《机械基础（第2版）》 第13课 蜗杆传动和齿轮系

课题机械传动装置（四）——蜗杆传动和齿轮系课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握蜗杆传动的主要参数及工作原理（2）了解蜗轮与蜗杆的结构和材料（3）掌握常见机械传动装置的运行与维护（4）能够计算蜗杆传动的传动比，确定蜗轮的转向（5）能够计算定轴轮系的传动比，确定轮系传动件的转向思政育人目标：（1）养成实事求是的科学精神和求真务实的辩证思维（2）提升遵守标准规范的职业意识和学以致用的职业素养教学重难点教学重点：蜗杆传动的工作原理；蜗杆传动、定轴轮系的传动比计算；教学难点：蜗杆传动、定轴轮系的传动比计算；教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：→→传授新知（38min）第2节课：传授新知（15min）→例题讲解（10min）→任务实施（15min）→课堂小结（3min）→作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单4.2”，并根据任务工单进行组内分工。同时，提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件预习本节课知识，了解蜗杆传动的类型和特点，普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸的计算，蜗杆与涡轮结构和材料，蜗杆传动的维护，齿轮系的类型及功能，定轴齿轮系传动比的计算等内容，并思考以下问题：（1）蜗杆传动的类型有哪些？请举例说明，并简述蜗杆传动的特点。（2）蜗杆传动的主要参数有哪些？请举例说明，并简述计算方法。（3）蜗杆传动的失效形式有哪些？蜗杆传动的润滑方式有哪些？请举例说明。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣考勤（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况问题导入（5min）【教师】提出以下问题：减速器传动机构中，平行轴间的传动用圆柱齿轮传动，相交轴间的传动用圆锥齿轮传动，那空间两交错轴间的运动是用什么来传递运动的呢？【学生】思考、举手回答【教师】通过学生的回答，引入要讲的知识通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣

传授新知（38min）一、蜗杆传动【多媒体教学】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“蜗杆传动的工作原理及特点”，观看微课视频，学习蜗杆传动的工作原理及特点✈【学生】观看、思考【教师】新知讲解1．蜗杆传动的结构和工作原理结构：由蜗杆、蜗轮和机架等组成。工作原理：主要用于空间两交错轴之间运动和动力的传递，如2．蜗杆传动的类型和特点根据蜗杆外形的不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动三类，如图所示。（a）圆柱蜗杆传动（b）环面蜗杆传动（c）锥蜗杆传动圆柱蜗杆传动可分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动。在普通圆柱蜗杆传动中，根据螺旋面形状的不同，普通圆柱蜗杆可分为阿基米德圆柱蜗杆、渐开线圆柱蜗杆、法向直廓圆柱蜗杆等。其中，阿基米德圆柱蜗杆具有加工方便、承载能力强等优点，应用最为广泛。优点：①传动比（一般为10～80）大且准确，结构紧凑；②传动平稳，噪声较小；③可实现自锁。缺点：①蜗轮与蜗杆之间的摩擦较大，传动效率较低（一般为0.7～0.9）；②通常选用铜合金等材料，成本较高。【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答蜗杆传动和齿轮传动相比有哪些特点？常用于什么场合？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答3．普通圆柱蜗杆传动的主要参数普通圆柱蜗杆传动如图所示，通过蜗杆轴线且垂直于蜗轮轴线的平面称为中间平面，它既是蜗杆的轴向截面，又是蜗轮的端面。在中间平面内，蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合，因此普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸均以中间平面的参数为标准值。1）蜗杆的头数和蜗轮的齿数蜗杆的头数是指蜗杆分度圆柱上螺旋线的条数，用表示。蜗杆头数越小，传动比越大，且越容易实现自锁，但传动效率将随之降低，摩擦发热量增大；蜗杆头数越大，传动效率越高，但传动比将变小，且加工困难。因此，工程中通常取。蜗轮的齿数，若太小，蜗杆传动的平稳性将变差，且蜗轮容易产生根切；若太大，蜗轮的直径将增大，与之相啮合的蜗杆长度则会增加，导致蜗杆传动的刚度下降。因此，工程中通常取。2）模数和压力角蜗杆传动在中间平面内相当于齿轮齿条传动，且中间平面为蜗杆的轴面和蜗轮的端面，因此规定蜗杆的轴面模数和轴面压力角与蜗轮的端面模数和端面压力角分别相等（即，），以保证蜗杆与蜗轮的正确啮合。其中，蜗杆传动的模数一般取标准值，标准压力角为20°。3）蜗杆分度圆直径和蜗杆直径系数工程中对每个标准模数的蜗杆都规定了若干分度圆直径。蜗杆分度圆直径与模数m的比值称为蜗杆直径系数，用q表示，即（4-15）由式（4-15）可知，当模数m一定时，q越大，蜗杆分度圆直径d1越大，蜗杆的刚度越高。4）导程角螺旋线与蜗杆轴端面的夹角称为蜗杆分度圆柱上的导程角，简称导程角，用表示。5）中心距在蜗杆传动中，蜗轮与蜗杆的中心距为4．普通圆柱蜗杆传动几何尺寸的计算名称符号蜗杆蜗轮分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径蜗杆导程角—蜗轮螺旋角—标准中心距a5．普通圆柱蜗杆的啮合传动1）蜗杆传动正确啮合的条件蜗杆的轴向模数与蜗轮的端面模数相等；蜗杆的轴面压力角与蜗轮的端面压力角相等；2）蜗杆传动的传动比在蜗杆传动中，蜗杆通常为主动件，则蜗杆与蜗轮之间的传动比为（4-19）3）涡轮和蜗杆的转向关系如图4-40所示，右手张开伸直，使手心朝向自己，四指指向蜗杆或蜗轮的轴线方向，若大拇指的指向与齿形方向一致，则表示该蜗杆或蜗轮为右旋，如图4-40（a）、（b）所示；反之，则为左旋，如图4-40（c）所示。（a）右旋蜗杆（b）右旋蜗轮（c）左旋蜗杆为了正确利用蜗杆传动，需要确定蜗轮的旋转方向。蜗轮的旋转方向与蜗杆的旋向和旋转方向有关，具体可通过左（右）手定则来判断。其中，左旋蜗杆用左手，右旋蜗杆用右手。如图所示，伸出手掌，四指沿着蜗杆回转方向弯曲，大拇指伸直代表蜗杆轴线，与大拇指指向相反的方向即为蜗轮上啮合点的线速度方向。（a）右旋蜗杆（b）左旋蜗杆6．蜗杆与涡轮的结构和材料1）蜗杆与蜗轮的结构铸铁蜗轮和直径小于100mm的铜合金蜗轮通常采用整体式结构。当蜗轮的直径较大时，蜗轮齿圈用铜合金制造，蜗轮轮心用钢或铸铁制造。当蜗轮直径大于600mm时，或在蜗轮磨损后需要更换齿圈的场合，蜗轮轮圈与轮心可用螺栓连接。对于大批量生产的蜗轮，常将铜合金齿圈直接镶铸在铸铁轮心上。2）蜗杆与蜗轮的材料蜗轮和蜗杆除了应具有足够的强度外，还应具有良好的减摩性、耐磨性和抗胶合能力。由于蜗杆啮合的次数比蜗轮多，因此蜗杆材料的硬度应比蜗轮高。蜗杆齿面要求具有较高的硬度和较小的表面粗糙度，常用的材料有合金渗碳钢和合金调质钢。为提高蜗杆的齿面硬度，需要对其进行合理的热处理。蜗杆常用材料的性能、热处理方式及适用范围（详见教材表4-12）。7.蜗杆传动的维护1）蜗杆传动的失效形式与齿轮传动类似，蜗杆传动的失效形式主要有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损及齿面胶合等。其中，闭式蜗杆传动的主要失效形式是齿面胶合和点蚀，开式蜗杆传动的主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断。由于材料和结构上的原因，蜗轮轮齿的强度往往低于蜗杆螺旋齿的强度，因此蜗杆传动的失效大多发生在蜗轮轮齿上。2）蜗杆传动的润滑蜗杆传动的相对滑动速度大、发热量大，若润滑不良则会显著降低工作效率，并且会带来严重的磨损，甚至出现胶合，因此必须选择合适的润滑油及润滑方式。蜗杆传动常用润滑油的黏度和润滑方式（详见教材表4-14）。【学生】聆听、思考、理解通过教师讲解、课堂互动、举例分析等教学方式，帮助学生掌握蜗杆传动的类型和特点，普通圆柱蜗杆传动的主要参数、几何尺寸的计算和啮合传动，蜗杆与蜗轮的结构和材料，蜗杆传动的维护等相关知识第二节课

传授新知（15min）二、齿轮系【教师】新知讲解1．齿轮系的类型【多媒体教学】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“定轴轮系”，观看微课视频，学习定轴轮系知识✈【学生】观看、思考1）定轴轮系传动时，各齿轮的几何轴线相对于机架都处于固定状态的齿轮系称为定轴轮系。按照各齿轮轴线是否在同一平面，定轴轮系又可分为平面定轴轮系和空间定轴轮系，如图4-42所示。（a）平面定轴轮系（b）空间定轴轮系【学生】聆听、思考、理解【多媒体教学】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“周转轮系”，观看微课视频，学习周转轮系知识✈【学生】观看、思考【教师】新知讲解2）周转轮系传动时，至少有一个齿轮的几何轴线相对于机架位置不固定的齿轮系称为周转轮系，它主要由太阳轮、行星轮、行星架和机架等组成，如图所示。根据机构自由度数目的不同，周转轮系可分为行星轮系和差动轮系。行星轮系：一个太阳轮固定，自由度的周转轮系，如图（a）所示。差动轮系：两个太阳轮都可转动，自由度的周转轮系，如图（b）所示。

（a）行星轮系

（b）差动轮系2．齿轮系的功能1）实现长距离传动如图4-44所示，用四个小齿轮代替两个大齿轮进行传动，既可节约空间、材料，又能方便制造和安装。2）实现变速和换向传动在输入轴转速和转向不变的情况下，利用齿轮系可以使输出轴获得若干不同的转速或反向的运动。如图4-45所示为某简易汽车变速箱机构运动简图。3）实现大传动比传动采用齿轮系传动通过多级累加，可用较小的体积获得较大的传动比。特别是采用周转轮系，只需几个齿轮就可获得很大的传动比。例如，图4-46所示的行星轮系。4）实现运动的合成和分解由前述可知，差动轮系具有两个自由度，如图4-47所示。利用差动轮系这一特点，可以实现运动的合成与分解。3．定轴齿轮系传动比的计算传动比大小：i12=n1/n2=z1/z2传动比方向：（1）符号法：“+“转向相同，”-“转向相反（2）箭头法：箭头方向表示齿轮方向【课堂互动】✈【教师】组织学生以小组为单位填写下表类型图例传动比大小转向平行轴外啮合传动平行轴内啮合传动圆锥齿轮传动蜗杆传动✈【学生】思考、讨论、填表如图所示的平面定轴轮系中，齿轮1为主动轮，齿轮5为从动轮，可用画箭头的方法表示出各轮的转动方向。该齿轮系中，各对齿轮传动的传动比为，，，其中，，，因此该齿轮系的传动比为【学生】聆听、思考、理解✈【教师】组织学生讨论以下问题：观察上式分子与分母有什么特点？与什么有关系？✈【学生】思考、讨论、回答✈【教师】总结学生回答定轴轮系的传动比的大小等于组成该齿轮系的各对啮合齿轮传动比的乘积，其值也等于所有从动轮齿数连乘积与所有主动轮齿数连乘积之比。定轴轮系的传动比的转向取决于轮系中外外啮合的对数。即m——齿轮系中外啮合齿轮的对数。通过教师讲解、课堂互动、举例分析等教学方式，帮助学生掌握齿轮系的类型，齿轮系的功能，定轴齿轮系传动比的计算等相关知识例题讲解（10min）【教师】讲解以下例题【例4-3】在如图4-51所示的车床溜板箱进给刻度盘齿轮系中，已知运动由齿轮1输入，由齿轮5输出。其中，（方向向上），，，，，。试求的大小和方向。【解】（1）在车床溜板箱进给刻度盘齿轮系中，1为主动轮，5为末端从动轮，齿轮系的传动关系为：1→2，2→3，3→4，4→5。（2）根据式（4-20）计算车床溜板箱进给刻度盘齿轮系的传动比，即齿轮5的转速为（3）的方向可用画箭头的方法确定，如图4-52所示。图4-51例4-3图图4-52例4-3结果图【学生】聆听、思考、理解通过例题讲解，加深学生对知识的理解，帮助学生强化知识点的记忆任务实施

（15min）【教师】组织学生以小组为单位根据表格中的要求，分析该齿轮系的传动，确定蜗轮的转向并计算其转速，并填写“任务工单4.2”如图所示为组合机床动力滑台齿轮系，其运动从电动机输入，从蜗轮6输出。在该齿轮系中，电动机转速（），各齿轮齿数、蜗杆头数和蜗轮齿数分别为，，，，（双头），，蜗杆为右旋。【学生】观察、思考、分组讨论、填写任务工单【教师】根据各组学生的表现进行评价，并填写任务工单中的考核评价表【学生】结合自身表现和教师的评价，对本次任务进行总结通过任务实施，加深对所学知识的理解，并将理论应用到实践中，做到学以致用课堂小结

（3min）【教师】简要总结本节课的要点本节课主要学习了蜗杆传动的类型和特点，普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸的计算，蜗杆与涡轮结构和材料，蜗杆传动的维护，齿轮系的类型及功能，定轴齿轮系传动比的计算等内容。希望同学们能够通过本节课的学习，掌握蜗杆传动、定轴轮系的传动比计算，为学习后续