清华大学机械原理课件-齿轮传动机构

清华大学机械原理课件——齿轮传动机构课程介绍1课程目标掌握齿轮传动机构的基本理论和设计方法，并能独立设计简单的齿轮传动系统。2课程内容涵盖齿轮传动机构的基本概念、分类、工作原理、设计计算、应用实例、维护保养等方面内容。3课程特色以理论联系实际为原则，结合丰富的案例和工程应用，培养学生解决实际问题的能力。齿轮传动机构的作用和特点传递运动和动力齿轮传动机构可以实现运动和动力的精确传递，例如改变转速、扭矩和方向。效率高相比其他传动方式，齿轮传动机构的效率相对较高，可以有效减少能量损失。传动精度高齿轮的齿形设计可以确保传动过程中的精度，使运动和动力传递更加稳定。齿轮基本概念齿轮齿轮是一种具有齿形的机械零件，用于传递旋转运动和扭矩。齿数齿轮上齿形的数量，决定了齿轮的传动比和转速。模数齿轮尺寸的基本参数，用于确定齿轮的齿高、齿厚和齿距。齿形齿轮的齿廓形状，常见的有渐开线齿形和圆弧齿形。齿轮分类按齿轮形状分类齿轮可分为圆柱齿轮、锥齿轮、蜗轮蜗杆等。按齿轮轮齿形状分类齿轮可分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮等。按齿轮应用场景分类齿轮可分为传动齿轮、分配齿轮、同步齿轮等。虎齿轮的基本参数参数描述模数齿轮大小的基本单位，决定齿轮的尺寸和强度齿数齿轮上的齿的个数，决定齿轮的转速和传动比齿顶高齿顶到分度圆的距离，影响齿轮的强度和啮合性能齿根高分度圆到齿根的距离，影响齿轮的强度和啮合性能齿厚两个相邻齿之间的距离，影响齿轮的强度和啮合性能齿顶圆直径齿顶圆的直径，影响齿轮的尺寸和强度分度圆直径齿轮分度圆的直径，影响齿轮的尺寸和传动比齿根圆直径齿根圆的直径，影响齿轮的尺寸和强度齿轮啮合原理齿廓线齿轮啮合过程中，齿廓线互相接触，形成瞬时接触点。啮合角齿轮啮合角是指齿廓线上瞬时接触点处的法线与齿轮中心连线的夹角。啮合线齿轮啮合过程中，瞬时接触点轨迹称为啮合线。啮合点齿轮啮合过程中，齿廓线上任意两点之间的距离称为啮合点。齿轮啮合特性啮合线齿轮啮合过程中，两齿轮齿廓上的接触点连线形成啮合线。接触点齿轮啮合时，齿廓上的接触点是瞬时接触点，不断移动。啮合力齿轮啮合过程中，齿廓间存在摩擦力和法向力，形成啮合力。圆柱齿轮传动系统圆柱齿轮传动系统是最常见的齿轮传动形式之一，广泛应用于各种机械设备中。这种传动系统结构简单、制造方便、传动效率高、承载能力强，适用于各种速度和功率的传动场合。圆柱齿轮传动系统具有以下特点：传动效率高，一般可达95%以上承载能力强，能承受较大的载荷结构简单，制造方便，成本低应用范围广，适用于各种速度和功率的传动场合斜齿轮传动系统斜齿轮传动系统是指齿轮齿面与轮轴线成一定角度的传动系统。斜齿轮传动系统具有以下优点:传动平稳，噪声低承载能力强传动效率高斜齿轮传动系统常用于高速、重载的机械设备，例如汽车变速箱、机床主轴等。锥齿轮传动系统轴线相交锥齿轮的轴线相交，用于传递功率或改变运动方向。锥齿轮锥齿轮的齿面为锥面，齿轮的形状类似于圆锥体的一部分。广泛应用在汽车、机械、航空等领域广泛应用，例如汽车的差速器。蜗杆传动系统蜗杆传动系统由蜗杆和蜗轮组成，蜗杆为螺旋形的螺杆，蜗轮为与蜗杆啮合的齿轮。蜗杆传动可实现较大的传动比，且传动平稳、噪音低，适用于低速、重载场合。蜗杆传动系统的优点在于：传动比大、传动平稳、噪音低、结构紧凑、承载能力强，适合低速、重载场合。缺点是效率低、易磨损，且润滑要求较高。行星齿轮传动系统行星齿轮传动系统是一种重要的传动形式，广泛应用于汽车变速箱、航空发动机等领域。它具有结构紧凑、传动比大、效率高等优点。行星齿轮传动系统主要由太阳轮、行星轮、齿圈和行星架组成。太阳轮固定在中心位置，行星轮围绕太阳轮旋转，齿圈固定在外环，行星架固定在行星轮上，并与输出轴相连。当太阳轮旋转时，行星轮沿着齿圈滚动，行星架就会带动输出轴旋转。行星齿轮传动的传动比取决于太阳轮、行星轮和齿圈的齿数比。齿轮传动效率分析90%机械效率齿轮传动机构效率一般在90%左右，主要受摩擦损耗影响5%摩擦损失齿轮啮合、轴承摩擦和润滑油摩擦是主要损失源5%其他损失齿轮的振动和冲击，材料的弹性变形也会导致能量损失齿轮磨损和失效分析1齿面磨损齿轮传动过程中，齿面相互摩擦，导致磨损。磨损主要分为粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。2齿轮断裂齿轮受力过大或材料强度不足，可能导致齿轮断裂。断裂通常发生在齿根或齿尖部位。3齿轮塑性变形齿轮长期承受过载或冲击载荷，可能导致齿轮塑性变形，影响齿轮的正常工作。4齿轮疲劳失效齿轮在交变载荷作用下，可能发生疲劳裂纹，最终导致齿轮失效。齿轮传动噪声分析齿轮啮合齿轮啮合过程中的冲击和振动是主要噪声源。齿轮精度齿轮加工精度低会增加啮合误差，导致噪声增加。润滑条件润滑不良会加剧齿面磨损，提高噪声水平。安装精度安装精度低会导致齿轮间相对位置偏差，产生噪声。齿轮传动系统设计原则强度齿轮设计需要考虑强度和刚度，以防止齿轮在负载下发生断裂或弯曲失效。磨损齿轮传动系统需要确保齿轮表面的磨损率在可接受范围内，以延长传动系统的使用寿命。噪声齿轮传动系统在运行时会产生噪声，需要设计合理的齿形和传动参数，以降低噪声。效率齿轮传动系统的效率取决于齿轮的啮合状态、润滑条件等因素，设计需要优化效率。典型齿轮传动系统设计实例汽车变速箱齿轮传动系统在汽车变速箱中广泛应用，通过不同齿轮组合实现不同挡位，适应不同的行驶速度和负载需求。工业机器人齿轮传动系统在工业机器人中用于关节运动，实现高精度、高效率的运动控制。风力发电机齿轮传动系统在风力发电机中用于减速增扭，将风能转化为机械能。单级减速装置设计1确定减速比根据负载和电机转速的要求确定合适的减速比。2选择齿轮类型根据负载特点和传动要求选择合适的齿轮类型，如圆柱齿轮、斜齿轮等。3齿轮参数计算计算齿轮的模数、齿数、齿宽等参数，确保齿轮啮合正常。4结构设计设计齿轮轴、轴承、机箱等部件，确保减速装置的强度和刚度。5强度校核对齿轮和轴进行强度校核，确保其能够承受负载。6润滑设计设计润滑系统，确保齿轮的正常润滑，延长其使用寿命。7加工制造根据设计图纸加工制造齿轮和减速装置的其他部件。8装配调试将减速装置的各个部件装配在一起，并进行调试，确保其正常工作。多级减速装置设计1需求分析确定减速比、输入扭矩、输出速度等参数。2方案选择选择合适的齿轮类型、级数、传动比等。3结构设计设计齿轮轴、轴承、箱体等结构。4强度校核验证齿轮、轴承、箱体的强度。差速器设计1结构设计考虑齿轮类型、尺寸和材料2强度分析确保齿轮和轴的强度足够3润滑设计保证润滑油的充足供应和润滑效果差速器设计需要综合考虑结构设计、强度分析和润滑设计等因素。结构设计要根据车辆的动力和传动要求选择合适的齿轮类型、尺寸和材料。强度分析要确保齿轮和轴的强度足够，以避免在使用过程中发生断裂或磨损。润滑设计要保证润滑油的充足供应和润滑效果，以降低摩擦和延长使用寿命。变速箱设计1齿轮选择根据传动比和载荷选择合适的齿轮类型和参数2结构设计确定变速箱的结构形式，包括壳体、轴系、换挡机构等3强度校核对齿轮、轴、轴承等关键部件进行强度校核，确保安全可靠4润滑设计设计合理的润滑系统，确保变速箱内部的润滑和冷却离合器设计1摩擦片提供摩擦力2压盘压紧摩擦片3分离轴承分离压盘4弹簧提供压力5飞轮传递动力制动器设计1选择合适的制动器类型根据应用场景和需求选择合适的制动器类型，如鼓式制动器、盘式制动器、电磁制动器等。2确定制动器参数根据载荷、速度、环境等因素确定制动器尺寸、材料、摩擦系数等参数。3进行结构设计设计制动器的结构，包括制动盘/鼓、制动蹄片/片、活塞、油管等部件。4进行强度和刚度分析确保制动器在工作条件下能够承受载荷，并保证足够的刚度和稳定性。5进行热分析评估制动器在工作时的热量产生和散热情况，确保制动器温度不会过高。6进行性能测试对制动器进行性能测试，验证其制动性能、耐久性等指标是否符合设计要求。齿轮传动装置维护和故障诊断定期检查齿轮，检查是否有磨损、裂纹或其他损伤。确保齿轮箱中有足够的润滑油，并定期更换润滑油。使用声学仪器监测齿轮的运行声音，以便及时发现异常。数字化设计和仿真分析虚拟模型使用CAD软件创建齿轮传动系统的三维模型，模拟齿轮啮合、运动和力学性能。仿真分析利用仿真软件进行虚拟测试，例如有限元分析，模拟齿轮的应力分布、强度和疲劳寿命。优化设计通过仿真分析结果优化齿轮的设计参数，提高传动效率，降低噪声和磨损。新材料在齿轮传动中的应用耐磨材料陶瓷、金属陶瓷、复合材料等耐磨材料可提高齿轮的抗磨损性能，延长使用寿命。高强度材料高强度钢、钛合金等材料可提高齿轮的承载能力，减小齿轮尺寸，提高传动效率。轻质材料碳纤维增强复合材料等轻质材料可降低齿轮重量，提高传动效率，减少能耗。发展趋势和前沿技术智能化齿轮传动系统将更加智能化