項目六汽車齒輪傳動的應用 能力目標 1 輪系的分類 功用2 輪系在汽車中的運用3 汽車齒輪的類型 基本參數(shù)4 汽車齒輪材料及失效分析5 汽車變速器傳動比的計算 傳動方向的分析 任務一 1 汽車在行駛過程中如何實現(xiàn)換檔 2 汽車的差速器的工作原理 知識準備 一 齒輪傳動概述二 直齒圓柱齒輪傳動三 斜齒圓柱齒輪傳動四 錐齒輪傳動五 蝸輪蝸桿傳動六 輪系及其應用 1 齒輪傳動的類型2 齒輪傳動的特點3 齒輪傳動基本要求4 漸開線齒輪 一 齒輪傳動概述 齒輪傳動 用于傳遞任意兩軸間的運動和動力 其圓周速度可達到300m s 傳遞功率可達105kW 齒輪直徑可從不到1mm到150m以上 是現(xiàn)代機械中應用最廣的一種機械傳動 齒輪傳動與其它傳動相比主要有以下優(yōu)點 1 傳遞動力大 效率高 2 壽命長 工作平穩(wěn) 可靠性高 3 傳動比恒定 能傳遞兩軸間任意夾角的運動 齒輪傳動與其它傳動相比主要缺點有 1 制造 安裝精度要求較高 因而成本也較高 2 不宜作軸間距離過大的傳動 1 齒輪傳動的特點 1 按兩軸位置 2 齒輪傳動的類型 2 按工作條件 3 按齒形 漸開線 常用擺線 計時儀器圓弧 承載能力較強 開式 適于低速及不重要的場合半開式 農(nóng)業(yè)機械 建筑機械及簡單機械設備 只有簡單防護罩 閉式 潤滑 密封良好 汽車 機床及航空發(fā)動機等齒輪傳動中 4 按使用情況分 動力齒輪 以動力傳輸為主 常為高速重載或低速重載傳動 傳動齒輪 以運動準確為主 一般為輕載高精度傳動 5 按齒面硬度分 軟齒面齒輪 齒面硬度 350HBS 硬齒面齒輪 齒面硬度 350HBS 3 齒輪傳動的基本要求 1 傳動準確平穩(wěn) 齒輪傳動的最基本要求之一是瞬時傳動比恒定不變 以避免產(chǎn)生動載荷 沖擊 震動和噪聲 這于齒輪的齒廓形狀 制造和安裝精度有關 2 承載能力強齒輪傳動在具體的工作條件下 必須有足夠的工作能力 以保證齒輪在整個工作過程中不致產(chǎn)生各種失效 這與齒輪的尺寸 材料 熱處理工藝因素有關 一條直線沿一個半徑為rb的圓周作純滾動 該直線上任一點k的軌跡稱為該圓的漸開線 這個圓稱為基圓 該直線稱為漸開線的發(fā)生線 4 漸開線齒輪 1 漸開線的形成 2 漸開線的性質(zhì) B點為漸開線上K點的曲率中心 BK為漸開線在K點的曲率半徑 離基圓越近 曲率半徑越小 漸開線的形狀只取決于基圓大小 基圓越大 漸開線越平直 當基圓半徑無窮大時 漸開線為直線 性質(zhì)四 基圓內(nèi)無漸開線 3 漸開線齒廓的嚙合特點 保證瞬時傳動比恒定 滿足齒廓嚙合基本定律 中心距的可分離性 傳遞壓力方向不變 兩輪中心距稍微有變化 也不會改變其瞬時傳動比 瞬時傳動比只與兩輪基圓半徑有關 齒廓嚙合線 壓力作用線方向不變 嚙合角不變 1 直齒圓柱齒輪的主要參數(shù)2 直齒圓柱齒輪正確嚙合條件3 漸開線齒輪的加工方法4 變位齒輪 二 直齒圓柱齒輪 1 直齒圓柱齒輪的主要參數(shù) 漸開線標準直齒圓柱齒輪幾何尺寸的計算公式 外嚙合 我國規(guī)定 即嚙合條件為 兩輪的模數(shù)和壓力角必須分別相等 1 兩齒輪的正確嚙合條件為 2 直齒圓柱齒輪的嚙合傳動 2 連續(xù)傳動條件 為了使齒輪傳動連續(xù) 必須保證前一對輪齒尚未脫離嚙合時 后一對輪齒就應進入嚙合 為了滿足連續(xù)傳動要求 前一對輪齒齒廓到達嚙合終點B1時 尚未脫離嚙合時 后一對輪齒至少必須開始在B2點嚙合 此時線段B1B2恰好等于Pb 基圓齒距 所以 連續(xù)傳動的條件 B1B2 Pb 連續(xù)傳動條件 重合度 B1B2與Pb的比值 用 表示 故連續(xù)傳動條件為 B1B2 Pb 1 表示了同時參與嚙合齒輪的對數(shù) 越大 同時參與嚙合齒輪的對數(shù)越多 傳動越平穩(wěn) 因此 是衡量齒輪傳動質(zhì)量的指標之一 3 漸開線齒輪的加工方法 1 仿型法 定義 仿形法是在普通銑床上用軸向剖面形狀與被切齒輪齒槽形狀完全相同的銑刀切制齒輪的方法 銑完一個齒槽后 分度頭將齒坯轉(zhuǎn)過360 z 再銑下一個齒槽 直到銑出所有的齒槽 特點 1 仿形法加工方便易行 但精度難以保證 欲加工精確齒廓 對模數(shù)和壓力角相同的 齒數(shù)不同的齒輪 應采用不同的刀具 而這在實際中是不可能的 在生產(chǎn)中通常用同一號銑刀切制同模數(shù) 不同齒數(shù)的齒輪 故仿形法通常是近似的 圓盤銑刀加工齒數(shù)的范圍 2 加工不連續(xù) 生產(chǎn)效率低 不宜用于批量生產(chǎn) 這種方法適用于單件生產(chǎn)而且精度要求不高的齒輪加工 2 展成法 原理 利用一對齒輪無側隙嚙合時兩輪的齒廓互為包絡線的原理加工齒輪 常用的刀具 齒輪插刀 齒條插刀 齒輪滾刀 展成法加工的基本要求 用展成法加工齒輪時 只要刀具與被加工齒輪的模數(shù)和壓力角相同 不管被加工齒輪的齒數(shù)是多少 都可以用同一把刀具來加工 3 根切現(xiàn)象與最少齒數(shù) 用范成法加工齒輪時 若刀具的齒頂線 或齒頂圓 超過理論嚙合線極限點N時 被加工齒輪齒根附近的漸開線齒廓將被切去一部分 這種現(xiàn)象稱為根切 輪齒的根切大大削弱了輪齒的彎曲強度 降低齒輪傳動的平穩(wěn)性和重合度 因此應力求避免 正常齒制齒輪 不發(fā)生根切的最少齒數(shù) 短齒制齒輪 不發(fā)生根切的最少齒數(shù) 前面討論的都是漸開線標準齒輪 它們設計計算簡單 互換性好 但標準齒輪傳動仍存在著一些局限性 1 受根切限制 齒數(shù)不少于Zmin 使傳動結構不緊湊 2 不適合于安裝中心距a 不等于標準中心距a的場合 當a a時 雖然可以安裝 但會產(chǎn)生過大側隙而引起沖擊振動 影響傳動平穩(wěn)性 3 一對標準齒輪傳動時 小齒輪的齒根厚度小而嚙合次數(shù)又較多 故小齒輪的強度較低 齒根部分磨損也較嚴重 因此小齒輪容易損壞 同時也限制了大齒輪的承載能力 4 變位齒輪傳動 為了改善齒輪傳動的性能 出現(xiàn)了變位齒輪 如圖所示 當齒條插刀齒頂線超過極限嚙合點N1 切出來的齒輪發(fā)生根切 若將齒條插刀遠離輪心O1一段距離 xm 齒頂線不再超過極限點N1 則切出來的齒輪不會發(fā)生根切 但此時齒條的分度線與齒輪的分度圓不再相切 變位齒輪 標準齒輪 變位齒輪 這種改變刀具與齒坯相對位置后切制出來的齒輪稱為變位齒輪 刀具移動的距離xm稱為變位量 x稱為變位系數(shù) 刀具遠離輪心的變位稱為正變位 此時x 0 刀具移近輪心的變位稱為負變位 此時x 0 標準齒輪就是變位系數(shù)x 0的齒輪 由于齒條刀具變位后 其節(jié)線上的齒距和壓力角都與分度線上相同 所以切出的變位齒輪的模數(shù) 齒數(shù)和壓力角都不變 即變位齒輪的分度圓和基圓都不變 其齒廓漸開線也不變 只是隨變位系數(shù)的不同 取同一漸開線的不同區(qū)段作齒廓 1 斜齒圓柱齒輪的形成及特點2 斜齒圓柱齒輪的基本參數(shù)3 斜齒圓柱齒輪正確嚙合條件4 斜齒圓柱齒輪的當量齒輪 三 斜齒圓柱齒輪 1 齒廓曲面的形成及其嚙合特點 當發(fā)生面沿基圓柱作純滾動時 它上面的一條與基圓柱母線平行的直線KK在空間所走過的軌跡即為漸開線曲面 稱為直齒輪的齒廓曲面 1 齒廓曲面的形成 直齒圓柱齒輪齒廓曲面的形成 漸開線的形成 當發(fā)生線在基圓上作純滾動時 發(fā)生線上任意一點所形成的軌跡 斜齒圓柱齒輪齒廓曲面的形成如圖所示 當發(fā)生面沿基圓柱作純滾動時 其上與母線成一傾斜角 b的斜直線KK在空間所走過的軌跡為漸開線螺旋面 該螺旋面即為斜齒圓柱齒輪齒廓曲面 b稱為基圓柱上的螺旋角 斜齒圓柱齒輪齒廓曲面的形成 2 特點 直齒圓柱齒輪嚙合時 齒面的接觸線均平行于齒輪軸線 整個齒寬同時進入嚙合 同時脫離嚙合的 載荷沿齒寬突然加上及卸下 因此傳動的平穩(wěn)性較差 易產(chǎn)生沖擊和噪聲 不適用于高速和重載的傳動中 斜齒圓柱齒輪嚙合時 斜齒輪的齒廓是逐漸進入 脫離嚙合的 斜齒輪齒廓接觸線的長度由零逐漸增加 又逐漸縮短直至脫離 載荷不是突然加上或卸下的 因此斜齒輪工作較平穩(wěn) 適用于高速和重載的傳動中 齒面 2 斜齒輪的基本參數(shù)及幾何尺寸計算 斜齒輪的輪齒為螺旋形 在垂直于齒輪軸線的端面 下標以t表示 和垂直于齒廓螺旋面的法面 下標以n表示 上有不同的參數(shù) 斜齒輪的端面是標準的漸開線 但從斜齒輪的加工和受力角度看 斜齒輪的法面參數(shù)為標準值 1 螺旋角 螺旋角 在斜齒輪分度圓柱面上螺旋線展開所成的直線與軸線的夾角即為斜齒輪在分度圓柱上的螺旋角 簡稱斜齒輪的螺旋角 b 斜齒輪在基圓圓柱上的螺旋角 意義 表示輪齒的傾斜程度大小 各圓柱的螺旋角不同 一般提到的是分度圓柱上的螺旋角 旋向 左旋 右旋 螺旋線的導程Ps 螺旋線繞一周時沿軸線方向前進的距離 所以 又因為 2 模數(shù) 端面齒距 法面齒距 所以 3 壓力角 因為 故 4 齒頂高系數(shù)與頂隙系數(shù) 斜齒輪的齒頂高和齒根高不論從端面還是從法面來看都是相等的 即 所以 5 斜齒輪的幾何尺寸計算 3 斜齒圓柱齒輪正確嚙合條件 1 兩斜齒輪的法面模數(shù)相等2 兩斜齒輪的法面壓力角相等3 兩斜齒輪的螺旋角大小相等 方向相反 4 斜齒圓柱齒輪的當量齒輪和最少齒數(shù) 當量齒輪 過斜齒輪分度圓柱齒廓上的任一點C作齒的法面 該法面與分度圓柱面的交線為一橢圓 以橢圓在C點的曲率半徑為分度圓半徑 以斜齒輪的法面模數(shù)為模數(shù) 壓力角為標準壓力角作一直齒圓柱齒輪 其齒形與斜齒輪的法面齒形最接近 這個齒輪稱斜齒輪的當量齒輪 齒數(shù)ZV稱當量齒數(shù) 當量齒數(shù) 標準斜齒輪不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù) 斜齒輪的法面齒形 刀具刃形 直齒輪齒形 當量齒輪 當量齒輪 與斜齒輪法面齒形相當?shù)闹饼X輪當量齒數(shù) 當量齒輪的齒數(shù)ZV用途 a 選擇刀具刀號b 確定斜齒輪不發(fā)生根切的Zmin ZVmin Cos3 17Cos3 C 進行彎曲疲勞強度計算用ZV來選擇齒形系數(shù) 1 直齒圓錐齒輪概述2 直齒圓錐齒輪的基本參數(shù)3 直齒圓錐齒輪幾何尺寸 四 直齒圓錐齒輪 圓錐齒輪是用來傳遞空間兩相交軸的運動和動力 其輪齒分布在截圓錐體上 齒形從大端到小端逐漸變小 為計算和測量方便 通常取大端參數(shù)為標準值 一對圓錐齒輪兩軸線間的夾角 稱為軸交角 一般機械中 多取 90 1 圓錐齒輪傳動概述 應用 2 直齒圓錐齒輪的基本參數(shù) 模數(shù) 參見國標 一般取m 2mm 齒數(shù) 一般取Zmin 20 壓力角 國標規(guī)定為20 齒頂高系數(shù)與頂隙系數(shù) 正常齒制ha 1 c 0 2 直齒圓錐齒輪的正確嚙合條件 兩齒輪大端的模數(shù)和壓力角相等 即 傳動比 當 3 直齒圓錐齒輪傳動的幾何尺寸計算 1 蝸桿傳動傳動概述2 蝸輪蝸桿傳動特點3 蝸桿傳動傳動類型 五 蝸輪蝸桿傳動 蝸桿傳動由蝸桿 蝸輪與機架組成 一般蝸桿為主動件 蝸輪為從動件 蝸桿傳動用來傳遞空間兩交錯軸之間的運動和動力 一般兩軸交角為90 如圖所示 蝸桿傳動具有自鎖性 作減速運動 廣泛應用于各種機械和儀器設備中 1 蝸桿傳動傳動概述 2 蝸桿傳動的特點 與其它傳動機構相比 蝸桿傳動的特點是 傳動比大 在動力傳動中一般 8 100 在分度機構中傳動比可達1000 傳動平穩(wěn) 噪聲低 結構緊湊 在一定條件下可以實現(xiàn)自鎖 但蝸桿傳動效率低 發(fā)熱量大 磨損較嚴重 因此 蝸輪齒圈部分常用減摩性能好的有色金屬 如青銅 制造 成本較高 優(yōu)點 i大 機構緊湊 傳動平穩(wěn) 無噪音 反行程時可自鎖 安全保護 起重機 缺點 輪齒間相對滑動速度較大 易磨損 效率低 最高70 成本較高蝸桿 鋼 蝸輪 青銅 3 蝸桿蝸輪機構的分類 按蝸桿的旋向分 左旋 右旋 按蝸桿的頭數(shù)分 單頭 多頭 a 圓柱蝸桿傳動b 環(huán)面蝸桿傳動c 錐蝸桿傳動 1 輪系的定義2 輪系的類型與功用3 定軸輪系的傳動比計算4 行星輪系的傳動比計算 六 輪系傳動 1 輪系的定義 在復雜的現(xiàn)代機械中 為了滿足各種不同的需要 常常采用一系列齒輪組成的傳動系統(tǒng) 輪系 由一系列相互嚙合的齒輪 蝸桿 蝸輪 組成的傳動系統(tǒng) 2 輪系類型 根據(jù)輪系中各齒輪的軸線位置關系分為 根據(jù)輪系運轉(zhuǎn)時齒輪的軸線位置相對于機架是否固定 又將輪系分 定軸輪系 周轉(zhuǎn)輪系 混合輪系 輪系 平面輪系 空間輪系 輪系 1 定軸輪系 所有齒輪幾何軸線的位置都是固定的輪系 稱為定軸輪系 2 周轉(zhuǎn)輪系 至少有一個齒輪除繞自身軸線自轉(zhuǎn)外 其軸線又繞另一個軸線轉(zhuǎn)動的輪系稱為行星齒輪系 輪系的功用 1 獲得大的傳動速比 2 適用于遠距離傳動 3 能得不同的傳動 4 能改變從動輪的轉(zhuǎn)向 5 能進行了運行的合成和分解 3 定軸齒輪系傳動比的計算 在運轉(zhuǎn)過程中 各輪幾何軸線的位置相對于機架是固定不動的輪系稱為定軸輪系 定軸輪系又可分為平面定軸輪系和空間定軸輪系 平面定軸輪系 空間定軸輪系 輪系的傳動比 指輪系中輸入軸 首齒輪 的角速度 或轉(zhuǎn)速 與輸出軸 末齒輪 的角速度 或轉(zhuǎn)速 之比 即 輪系的傳動比計算 包括計算其傳動比的大小和確定輸出軸的轉(zhuǎn)向兩個內(nèi)容 a 輸入軸b 輸出軸 外嚙合 內(nèi)嚙合 1 圓柱齒輪 2 圓錐齒輪 箭頭相對或相背 左右手定則 手伸直 四指握向蝸桿的轉(zhuǎn)動方向 拇指的反方向為蝸輪的轉(zhuǎn)向 3 蝸桿蝸輪 蝸桿旋向 順著軸線看 左上方 左旋 右上方 右旋 蝸輪轉(zhuǎn)向判斷 各對齒輪傳動比 4 平面定軸輪系傳動比的計算 輪系傳動比 求i15 結論 2 齒輪4 惰輪 僅改變轉(zhuǎn)向 不改變i大小 1 平面定軸輪系的傳動比等于組成輪系的各對齒輪傳動比的連乘積 也等于組成輪系的從動齒輪齒數(shù)的連乘積與主動齒輪齒數(shù)的連乘積之比 m 外嚙合齒輪的對數(shù) 惰輪輪系中齒輪4同時與齒輪3 和齒輪5嚙合 其齒數(shù)大小不影響輪系傳動比的大小 只起到改變轉(zhuǎn)向的作用 從動輪轉(zhuǎn)向的確定 平面定軸輪系從動輪的轉(zhuǎn)向 也可以采用畫箭頭的方法確定 用傳動比正負號表示 兩輪轉(zhuǎn)向相同 內(nèi)嚙合 時傳動比取正號 兩輪轉(zhuǎn)向相反時傳動比取負號 正負號取決于 m 外嚙合齒輪對數(shù) 解 求 i15 n5 例1 車床溜板箱進給刻度盤 n1 1450rpm Z1 18 Z2 87 Z3 28 Z4 20 Z5 84 n5與n1轉(zhuǎn)向相同 5 空間定軸輪系傳動比的計算 空間定軸輪系傳動比的大小仍采用推廣式計算 確定從動輪的轉(zhuǎn)向 只能采用畫箭頭的方法 空間定軸輪系傳動比 方向判斷如圖所示 例2 求 6 如圖所示定軸輪系中 1 20rad s Z1 Z3 20 Z2 Z4 40 Z5 Z6 8 解 6的方向如圖所示 方向如圖所示 求 v6 解 已知 Z1 15 Z2 25 Z2 Z3 15 Z3 30 Z4 30 Z4 2 Z5 60 Z5 20 m 4mm n1 500rpm 轉(zhuǎn)向如圖 練習 圖示的輪系中 已知各齒輪的齒數(shù)Z1 20 Z2 40 Z 2 15 Z3 60 Z 3 18 Z4 18 Z7 20 齒輪7的模數(shù)m 3mm 蝸桿頭數(shù)為1 左旋 蝸輪齒數(shù)Z6 40 齒輪1為主動輪 轉(zhuǎn)向如圖所示 轉(zhuǎn)速n1 100r min 試求齒條8的速度和移動方向 空檔 一檔傳動比 二檔傳動比 倒檔傳動比 如圖所示為多刀半自動車床主軸箱傳動系統(tǒng) 已知 帶輪直徑D1 D2 180mm z1 45 z2 75 z3 36 z4 81 z5 59 z6 54 z7 25 z8 88 當電動機轉(zhuǎn)速n 1443r min時 主軸 上的各級轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)臂 系桿 支承行星輪 并繞固定軸線轉(zhuǎn)動 行星輪 幾何軸線不固定的齒輪 太陽輪 幾何軸線固定的齒輪 4 行星齒輪系傳動比的計算 1 行星齒輪系的組成 行星輪 太陽輪 行星架以及機架組成行星輪系 行星系中 行星輪可有多個 太陽輪的數(shù)量不多于兩個 行星架只能有一個 簡單行星輪系 具有一個自由度的行星輪系 簡單行星輪系 F 1 差動輪系 F 2 2 行星齒輪系的分類 差動輪系 具有兩個自由度的行星輪系 空間行星齒輪系 平面行星齒輪系 轉(zhuǎn)化輪系法 給整個輪系加上一個與行星架轉(zhuǎn)速nH大小相等方向相反的公共轉(zhuǎn)速 nH 則行星架被固定 而原構件之間的相對運動關系保持不變 這樣 原來的行星輪系就變成了假想的定軸輪系 該假想定軸輪系 稱為原周轉(zhuǎn)輪系的轉(zhuǎn)化輪系 3 行星齒輪系傳動比的計算 周轉(zhuǎn)輪系及轉(zhuǎn)化輪系中各構件的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)化輪系傳動比為 1 公式適用于平面周轉(zhuǎn)輪系 正 負號可按畫箭頭的方法來確定 也可根據(jù) 1 m確定 對于空間周轉(zhuǎn)輪系 當兩太陽輪和行星架的軸線互相平行時 仍可用轉(zhuǎn)化輪系法來建立轉(zhuǎn)速關系式 但正 負號應按畫箭頭的方法來確定 注意 行星輪系轉(zhuǎn)化機構傳動比的一般表達式 2 輪系中n1 nk nH既有大小又有正負 若假定其中之一為正 則另一個如果轉(zhuǎn)向與之相同取正號 相反為負 3 iAKH iAK iAKH是行星齒輪系轉(zhuǎn)化機構的傳動比 即齒輪A K相對于行星架H的傳動比 而iAK是行星輪系中A K兩輪的傳動比 例4 周轉(zhuǎn)輪系中 已知各輪齒數(shù)為Z1 100 Z2 101 Z2 100 Z3 99 試求傳動比iH1 解 轉(zhuǎn)化輪系的傳動比 傳動比為正 表示行星架H與齒輪1的轉(zhuǎn)向相同 所以 混合輪系 輪系中既含有定軸輪系又含有行星輪系 或是包含由幾個基本行星輪系的復雜輪系 4 混合輪系傳動比的計算 先將混合輪系分解成行星輪系和定軸輪系 然后分別列出傳動比計算式 最后聯(lián)立求解 混合輪系傳動比的計算 例5 圖示為電動卷揚機卷筒機構 已知各輪齒數(shù)z1 24 z2 48 z2 30 z3 90 z3 20 z4 30 z5 80 求i1H 解 1 劃分輪系當卷揚機卷筒運轉(zhuǎn)時 雙聯(lián)齒輪2與2 的軸線會隨卷筒轉(zhuǎn)動 因此它是一個雙聯(lián)行星輪 支持它轉(zhuǎn)動的卷筒是行星架H 與雙聯(lián)行星輪嚙合的是中心輪1和3 它們組成了一個行星輪系 齒輪3 4與5的軸線是固定的 組成了定軸輪系 因此 該輪系是一個行星輪系和定軸輪系組成的混合輪系 2 求傳動比 行星輪系的轉(zhuǎn)化機構 傳動比為 定軸輪系傳動比 得傳動比 任務實施 汽車輪系分析 課題1 普通齒輪變速器 三軸變速器分析 學生分析三軸變速器的結構及工作原理 學生分組討論問題 1 汽車為什么要裝變速器 2 變速器的功用及分類 學生分組進行三軸變速器的拆裝 一 三軸結構變速器的變速傳動機構 輸入軸1 中間軸2 輸出軸3 倒檔軸 變速齒輪 結合套 二 變速器結構分析 三 三軸五檔位變速器變速原理