7.3认识齿轮传动及蜗杆传动（课件）-《汽车机械基础》同步教学（航空工业出版社）

任务三 认识齿轮传动及蜗杆传动 齿轮传动和蜗杆传动在汽车中的应用 齿轮传动是汽车中应用最广的传动方式，它能在空间任意两轴之间传递运动和动力，并实现变速和变矩。例如，汽车变速器大量使用了齿轮传动；部分汽车方向机中使用了齿轮齿条传动。蜗杆传动可看作一种特殊的齿轮传动，常用于汽车方向机，如图所示。那你知道齿轮传动和蜗杆传动是如何实现运动和动力传递的吗？与带传动和链传动相比，齿轮传动和蜗杆传动有哪些特点？让我们一起来学习齿轮传动和蜗杆传动的相关知识吧！ 任务描述 任务目标 拆装桑塔纳2000汽车变速器输入轴和输出轴总成，观察内部齿轮组的结构特点及传动路线，了解变速器的工作原理，学习齿轮传动的相关知识。 了解齿轮传动的特点、类型及应用。 掌握标准直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸的计算。 掌握渐开线齿轮啮合的特点及传动比的计算。 了解齿轮传动的失效形式及齿轮常用材料。 熟悉轮系的类型、应用及定轴轮系传动比的计算。 了解蜗杆传动的特点、类型及传动比的计算。 能正确拆装桑塔纳2000汽车变速器总成。 一、齿轮传动的特点与类型 齿轮是一种有齿的机械零件，两个相互啮合的齿轮可组成一个齿轮副。利用齿轮副来传递运动和动力的传动方式称为齿轮传动。齿轮传动是最基本也是最常用的机械传动方式，广泛应用于汽车、船舶、机床、起重机械、矿山机械、轻工机械和仪器仪表等行业中。 1．齿轮传动的特点 齿轮传动具有广泛的应用是因为它具有以下优点。 ① 传动比准确，可靠性高。 ② 传动效率高，工作寿命长。 ③ 结构紧凑，传动装置占用空间小，可在空间任意两轴之间传递运动和动力。 ④ 传动的功率、速度和尺寸范围大。齿轮传动的速度最高可达300 m/s，传递功率可从几瓦到十几万千瓦，齿轮直径可从几毫米到几十米。 齿轮传动的不足之处在于：加工齿轮需要专用的设备，故制造成本高；安装精度要求较高，否则会出现较大的振动和噪声；不适用于两轴中心距较大的传动场合。 2．齿轮传动的类型 齿轮传动的种类很多，通常可按照齿轮轴线位置、齿轮外形、轮齿方向及啮合情况等进行分类。常用齿轮传动的类型、特点及应用如表7-3-1所示。 表7-3-1 常用齿轮传动的类型、特点及应用 表7-3-1（续） 表7-3-1（续） 齿轮上的齿廓形状有多种，主要分为渐开线齿廓、摆线齿廓和圆弧齿廓等。本节将介绍其中应用最广的渐开线齿廓齿轮。 1．渐开线齿廓的形成 渐开线的形成过程如图7-3-2（a）所示。在一个半径为、圆心为O的圆盘上绕一根棉线，棉线的一端固定在圆盘的外边缘，另一端栓着一支铅笔。拉紧线头从点A逐渐展开，铅笔尖在纸上画出一条曲线，这条曲线就称为渐开线，圆O称为基圆。将齿轮每个齿的两侧都制成渐开线形状，即可得到渐开线齿轮，如图7-3-2（b）所示。齿轮渐开线齿廓上任意一点的受力方向与该点的运动方向（即线速度方向）之间所夹的锐角称为该点的压力角，用符号a表示。 二、渐开线直齿圆柱齿轮的参数及几何尺寸计算 （a）渐开线的形成 （b）渐开线齿廓 2．渐开线直齿圆柱齿轮各部分的名称 图中所示为渐开线直齿圆柱外啮合齿轮的一部分。根据国标GB/T 3374.1—2010的规定，齿轮各部分的名称和代号如表7-3-2所示。 渐开线直齿圆柱外啮合齿轮示意图 表7-3-2 渐开线直齿圆柱齿轮各部分的名称 通常所说的齿轮齿厚、齿槽宽和齿距是指分度圆上（即时）的齿厚、齿槽宽和齿距，分别用s，e，p表示。显然有p = s+e。 3．渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数 国标规定齿轮分度圆上的参数作为齿轮的基本参数，除了齿厚、齿槽宽及齿距外，齿轮的基本参数还包括齿数、模数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数。 齿数 齿轮圆周上轮齿的总数量称为齿数，用z表示。 模数 齿轮分度圆的直径d与齿数z、齿距p之间存在关系：pd = zp，即 上式表示了齿轮分度圆直径与齿数的关系，为了便于设计、制造、安装以及考虑互换性的要求，通常将 p/p 规定为标准值，称为齿轮的模数，用m表示，其单位为mm。模数m与齿距p之间满足下列关系： 模数m是决定齿轮尺寸的基本参数，m越大，齿距p越大，轮齿就越大，齿轮的承载能力也越强。国标GB/T 1357—2008规定了标准模数系列，如表7-3-3所示。 表7-3-3 标准齿轮模数系列（摘自GB/T 1357—2008） ① 表中模数适用于渐开线直齿轮和斜齿轮，对于斜齿轮是指法向模数。 ② 表中模数为部分摘选，优先选用第一系列，其次是第二系列，括号内的模数尽量不用。 压力角 由渐开线的形成原理可知，渐开线齿廓上各点的压力角不相同。国家标准规定，渐开线齿廓在分度圆上的压力角为标准压力角，简称压力角，用a表示，其大小 a = 20*。 齿顶高系数和顶隙系数 齿顶高ha与模数m的比值称为齿顶高系数，用符号ha*表示。 一对齿轮啮合时一轮的齿顶与另一轮的齿根之间沿半径方向的间隙称为顶隙，用c表示。顶隙能够避免一个齿轮的齿顶与另一个齿轮的齿根在啮合时发生碰撞，还可用于储存润滑油，减小啮合时的摩擦。 顶隙与模数之间的比值称为顶隙系数，用符号c*表示。ha*和c*均已标准化，对于正常齿制：h*=1，c*=0.25；短齿制：ha*=0.8，c*=0.3。齿根高的计算公式为: 4．渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸 当齿轮的模数m、压力角a、齿顶高系数ha*和顶隙系数c*均取标准值，且分度圆上的齿厚s与齿槽宽e相等时，则该齿轮称为标准齿轮。标准齿轮中，有: 标准直齿圆柱外啮合齿轮的几何尺寸计算公式如表7-3-4所示。 表7-3-4 标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算公式 1．渐开线直齿圆柱齿轮正确啮合的条件 一对渐开线直齿齿轮能连续顺利地传动，必须要求各对轮齿依次正确啮合而互不干扰。即要求一个齿轮的齿厚无侧隙地啮入另一个齿轮的齿槽，则一个齿轮的齿厚等于另一个齿轮的齿槽宽，即 p m1/2=p m2/2，故m1=m2。同时，为保证两齿轮在啮合点处有一条公法线，使啮合线为一条直线，两齿轮的压力角必须相等，即a1=a2。 因此，一对渐开线直齿圆柱齿轮正确啮合的条件是两齿轮的模数和压力角分别相等，即: 三、齿轮传动正确啮合的条件及传动比计算 2．齿轮传动的传动比 齿轮传动中，主动齿轮与从动齿轮的转速之比称为传动比，用i表示。传动比i的计算公式为: n1，n2 —主、从动齿轮的转速，单位为r/min； z1，z2 —主、从动齿轮的轮齿数。 1．斜齿圆柱齿轮传动 与直齿轮传动相比，斜齿轮传动具有承载能力强、传动平稳、冲击及噪声小、结构紧凑等特点，故广泛应用于大功率、高速齿轮传动中。汽车变速器传动齿轮普通采用的是斜齿圆柱齿轮，如图所示。 四、其他常用齿轮传动简介 桑塔纳2000汽车变速器输入轴和输出轴齿轮 斜齿圆柱齿轮齿廓面的形成与啮合特点 如图所示，假定平面S沿圆柱作纯滚动，S平面上与圆柱母线AA平行的直线KK在空间形成渐开线柱面，即可得到直齿齿廓。斜齿齿廓的形成与此类似，如图所示，只是S平面上的直线KK应与圆柱母线成一定角度b b，所得到的齿轮称为斜齿圆柱齿轮。 直齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成 斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成 直齿齿轮啮合时，齿面接触线是等长的，如图所示，这表明轮齿的承载和卸载具有突发性，容易引起振动和冲击，不适合高速传动；斜齿齿轮啮合时，齿面接触线由短变长，又由长变短，如图所示，表明轮齿承受的载荷逐渐增大后再逐渐减小。因此，斜齿轮传动的承载能力强，传动平稳、冲击及工作噪声小。 斜齿圆柱齿轮的基本参数 斜齿轮的主要参数有螺旋角、模数、压力角（包括法向压力角和端面压力角）。 若将斜齿圆柱齿轮沿分度圆柱面展开，将得到一个矩形，分度圆上的螺旋线变为一组斜直线，如图所示。斜直线与齿轮轴线所夹的锐角称为螺旋角，用b 表示。螺旋角的大小表示轮齿的倾斜程度，其值越大，传动的平稳性越高，但斜齿轮传动时产生的轴向力也越大，故螺旋角b 不能过大，一般取 b = 8*~20*。斜齿轮上螺旋线的倾斜方向称为斜齿轮的旋向，与螺纹相似，也有左旋和右旋之分，具体可由右手螺旋定则进行判断，如图所示。右手张开伸直，使手心朝向自己，四指指向齿轮的轴线方向，若大拇指的指向与齿形方向一致，则齿轮为右旋；反之则为左旋。 斜齿圆柱齿轮展开示意图 斜齿圆柱齿轮的旋向 21 斜齿圆柱齿轮正确啮合的条件 与直齿圆柱齿轮传动类似，一对斜齿圆柱齿轮啮合时，必须要求两个斜齿轮的模数和压力角分别相等；此外还要求两轮的螺旋角相互匹配，即大小相等，外啮合时旋向相反，内啮合时旋向相同，即: 式中“-”表示两斜齿轮的轮齿旋向相反，用于外啮合；“+”表示两斜齿轮的轮齿旋向相同，用于内啮合。 2．齿轮传动的传动比 前面几节介绍的直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮都只能在平行的两轴之间进行传动，对于相交轴之间运动和动力的传递，则需要用到锥齿轮传动。锥齿轮传动中，两轴线之间的夹角称为轴交角，用∑表示。常见的轴交角为∑= 90*。锥齿轮的轮齿分布在圆锥表面上，齿形从大端到小端逐渐缩小。根据轮齿方向不同，锥齿轮分为直齿锥齿轮和曲齿锥齿轮，如图所示。 （a）直齿锥齿轮传动 （b）曲齿锥齿轮传动 锥齿轮传动 设计、制造简单，应用广泛，如汽车驱动桥中的行星齿轮和半轴齿轮等，如图所示。 直齿锥齿轮 承载能力强，传动过程平稳，适用于高速重载的场合，如汽车驱动桥中的主减速器齿轮，如图所示。 曲齿锥齿轮 桑塔纳2000汽车主减速器和差动器总成 1．齿轮的失效形式 齿轮在传动过程中失去工作能力的现象称为齿轮的失效。齿轮常见的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损及齿面塑性变形等。各种失效的原因、后果及预防措施如表7-3-5所示。 五、齿轮的失效形式与常用材料 表7-3-5 齿轮常见的失效形式 表7-3-5（续） 2．齿轮的常用材料 根据对齿轮失效形式的分析可知，齿轮材料应满足以下要求：齿面具有较高的硬度，以抵抗齿面的磨损、胶合及塑性变形；齿芯具有足够的韧性，以抵抗冲击载荷的作用；具有良好的加工工艺性，以获得良好的表面质量和加工精度。为提高齿轮的力学性能，还需要对材料进行适当的热处理。齿轮常用的材料有锻钢、铸钢、铸铁及非金属材料等。 具有强度高、韧性好、便于制造和热处理等优点，大多数齿轮都采用锻钢制造。汽车传动齿轮的常用材料有45钢、40Cr，20CrMnTi等。 锻钢 多用于制造直径大于400 mm、结构复杂而不易锻造的齿轮，常用的牌号有ZG270-500，ZG340-640等。铸钢制造的齿轮毛坯内应力较大，在精加工前需进行正火或回火处理。 铸钢 2．齿轮的常用材料 根据对齿轮失效形式的分析可知，齿轮材料应满足以下要求：齿面具有较高的硬度，以抵抗齿面的磨损、胶合及塑性变形；齿芯具有足够的韧性，以抵抗冲击载荷的作用；具有良好的加工工艺性，以获得良好的表面质量和加工精度。为提高齿轮的力学性能，还需要对材料进行适当的热处理。齿轮常用的材料有锻钢、铸钢、铸铁及非金属材料等。 具有强度高、韧性好、便于制造和热处理等优点，大多数齿轮都采用锻钢制造。汽车传动齿轮的常用材料有45钢、40Cr，20CrMnTi等。 锻钢 多用于制造直径大于400 mm、结构复杂而不易锻造的齿轮，常用的牌号有ZG270-500，ZG340-640等。铸钢制造的齿轮毛坯内应力较大，在精加工前需进行正火或回火处理。 铸钢 常用牌号有HT200，QT600-3等，内部石墨具有自润滑作用，但抗弯强度和抗冲击能力较低，一般用于制造开式、低速轻载、冲击较小的大尺寸齿轮。 铸铁 如塑料、尼龙、夹布胶木等，适用于高速、低载、小功率及要求低噪声的传动场合。 非金属材料 六、轮系的类型、作用及传动比的计算 在工程实际中，一对相互啮合的齿轮往往很难满足复杂的传动要求，此时需要使用由一系列相互啮合的齿轮组成的传动系统，简称为轮系。轮系能够实现长距离传动、变速及换向运动、大传动比传动以及运动的分解和合成。汽车中广泛采用各种轮系来实现减速、增速、变速或换向等功能。 1．轮系的分类 按照传动时齿轮轴线是否固定，轮系可分为定轴轮系和周转轮系。 传动时，各齿轮的几何轴线相对于机架都处于固定状态的轮系。按照各齿轮轴线是否平行，定轴轮系又可分为平面定轴轮系和空间定轴轮系，如图所示。 定轴轮系 （a）平面定轴轮系 （b）空间定轴轮系 定轴轮系 传动时，至少有一个齿轮的几何轴线相对机架的位置不固定的轮系。周转轮系主要由太阳轮、行星轮、行星架和机架组成，如图所示。 周转轮系 1—太阳轮；2—行星轮；3—行星架；4—机架 周转轮系 2．定轴轮系传动比的计算 轮系中主动轮与从动轮的转速之比称为该轮系的传动比，用i表示。通常在i的右下角标注两个角标来区别主、从两轮。例如，i15表示齿轮1与齿轮5的转速之比，即i15 = n1/n5。通常情况下，计算轮系的传动比时，既要计算传动比的大小又要确定从动轮的转动方向。 定轴轮系中齿轮的转向判断 当一对圆柱齿轮啮合时，其传动比为i = n1/n2 = ±z1/z2。其中，正号表示两轮转向相同，负号表示转向相反。由此推广，用正负号来表示各轮轴线相互平行轮系中主、从动轮的转向关系：两轮转向相同时用正号表示，转向相反时用负号表示。 除了正负号外，普通轮系中各轮转向的关系可用箭头法来表示。外啮合的两个齿轮转向相反，可用一对反向箭头表示，如图（a）所示；内啮合的两个齿轮转向相同，可用一对同向箭头表示，如图（b）所示；锥齿轮传动的两个齿轮，可用一对同时背离或指向啮合处的箭头来表示实际转向，如图（c）所示。 （a）平行轴外啮合传动 （b）平行轴内啮合传动 （c）锥齿轮传动 一对齿轮啮合时的转动方向 定轴轮系传动比大小的计算 对于一般定轴轮系，设轮1为主动轮，K为从动轮，则轮系传动比为: m—轮系中外啮合齿轮的对数。 例1 在如图所示的平面定轴轮系中，齿轮1为主动轮，齿轮5为从动轮，已知各齿轮的齿数为z1=18，z2=24，z2'=18，z3=20，z4=27，z4'=18，z5=54。试求传动比i15，并判断各齿轮的转向。 解： 该轮系为定轴轮系，可计算传动比的大小，计算结果的正负号代表从动轮5的转向。 计算结果为负号，表示从动轮5的转向与主动轮1的转向相反。各齿轮的转向可用箭头表示，如图所示。 齿轮3既是主动轮，又是从动轮，它的齿数在计算传动比时被约去，不影响传动比的大小，只起改变转向的作用。像齿轮3这样不影响传动比大小，只改变传动方向的齿轮称为惰轮。 七、蜗杆传动简介 蜗杆传动是在齿轮传动的基础上发展起来的一种机械传动方式，与齿轮传动相比，蜗杆传动具有大传动比和自锁性等特点，在机械中具有广泛的应用，如汽车转向机等。 1．蜗杆传动的作用、特点和类型 蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成，主要用于空间两交错轴之间运动和动力的传递，如图所示。通常蜗杆与蜗轮的轴线在空间交错成90°，一般以蜗杆为主动件，蜗轮为从动件。 蜗杆传动的组成 与齿轮传动相比，蜗杆传动具有结构紧凑、传动比大、传动平稳、噪声小、可实现自锁等优点；但蜗杆传动的效率较低，蜗轮与蜗杆之间摩擦较大，易发热、磨损快。为降低摩擦并减小磨损，提高传动效率和工作寿命，蜗轮通常选用价格昂贵的青铜合金等材料，因此使用成本较高。 蜗杆传动中，只能由蜗杆带动蜗轮转动，反之由蜗轮带动蜗杆则无法转动。这一特性称为蜗杆传动的自锁性。 根据蜗杆外部形状的不同，蜗杆传动可分为圆柱面蜗杆传动、圆弧面蜗杆传动和锥面蜗杆传动三种，如图所示。 （a）圆柱面蜗杆传动 （b）圆弧面蜗杆传动 （c）锥面蜗杆传动 蜗杆传动的类型 按照螺旋面的形状，圆柱面蜗杆又可分为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆和法向直廓蜗杆。阿基米德蜗杆又称普通圆柱蜗杆，其端面齿廓是阿基米德螺旋形，轴向齿廓是梯形，具有加工方便、承载能力强等优点，在机械传动中应用最广。 2．蜗杆传动装置传动比的计算 蜗杆传动中，可将蜗杆的头数和蜗轮的齿数看作齿轮传动的齿数。因此，蜗杆传动可以参照齿轮传动来计算传动比，即: n1，n2—蜗杆、蜗轮的转速； z1，z2—蜗杆头数、蜗轮齿数。 是指蜗杆分度圆柱上螺旋线的条数，用z1表示。z1越小，传动比越大，且越容易实现自锁，但传动效率将随之降低，摩擦发热量增大；z1越大，传动效率越高，但传动比将变小，且加工困难，故一般取z1=1，2，4，6。 蜗杆的头数 可根据z2 = iz1确定。若z2太小，蜗杆传动的平稳性将变差，且蜗轮容易产生根切；若z2太大，蜗轮直径将增大，与之啮合的蜗杆长度将增加，导致刚度下降。通常取z2=28~80。 蜗轮的齿数 3．蜗杆传动装置的传动方向 蜗杆传动时，蜗轮与蜗杆的旋向应保持一致，即同为左旋或右旋。具体可通过右手定则进行判断，如图所示，右手张开伸直，使手心朝向自己，四指指向蜗杆或蜗轮的轴线方向，若大拇指的指向与齿形方向一致，则蜗杆或蜗轮为右旋；反之则为左旋。 （a）右旋蜗杆 （b）右旋蜗杆 （c）左旋蜗杆 蜗杆或蜗轮旋向的判定方法 为了正确地利用蜗杆传动，需要确定蜗轮的回转方向。蜗轮的回转方向与蜗杆的旋向和回转方向有关，具体可通过左（右）手定则来判定。其中，左旋蜗杆用左手，右旋蜗杆用右手，如图所示，伸出手掌，四指沿着蜗杆回转方向弯曲，大拇指伸直代表蜗杆轴线，与大拇指指向相反的方向即为蜗轮上啮合点的线速度方向。 蜗轮回转方向的判定方法 谢谢观赏 $$