C。可查表16-8。fF载荷系数。工作中冲击振动，修正P。可查表16-9。各种机器中的滚动轴承的预期寿命可查表16-10。,.,三、当量动载荷P的计算,向心轴承只承受纯径向载荷Fr时径向当量动载荷：Pr=Fr推力轴承只能受纯轴向载荷Fa时轴向当量动载荷：Pa=Fa当轴承既承受径载荷Fr又承受轴向载荷Fa时径向当量动载荷：Pr=XFr+YFaX、Y可由产品目录或机械设计手册查得。,.,四、角接触向心轴承轴向载荷的计算,角接触轴承的结构存在接触角；当承受纯径向载荷Fr时，各滚动体法向反力可分解为：内部轴向力Fs；径向力与Fr相等。Fs方向由轴承外圈的宽边指向窄边。Fs的近似值可由表16-12求。,.,轴承应用,为了平衡，须成对使用；安装方式：面对面；背靠背。,.,角接触轴承轴向力Fa的计算,计算时，除要计入轴向外载荷FA，须内部轴向力Fs计入。若FAFs2Fs1轴承1（压紧），Fa1=FAFs2；轴承2（放松），Fa2=Fs2；,.,角接触轴承轴向力Fa的计算,若FAFs2Fs1,即Fs1FAFs2轴承1（放松），Fa1=Fs1；轴承2（压紧），Fa2=Fs1FA；,.,角接触轴承轴向力Fa的计算,被压紧轴承的轴向力为除其本身内部轴向力之外的所有轴向力之和，而被松轴承的轴向力为其自己的内部轴向力。将其自身的内部轴向力与另外所有的轴向力的合力比较，取其中较大者。,.,五、滚动轴承的静强度校核,转速很低或缓慢摆动的滚动轴承，不会产生疲劳点蚀，为防止滚动轴承产生过大的塑性变形，应进行静强度校核：,.,16-4滚动轴承的润滑和密封,润滑的目的：减磨减摩吸振降温,.,一、滚动轴承的润滑,滚动轴承的润滑剂：脂润滑、润滑油、固体润滑剂。滚动轴承的润滑方式可根据速度因数dn值，参考机械设计手册选择。d为轴颈直径，mm；n为工作转速，rmin。,.,滚动轴承的润滑方式,.,滚动轴承的密封,密封的目的：阻止润滑剂从轴承中流失；防止外界灰尘、水分等侵入轴承。,.,16-5滚动轴承的组合设计,保证轴系零部件正常工作的设计的内容：轴承的轴向定位、固定；轴承与其它零件的配合；间隙调整；装拆密封等。,.,一、轴承的固定,滚动轴承轴系轴向固定的目的：保证轴系能正常传递轴向力；轴系不发生轴向串动；轴系运转自如。轴向固定的方法：两端固定；一端固定一端游动。,.,1.两端（单向）固定,轴系中的每个轴承分别承受轴系一个方向的轴向力；限制轴系的一个方向的移动；两个支点的轴承合起来承受轴系双向的轴向力；限制轴系沿轴向双向移动。,.,两端固定,适用于工作温度变化不大的短轴。（一般跨距L400mm）。轴承安装时应留有：0.250.4mm的轴向间隙：用于允许轴工作时有少量热膨胀；结构图上不必画出间隙。,.,2.一端固定、一端游动,一个支点为固定端：承受轴系的双向轴向力；限制轴系的双向移动。另一个支点为游动端，使轴能沿轴向游动。,.,一端固定、一端游动,一端双向固定、一端游动适用于：较长的轴；工作温度变化大的轴。,.,一端固定、一端游动,游动轴承内圈应与轴轴向固定。游动轴承外圈不轴向固定。圆柱滚子轴承作游动支点时：轴承外圈要与机座作轴向固定；靠滚子与外圈间的游动，实现轴的自由伸缩。,.,二、轴承组合的调整,1.轴承间隙的调整：垫片调整、螺钉调整。,.,2.轴承的预紧,增加轴承刚度；提高旋转精度；