第4章机械传动

第4章机械传动机械的概念

4.1平面机构的结构分析

4.2带传动和链传动4.3圆柱齿轮传动

4.4【学习目标】1．了解机构的基本组成，掌握平面机构运动简图的绘制方法2．理解零件失效、运动副、自由度等基本概念3．掌握平面机构自由度的计算方法和机构具有确定相对运动条件的应用4．了解带传动和链传动的工作原理、运动特性、应用特点及结构标准5．了解带传动和链传动的设计计算方法、步骤及主要参数选择6．了解圆柱齿轮传动的应用、类型、渐开线齿廓的啮合特点、加工测量方法和材料选择7．理解渐开线圆柱齿轮的啮合过程、正确啮合和连续传动的条件以及当量齿轮、变位齿轮的基本概念与应用8．掌握渐开线圆柱齿轮的主要参数、几何尺寸计算、参数选择以及齿轮传动承载能力的一般分析计算方法9．了解直齿锥齿轮传动和蜗杆传动的应用特点，以及蜗杆传动的材料选择方法10．理解直齿锥齿轮和蜗杆传动的正确啮合条件、失效形式和设计准则分析及参数选择11．掌握定轴轮系、周转轮系和简单混合轮系传动比的计算方法4.1机械的概念本节的研究对象是机械的概念。机械是机器和机构的总称。1．机器2．机构3．构件、零件和部件4.2平面机构的结构分析4.2.1结构分析的目的机构是用来传递或变换运动的构件系统，且组成机构的各构件彼此间具有确定的相对运动。图4-3三构件组合体

图4-4五构件组合体4.2.2平面机构的组成1．构件的自由度作平面运动的构件相对于定参考系所有独立运动的数目称为构件的自由度。2．运动副

（1）低副图4-6平面低副（2）高副

图4-7平面高副3．组成机构的构件类型（1）固定构件（2）原动件（3）从动件4.2.3平面机构运动简图的绘制1．机构运动简图的概念2．机构运动简图的绘制名称简图符号机架是移动副的一部分名称简图符号构件轴杆构件基本符号三副元素构件机架是转动副的一部分机架是移动副的一部分

构件的永久连接平面高副齿轮副外啮合内啮合平面低副转动副移动副凸轮副表4-1 构件和运动副的规定符号（摘自GB4460—84）【例4-1】绘制图4-9（a）所示的颚式破碎机主体机构的运动简图。图4-9颚式破碎机机构1—机架2—偏心轴3—动颚4—肘板5—带轮选择构件的运动平面为视图平面，且原动件的位置为机构运动瞬时位置，如图4-9（c）。【例4-2】试绘制图4-10（a）所示内燃机的机构示意图。图4-10【例4-2】内燃机机构图1—活塞2—连杆3—曲轴4—曲轴齿轮5—凸轮轴齿轮6—凸轮轴7、8—进、排气门推杆9—机架4.2.4机构具有确定运动的条件1．平面机构的自由度若机构中各构件共组成PL个低副、PH个高副，则平面机构自由度F的计算公式为F

=

3n

2PL

PH

（4-1）

2．计算机构自由度的注意事项（1）复合铰链图4-11复合铰链图4-12直线机构（2）局部自由度

图4-13局部自由度

（3）虚约束

图4-14转动副轴线重合的虚约束【例4-3】计算图4-18（a）所示筛料机构的自由度。图4-18筛料机构例4-3图F

=

3n

2PL

PH=

3

×

7

2

×

9

1

=

2

3．机构具有确定运动的条件只有给机构输入的独立运动数目与机构的自由度数相等，该机构才能有确定的运动。4.3带传动和链传动4.3.1带传动的应用特点和结构标准图4-21带传动1．带传动的类型2．带传动的应用特点摩擦带传动的优点有以下几点。①带有良好的弹性，能缓冲减震，因而传动平稳，噪声小。②过载时，会因摩擦力的不足使带在带轮上打滑，对其他零件起到安全保护作用。③适用于两轴中心距较大场合的传动。④结构简单，制造和安装精度要求不高，维护方便，成本较低。摩擦带传动的缺点有以下几点。①由于带的弹性滑动，不能保证准确的传动比。②外廓尺寸大，传动效率较低，寿命较短。③工作时因摩擦产生静电，故不宜放在易燃、易爆的场合。④支撑带轮的轴和轴承受力较大，一般需要张紧装置。4.3.2V带轮的结构及标准1．普通V带的结构和标准图4-24普通V带的结构参数V带型号YZABCDE节宽(bp)/mm5.38.51114192732顶宽(b)/mm6101317223238高度(h)/mm46811141925每米带长质量(q)/(kg/m)0.040.060.100.170.300.620.90楔角（）40°表4-2 普通V带截面尺寸和单位带长质量(摘自GB/T11544—1992)基准长度Ld/mmKL基准长度Ld/mmKLYZABCDEYZABCDE2000.812

0001.030.980.882240.822

2401.061.000.912500.842

5001.091.030.932800.872

8001.111.050.950.833150.893

1501.131.070.970.863550.923

5501.171.090.990.894000.960.874

0001.191.131.020.914501.000.894

5001.151.040.930.905001.200.915

0001.181.070.960.925600.945

6001.090.980.95表4-3 普通V带基准长度系列及带长修正系数基准长度Ld/mmKL基准长度Ld/mmKLYZABCDEYZABCDE6300.960.816

3001.121.000.977100.990.837

1001.151.031.008001.000.858

0001.181.061.029001.030.870.829

0001.211.081.051

0001.060.890.8410

0001.231.111.071

1201.080.910.8611

2001.141.101

2501.110.930.8812

5001.171.121

4001.140.960.9014

0001.201.151

6001.160.990.920.8316

0001.221.181

8001.181.010.950.86续表h0/mm6.39.51215202833hamin/mm1.62.02.753.54.88.19.6e/mm812151925.53744.5f/mm781012.5172329bd/mm5.38.511.014.019.027.032.0/mm55.567.5101215B/mmB

=

(x

−

1)

e

+

2fx为带根数32°dd/mm≤6034°≤80≤118≤190≤31536°＞60≤475≤60038°＞80＞118＞190＞315＞475＞600表4-4 普通V带轮缘及轮槽尺寸（摘自GB/T13575.1—1992）图4-26V带轮的结构4.3.3带传动的工作情况分析1．带传动的受力分析图4-27带传动的受力分析带传动工作时，带中将产生以下三种应力。（1）由拉力产生的拉应力（2）由离心力产生的拉应力（3）由带弯曲产生的弯曲应力最大应力发生在带的紧边进入小带轮处。图4-28传动带的应力分布4.3.6链传动的应用特点和类型1．链传动的应用特点2．链传动的类型图4-31链传动

图4-32齿形链

4.3.7滚子链的结构和参数1．滚子链的结构由外链板1、内链板2、销轴3、套筒4和滚子5五部分组成。2．滚子链的参数图4-34滚子链结构1—外链板2—内链板3—销轴4—套筒5—滚子4.4圆柱齿轮传动分类名称示意图特点和应用平行轴齿轮传动直齿圆柱齿轮传动外啮合直齿圆柱齿轮传动两齿轮转向相反。轮齿与轴线平行、工作时无轴向力重合度较小，传动平稳性较差，承载能力较低多用于速度较低的传动、尤其适用于变速箱的换挡齿轮内啮合圆柱齿轮传动两齿轮转向相同重合度大，轴间距离小，结构紧凑，效率较高齿轮齿条传动齿条相当于一个半径为无限大的齿轮用于连续转动到往复移动的运动变换平行轴斜齿轮传动外啮合斜齿圆柱齿轮传动两齿轮转向相反。轮齿与轴线成一夹角，工作时存在轴向力，所需支承较复杂重合度较大，传动较平衡，承载能力较高适用于速度较高、载荷较大或要求结构较紧凑的场合人字齿轮传动外啮合人字齿圆柱齿轮传动两齿轮转向相反承载能力高，轴向力能抵消，多用于重载传动相交轴齿轮传动直齿锥齿轮传动两轴线相交，轴交角为90°的应用较广制造和安装简便，传动平衡性较差，承载能力较低，轴向力较大用于速度较低（＜5m/s），载荷小而稳定的运转表4-15 齿轮传动的类型和应用4.4.1齿轮传动的特点和分类分类名称示意图特点和应用相交轴齿轮传动曲线齿锥齿轮转动两轴线相交重合度大、工作平衡、承载能力高，轴向力较大且与齿轮转向有关用于速度较高及载荷较大的传动交错轴齿轮传动交错轴斜齿轮传动两轴线交错两齿轮点接触、传动效率低适用于载荷小、速度较低的传动蜗杆传动同轴线交错，一般成90°传动比较大，一般i=10～80结构紧凑，传动平稳，噪声和震动小传动效率低，易发热续表4.4.2渐开线齿廓的性质和特点1．渐开线的形成及性质

图4-46渐开线的形成

图4-47渐开线齿廓的形成①发生线在基圆上滚过的长度，等于基圆上被滚过的弧长，即。②渐开线上任一点的法线必与基圆相切。线段NK既是基圆的切线，同时也是渐开线在K点的法线和曲率半径。③渐开线上K点的速度V与作用力Fn的夹角K称为K点的压力角。渐开线上各点的压力角不同。离基圆越远，压力角越大。④渐开线的形状取决于基圆的大小。基圆半径越大。渐开线越平直。当基圆趋于无穷大时，渐开线就成为直线，这就是渐开线齿条的齿廓。⑤基圆内无渐开线。4.4.3直齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸1．齿轮各部分名称图4-49所示为渐开线直齿圆柱齿轮的一部分。图4-49齿轮各部分名称及代号名称符号公式齿顶高haha=ha*m齿根高hfhf=

(ha*+c*)m全齿高hh=ha+hf分度圆直径dd=m·z齿顶圆直径dada=z·m+2ha齿根圆直径dfdf=z·m–2hf基圆直径dbdb=

dcos齿距pp=m齿厚s齿槽宽e基圆齿距pbpb

=

pcos标准中心距表4-17 渐开线标准直齿圆柱齿轮外齿轮主要几何尺寸的计算公式注：上述公式适用于外齿轮，对于内齿轮只需将公式中的加减号变换即可。4.4.6齿轮失效形式与齿轮材料1．齿轮的常见失效形式图4-60所示为齿轮常见的失效形式。图4-60齿轮的失效形式（1）齿面点蚀（2）轮齿折断（3）齿面磨损（4）齿面胶合（5）齿面塑性变形2．齿轮传动的设计准则对闭式软齿面（硬度≤350HBS）齿轮传动，由于齿面抗点蚀能力差，齿面点蚀将是主要的失效形式。在设计计算时，通常先按齿面接触疲劳强度设计，确定齿轮的主要参数和尺寸，然后再作齿根弯曲疲劳强度校核。对闭式硬齿面（硬度＞350HBS）齿轮传动，由于齿面抗点蚀能力强，但易发生轮齿折断，故轮齿疲劳折断将是其主要的失效形式。在设计计算时，通常先按齿根弯曲疲劳强度设计，确定齿轮的模数和其他尺寸，然后再作齿面接触疲劳强度校核。对用铸铁制造的一对齿轮啮合时，一般只需做轮齿弯曲疲劳强度设计计算。对于开式齿轮传动，其主要失效形式将是齿面磨损。但由于磨损的机理比较复杂，到目前为止尚无成熟的设计计算方法，通常只能按齿根弯曲疲劳强度设计，再考虑磨损将齿轮模数增大10%～20%。材料牌号热处理直径d/mm力学性能/MPa齿面硬度σbσsHBSHRC表面淬火45正火≤100600300169～21740～50101～300580290162～217调质≤100660380229～286101～300640350217～25540Cr调质≤100750550241～28648～55101～30070050020Cr渗碳、淬火≤6065040056～6220CrMnTi渗碳、淬火151

14085057～6338CrMoAlA调质、氮化301

00085060ZG310-570正火570310163～207HT300300187～255QT500-7500320170～241夹布胶木10025～35表4-19 齿轮常用材料及力学性能4.4.7标准直齿圆柱齿轮传动的承载能力计算1．直齿圆柱齿轮的受力分析图4-63直齿圆柱齿轮轮齿受力分析2．齿面接触疲劳强度的简化计算（1）齿面接触疲劳强度的校核公式齿面接触疲劳强度计算的条件为齿面实际接触应力σH小于或等于许用接触疲劳应力[σH]。简化计算的接触疲劳强度校核公式为（4-47）

式中：T1—小齿轮上的转矩，单位为N·m；

—齿轮转动中心距，单位为mm；

u

—齿数比，u＝z2/z1；

K

—载荷因数，其值如表4-21所示；

Aa

—材料因数，根据配对齿轮材料选择，如表4-22所示；“+”—用于外啮合齿轮传动；“−”—用于内啮合齿轮传动：

b

—轮齿啮合宽度，单位为mm。（2）齿面接触疲劳强度的设计公式在初步设计齿轮时，齿轮传动中心距的估算公式为（4-48）

式中：ψa—齿宽因数，ψa=b/a。3．齿根弯曲疲劳强度的简化计算（1）齿根弯曲疲劳强度校核公式啮合齿轮的弯曲疲劳强度条件为齿根的弯曲应力σF小于或等于齿轮的许用弯曲疲劳应力[σF]。简化计算的齿根弯曲疲劳强度校核公式为（4-49）

式中：d1—小齿轮分度圆直径，单位为mm；

m

—齿轮的模数，单位为mm；

YFS—复合齿形因数。（2）弯曲疲劳强度的设计公式（4-50）

4．齿轮传动主要参数的选择（1）齿数（z）和模数（m）（2）齿数比（u）（3）齿宽因数（ψa）4.6蜗杆传动1．蜗杆传动的类型及特点图4-84蜗杆传动

图4-85阿基米德蜗杆2．蜗杆传动的主要参数和几何尺寸（1）模数（m）和压力角（）（2）蜗杆分度圆直径（d1）和蜗杆导程角（）图4-86蜗杆传动的几何尺寸m/mm11.251.622.53.154d1/mm1820

22.420

28（18）22.4（28）35.5（22.5）28（35.5）45（28）35.5（45）56（31.5）40（50）71m2d1/mm31831.25

3551.2

1.687289.6112142140175221.9281277.8352.2446.55565046408001

136m/mm56.381012.51620d1/mm（40）

（50）

（63）

90（50）63（80）112（63）

80（100）140（71）

90

（112）

160（90）

112

（140）

200（112）140（180）250（140）160（224）315m2d1/mm31

000

1

250

1

575

2

2501

9852

5003

1754

4454

0325

3766

4008

9607

100

9

000

11

200

16

00014

062

17

50021

87531

25028

67235

84046

08064

00056

000

64

000

89

000

126

000表4-27 普通圆柱蜗杆的基本尺寸和参数（摘自GB10084—1988）注：括号内数据尽可能不采用。（4-74）式中：z1—蜗杆螺旋线头数，即蜗杆齿数；

px—蜗杆轴向齿距，单位为mm；

m

—蜗杆轴面（蜗轮端面）模数，单位为mm。i5～87～1615～3230～83z16421z230～4828～6430～6430～83表4-28 圆柱蜗杆传动的i与z1、z2推荐值（5）蜗杆传动几何尺寸计算蜗杆与蜗轮几何尺寸计算公式如表4-29所示。名称代号计算式蜗杆头数z1按规定选取蜗轮齿数z2z2=i·z1模数m由强度计算确定，按表4-27取标准值传动比ii=n1/n2=z2/z1蜗杆轴向齿距px1px1=·m蜗杆导程pzpz=z1

px1蜗杆分度圆直径d1由强度计算确定，按表4-27取标准值蜗轮分度圆直径d2d2=m·z2齿顶高haha1

=

ha2

=

m

（正常齿）表4-29 阿基米德蜗杆传动几何尺寸计算名称代号计算式齿根高hfhf1

=

hf2

=

1.2m（正常齿）蜗杆齿顶圆直径da1da1

=

d1

+

2ha1=d1

+

2m蜗杆齿根圆直径df1df1=d1

−

2hf1=d1

−

2.4m