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中职 汽车机械基础（第2版）07-8 齿轮机构电子课件 高教版中职 汽车机械基础（第2版）07-8 齿轮机构电子课件 高教版7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构 汽车在动力传动部分中，常常用到齿轮机构来传递动力、改变转速或方向。例如曲轴与凸轮轴的动力传动、变速器各挡位的动力传动、主减速、差速器的动力传动中，用到齿轮机构来传递动力的。齿轮机构由主动齿轮，从动齿轮和机架组成。由于两齿轮以高副相联，所以齿轮机构属于高副机构。齿轮机构的功能是将主动轴的运动和动力，通过齿轮副传递给从动轴，使从动轴获得要求的转速、转向和转距。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构7 78 81 1 齿轮机构的分类及其应用齿轮机构的分类及其应用 1、齿轮机构的分类齿轮和齿轮机构可根据不同的条件加以分类（图7-36）。图7-367 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构 根据两齿轮是是否否在在同同一一平平面面运运动动可分为：（1）平平面面齿齿轮轮机机构构。两齿轮在同一平面运动，它们的轴线相互平行；（2）空空间间齿齿轮轮机机构构。两齿轮不在同一个平面运动，它们的轴线相交或交错。v1、根据两齿轮啮啮合合方方式式可分为：（1）外外啮啮合合齿齿轮轮机构。外齿轮与外齿轮啮合，两齿轮转向相反；（2）内内啮啮合合齿齿轮轮机构。内齿轮与外齿轮啮合，两齿轮转向相同。（3）齿齿条条机构。外齿轮与齿条啮合，齿轮转动，齿条移动。v2、根据两齿轮外外观观形形状状可分为：（1）圆圆柱柱齿齿轮轮；（2）锥锥齿齿轮轮。根据轮轮齿齿形形状状又可分为：（1）直齿轮直齿轮；（2）斜齿轮斜齿轮；（3）人字齿轮人字齿轮。v3、根据工工作作条条件件，齿轮传动可分为闭闭式式和开开式式两种：（1）闭式传动是将齿轮封闭在刚性的箱体内，因此润滑及维护等条件较好，重重要要的的齿齿轮轮传传动动都都采采用用闭闭式式传传动动。（2）开式传动的齿轮是敞开的，工作时落入灰尘，润滑不良，轮齿容易磨损，故只宜用于简易的机械设备及低速场合。每个具体齿轮机构，都是这些类型的不同组成。如图7-36a所示齿轮机构即为两轴线平行的直齿圆柱外啮合平面齿轮机构。其余类推。为清晰起见，列简表于下（图7-37）：7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构图7-37 齿轮机构分类7 78 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构2、齿轮传动的应用（1）传动比一对齿数不同的齿轮啮合传动时可以变速，而且两齿轮的转速与其齿数成反比。设主动齿轮转速为n1，齿数为Z1；从动齿轮转速为n2，齿数为Z2。主动轮（即输入轴）转速与从动轮（即输出轴）转速之比值称为传动比，用字母i12表示。即：如图7-38a所示，当以小齿轮为主动轮（即Z1Z2）,其转速经大齿轮传出时就降低了，即n21；如图7-38b所示，当以大齿轮为主动轮（即Z1Z2）,其转速经小齿轮传出时就升高了，即n2n1，称为增速传动，此时传动比i1。这就是齿轮传动的变速原理。图7-38 齿轮传动的基本原理（a）减速传动 （b）增速传动1-主动齿轮，齿数为Z1；2-从动齿轮，齿数为Z27 78 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构（2）变矩比一对齿轮啮合传动时，齿轮的齿数愈多，其转速就愈低，而其转矩愈大；反之，齿轮的齿数愈少，其转速就愈高，而其转矩则愈小，就是说齿轮传动的转矩与其转速成反比。设主动轮的转速为n1，转矩为M1；从动轮的转速为n2，转矩为M2，即：由此可见，齿轮式变速器在改变转速的同时也改变了输出转矩，传动比既是变速比也是变矩比，而且输出转速降低则输出转矩增大；输出转速升高则输出转矩减少。汽车变速器就是利用这一原理，通过改变各档的传动比来改变输出转速，从而改变其输出转矩，以适应汽车行驶阻力的变化。7 78 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构（）齿轮机构的优缺点齿轮机构的优点有：1）能保证两齿轮瞬间传动比为常数；2）能实现两轴平行、相交和交错的各种传动；3）圆周速度和功率适用范围广，效率高；4）工作可靠，寿命长。齿轮机构的缺点有：1）制造和安装精度要求高，故制造成本也高；2）不适合两轴相距较远的传动；3）对冲击和振动较敏感。7 78 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构782、轮齿的受力分析、轮齿的受力分析 1、直齿圆柱齿轮为了计算齿轮的强度以及设计轴和轴承，首先应分析齿轮上的作用大小和方向。图7-39所示为一对标准直齿轮轮齿啮合时的受力情况,其齿廓在节点接触,略去齿面间的摩擦力。齿轮间的相互作用力Fn 分别作用在主、被动齿轮上。其大小相等,方向相反.该力沿公法线N1N2方向，指向齿廓，称法向力Fn。为了计算轴和轴承的方便，将法向力分解为相互垂直的两个力:圆周力和径向力。圆周力Ft的方向，在主动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同。径向力Fr的方向，对两轮都是由作用点指各自轮心,如图7-39所示。图7-39 标准直齿轮轮齿啮合时的受力 7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构2、斜齿圆柱齿轮（1）斜齿轮传动的特点与直齿轮传动相比，斜齿轮传动具有以下特点：1)齿廓接触线是斜线，如图7-36的d所示，一对轮齿是逐渐进入啮合和脱离啮合的，故运转平稳，冲击和噪声小。2）重合度大，并随齿宽和螺旋角的增大而增大，有利于提高承载能力和传动平稳性，适合于高速传动。3）斜齿轮的最小齿数少于直齿轮的最小齿数，因此，斜齿轮的结构比直齿轮紧凑。4）斜齿轮运动时会产生轴向力Fa，使轴及轴承的设计和结构复杂。（2）斜齿轮的受力分析若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点P的法向力Fn可分解为三个分力，即圆周力Ft、径向力Fr、轴向力Fa，如图7-40所示。汽车普通三轴式变速器中，常啮合齿轮多采用斜齿轮传动，双级主减速器中，第二级圆柱齿轮传动一般采用斜齿轮传动。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构 （a）（b）图7-40 斜齿轮受力分7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构3、直齿圆锥齿轮（1）直齿圆锥齿轮传动的特点锥齿轮传动用于传递两相交轴之间的运动和动力。其轮齿分布在截圆锥体上，由大端向小端逐渐变小。直齿锥齿轮一般用于低速、轻载的场合。（2）直齿圆锥齿轮的受力分析不计齿面间的摩擦力，齿面间的法向力Fn可分解为三个分力：圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa，如图7-41所示。图7-41 锥齿轮受力分析 7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构7.8.3、轮齿的失效形式、轮齿的失效形式齿轮传力过程中，两轮齿面逐点进入啮合和逐点退出啮合，齿面间有相对滑动，因而轮齿既受法向压力Fn，又受切向摩擦力；这些力的作用点沿齿面不断移动，导致轮齿各种失效。常见的轮齿失效形式有以下五种：（1）、轮齿折断（见图7-42）齿轮折断一般发生在齿根部位。折断有两种：一种是由于法向压力Fn沿齿面移动（见图7-42（a），齿根弯曲应力不断变化（若单侧受力，齿根A点应力为脉动循环应力；若两侧受力，齿根A点应力为对称循环应力），同时有应力集中，致使根部发生弯曲疲劳裂纹，经历长期应力循环，裂纹不断扩展，导致整个齿折断，这种折断称为弯曲疲劳折断（见图7-42（b）。另一种是由于短时间严重过载，致使轮齿突然折断，这种折断称为弯曲过载折断。防止弯曲疲劳折断的办法是，保证轮齿弯曲疲劳强度，加大齿根圆角以缓和应力集中，防止弯曲过载折断的办法是，禁止超载使用。图7-42 轮齿折断 7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构（2）、齿面点蚀（见图7-43（a）齿轮传动中，两齿面是线接触，表层产生很大接触应力，由于力的作用点沿齿面移动，接触应力按脉动循环变化；经历长期应力循环，便在齿面节点附近，由于疲劳而产生小片金属剥落，形成麻点，这种疲劳称为疲劳点蚀或接触疲劳。由于齿面损坏，啮合迅速恶化，从而导致轮齿失效。防止的办法是，限制接触应力，提高齿面硬度，以保证齿面接触强度。齿面疲劳点蚀是闭式齿轮传动的主要失效形式。（a）（b）（c）图7-43 轮齿齿面失效形式7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构（3）、齿面胶合（见图7-43（b）高速重载传动中，由于轮齿啮合区局部温度升高，油膜脱落，失去润滑作用，使两金属表面直接接触，相互粘结再一起，当齿面相对滑动时。将软胶金属表面沿滑动方向划伤、撕脱，形成沟纹，严重时甚至相互咬死，这种现象叫胶合。此时齿面严重损坏而失效。低速重载，齿面间油膜不易形成，也会产生胶合。防止胶合的办法有：采用粘度大或抗胶合添加剂的润滑油（如硫化油），提高齿面硬度、改善齿面粗糙度，配对齿轮采用不同的材料，对于高速重载传动还要加强散热措施。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构（4）、齿面磨损（见图7-43（c）齿轮传动中的磨损有两种：一种是跑合，一种是磨粒磨损。新齿轮使用前，先加轻载，经短期运行后，两齿面逐渐磨光、贴合、，称为跑合。跑合有利于改善传动啮合状况，但跑合后，应清洗磨损的金属屑。开式齿轮传动，油池中有尘土、金属屑，对齿面会形成磨粒磨损，破坏正确齿形，引起附加载荷和噪声，致使齿轮失效，磨损使齿厚磨薄后会造成轮齿折断。防止磨粒磨损办法有：采用闭式传动，保持良好清洁的润滑，提高齿面硬度。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构（5）、齿面塑性变形在严重过载、起动频繁或重载传动中，较软齿面会发生塑性变形，破坏正确齿形。防止塑性变形办法是提高齿面硬度和遵守操作规程。综上所述，防止失效的办法是，在设计方面要保证弯曲强度和接触强度，选择合适的材料和热处理方法，提高齿面硬度和耐磨性；制造方面要保证精度和改善齿面粗糙度；维护方面要保证良好润滑和遵守操作规程。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构784 蜗杆传动的特点蜗杆传动的特点蜗杆机构由蜗杆、蜗轮和机架组成。通常蜗杆蜗轮轴线在空间成直角交错，蜗杆主动，蜗轮从动，用以传递两轴间的运动和动力。蜗杆机构按蜗杆外部形状可分为圆柱蜗杆机构（见图7-44（a）和环面蜗杆机构（见图7-44（b）。圆柱蜗杆机构又可按螺旋面的形状分为阿基米德蜗杆机构和渐开线蜗杆机构等。圆柱蜗杆加工方便，环面蜗杆承载能力高。（a）（b）图7-44 蜗杆机构7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构蜗杆机构的特点：（1）传动比大、结构紧凑。传动比等于齿数比，蜗杆头数（齿数）一般为16，远小于齿轮的最小齿数，其单级传动比为880，所以结构紧凑。（2）传动平稳、无噪声。蜗杆传动如同螺旋传动，始终连续、平稳，没有噪声。（3）有自锁性。当蜗杆导程角小于当量摩擦角时，蜗轮不能带动蜗杆，呈自锁状态。这种蜗杆机构常用于需要自锁的手动葫芦和浇铸机构。（4）效率低。一般效率为0.70.9，具有自锁性能的蜗杆机构，效率仅为0.4。因此，蜗杆机构发热量大，如散热不良，便不能持续工作。为了减摩和耐磨，蜗轮常用青铜制造，材料成本因而提高。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构785 蜗杆传动机构蜗杆传动机构1、蜗杆机构的运动分析如图7-45所示，蜗轮在节点C啮合（见图7-45（b），为清晰起见，将蜗杆转动90表示（见图7-45（a）。在图a的C点位置有：蜗杆速度v1、蜗轮速度v2，沿各自圆周切线方向，滑动速度vs(v21)沿螺旋线切线方向，按运动关系，速度方程为：v2=v1+v21 (7-14)在图7-45（a）上作出速度图。利用速度图可确定蜗轮转向、传动比和滑动速度。（a）（b）图7-45蜗杆机构的运动分析7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构1）蜗轮转向可按速度图确定v2方向，从而定出2转向。也可按螺旋机构中的左、右手定则确定。图7-45（b）所示为右旋蜗杆，用右手四指代表蜗杆1的转向，则拇指相反方向即为蜗轮v2的方向。2）传动比由速度图可知，v1=1d1/2、v2=2d2/2,v2=v1tg,可得传动比i12=1/2=z2/z1=d2/(d1tg)(7-15)注意：交错轴的斜齿轮和蜗杆机构的传动比都不等于两轮节圆直径的反比。3）滑动速度由速度图可知，vs=v1/cos,v1=d1n1/(601000)，所以vs=d1n1/(601000 cos)m/s （7-16）蜗杆机构，由于蜗杆齿圈包住蜗杆，齿面间形成线接触，其承载能力比交错轴斜齿轮机构强，能传递运动和动力。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构2、蜗杆传动的失效形式蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相同，有折断、磨损、点蚀和胶合等形式。但在蜗杆传动中，由于蜗轮与蜗杆在接触面上有很大的相对滑动速度，故摩檫和发热远比齿轮传动严重，因而容易发生磨损和胶合。实践证明，在开式传动中，失效形式主要是磨损，而轮齿的弯曲疲劳折断，很少发生；在闭式传动中，失效形式主要是胶合和点蚀。提高蜗杆齿面的硬度和降低粗糙度值，采用抗胶合润滑剂，能提高蜗杆传动的抗胶合能力，同时也能提高耐磨性和抗点蚀能力。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构786 齿轮传动的维护齿轮传动的维护各种传动的维护，包括链传动、齿轮传动和蜗杆传动的维护，是保证设备正常运行、延长使用寿命、防止意外事故的重要技术措施。1、科学的润滑管理制度工厂将润滑工作制度化，并归结为“五定”，具体如下。（1）定点明确加油部位，所有运动副（如转动副轴承、移动副导轨、齿轮副、凸轮副）都是加油部位，都该加油。（2）定质要按规定的润滑油的种类、粘度牌号加油，不得随意变动，更不得使用混杂不洁的油。（3）定量加油的量也有规定，通常都有油面指示器显示油面位置，加油过多不仅浪费，还会加重搅拌损失，过少则达不到润滑良好的效果。（4）定期加油期限也有规定，有的在操作前便需加油，有的是隔周或隔月加油。油箱内脏油要定期更换，以免尘土、金属屑形成磨粒磨损，油在长期使用后会氧化变质。新设备在初期跑合后，更需清洗、换油。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构（5）定人一般由操作者自行加油，也可由专人对整个设备系统负责加油，总之，要明确责任人。对于自动润滑的设备，要经常检查润滑系统是否完好和畅通，润滑机构有无失灵。2、保持良好的工作环境。通常齿轮、蜗杆传动都采用闭式传动，以防尘土和异物进入传动内部，同时也保护操作者的安全。要注意防止酸、碱的侵入，对特殊精密的仪器，为防止高温、低温和潮湿，采用恒温的空调设备。3、遵守操作规程，严防超载使用。机器设备的使用注意事项、操作规程，都必须遵守，以防事故。例如，减速器有规定的转速和功率，使用时不得超速、超载；变速箱换挡前，必须空载，以免折断齿轮。对过载的保护装置，如安全联轴器、摩擦离合器，要保持灵敏状态。有的设备，在非规范操作时，会闪灯或发出蜂鸣声，以示警告，这时必须停止运行，进行检查。7 7 7 78 8 8 8 齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构4、经常观察，定期检修。传动失效或运行不正常，一般都有预兆。齿形损坏和轮齿折断，会产生冲击、振动和噪声，胶合会产生高温。所以要勤看、勤听、勤摸，才能及时发现故障，加以排除。定期进行检查、小修和中修，不仅可及早排除故障，也可防止突然损坏，影响正常生产。