圆柱蜗杆传动强度计算和刚度验算

圆柱蜗杆传动的破坏形式,主要是蜗轮轮齿表面产生胶合、点蚀和磨损,而轮齿的弯曲折断却很少发生。因此,通常多按齿面接触强度计算。只是当z2>80~100时,才进行弯曲强度核算。可是,当蜗杆作传动轴时,必须按轴的计算方法进行强度计算和刚度验算

圆弧圆柱蜗杆传动的轮齿弯曲强度较接触强度大得更多。故一般不进行轮齿弯曲强度计算

表1               圆柱蜗杆传动强度计算和刚度验算公式

项    目

普通圆柱蜗杆传动

圆弧圆柱蜗杆传动

接触强度

设计公式

接触强度

校核公式

弯曲强度

校核公式

 

刚度验算公式

说          明

——见表蜗杆的基本尺寸和参数,查得m和q的值

σHp——许用接触应力,N/mm2,视材料取,对于锡青铜蜗轮:σHp=σHbpZsZN

σHbp——N=107时蜗轮材料的许用接触应力,N/mm2,见表2,对于其他材料的蜗轮直接查表3

Zs——滑动速度影响系数,由图1查得

ZN——寿命系数,由图3查得

σFp——许用弯曲应力,N/mm2,σFp=σFbpYN

σFbp——N=106时蜗轮材料的许用弯曲应力,N/mm2,由表2查得

YN——寿命系数,由图3查得

T2——蜗轮轴传递的转矩,N·m

Y2——蜗轮齿形系数,由图2查得

K——载荷系数,设计计算时:K=1.1~1.4,当载荷平稳、蜗轮圆周速度υ2≤3m/s及7级精度以上时,取较小值,否则取较大值。校核计算时:

K=K1K2K3K4K5K6

K1——动载荷系数。当υ2≤3m/s时,K1=1,υ2>3m/s时,K1=1.1~1.2

K2——啮合质量系数,由表4查取

K3——小时载荷率系数,由图4查取

K4——环境温度系数,由表5查取

K5——工作情况系数,由表6查取

K6——风扇系数。不带风扇时,K6=1,带风扇时,由图5查得

Kz——齿数系数,由图6查得

KgL——几何参数系数,由图7查得

I——蜗杆中央部分惯性矩

E——弹性模量,N/mm2

L——蜗杆两端支承点距离,mm

y1——蜗杆中央部分挠度,mm

表2                蜗轮材料为N=107时的许用接触应力σHbp

蜗轮材料为N=106时的许用弯曲应力σFbp            N·mm-2

蜗轮材料

铸造

方法

适用的滑

动速度

υs/m·s-1

力学性能

σHbp

σFbp

σs

σb

蜗杆齿面硬度

一侧

受载

两侧

受载

≤350HB

>45HRC

ZCuSn10Pb1

砂 模

金属模

≤12

≤25

137

196

220

310

180

200

200

220

50

70

30

40

ZCuSn5Pb5Zn5

砂 模

金属模

≤10

≤12

78

200

110

135

125

150

32

40

24

28

ZCuAl10Fe3

砂 模

金属模

≤10

196

490

540

见表3

80

90

63

80

ZCuAl10Fe3Mn2

砂 模

金属模

≤10

—

490

540

—

100

—

90

ZCuZn38Mn2Pb2

砂 模

金属模

≤10

—

245

345

60

—

55

—

HT150

砂 模

≤2

—

150

40

25

HT200

砂 模

≤2~5

—

200

47

30

HT250

砂 模

≤2~5

—

250

55

35

表3            无锡青铜、黄铜及铸铁的许用接触应力σHbp              N·mm-2

蜗 轮 材 料

蜗杆材料

滑动速度υs/m·s-1

0.25

0.5

1

2

3

4

6

8

ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2

钢经淬火*

—

245

225

210

180

160

115

90

ZCuZn38Mn2Pb2

钢经淬火*

—

210

200

180

150

130

95

75

HT200、HT150(120~150HB)

渗碳钢

160

130

115

90

—

—

—

—

HT150(120~150HB)

调质或淬火钢

140

110

90

970

—

—

—

—

注:标有*的蜗杆如未经淬火,其σHbP值需降低20%。

图1  滑动速度影响系数Zs

图2  齿形系数Y2

图3  寿命系数ZN及YN

注:N为应力循环次数。稳定载荷时:N=60n2t

变载荷时:

式中 t——总的工作时间,h;

n2——蜗轮转速,r/min;

ni,ti,T2i——分别为蜗轮在不同载荷下的转速,r/min;工作时间,h;和转矩,N·m;

T2max——蜗轮传递的最大转矩,N·m

表4                  啮合质量系数K2

 

传动类型

精度等级

啮    合    情    况

K2

 

普通圆柱蜗杆传动

7

8

9

啮合面积符合有关规定要求,啮合部位偏于啮出口

啮合面积符合有关规定要求,啮合部位偏于啮出口

啮合面积不符合有关规定要求,啮合部位不偏于啮出口

0.95~0.99

1.0

1.1~1.2

 

圆弧圆柱蜗杆传动

7

工作前经满载荷充分跑合,啮合面积符合有关规定要求,啮合部位在蜗轮齿顶偏啮出口呈“月牙形”

1.0

 

8,9

工作前经满载荷充分跑合,啮合面积不符合有关规定的要求,啮合部位不偏啮出口或不呈“月牙形”

a=63~150mm

1.1~1.2

 

a≥150~500mm

1.15~1.25

 

表5                    环境温度系数K4

 

蜗杆转速

/r·min-1

环境温度/℃

蜗杆转速

/r·min-1

环境温度/℃

 

0~25

25~30

30~35

35~40

40~45

0~25

25~30

30~35

35~40

40~45

 

1500

1.00

1.09

1.18

1.52

1.87

750

1.00

1.07

1.13

1.37

1.62

 

1000

1.00

1.08

1.16

1.46

1.78

500

1.00

1.05

1.09

1.18

1.36

 

图4  小时载荷率系数K3

注:1.。

2.小时载荷率以每小时工作最长时间计算。

3.当JC<15%时,按15%计算。

4.连续工作1h,取JC=100%。

5.转向频繁交替时,取工作时间之和。

图5  风扇系数K6

图6  齿数系数Kz

图7  几何参数系数KgL

 

表6                     工作情况系数K5

 

载荷性质

均匀、无冲击

不均匀、小冲击

不均匀、大冲击

 

启动次数/次·h-1

<25

25~50

>50

 

启动载荷

小

较大

大

 

K5

1.0

1.15

1.2