中职汽车机械基础项目9 汽车常用机械传动分析.pptx

中职汽车机械基础工信版项目9 汽车常用机械传动分析项目九 汽车常用机械传动分析任务一 带传动在汽车中的应用汽车机械基础任务学习目标1了解带传动的类型和特点。2了解 V 带和 V 带轮的结构。3掌握带传动的张紧、安装与维护。思政目标1培养学生的创新精神。2培养学生爱岗敬业、团结协作的职业素养。任务引入带传动属于具有中间挠性件的传动方式，是一种广泛应用的机械传动。汽车发动机中齿形带传动机构，就是通过传动带将曲轴输出的动力传递给凸轮轴的。图 9-1 所示为发动机齿形带传动机构。9-1 发动机齿形带传动机构带传动由主动轮、带、从动轮组成，带是挠性的中间零件，通过它将主动轮的运动和动力传递给从动轮，如图 9-2 所示。根据工作原理的不同，带传动可分为摩擦带传动和啮合带传动两种。其中摩擦带传动依靠带与带轮间的摩擦力传递运动；啮合带传动依靠带上的齿或孔与带轮上的齿直接啮合传递运动，兼有啮合传动和摩擦传动的优点。一、带传动的类型1主动轮；2从动轮；3带图 9-2 带传动的基本组成1摩擦带的类型（1）平带：截面为扁平形，其工作面为内表面，如图 9-3（a）所示。常用的平带为橡胶帆布带。（2）V 带：截面为梯形，其工作面为两侧面，如图 9-3（b）所示。V 带与平带相比，由于正压力作用在楔形面上，当量摩擦系数大，能传动较大的功率，结构也紧凑，故应用最广。（3）多楔带：若干 V 带的组合，如图 9-3（c）所示，它可避免多根 V 带长度不等、传力不均的缺点。（4）圆形带：截面是圆形，用皮带或棉绳制成，如图 9-3（d）所示，适用于传递小功率。一、带传动的类型图 9-3 摩擦带的类型2啮合带的传动方式1）同步带传动同步带传动：工作时，带上的齿与轮上的齿相互啮合，以传递运动和动力，如图 9-4所示。同步带传动可避免带与轮之间产生滑动，以保证两轮圆周速度相同。它常用于数控机床、纺织机械、收录机等需要两轮速度相同的场合，如汽车上部分发动机的配气机构中的正时齿轮传动。一、带传动的类型图 9-4 同步带传动2）齿孔带传动齿孔带传动：工作时，带上的孔与轮上的齿相互啮合，以传递运动，如图 9-5 所示。齿孔带传动同样可保证同步运动。例如，放映机、打印机采用齿孔带传动，被运输的胶带和纸张相当于齿孔带。一、带传动的类型图 9-5 齿孔带传动3带传动的特点和应用摩擦带传动是利用具有弹性的挠性带与带轮间的摩擦来传递运动和动力的，多用于中、小功率传动，具有以下特点：机构简单，成本低廉，适用于两轴中心距较大的场合；带具有良好的挠性，能缓冲、吸振，传动平稳，无噪声；过载时带与带轮之间会出现打滑，对传动机构起安全保护作用。传动带需张紧在带轮上，对轴和轴承的压力较大；轮廓尺寸大，传动效率低；由于带的弹性滑动，不能保证固定不变的传动比；带的寿命较短。摩擦带传动适用于要求传动平稳、传动比不严格的场合。带传动的功率在 100kW 以下，速度在 525m/s，传动比可达 7，效率为 0.940.96。一、带传动的类型一、带传动的类型一、带传动的类型1V 带的结构和类型标准 V 带都制成无接头的环形，由抗拉体 1、顶胶 2、底胶 3 及包布层 4 构成，如图 9-6 所示。顶胶、底胶的材料为橡胶，分别承受带在运行时的拉伸与压缩作用。包布层材料为橡胶帆布。抗拉体是承受载荷的主体，材料为化学纤维织物，分为帘布芯结构见图 9-6（a）和绳芯结构见图 9-6（b）两种，帘布芯结构抗拉强度高，制造方便，用于一般用途的 V 带；绳芯结构柔韧性好，抗弯强度高，常用于带轮直径小或转速较高的场合。二、V 带传动1抗拉体；2顶胶；3底胶；4包布层 图 9-6 V 带的结构2V 带轮的结构和类型带轮应具有足够的强度和刚度，良好的结构工艺性，质量小且分布均匀，无过大的铸造内应力。轮槽表面应光滑，以减少带的磨损。V 带轮的材料广泛采用灰铸铁，当带速 v25m/s 时，采用 HT150；当带速 v25m/s 时，采用 HT200；速度更高的 V 带轮可采用球墨铸铁或铸钢，也可采用钢板冲压后焊接带轮。带轮由轮缘、轮毂、轮辐三部分组成，如图 9-7 所示。轮缘：带轮的外缘部分，用以安装 V 带的轮槽。轮毂：带轮与轴相配的部分。通常带轮与轴用键连接，轮毂上开有键槽，孔的尺寸按轴的强度、刚度要求确定。轮辐：轮缘与轮毂相连的部分。二、V 带传动1轮缘；2轮辐；3轮毂图 9-7 带轮的结构V 带轮的形式如图 9-8 所示，分为实心带轮、腹板式带轮、孔板式带轮、轮辐式带轮等。二、V 带传动图 9-8 V 带轮的形式3V 带的型号和标记普通 V 带和窄 V 带的尺寸已标准化（GB/T 115442012），按截面尺寸由小到大可分为 Y、Z、A、B、C、D、E 等型号，其传递能力也由小到大。国家标准 GB/T 133522008 中规定了汽车 V 带产品的截面尺寸、有效长度及极限偏差、露出高度、中心距变化量、尺寸测量方法和带轮尺寸等，该标准适用于汽车内燃机附属机械传动装置中的 V 带及其带轮。汽车 V 带顶宽的公称值见表 9-1。V 带的标记是用户识别和选用 V 带的依据。V 带的标记内容依次为型号、基准长度公称值、标准号。例如，“A-1600 GB/T 115442012”表示 A 型普通带，该 V 带的基准长度为 1600mm；“SPA-1400 GB/T 115442012”表示 SPA 型窄 V 带，该 V 带的基准长度为1400mm；“AV131000 GB 12732”表示 AV13 型汽车 V 带，其有效长度为 1000mm。通常 V 带的标记和制造时间及生产厂家都会压印在带的顶面（外表面）上。二、V 带传动4带的弹性滑动和打滑带是弹性体，受拉后会弹性伸长，伸长量随拉力大小而改变，由紧边绕过主动轮进入松边时，带的拉力减小，其弹性伸长量也减小，这说明带在绕过带轮的过程中，相对于轮面向后收缩，带与带轮间出现局部相对滑动；同样，当带由松边绕过从动轮进入紧边时，拉力增加，带逐渐被拉长，沿轮面产生向前的滑动，使带的速度逐渐大于从动轮的圆周速度。这种由于带的弹性变形而产生的带与带轮间的滑动称为弹性滑动。当载荷较小时，弹性滑动只发生在带即将由主、从动轮离开的一段弧上，传递外载增大时，有效拉力随之加大，弹性滑动区域也随之扩大，当有效拉力达到或超过某一极限值时，带与小带轮在整个接触弧上的摩擦力达到极限。若外载继续增加，带将沿整个接触弧滑动，这种现象称为打滑。打滑时主动轮还在转动，但从动轮的转速会急剧下降，带会因迅速磨损、发热而损坏，使传动失效。弹性滑动和打滑是两个不同的概念。打滑是由过载引起的全面滑动，正常工作时应当避免。弹性滑动是由带的弹性变形引起的，除非带是不可伸长的挠性体，否则只要传递圆周力，就会存在拉力差，就一定会发生弹性滑动，所以弹性滑动是不可避免的。二、V 带传动1带的张紧带是根据带的摩擦传动原理工作的，所以只有在预张紧后才能正常工作。1）定期张紧装置定期张紧装置采用定期改变中心距的方法来调节带的预紧力，使带重新张紧，一般使用调整螺钉来调整中心距，如图 9-9 所示。2）自动张紧装置将装有带轮的电动机安装在浮动的摆架上，利用电动机的自重，使带轮随同电动机绕固定轴摆动，从而自动保持张紧力。二、V 带传动图 9-9 定期张紧装置3）张紧轮张紧装置当中心距不能调节时，可采用张紧轮将带张紧，如图 9-10 所示。V 带张紧时，张紧轮一般放在 V 带的松边内侧，并应尽量靠近大带轮，这样可使 V 带只产生单向弯曲，且小带轮的包角不致过小。平带张紧时，张紧轮一般放在带的松边外侧并应尽量靠近小带轮，以增加小带轮的包角。二、V 带传动图 9-10 张紧轮张紧装置2V 带的安装与使用 安装 V 带时，应按规定的初拉力张紧。V 带在安装时，必须使两带轮轴线平行。安装 V 带时不能硬撬，应缩小中心距后再套上，然后调整。两轮相对应的 V 形槽的对称平面应重合。同组使用的 V 带的型号应相同，长度应相等，以免各 V 带受力不均匀；另外，新旧不同的 V 带不能同时使用。V 带不宜与酸、碱或矿物油等介质接触，工作温度不宜超过 60，应避免日光暴晒。V 带传动装置必须安装防护罩。这样既可防止伤人，又可防止灰尘、油及其他杂物飞溅到 V 带上影响传动。拆卸 V 带时不能硬撬，应先缩短中心距后再拆卸 V 带。定期检查 V 带有无松弛或断裂现象，若有一根松弛或断裂，则应全部更换新带。禁止给 V 带轮加润滑剂，应及时清除 V 带轮槽及 V 带上的油污。若 V 带久置后再用，应将 V 带放松。二、V 带传动课后练习1带传动一般由、组成。2带传动的弹性滑动和打滑有什么不同？能否避免？3一般带轮采用什么材料？带轮的形式有哪些？根据什么来选定带轮的形式？4摩擦带传动按带截面形状可分为哪几种？各有什么特点？为什么传递动力多采用 V 带传动？5按国家标准规定，普通 V 带横截面的尺寸有哪几种？6带传动为什么要张紧？张紧的方法有哪些？思政元素正时皮带是发动机配气系统的重要组成部分，通过与曲轴的连接并配合一定的传动比来保证进、排气时间的准确。使用皮带而不是齿轮来传动是因为皮带噪声小，自身变化量小而且易于补偿。正时皮带起到承上启下的作用，上部连接发动机缸盖的正时轮，下部连接曲轴正时轮。缸盖正时轮连接凸轮轴，这个凸轮轴上有凸轮，它的接触点是气门挺柱，挺柱通过正时皮带带来的动力产生压力，起到顶起气门的作用。顶起进气门可让雾化的汽油进入缸体，顶起排气门可将废气排出缸体；当凸轮轴凹陷的地方同时接触挺柱的时候，进气门、排气门都关闭，产生压缩比，火花塞点火，内燃开始并产生动力！汽车发动机工作过程中，在气缸内不断发生进气、压缩、爆炸、排气四个过程，并且，每个步骤的时机都要与活塞的运动状态和位置相配合，使进气与排气及活塞升降相互协调，正时皮带在发动机里起到“桥梁”的作用，在曲轴的带动下将力量传递给相应机件。项目九 汽车常用机械传动分析任务二 齿轮传动在汽车中的应用汽车机械基础任务学习目标1了解齿轮传动的类型及特点。2熟悉汽车齿轮的类型及结构。3了解传动比的计算。4了解齿轮传动在汽车中的应用。思政目标1提高对工业现代化的认识。2了解我国制造业现状，激发对专业学习的使命感。任务引入在汽车动力传动部分中，常常用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、主减速器和差速器的动力传动中，都使用齿轮机构传递动力。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连，所以齿轮机构属于高副机构。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、转向和转矩。一、齿轮机构的分类及应用 1齿轮机构的分类（见表 9-2）一、齿轮机构的分类及应用每个具体的齿轮机构，都是这些类型的不同组合。图 9-11（a）所示齿轮机构为两轴线平行的直齿圆柱外啮合平面齿轮机构。图 9-11 齿轮和齿轮机构一、齿轮机构的分类及应用图 9-11 齿轮和齿轮机构（续）一、齿轮机构的分类及应用一、齿轮机构的分类及应用1主动齿轮，齿数为 Z1；2从动齿轮，齿数为 Z2 图 9-12 齿轮传动的基本原理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。设主动齿轮的转速为 n1，齿数为 Z1；从动齿轮的转速为 n2，齿数为 Z2。主动轮（输入轴）转速与从动轮（输出轴）转速之比称为传动比，用字母 i12表示。即如图 9-12（a）所示，当以小齿轮为主动轮（Z1Z2）时，其转速经大齿轮传出后就降低了，即 n21；如图 9-12（b）所示，当以大齿轮为主动轮（Z1Z2），其转速经小齿轮传出后就升高了，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。一、齿轮机构的分类及应用2）变矩比一对齿轮啮合传动时，齿轮的齿数越多，其转速就越低，而其转矩越大；反之，齿轮的齿数越少，其转速就越高，而其转矩则越小，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小。汽车变速器就是利用这一原理，通过改变各挡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。一、齿轮机构的分类及应用3）齿轮机构的优缺点（见表 9-3）二、轮齿的受力分析 1直齿圆柱齿轮（简称直齿轮）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力大小和方向。图 9-13 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。该力沿公法线方向，指向齿廓，称法向力。为了设计轴和轴承的方便，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向各自轮心。图 9-13 标准直齿轮轮齿啮合时的受力情况二、轮齿的受力分析 2斜齿圆柱齿轮1）斜齿圆柱齿轮（简称斜齿轮）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 9-14 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，使轴及轴承的设计更复杂。2）斜齿圆柱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 9-14 所示。汽车普通三轴式变速器中，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。图 9-14 斜齿轮的受力分析二、轮齿的受力分析 3直齿圆锥齿轮1）直齿圆锥齿轮传动的特点直齿圆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。直齿圆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 9-15 所示。图 9-14 斜齿轮的受力分析三、轮齿的失效形式和材料1轮齿的失效形式齿轮传力过程中，两轮齿面逐点进入啮合、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，导致轮齿出现各种失效形式。常见的轮齿失效形式有以下五种。1）轮齿折断（见图 9-16）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 9-16（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 9-16（b）。另一种是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方法是，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方法是，禁止超载使用。图 9-16 轮齿折断三、轮齿的失效形式和材料2）齿面点蚀见图 9-17（a）齿轮传动中，两齿面是线接触的，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，啮合状况迅速恶化，从而导致轮齿失效。防止齿面疲劳点蚀的方法是，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。图 9-17 轮齿齿面失效形式三、轮齿的失效形式和材料3）齿面胶合见图 9-17（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，相互粘连在一起，当齿面相对滑动时，将较软的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，这种现象称为胶合。此时齿面严重损坏而失效。低速重载时，齿面间油膜不易形成，也会产生胶合。防止胶合的方法有：采用黏度大或含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。图 9-17 轮齿齿面失效形式三、轮齿的失效形式和材料4）齿面磨损见图 9-17（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。开式齿轮传动中，油池中有尘土、金属屑，对齿面会形成磨粒磨损，破坏齿形，引起附加载荷和噪声，致使齿轮失效，在齿磨薄后会造成轮齿折断。防止磨粒磨损的方法有：采用闭式传动，保持良好的润滑，提高齿面硬度。图 9-17 轮齿齿面失效形式三、轮齿的失效形式和材料5）齿面塑性变形在严重过载、启动频繁或重载传动中，较软齿面会发生塑性变形，破坏齿形。防止塑性变形的方法是提高齿面硬度，遵守操作规程。综上所述，防止失效的方法是，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；在制造方面，要保证精度和改善齿面粗糙度；在维护方面，要保证良好润滑和遵守操作规程。三、轮齿的失效形式和材料2齿轮的常用材料对齿轮材料的基本要求如下：轮齿表面具有足够的硬度和耐磨性；齿轮轮齿要有足够的弯曲强度和冲击韧性；具有良好的加工工艺性能和热处理性能。制造齿轮的常用材料有锻钢、铸钢和铸铁等，特殊情况下可采用有色金属和非金属。表面淬火是将钢件表面进行淬火，而内部仍保持原先的组织的一种热处理方法，常用于中碳钢或中碳合金钢，淬火后表面硬度为 4550HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，内部较软，有较高的韧性，一般用于受中等冲击载荷的重要齿轮传动。渗碳淬火后表面硬度为 5662HRC，内部仍保持较高的韧性，齿面接触强度高，耐磨性好，一般用于受冲击载荷的重要齿轮传动。调质处理后齿面硬度一般为 200280HBS，因硬度不高，故可在热处理后进行精加工，一般用于批量小、对传动尺寸没有严格限制的齿轮传动。对机械强度要求不高的齿轮传动可用中碳钢正火处理或铸钢正火处理作为最终热处理方法，正火处理后齿面硬度一般为 160220HBS。氮化后表面硬度可达 65HRC，变形小，适用于难以磨齿的场合，常用材料为 38CrMoAl。上述五种热处理方法中，经调质和正火两种处理后的齿面硬度较低，为软齿面；经其他三种处理后的齿面硬度较高，为硬齿面。配对齿轮的材料和硬度应有所区别，小齿轮的材料比大齿轮的好一些或硬度高一些。四、齿轮传动的维护齿轮传动的维护，是保证齿轮传动设备正常运行、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”，具体见表 9-4。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。四、齿轮传动的维护2保持良好的工作环境通常齿轮传动采用闭式传动，以防尘土和异物进入传动装置内部，也保护了操作者的安全。要注意防止酸、碱的侵入，对特别精密的仪器，为防止高温、低温和潮湿，可采用恒温的空调设备。3遵守操作规程，严防超载使用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；变速器换挡前，必须空载，以免折断齿轮。过载保护装置，如安全联轴器、摩擦离合器，要保持灵敏。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。四、齿轮传动的维护4经常观察，定期检修传动失效或运行不正常，一般有预兆。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。课后练习1两轴线既不相交也不平行的齿轮传动称为，常见的有交错轴斜齿轮、准双曲面齿轮。2齿轮传动是依靠 来传递空间任意两轴之间的运动和动力的。3直齿圆锥齿轮传动属于。A平行轴齿轮传动 B相交轴齿轮传动C交错轴齿轮传动 D开式传动4直齿圆柱齿轮传动属于。A平行轴齿轮传动 B相交轴齿轮传动 C交错轴齿轮传动 D开式传动5下列属于交错轴齿轮传动的是。A直齿圆柱齿轮传动 B直齿圆锥齿轮传动C蜗杆传动 D齿轮齿条传动6内啮合齿轮传动就是 的齿轮传动。A两个外齿轮间 B两个内齿轮间C一个外齿轮与一个内齿轮间 D一个外齿轮与两个内齿轮间思政元素齿轮在我们日常生活中随处可见，那你知道齿轮最早诞生于什么时候吗？在西方，古希腊哲学家亚里士多德在机械问题中，就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。此后齿轮传动装置开始在欧洲出现。1956 年发掘的河北武安午汲古城遗址中，发现了铁制棘齿轮，齿轮直径约 80 毫米，虽已残缺，但铁质较好，经研究，确认为战国末期到西汉时期的制品。三国时期的指南车和记里鼓车已采用齿轮传动系统。1957 年陕西省长安县红庆村出土了一对青铜人字齿轮。根据墓结构和墓葬物品情况分析，认定这对齿轮出现于东汉初年。1733 年，法国的 M.Camus 提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点，明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。从 1765 年，瑞士的 LEuler 提出渐开线齿形解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。到 1873 年，德国工程师 Hoppe 提出不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代变位齿轮的思想基础。思政元素我们熟悉的齿轮便是这样发展而来的，一个小小的齿轮经过了漫长岁月的演变，成为现代生活中必不可少的元素。齿轮虽小，却是现代工业之基，万物都有属于自己的光芒。我们的人生就像一颗等待发光的小小的齿轮，与社会啮合在一起形成一个庞大精密的齿轮系统。希望大家有一天能发挥自己的光芒，做一个对社会有用的人。项目九 汽车常用机械传动分析任务三 轮系的认识与传动比的计算汽车机械基础任务学习目标1熟悉轮系的种类及作用。2了解轮系传动比的计算。3熟悉轮系在汽车中的应用。思政目标1提高对工业现代化的认识。2了解我国制造业现状，激发对专业学习的使命感。任务引入在实际的机械工程中，由于一对齿轮组成的齿轮机构功能单一，不能满足机械传动的多种要求，如需要较大的传动比、远距离传动、获得不同的传动比或转速、改变方向等，需采用一系列互相啮合的齿轮将主动轴的动力传递到从动轴，这样的传动系统称为轮系。一、轮系的分类（见表 9-5）一、轮系的分类（见表 9-5）二、定轴轮系二、定轴轮系 轮系中，输入轴与输出轴的角速度或转速之比，称为轮系传动比。计算传动比时，不仅计算其大小，还要确定输入轴与输出轴的转向关系；对于输入轴与输出轴平行的轮系，其转向关系用正、负号表示：转向相同用正号表示，转向相反用负号表示。1各轴线平行的定轴轮系传动比的计算 图 9-18 所示为各轴线平行的定轴轮系机构运动简图，输入轴与主动首轮 1 固连，输出轴与从动末轮 5 固连，所以该轮系的传动比是输入轴与输出轴的转速比，也就是主动首轮1 与从动末轮 5 的传动比 i15，其求法如下。图 9-18 各轴线平行的定轴轮系机构运动简图二、定轴轮系由图 9-18 所示的轮系机构运动简图，可知齿轮啮合顺序线（或称传动线）为：12=2 3=34=45 其中：轮 1、2、3、4 为主动轮，2、3、4、5 为从动轮；以“”所连两轮表示啮合，以“=”所连两轮表示固连为一体。设 n1、n2、n2、n3、n3、n4、n5为各轮转速，Z1、Z2、Z2、Z3、Z3、Z4、Z5为各轮齿数。轮系传动比可由各对齿轮的传动比求得：二、定轴轮系二、定轴轮系例题 1 图 9-20 所示为双级齿轮传动式变速器示意图，通过轴上的一组双联滑移齿轮 4、6，将输入轴的一种转速变换为两挡转速，由轴输出。求各挡的传动比。图 9-20 双级齿轮传动式变速器示意图二、定轴轮系解：将滑移齿轮 4、6 左、右移动可得两挡，共有两条啮合顺序线，并得两挡传动比，见表 9-6。三、行星轮系图 9-21 所示为行星轮系，齿轮 4（共 4 个）的轴线可转动，是行星轮；齿轮 1、2 与行星轮啮合、轴线固定，称为太阳轮；构件 3 支持行星轮并与太阳轮共轴线，称为行星架。行星轮系由行星轮、太阳轮、行星架和齿圈组成。在汽车相关结构所应用的行星轮系中，一般把齿轮 1 称为太阳轮，把齿轮 2 称为齿圈，以示区分。1太阳轮；2齿圈；3行星架；4行星轮图 9-21 行星轮系三、行星轮系1行星轮系的传动特点与应用在行星轮系中，多个行星轮均匀地分布在太阳轮的四周，载荷由多对齿轮承受，可大大提高承载能力与改善受力状况。由于在此轮系中采用内啮合有效地利用了空间，加之其输入轴与输出轴共线，可减小径向尺寸，因此在结构紧凑的条件下，可实现大功率传动。汽车中，行星轮系多应用在减速起动机、差速器、轮边减速器、自动变速器的齿轮传动装置中。2单排行星齿轮机构的运动规律为便于今后学习行星轮系在汽车相应结构中的应用，下面主要学习单排行星齿轮机构的运动规律。根据能量守恒定律，由作用在单排行星齿轮机构各元件上的力矩和结构参数，可以得到表示单排行星齿轮机构运动规律的特性方程式 式中，n1为太阳轮转速；n2为齿圈转速；n3为行星架转速；为齿圈齿数 Z2与太阳轮齿数Z1之比，即 2 1/Z Z，且 1三、行星轮系由于一个方程有三个变量，如果将太阳轮、齿圈和行星架中某个元件作为主动（输入）部分，将另一个元件作为从动（输出）部分，则由于第三个元件不受任何约束和限制，所以从动部分的运动是不确定的。因此，为了得到确定的运动，必须对太阳轮、齿圈和行星架三者中的某个元件的运动进行约束和限制。由于行星轮是内外啮合的，而行星架真实存在，但没有齿数，因此，设太阳轮齿数为Z1，内齿圈齿数为 Z2，想象中的行星架齿数为 ZC，那么行星架的齿数应为 ZC=Z1+Z2。根据齿数的多少，三个元件齿数之间的大小关系即被确定为 ZCZ2Z1（见图 9-22）。图 9-22 单排行星齿轮机构三个元件的齿数关系图三、行星轮系根据图 9-22，我们可以在单排行星齿轮机构中根据传动关系的不同，确定某一传动方式是降速传动还是增速传动，进而可掌握行星齿轮机构的传动规律，这对我们理解汽车减速起动机、轮边减速器、自动变速器中单排行星齿轮机构的传动形式有很大的帮助。图 9-22 单排行星齿轮机构三个元件的齿数关系图三、行星轮系3单排行星齿轮机构的动力传动方式如图 9-23 所示，通过对不同的元件进行约束和限制，可以得到不同的动力传动方式。1太阳轮；2齿圈；3行星架；4行星轮图 9-23 单排行星齿轮机构的动力传动方式三、行星轮系（1）齿圈为主动件（输入），行星架为动 件（输 出），太 阳 轮 固 定，如 图 9-23（a）所示。此时，n1=0，则传动比i23为：由于传动比大于 1，说明为减速增扭传动。（2）太阳轮为主动件（输入），行星架为从动件（输出），齿圈固定，如图 9-23（b）所示。此时，n2=0，则传动比i13 为：由于传动比大于 1，说明为减速增扭传动。对比上述两种情况的传动比，由于i13i 23，虽然都为减速增扭传动，但i13 可作为自动变速降速挡中的低挡，而i23为减速挡中的高挡。1太阳轮；2齿圈；3行星架；4行星轮图 9-23 单排行星齿轮机构的动力传动方式三、行星轮系（3）行星架为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），太阳轮固定，如图 9-23（c）所示。此时，n1=0，则传动比i32为：由于传动比小于 1，说明为增速传动，可以作为自动变速器中的超速挡方案。（4）行星架为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），齿圈固定，如图 9-23（d）所示。此时，n2=0，则传动比i31为：由于传动比小于 1，说明为增速传动，也可以作为自动变速器中的超速挡方案之一。1太阳轮；2齿圈；3行星架；4行星轮图 9-23 单排行星齿轮机构的动力传动方式三、行星轮系（5）太阳轮为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），行星架固定，如图 9-23（e）所示。此时，n3=0，则传动比i12 为：由于传动比为负值，说明主、从动件的旋转方向相反；又由于|i12|1，说明为减速增扭传动，可以作为自动变速器的倒挡设计方案。（6）齿圈为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），行星架固定，如图 9-23（f）所示。此时，n3=0，则传动比i21为：由于传动比为负值，说明主、从动件的旋转方向相反；又由于|i21|1，说明为增速传动。1太阳轮；2齿圈；3行星架；4行星轮图 9-23 单排行星齿轮机构的动力传动方式三、行星轮系（8）如果太阳轮、齿圈和行星架三个元件没有任何约束，则各元件的运动是不确定的，此时可作为自动变速器的空挡设计方案。通过对以上传动方式的分析，结合三个元件之间的大小关系，我们可以得出如下结论：（1）行星架。当行星架为从动件时，必为减速传动。当行星架为主动件时，必为增速传动。当行星架固定时，必为反向传动（主、从动件旋向相反）。（2）太阳轮。当太阳轮为从动件时，必为增速传动。当太阳轮为主动件时，必为减速传动。当太阳轮固定时，必为传动比接近 1 的减速传动或增速传动。（3）齿圈。当齿圈为主动件时，为减速传动或增速传动。当齿圈为从动件时，为增速传动或反向传动（主、从动件旋向相反）。当齿圈固定时，为增速传动或减速传动。掌握上述结论，对分析单排行星齿轮机构的工作情况有重要意义。四、行星齿轮机构在汽车中的应用实例1减速起动机中的单排行星齿轮机构（见图 9-24）在减速起动机中，齿圈固定不动，太阳轮压装在电枢轴上，三个行星轮的轴压装在行星架上（行星轮在轴上可自由转动），行星架与驱动齿轮轴制成一体。由前述分析，我们可知，当齿圈固定时，以太阳轮作为主动件，行星架作为从动件，可获得单排行星齿轮机构中最大的减速增扭效果图 9-24 减速起动机中的单排行星齿轮机构四、行星齿轮机构在汽车中的应用实例2自动变速器中的行星齿轮机构由于单排行星齿轮机构的传动比范围较窄，不能满足汽车的性能要求，因此实际的汽车自动变速器行星齿轮机构，都是由 23 个单排行星齿轮机构（简称行星排）组成的，借助自动变速器中的离合器控制行星齿轮机构中某些元件与输入轴连接或断开；利用制动器将某些元件制动，以控制各行星排的运动关系，构成不同的组合，从而获得不同的挡位。由于所采用的行星排和离合器及制动器的数目及组合方式不同，因此可以构成不同形式的行星齿轮变速器。在现代汽车中，应用较广泛的是辛普森式行星齿轮变速器，其结构简图如图 9-25 所示。四挡辛普森式行星齿轮变速器由四挡辛普森行星齿轮机构和换挡执行元件两大部分组成。其中四挡辛普森行星齿轮机构由三排行星齿轮机构组成，前面一排为超速行星排，中间一排为前行星排，后面一排为后行星排。输入轴与超速行星排的行星架相连，超速行星排的齿圈与中间轴相连，中间轴通过前进挡离合器或直接挡、倒挡离合器与前、后行星排相连。前、后行星排的结构特点是，共用一个太阳轮，前行星排的行星架与后行星排的齿圈相连，并与输出轴相连。四、行星齿轮机构在汽车中的应用实例1超速（OD）行星排行星架；2超速（OD）行星排行星轮；3超速（OD）行星排齿圈；4前行星排行星架；5前行星排行星轮；6后行星排行星架；7后行星排行星轮；8输出轴；9后行星排齿圈；10前后行星排太阳轮；11前行星排齿圈；12中间轴；13超速（OD）行星排太阳轮；14输入轴C0超速挡（OD）离合器；C1前进挡离合器；C2直接挡、倒挡离合器；B0超速挡（OD）制动器；B1二挡滑行制动器；B2二挡制动器；B3低、倒挡制动器；F0超速挡（OD）单向离合器；F1二挡（一号）单向离合器；F2低挡（二号）单向离合器图 9-25 四挡辛普森式行星齿轮变速器的结构简图四、行星齿轮机构在汽车中的应用实例换挡执行机构包括三个离合器、四个制动器和三个单向离合器，共十个元件，具体的功能见表 9-7。轮系的应用：实现远距离的两轴之间的齿轮传动；实现较大传动比的传动；实现变速传动；实现变向传动；实现分路传动；用作运动的合成与分解；实现结构紧凑的大功率传动。课后练习1简述定轴轮系与行星轮系有何区别。试举例说明它们在汽车中的应用。2如何计算定轴轮系的传动比？怎样确定它们的转向？3如何计算周转轮系的传动比？怎样确定它们的转向？4图 9-26 所示定轴轮系，已知各轮齿数 Z1=20，Z2=50，Z3=15，Z4=30，Z5=1，Z6=40，求传动比 i16，并标出蜗轮的转向。5如图 9-27 所示，轮系中各齿轮的齿数分别为 Z1=20，Z2=18，Z3=56，求传动比i1H。图 9-26 定轴轮系 图 9-27 行星轮系思政元素中国的机械工程技术源远流长，内涵丰富，成就辉煌。它与中华民族的形成和发展同步成长，对社会经济文化的增长起到了极为重要的作用。中国古代机械中的指南车，又称司南车，是一类特种车辆。借助巧妙的传动机构，车辆在行进中无论怎样转向，车上的木人始终将手臂指向正南。这类车主要用作帝王出行的侍从车，在各种车辆、护卫、仪仗之中最先行。思政元素用转向箭头标识指南车齿轮的方向，以此分析指南车的三种状态。（1）当沿直线拉动指南车时，通过齿轮啮合传动，右轮传递动力至上齿轮，左轮传递动力至下齿轮，而上下齿轮的转动方向相反，所以差速轮系的两个齿轮只做自转运动而不会绕轴线公转，因此固定在十字轴上的木人也不会旋转。思政元素（2）当指南车左转时，左轮静止，右轮前进，则小车左拐（视角为小木人），通过齿轮啮合传动，右轮传递动力至上齿轮，而下齿轮保持静止，上齿轮带动中间的两个差速齿轮既做自转运动又绕轴线公转，从而带动中间十字轴反方向旋转，所以指南车向左转过一定角度，指南车上的小木人便向右转动相同的角度。思政元素（3）当指南车右转时，右轮静止，左轮前进，则小车右拐（视角为小木人），通过齿轮啮合传动，左轮传递动力至下齿轮，而上齿轮保持静止，下齿轮带动中间的两个差速齿轮既做自转运动又绕轴线公转，从而带动中间十字轴反方向旋转，所以指南车向右转过一定角度，指南车上的小木人便向左转动相同的角度。