2-4 轮系（课件）《汽车机械基础》上好课（人交版·第5版)

2.4轮系 汽车机械基础 人教版·第五版 同步精品课堂—中职专业课 1 教学目标 知识目标 1.能够准确说出轮系的定义、三大功用。 2..能够掌握渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数及正确啮合条件 能力目标 1.能独立完成定轴轮系传动比的大小计算和末轮转向判。 2.能根据齿轮传动的工作条件（闭式软齿面、闭式硬齿面、开式）选择相应的设计准则。 情感目标 1.通过分析轮系在汽车变速器、差速器等关键部件中的实际应用，激发对汽车机械传动技术的兴趣。 2.养严谨细致的工程计算习惯和“安全第一、质量为本”的职业意识。 1、导入环节 2、知识讲授 3、师生互动 4、课后练习 5、课堂小结 6、课后作业 目录 教学引入 汽车发动机转速可达 6000 转/分钟 汽车车轮转速约为 1000 转/分钟 那么，问题来了： 发动机如此高的转速， 是如何“变成”适合驱动车轮的转速的呢？ 教学引入-答案在这里 01 / 关键系统 汽车发动机和车轮之间，存在一个关键的传动系统，它就是变速器。 02 / 核心组成 变速器内部包含大量精密齿轮，它们相互啮合，组成一个复杂的系统，我们称之为“轮系”。 03 / 基本功能 通过不同大小齿轮的组合，轮系能够实现转速和转矩的改变，满足不同工况下的行驶需求。 轮系视频讲解 轮系 由一系列相互啮合的齿轮所组成的传动系统，称为轮系。 作用 它可以将主动轴的运动和动力，通过中间的一系列齿轮，传递给从动轴。 轮系的三大功用 实现变速变矩 这是轮系最核心的功能。通过改变啮合齿轮的齿数比，可以改变输出轴的转速和转矩。 • 大齿轮带小齿轮：增速减矩 • 小齿轮带大齿轮：减速增矩 实现运动的换向 通过在传动系统中增加惰轮（过桥齿轮），或使用锥齿轮等特殊齿轮的空间组合，可以轻松改变从动轴的旋转方向，满足倒车、转向等功能需求。 实现动力的中断与结合 在轮系的适当位置设置离合器、制动器或超越离合器等控制装置，就可以根据实际 工况灵活控制动力的传递与否，实现动力的平顺结合或快速切断。 轮系的分类 根据轮系中各齿轮轴线的位置是否固定，轮系可以分为两大类： 01 / 定轴轮系 轮系中所有齿轮的轴线都固定不动。这类轮系结构简单，广泛应用于各类机械传动中，实现 变速、换向等功能。 02 / 行星轮系 轮系中至少有一个齿轮的轴线绕着另一个齿轮的轴线转动，这类绕中心轴线转动的齿轮被称为行星轮。常用于减速箱、汽车差速器等。 定轴轮系应用实例：汽车手动变速器 汽车手动变速器是机械工程中最经典、最常见的定轴轮系应用之一，其内部结构完全基于定轴轮系的基本原理设计。 换挡即改变齿轮啮合 驾驶员操作换挡杆，实际上是在物理改变不同齿轮对的啮合关系，从而改变系统的总传动比，实现不同的挡位切换。 挡位对应固定传动比 在任意一个选定的挡位下，参与啮合的齿轮组是固定的，因此该状态下的传动比是恒定 的，保证了动力输出的稳定性。 行星轮系应用实例 汽车自动变速器 广泛采用行星齿轮机构来实现自动换挡。通过控制不同部件的固定或制动，可以灵活组合出多种传动比，满足汽车在不同路况下的行驶需求。 汽车差速器 这是行星轮系在汽车上的巧妙应用。它允许汽车在转弯或行驶在不平路面时，左右驱动轮以不同的转速独立旋转，从而保证车轮始 终做纯滚动，避免轮胎磨损。 齿轮传动的优点 传动比恒定 能保证精确的传动比，传动平稳，冲击和振动小，运行噪音低。 效率高 机械传动中效率极高，一般圆柱齿轮传动效率可达 0.95 至 0.98，能量损耗低。 寿命长 主要由金属制成，结构坚固，抗冲击和耐磨损性能好，维护得当使用寿命极长。 结构紧凑，体积小 在传递同等功率和扭矩时，齿轮传动相比带传动、链传动，所需的安装空间更小，整体尺寸和重量都具有优势。 适用范围广 应用场景非常灵活，可传递的功率范围从毫瓦级到数万千瓦级，线速度范围极宽，适用于多种工况环境。 . 齿轮传动的缺点 制造和安装精度要求高 对制造和装配工艺要求严格，加工难度大，导致整体生产成本较高。 不宜用于远距离传动 当两轴中心距过大时，齿轮传动结构尺寸和重量显著增加，在经济和空间上均不如带传动或链传动。 对冲击和过载敏感 由于齿轮为刚性啮合，系统抗冲击和抗振动的能力较差，在剧烈振动环境下容易产生噪声和传动不稳。 无过载保护功能 系统缺乏自我保护机制，一旦发生过载，极易造成轮齿折断、轴变形等严重的零部件损坏。 齿轮传动的分类 —— 平面齿轮传动 用于两平行轴之间的传动，结构紧凑、传动比稳定、效率高。 直齿圆柱齿轮 齿向与轴线平行，制造、安装简单，成本低。但在高速重载下，冲击、振动和噪音较大，传动平稳性较差。 斜齿圆柱齿轮 齿向与轴线成一螺旋角。啮合过程平稳，重合度大，承载能力强。 人字齿轮 由两个螺旋角大小相等、方向相反的斜齿轮拼接而成。 齿轮的基本参数：分度圆 在齿顶圆和齿根圆之间，人为规定的一个基准圆，是设计、制造和测量齿轮的基准。在标准齿轮中，分度圆上的齿厚(s)与槽宽(e)相等。 计算公式 d = m × z m ：模数 | z ：齿数 齿轮的基本参数：模数 m 定义齿距 p 与圆周率 π 的比值，即 m = p / π。模数是齿轮几何尺寸计算的基础依据。 单位毫米 (mm)。在国际单位制中，模数是衡量齿轮尺寸的核心长度单位。 意义决定齿轮大小的“标尺”。模数越大，轮齿越粗壮，抗弯曲和承载能力越强。 标准化模数已被列入国家标准(GB/T 1357)，工程设计和制造时必须选用标准模数。 齿轮的基本参数：压力角 α 在分度圆上，齿廓的法线方向与该点速度方向之间的夹角。 标准值 我国规定标准压力角为20°。 意义 压力角直接影响齿轮的传力性能和齿根弯曲强度，是齿轮设计的关键指标。 齿轮的基本参数：齿高 齿顶高 (ha) 从分度圆到齿顶圆的径向距离。 ha = ha* · m (正常齿制 ha* = 1) 齿根高 (hf) 从分度圆到齿根圆的径向距离。 hf = (ha* + c*) · m (正常齿制 c* = 0.25) 全齿高 (h) 齿顶圆到齿根圆的径向距离。 h = ha + hf = 2.25m 齿轮正确啮合 一对渐开线齿轮要实现平稳、正确的传动，必须同时满足以下两个几何条件： 条件一：模数相等 m₁ = m₂ 条件二：压力角相等 α₁ = α₂ 中心距与传动比 标准中心距 (a) 两啮合齿轮轴线之间的距离，是齿轮传动设计的重要参数。 a = (d₁ + d₂) / 2 = m (z₁ + z₂) / 2 传动比 (i) 主动轮转速 n₁ 与从动轮转速 n₂ 之比，也等于齿数的反比。 i = n₁ / n₂ = z₂ / z₁ 传动比视频讲解 齿轮的“生病”——失效形式 齿轮在工作过程中，由于各种原因导致其丧失正常工作能力的现象，称为失效。主要有以下四种形式： 轮齿折断 承受过大载荷或疲劳累积，导致轮齿整体或局部断裂，无法传递动力。 齿面磨损 由于粉尘杂质侵入或润滑不良，齿面材料被逐渐磨掉，导致齿形失真。 齿面点蚀 循环接触应力导致齿面出现细微疲劳裂纹，形成麻点或小坑，影响精度。 齿面胶合 高速重载下齿面温度急剧升高，导致局部金属熔化，接触齿面发生粘连。 失效形式一：轮齿折断 现象 轮齿在受载时，像悬臂梁一样，齿根处弯曲应力最大，容易产生疲劳裂纹，最终导致断裂。 原因 • 疲劳折断：长期交变应力作用。 • 过载折断：短时严重过载（如冲击、硬齿面等）。 易发部位：齿根 失效形式二：齿面磨损 现象 齿面间存在相对滑动，在载荷作用下，齿面材料被逐渐磨掉，导致齿廓变形，侧隙增大。 原因 • 开式传动中，灰尘、砂粒等硬质颗粒进入啮合面。 • 齿轮箱内润滑油不清洁，混入杂质。 特点 由于缺乏有效的密封防护，齿面磨损是开式齿轮传动最主要的失效形式。 失效形式三：齿面点蚀 01 / 现象 在闭式传动中，齿面在循环接触应力作用下，表层产生微小的疲劳裂纹，润滑油渗入裂纹，在压力作用下将裂纹壁撑开，导致金属小块剥落，形成麻点。 02 / 原因 接触疲劳 03 / 特点 是闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式，通常首先出现在齿根表面靠近节线处。 失效形式四：齿面胶合 在高速重载传动中，齿面压力大、滑动速度高，导致局部温度急剧升高，润滑油膜破裂，两齿面金属直接接触并粘连，随着齿面的相对滑动，较软的齿面材料被撕下，形成胶合沟纹。 核心诱因 工况：高速重载运行 | 状态：润滑油膜失效 如何设计“强壮”的齿轮 闭式软齿面齿轮 工况特征：硬度 ≤ 350HBS，齿面较软，制造简单且成本低。 主要失效：齿面点蚀(接触应力导致表层剥落)。 设计准则：以接触疲劳强度为主进行设计，再校核弯曲疲劳强度。 闭式硬齿面齿轮 工况特征：硬度 > 350HBS，经表面硬化处理，承载能力强。 主要失效：轮齿折断(齿根应力集中，韧性较低)。 设计准则：以弯曲疲劳强度为主进行设计，再校核接触疲劳强度。 开式齿轮传动 工况特征：暴露在空气中，易受灰尘、杂质侵入。 主要失效：齿面磨损，导致齿厚减薄，最终发生轮齿折断。 设计准则：按弯曲疲劳强度设计，并适当加大模数以补偿磨损量。 齿轮传动的受力分析 当一对齿轮啮合时，齿面间会产生法向力Fn。该力是设计齿轮和轴承的重要依据，通常将其分解为两个相互垂直的分力进行分析： 圆周力 (Ft) 沿啮合点的切线方向，是传递转矩的有效分力，直接决定了传动的效率。 径向力 (Fr) 沿啮合点的半径方向，指向轮心，它不传递功率，但会增加轴与轴承的载荷。 核心计算公式 Ft = 2T₁ / d₁ | Fr = Ft × tanα 圆周力 Ft 方向判断口诀 主 反 · 从 同 主动轮 圆周力 Ft 方向与转动方向相反。 （阻碍主动轮转动，是阻力） 从动轮 圆周力 Ft 方向与转动方向相同。 （推动从动轮转动，是动力） 一对齿轮的传动比 传动比大小 i = n₁ / n₂ = z₂ / z₁ 外啮合 ● 两轮转向：相反（互为反向旋转） ● 符号规则：传动比计算时取负号 (-) 内啮合 ● 两轮转向：相同（互为同向旋转） ● 符号规则：传动比计算时取正号 (+) 平面定轴轮系传动比计算 01 / 传动比大小 定轴轮系的传动比数值，等于轮系中所有从动轮齿数的乘积除以所有主动轮齿数的乘积。 简单来说：从动轮总齿数 / 主动轮总齿数。 02 / 计算公式 i = n首/ n末 = (z₂ · z₄ · z₆ · ...) / (z₁ · z₃ · z₅ · ...) 03 / 特别注意 轮系中常加入的“惰轮”（也叫过桥齿轮），虽然会改变齿轮的旋转方向，但在计算传动比时： 不影响传动比的数值大小。 它既会出现在分子也会出现在分母中，最后会被约掉。 转向判断：画箭头法 01 从主动轮开始：根据已知条件，画出主动轮的转动方向箭头。 02 依次推导：沿着啮合点，从第一个从动轮开始，逐个画出所有齿轮的转动箭头。 03 外啮合规则：两个齿轮外啮合时，啮合点的速度方向一致，因此两轮转向相反（箭头方向相反）。 04 内啮合规则：两个齿轮内啮合时，啮合点的速度方向一致，因此两轮转向相同（箭头方向相同）。 转向判断：(-1)ᵐ 法 适用场景：所有齿轮轴线都平行的平面定轴轮系 核心规则 传动比符号 = (-1)ᵐ 公式中的变量m，代表的是 轮系中发生“外啮合”的次数 判断结论 • 若 m 为偶数： 首末两轮转向相同 (→→) • 若 m 为奇数： 首末两轮转向相反 (→←) 关键提示 “内啮合”的次数 不影响最终转向！ 在计算 m 值时， 请务必只统计外啮合的次数 【课堂练习3】 师生互动 判断主动轮和从动轮的Ft方向。 【课堂练习3】 课堂练习3 单项选择题 1.轮系在汽车传动系统中的主要功用不包括（ ）。 A. 变速变矩 B. 倒向行驶 C. 中断动力传递 D. 增大发动机功率 正确答案：C 轮系的三大功用是：①变速变矩；②使汽车能倒向行驶；③中断发动机向驱动桥的动力传递。轮系不能改变发动机本身的功率。 【课堂练习3】 课堂练习3 单项选择题 2.下列轮系中，属于差动轮系的是（ ）。 A. 手动变速器 B. 汽车差速器 C. 定轴轮系 D. 简单行星轮系 正确答案：B 差动轮系是指两个中心轮均不固定的行星轮系。汽车差速器中的半轴齿轮（太阳轮）都不固定，属于差动轮系。手动变速器是定轴轮系。 【课堂练习3】 课堂练习3 判断题 3.标准中心距是指正确安装的一对标准齿轮传动时两轮分度圆相切的中心距。（ ） 正确答案：正确 标准中心距 a = m(z1+z2)/2，此时两轮分度圆相切。 【课堂练习3】 课堂练习3 简答题 简述定轴轮系传动比的计算方法。 正确答案：定轴轮系的总传动比等于所有从动轮齿数的连乘积与所有主动轮齿数的连乘积之比，即 i = (所有从动轮齿数乘积) / (所有主动轮齿数乘积)。 本章核心知识点回顾 01 轮系概述 •定义：由一系列齿轮组成的传动系统 •功用：实现变速变矩、换向倒向、中断动力 •分类：定轴轮系、行星轮系 02 齿轮基础 •特点：传动比恒定 | 制造安装成本高 •分类：平面(直/斜/人字) / 空间(锥/蜗杆) •啮合条件：模数 m 相等、压力角 α(20°) 相等 03 失效与受力 •四大失效：轮齿折断、磨损、点蚀、胶合 •设计准则：软齿面按接触强度，硬齿面按弯曲 •受力：径向力 Fr 始终指向轮心 04 定轴轮系计算 •传动比大小：所有从动轮齿数乘积 ÷ 所有主动轮齿数乘积 •转向判断：1. 直观画箭头法 2. 外啮合次数法 (-1)ᵐ 核心参数与公式速记 课后作业 01 基础巩固 · 习题演练 完成教材对应章节的课后习题，重点关注齿轮尺寸计算与传动比的基础应用。 02 核心公式 · 口诀背诵 熟练背诵并默写齿轮各部分尺寸计算公式，并牢记“主反从同”的转向判定口诀。 03 拓展思考 · 原理分析 查找资料，分析汽车自动变速器中的行星齿轮机构，是如何通过固定不同部件来实现不同挡位的？ 感谢观看 Lavf62.3.100 $