2.4 轮系《汽车机械基础》河南省（对口招生）交通运输类 知识点讲解

河南省（对口招生）交通运输类《汽车机械基础》 知识点讲解 四、轮系 【课程要求】 1. 能正确描述轮系的定义、功用及在汽车传动系统中的应用。 2. 能准确区分定轴轮系和行星轮系的结构特点及工作原理。 3. 能掌握齿轮传动的特点、分类及渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数。 4. 能计算定轴轮系的传动比大小并判断从动轮转向。 5. 能分析轮系在汽车手动变速器和差速器中的实际应用。 【知识网络】 【知识要点】 知识点1 轮系概述 1. 轮系的功用 汽车上普遍采用高转速、低转矩的活塞式内燃机，其转矩和转速的变化范围很小，而复杂的使用条件要求汽车的驱动力和车速能在很大范围内变化。轮系的功用是：①通过改变传动比，扩大汽车驱动力和速度的变化范围；②使汽车能倒向行驶；③中断发动机向驱动桥的动力传递。此外，轮系还广泛应用于机床、起重装置等机械中。 2. 轮系的类型 按齿轮轴线的位置相对于机架是否固定，轮系分为两类： （1）定轴轮系：齿轮轴线相对于机架固定不动。手动变速器通过各种大小不同的齿轮组合获得不同的传动比，传动比变化是分级变速，驾驶员通过操纵变速杆直接换挡。 （2）行星轮系：至少有一个齿轮的轴线绕另一齿轮的固定轴线回转。如图2-45所示的自动变速器，一般由液力变矩器与行星齿轮式有级变速器组成，液力变矩器在一定范围内使输入轴与输出轴之间的传动比连续变化，实现无级变速；行星齿轮式有级变速器则根据发动机负荷和车速变化自动选定挡位。 3. 混合轮系 有时轮系可能是行星轮系和定轴轮系组合而成的混合轮系。齿轮1和齿轮2组成定轴轮系，齿轮3、4、5和构件H构成行星轮系。 知识点2 齿轮传动基础 1. 齿轮传动的特点 齿轮传动在机床和汽车变速器等机械中已得到普遍使用，与其他传动相比具有以下主要优点：①能保持瞬时传动比不变；②传动效率高，一般为0.95～0.98，最高可达0.99；③使用寿命长，一般可达10～20年；④适用范围广，传递功率可从几十瓦至几万千瓦；⑤结构紧凑，工作可靠。主要缺点：①不适宜用于远距离两轴间的传动；②制造和安装精度要求较高，成本较高。 2. 齿轮传动的分类 按两齿轮的相对运动是平面运动还是空间运动来分： （1）平面齿轮传动：用于传递两平行轴之间的运动，齿轮形状为圆柱形，包括直齿圆柱齿轮、斜齿轮、人字形齿轮传动三种。 （2）空间齿轮传动：用于传递不平行两轴间的运动，包括交错轴斜齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗杆传动。 3. 齿轮的齿廓形状 齿轮的齿廓形状主要有渐开线、摆线和圆弧三种，其中渐开线齿廓易于设计制造，便于安装，应用最广。 知识点3 渐开线标准直齿圆柱齿轮参数 1. 分度圆和模数 在齿顶圆和齿根圆之间，规定一个圆作为计算各部分尺寸的基准，称为分度圆，直径用d表示。对于渐开线标准齿轮，分度圆上的齿厚s与齿槽宽e相等，齿距p = s + e。设齿轮齿数为z，则πd = zp，即d = zp/π。由于π为无理数，令p/π = m（模数），则分度圆直径计算公式为：d = mz（mm）。模数是齿轮尺寸计算的基本参数，单位为毫米。在齿数相同的条件下，模数越大，轮齿越大，承载能力越大。 2. 压力角 渐开线齿廓上各点的压力角不等，通常所说的压力角是指分度圆上的压力角，用α表示。我国标准压力角α = 20°。渐开线齿廓的形状由基圆半径决定，即由模数、齿数及压力角决定，它们是决定渐开线齿廓形状的三个主要参数。 3. 齿顶高、齿根高和全齿高 齿顶高ha：由分度圆到齿顶圆的径向高度，ha = ha*·m，ha*为齿顶高系数，正常齿ha* = 1，短齿轮ha* = 0.8。 齿根高hf：由分度圆到齿根圆的径向高度，hf = (ha* + c*)·m，c*为顶隙系数，正常齿c* = 0.25，短齿轮c* = 0.3。 全齿高h：h = ha + hf = (2ha* + c*)·m。 顶隙是指一对齿轮啮合传动时，一齿轮的齿顶圆到另一齿轮齿根圆之间的径向距离，作用是避免齿顶与齿根相顶撞并便于贮存润滑油。 4. 正确啮合条件 一对渐开线齿轮要满足啮合要求，必须是两轮的模数相等，压力角相等，即：m1 = m2 = m，α1 = α2 = α。 5. 标准中心距 正确安装的一对标准齿轮传动，两轮的分度圆相切，其中心距a称为标准中心距：a = (d1 + d2)/2 = m(z1 + z2)/2。由此可推出传动比计算公式：i = ω1/ω2 = n1/n2 = z2/z1 = d2/d1。 知识点4 齿轮失效形式与设计准则 1. 齿轮失效形式 齿轮失效主要发生在轮齿部分，常见失效形式有： （1）轮齿折断：齿根处弯曲应力最大，在变应力重复作用下产生疲劳裂纹，逐渐扩展导致折断。预防措施：进行齿根弯曲疲劳强度计算，降低齿根表面粗糙度，增大齿根圆角，进行喷丸等强化处理。 （2）齿面磨损：齿面间相对滑动和法向压力引起磨损。跑合磨损起抛光作用；磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。预防措施：采用闭式传动，提高齿面硬度，降低表面粗糙度。 （3）齿面点蚀：接触应力超过材料接触疲劳极限时，齿面表层产生疲劳裂纹，扩展后金属成小片剥落形成麻点。点蚀多发生在节线附近的齿根表面，是润滑良好的闭式齿轮传动常见失效形式。预防措施：进行齿面接触疲劳强度计算，提高齿面硬度，使用高黏度润滑油。 （4）齿面胶合：高速重载下齿面金属因摩擦产生瞬时高温，润滑油膜破坏，金属熔化黏结并被撕落形成沟纹。预防措施：提高齿面硬度，降低表面粗糙度，采用抗胶合润滑油。 2. 齿轮传动的设计准则 （1）闭式软齿面齿轮传动（齿面硬度≤350HBS）：主要失效形式为齿面点蚀，先按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。 （2）闭式硬齿面齿轮传动（齿面硬度>350HBS）：主要失效形式是齿根疲劳折断，先按轮齿弯曲疲劳强度设计，再校核齿面接触疲劳强度。 （3）开式齿轮传动及铸铁齿轮传动：主要失效形式是齿面磨损及轮齿折断，通常只进行齿根弯曲疲劳强度计算，并适当加大模数以考虑磨损影响。 3. 齿轮常用材料及热处理 常用材料为锻钢（碳素结构钢和合金结构钢），分为软齿面齿轮（调质或正火处理，硬度≤350HBS）和硬齿面齿轮（表面淬火或渗碳淬火，硬度>350HBS）。小齿轮工作次数多，常使小齿轮齿面硬度比大齿轮高30～50HBS。大尺寸复杂齿轮可用铸钢，轻载低速可用铸铁或非金属材料。 知识点5 齿轮传动的受力分析 1. 受力分解 一对标准安装的直齿圆柱齿轮传动，小齿轮为主动轮。不计齿面摩擦时，两齿廓间相互作用着沿啮合线方向的法向力Fn，可分解为两个相互垂直的分力： （1）圆周力Ft：相切于分度圆，Ft = 2T1/d1。 （2）径向力Fr：指向轮心，Fr = Ft·tanα。 其中法向力Fn = Ft/cosα。 主动轮传递的功率P1（kW）和转速n1（r/min）已知时，轮1的转矩T1为：T1 = 9.55×10^6·P1/n1（N·mm）。 两轮受力方向：主动轮圆周力方向与其转向相反（工作阻力），从动轮圆周力方向与其转向相同（驱动力）；两轮径向力分别指向自己的轮心。 知识点6 定轴轮系的传动比计算 1. 一对齿轮的传动比 一对齿轮传动时，传动比i = n1/n2 = ±z2/z1。符号规定：主动轮与从动轮转向相反取负号（外啮合），转向相同取正号（内啮合）。 2. 平面定轴轮系的传动比 平面定轴轮系的传动比等于各级传动比的连乘积，也等于所有从动轮齿数的乘积与所有主动轮齿数的乘积之比。以三轴式变速器为例，其前进挡由输入轴、输出轴、中间轴及其齿轮组成。输入轴齿轮2与中间轴齿轮7常啮合构成第一级传动；中间轴上其他齿轮分别与输出轴上相应齿轮啮合构成第二级传动。各挡位传动比： 1挡：i1 = (z7/z2)·(z14/z15) 2挡：i2 = (z7/z2)·(z6/z9) 3挡：i3 = (z7/z2)·(z3/z8) 4挡：i4 = z7/z2（直接挡） 倒挡：i倒 = -(z7/z2)·(z12/z15)·(z14/z11) 知识点7 行星轮系 1. 行星轮系的组成 行星轮系由中心轮（太阳轮）、行星轮、行星架（系杆）及机架组成。齿轮1、3为中心轮，绕固定轴线转动；齿轮2为行星轮，既绕自身轴线自转，又随行星架绕中心轮轴线公转；构件H为行星架，支撑行星轮。单一行星轮系中心轮数目不超过两个，行星轮数目可为一个或若干个，行星架通常只有一个。 2. 行星轮系的类型 （1）差动轮系：两个中心轮均不固定。汽车差速器采用差动轮系，齿轮1和3为半轴齿轮（太阳轮），都不固定，齿轮2为行星轮，装在行星架H上。 （2）简单行星轮系：一个中心轮固定。若将构件H固定，则行星轮系变成定轴轮系。 3. 转化机构法 给整个行星轮系加上一个公共转速"-nH"，使行星架绝对转速为0，行星轮系转化为定轴轮系（转化轮系）。转化后各构件转速为相对于行星架的转速。行星轮系中任意两轮G、K的转速与行星架转速nH的关系为：(nG - nH)/(nK - nH) = ±（G、K之间所有从动轮齿数连乘积）/（G、K之间所有主动轮齿数连乘积）。 4. 汽车差速器应用 汽车转弯时，内外轮应做纯滚动，转弯半径分别为r和r+B（B为轮距）。由n1/n3 = r/(r+B)和差动轮系公式2nH = n1 + n3可得： （1）直线行驶时：r→∞，n1 = n3 = nH，行星轮无自转，内外轮转速相等。 （2）转弯时：行星轮自转，使内轮转速减小、外轮转速增大，实现差速。 5. 行星齿轮机构变速器应用 行星齿轮机构可提供降速挡、超速挡、直接挡、倒挡和空挡。通过离合器和制动器固定或释放不同元件来改变传动比： （1）降速挡：固定太阳轮以齿圈为主动件，或固定齿圈以太阳轮为主动件，行星架为从动件。 （2）超速挡：与降速挡主从动件互换。 （3）直接挡：任意两个元件同向同速转动，第三元件转速必然相等，形成整体传动。 （4）倒挡：行星架固定，轮系变为定轴轮系，太阳轮与齿圈转向相反。 （5）空挡：太阳轮和齿圈均不固定，无动力输出。 【练习题】 一、单项选择题 1. 汽车手动变速器采用的轮系类型是（） A. 行星轮系 B. 定轴轮系 C. 混合轮系 D. 差动轮系 2. 渐开线标准直齿圆柱齿轮的分度圆直径计算公式为（） A. d = mz B. d = πz C. d = mp D. d = z/p 3. 我国规定的标准压力角为（） A. 15° B. 20° C. 25° D. 30° 4. 一对渐开线标准直齿圆柱齿轮正确啮合的条件是（） A. 模数相等 B. 压力角相等 C. 模数和压力角分别相等 D. 齿数相等 5. 闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式是（） A. 轮齿折断 B. 齿面点蚀 C. 齿面胶合 D. 齿面磨损 6. 定轴轮系的传动比大小等于（） A. 所有主动轮齿数乘积与所有从动轮齿数乘积之比 B. 所有从动轮齿数乘积与所有主动轮齿数乘积之比 C. 首轮齿数与末轮齿数之比 D. 末轮转速与首轮转速之比 7. 行星轮系中，支撑行星轮的构件称为（） A. 太阳轮 B. 行星架 C. 系杆 D. 中心轮 8. 汽车差速器采用的轮系类型是（） A. 简单行星轮系 B. 差动轮系 C. 定轴轮系 D. 混合轮系 二、填空题 1. 轮系按齿轮轴线是否固定分为______和______两种基本类型。 2. 齿轮的齿廓形状主要有______、______和______三种，其中应用最广的是______。 3. 渐开线标准直齿圆柱齿轮的五个基本参数是______、______、______、______和______。 4. 齿轮传动的四种主要失效形式是______、______、______和______。 5. 行星轮系由______、______、______和机架组成。 6. 汽车直线行驶时，差速器行星轮______；汽车转弯时，行星轮产生______实现差速。 7. 齿轮传动中，法向力Fn可分解为______和______两个相互垂直的分力。 三、判断题 1. 定轴轮系中所有齿轮的轴线相对于机架都是固定不动的。（） 2. 模数越大，在齿数相同的条件下轮齿越小，承载能力越小。（） 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。（） 4. 开式齿轮传动的主要失效形式是齿面点蚀。（） 5. 主动轮上的圆周力方向与其转向相同，是驱动力。（） 6. 平面定轴轮系的传动比等于各级传动比的连乘积。（） 7. 简单行星轮系是指两个中心轮均不固定的行星轮系。（） 8. 行星齿轮机构变速器通过离合器和制动器固定或释放不同元件来改变传动比。（） 四、简答题 1. 简述轮系在汽车传动系统中的三个主要功用。 2. 简述齿轮传动的主要优点和缺点（各列举两项）。 3. 简述闭式软齿面齿轮传动和闭式硬齿面齿轮传动的设计准则有何不同。 4. 简述汽车差速器在直线行驶和转弯时的工作情况有何不同。 【答案】 一、单项选择题 1. B 2. A 3. B 4. C 5. B 6. B 7. B 8. B 二、填空题 1. 定轴轮系；行星轮系 2. 渐开线；摆线；圆弧；渐开线 3. 模数；压力角；齿数；齿顶高系数；顶隙系数 4. 轮齿折断；齿面磨损；齿面点蚀；齿面胶合 5. 中心轮（太阳轮）；行星轮；行星架（系杆） 6. 无自转；自转 7. 圆周力Ft；径向力Fr 三、判断题 1. √ 2. × 3. √ 4. × 5. × 6. √ 7. × 8. √ 四、简答题 1. 答：轮系在汽车传动系统中的三个主要功用是：①通过改变传动比，扩大汽车驱动力和速度的变化范围，使发动机在最有利的条件下工作；②使汽车能倒向行驶；③中断发动机向驱动桥的动力传递，以便发动机能够起动、怠速，满足汽车暂时停车的需要。 2. 答：齿轮传动的主要优点：①能保持瞬时传动比不变；②传动效率高，一般为0.95～0.98。主要缺点：①不适宜用于远距离两轴间的传动；②制造和安装精度要求较高，成本较高。 3. 答：闭式软齿面齿轮传动（齿面硬度≤350HBS）的主要失效形式为齿面点蚀，设计时应先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，初步确定模数及几何尺寸后，再校核其齿根弯曲疲劳强度。闭式硬齿面齿轮传动（齿面硬度>350HBS）的主要失效形式是齿根疲劳折断，设计时应先按轮齿弯曲疲劳强度进行设计计算，求出模数并确定齿轮几何尺寸，然后校核齿面接触疲劳强度。 4. 答：汽车直线行驶时，转弯半径趋于无穷大，差速器两半轴齿轮转速相等（n1 = n3 = nH），行星轮无自转，整个差速器整体绕半轴轴线旋转，内外轮转速相等。汽车转弯时，行星轮产生自转，使内轮转速减小、外轮转速增大，通过行星轮的自转实现差速，保证内外轮做纯滚动，减少轮胎磨损。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $