《齿轮系及其设计》PPT课件.ppt

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1、湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 第十一章 齿轮系及其设计 11 1 齿轮 系及其 分类 11 2 定轴轮系的传动比 11 3 周转轮系的传动比 11 4 复合轮系的传动比 11 6 行星轮系的类型选择及 设计的基本知识 11 5 轮系的功用 11 7 其他轮系简介 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 11 1 轮系的类型 定义： 由齿轮组成的传动系统简称 轮系 本章要解决的问题： 轮系分类 周转轮系 （ 轴有公转 ） 定轴轮系（轴线固定） 复合轮系 （ 两者混合 ） 差动轮系（ F=2） 行星轮系（ F=1） 1.轮系传动比 i 的计算 ; 2.从动轮转向的判断 。 平面定轴轮系 空间

2、定轴轮系 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 11 2 定轴轮系的传动比 一 、 传动比大小的计算 i1m=1 /m 强调下标记法 对于齿轮系 ， 设输入轴的角速度为 1， 输出轴的角 速度为 m ,中间第 i 轴的角速度为 i ， 按定义有： 一对齿轮： i12 =1 /2 =z2 /z1 可直接得出 当 i1m1时为减速 , i1m机架， 周转轮系 =定轴轮系 作者：潘存云教授 构件 原角速度 转化后的角速度 2 H 1 3 可直接套用 定轴轮系 传动比的计算公式。 H1 1 H H2 2 H H3 3 H HH H H 0 作者：潘存云教授 2 H 1 3 湖南理工学院专用 作者： 潘

3、存云教授 右边各轮的齿数为已知，左边三个基本构件的参数中，如果已知其中任意两个， 则可求得第三个参数。于是，可求得任意两个构件之间的传动比。 上式 “ ” 说明在转化轮系中 H1 与 H3 方向相反。 特别注意： 1.齿轮 m、 n的轴线必须平行。 H H Hi 3 1 13 21 32 zz zz 1 3 z z 通用表达式： H n H mH mni Hn Hm 各主动轮的乘积至转化轮系中由 各从动轮的乘积至转化轮系中由 nm nm = f(z) H H 3 1 2.计算公式中的 “ ” 不能去掉，它不仅表明转化 轮系中两个太阳轮 m、 n之间的转向关系，而且影响 到 m、 n、 H的计算

4、结果。 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 如果是行星轮系，则 m、 n中必有一个为 0（不妨 设 n 0） ,则上述通式改写如下： H n H mH mn n ni 1 mH H HmH mn ii 以上公式中的 i 可用转速 ni 代替 : 两者关系如何？ 用转速表示有： Hn Hm nn nn = f(z) )(11 zfii HmnmH 即 ni=(i/2 )60 =i 30 rpm 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 例二 2K H 轮系中， z1 10, z2 20, z3 50 轮 3固定 , 求 i1H 。 2 H 1 3 模型验证 H H Hi 3 1 13)1 解 H

5、H 0 1 11 Hi 5 i1H=6 , 小齿轮转 6圈，系杆转 1圈， 且两者转向相同。 H H 3 1 21 32 zz zz 10 50 1 3 z z 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 例三 2K H 轮系中， z1 z2 20, z3 60 1)轮 3固定。求 i1H 。 2)n1=1, n3=-1, 求 nH 及 i1H 的值。 3)n1=1, n3=1, 求 nH 及 i1H 的值。 H H Hi 3 1 13)1 解 H H H n ni 3 1 13)2 H H 0 1 11 Hi 21 32 zz zz 1 3 z z 3 i1H=4 , 齿轮 1和

6、系杆转向相同 H H nn nn 3 1 H H n n 1 1 3 2/1 Hn 两者转向相反。 得： i1H = n1 / nH = 2 , 轮 1逆时针转 1圈，轮 3顺时针转 1圈，则系杆顺时针转半圈。 20 60 H H 3 1 2 H 1 3 轮 1逆转 1圈，轮 3顺转 1圈 轮 1、轮 3各逆转 1圈 轮 1转 4圈，系杆 H转 1圈。模型验证 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 H H H H H nn nn n ni 3 1 3 1 13)3 结论： 1) 轮 1转 4圈，系杆 H同向转 1圈。 2) 轮 1逆时针转 1圈，轮 3顺时针转 1圈，则系杆顺时 针转半圈。 3

7、) 轮 1轮 3各逆时针转 1圈，则系杆也逆时针转 1圈。 实际上三个构件之间没有相对运动。 特别强调： i13 iH13 一是绝对运动、一是相对运动 i13 - z3 /z1 H H n n 1 1 1 Hn = 3 两者转向相同。 得 ： i1H = n1 / nH =1 , 轮 1轮 3各逆时针转 1圈，则系 杆逆时针转 1圈。 n1=1, n3=1 三个基本构件无相对运动！ 特别强调：这是数学上 0比 0未定型应用实例 ! 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 例四： 已知图示轮系中 z1 44， z2 40, z2 42, z3 42，求 iH1 解： iH13 (1-H)/(0-H

8、 ) 40 42/44 42 i 1H 1-iH13 结论： 系杆转 11圈时，轮 1同向转 1圈。 若 Z1=100, z2=101, z2=100, z3=99。 i1H 1-iH13 1-101 99/100 100 结论： 系杆转 10000圈时，轮 1同向转 1圈。 Z2 Z 2 H = 1-i1H (-1)2 z2z3 /z1 z2 10/11 iH1 1/i1H=11 iH1 10000 1-10/11 1/11 1/10000, 模型验证 作者：潘存云教授 Z1 Z 3 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 又若 Z1=100, z2=101, z2=100, z3 100，

9、结论： 系杆转 100圈时，轮 1反向转 1圈。 此例说明行星轮系中输出轴的转向，不仅与输入轴的转向有关，而且与各轮的齿数有关。本例中只将 轮 3增加了一个齿，轮 1就反向旋转，且传动比发生巨大变化，这是行星轮系与定轴轮系不同的地方 i1H 1-iH1H 1-101/100 iH1 -100 1/100, Z2 Z 2 H Z1 Z 3 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 z1 z2 z3 H HHi 1 2 21 上式表明 轮 3的绝对角速度为 0，但相对角速度不为 0。 H HHi 1 3 31 H H 0 2 2 1 z z 1 H H 0 3 32 212)1( z

10、z zz 1 3 0 2 2H z1 z3 z 3 z1 H H 铁锹 H H 模型验证 z2 z 2 例四： 马铃薯挖掘机 中： z1 z2 z3 ，求 2， 3 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 H 例五： 图示圆锥齿轮组成的轮系中，已知： z1 33， z2 12, z2 33, 求 i3H 解 :判别转向 : H HHi 1 3 31 强调：如果方向判断不对，则 会得出错误的结论： 3 0。 提 问： 成立否？ H HHi 1 2 21 事实上，因角速度 2是一个向量，它与牵连角速度 H和相对 角速度 H2之间的关系为： P 为绝对瞬心，故轮 2中心速度为： V2

11、o=r2H2 H2 H r1/ r2 H H 0 3 13 Hi 3 1 z z z1 z3 i3H =2 系杆 H转一圈，齿轮 3同向 2圈 = 1 不成立！ Why? 因两者轴线不平行 H2 2 H 又 V2o=r1H H2 H r2 r1 如何求？ 特别注意： 转化轮系中两齿轮轴线不平行时，不能直接计算！ z2 o H tg 1 H ctg 2 齿轮 1、 3方向相反 p 2 =H +H2 2 2 1 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 11 4 复合轮系及的传动比 除了上述基本轮系之外，工程实际中还大量采用混合轮系。 将 复 合轮系分解为 基本轮系 ，分别计算传动比，然后 根据组合方

12、式联立求解。 方法： 先找行星轮 混合轮系中可能有多个周转轮系，而 一个基本周转轮 系中至多只有三个中心轮。 剩余的就是定轴轮系。 举例一 P80，求图示电动卷扬机的传动比。（自学） 传动比求解思路： 轮系分解的关键是： 将周转轮系分离出来。 系杆（ 支承行星轮 ) 太阳轮（ 与行星轮啮合 ） 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 J 作者：潘存云教授 A 3 3 1 2 5 4 K B 例六： 图示为龙门刨床工作台的变 速机构， J、 K为电磁制动器，设已 知各轮的齿数，求 J、 K分别刹车时 的传动比 i1B。 解 1)刹住 J时 齿轮 5静止轴 1的 运动经轮 1， 2， 3（ 3 ），

13、 4由 B输出。 1 2 3为定轴轮系 定轴部分： i13 1/3 周转部分： iB35 (3-B)/(0-B) 连接条件： 3 3 联立解得： B Bi 1 1 B 5 4 3为周转轮系 3 3将两者连接 -z3/ z1 =-z5/ z3 )1( 3 5 1 3 z z z z 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 A 3 3 1 2 5 4 K B 2) 刹住 K时 A-1 2 3为周转轮系 周转轮系 1： i A13 (1 - A ) /(0 -A ) 周转轮系 2： iB35 (3-B )/(5-B ) 连接条件： 5 A 联立解得： 总传动比为两个串联周转轮系的传动

14、比的乘积。 B 5 4 3为周转轮系 5 A将两 者连接 - z3 / z1 - z5/ z3 i1A i5B J B Bi 1 1 BA 51 )1)(1( 5 3 1 3 z z z z )1( 1 3 z z A 1 i1A )1( 5 3 z z B 5 i5B 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 混合轮系的解题步骤： 1)找出所有的基本轮系。 2)求各基本轮系的传动比。 3) 根据各基本轮系之间的连接条件，联立基本轮系的 传动比方程组求解。 关键是找出周转轮系 ! 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 1 2 11 5 轮系的应用 1)获得较大的传动比 ，而且结构

15、紧凑。 2)实现分路传动 ，如钟表时分秒针； 动画： 1路输入 6路输出 轮系的传动比 i可达 10000。 实例比较 一对齿轮 : i8, i12=6 结构超大、小轮易坏 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 11 5 轮系的应用 1)获得较大的传动比 ，而且结构紧凑。 2)实现分路传动 ，如钟表时分秒针； 动画： 1路输入 6路输出 3)换向传动 轮系的传动比 i可达 10000。 实例比较 一对齿轮 : i8, 车床走刀丝杠三星轮换向机构 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 转向相反 转向相同 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 11 5 轮系的应用 1)获得较大的传动比 ，而且结构紧

16、凑。 2)实现分路传动 ，如钟表时分秒针； 动画： 1路输入 6路输出 3)换向传动 4)实现变速传动 轮系的传动比 i可达 10000。 实例比较 一对齿轮 : i8, 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 设计：潘存云 设计：潘存云 移动双联齿轮 使不同 齿数的齿轮进入啮合 可改变输出轴的转速。 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 5)运动合成 加减法运算 11 5 轮系的应用 1)获得较大的传动比 ，而且结构紧凑。 2)实现分路传动 ，如钟表时分秒针； 动画： 1路输入 6路输出 3)换向传动 4)实现变速传动 轮系的传动比 i可达 10000。 实例比较 一对齿轮 : i8, 作者：潘

17、存云教授 1 2 3 H H HH nn nni 1 3 31 3 1 z z = 1 图示行星轮系中： Z1= Z2 = Z3 nH =(n1 + n3 ) / 2 结论： 行星架的转速是轮 1、 3转速的合成。 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 5)运动合成 加减法运算 6)运动分解 汽车差速器 11 5 轮系的应用 1)获得较大的传动比 ，而且结构紧凑。 2)实现分路传动 ，如钟表时分秒针； 动画： 1路输入 6路输出 3)换向传动 4)实现变速传动 轮系的传动比 i可达 10000。 实例比较 一对齿轮 : i8, 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存

18、云教授 1 3 z z = 1 图示为汽车差速器， n1 =n3 当汽车走直线时，若不打滑： 2 2 5 差速器 分析组成及运动传递 H HH nn nni 3 1 13 汽车转弯时，车体将以 绕 P点旋转： 2L v1 v3 V1=(r-L) V3=(r+L) 两者之间 有何关系呢 n1 /n3 = V1 / V3 r 转弯半径， 该轮系根据转弯半径大小自动分解 nH使 n1 、 n3符合转弯的要求 = (r-L) / (r+L) 2L 轮距 1 3 r 式中行星架的转速 nH由发动机提供， 为已知 仅由该式无法确定 两后轮的转速 ,还需 要其它约束条件。 走直线 转弯 其中： Z1= Z3

19、 ， nH= n4 P H 4 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 5)运动合成 加减法运算 6)运动分解 汽车差速器 7) 在尺寸及重量较小时，实现 大功率传动 11 5 轮系的应用 1)获得较大的传动比 ，而且结构紧凑。 2)实现分路传动 ，如钟表时分秒针； 动画： 1路输入 6路输出 3)换向传动 4)实现变速传动 轮系的传动比 i可达 10000。 实例比较 一对齿轮 : i0 转化轮系中 H1与 Hn的方向相同。 负号机构： iH1n 正号机构。 1)正号机构一般用在传动比大而对效率要求不高的辅助 机构中，例如 磨床的进给机构，轧钢机的指示器 等。 两对内啮合 两对外啮合 两对内啮

20、合 3)若单级负号机构不能满足大传动比要求时，可将几个 负号机构串联起来，或采用负号机构与定轴轮系组合 而成复和轮系。其传动比范围： i1H 10 60。 选择原则： 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 二、各轮齿数的确定 行星轮系是一种共轴式传动装置，为 了使惯性力互相平衡以及为了减轻轮 齿上的载荷，一般采用两个以上的行 星轮，且呈对称均布结构（模型为 3个， 发动机主减多达 12个）。为了实现这 种结构并正常运转， 各轮的齿数必须满足以下要求： 1)能实现给定的传动比； 3)能均布安装多个行星轮； 2)中心轮和系杆共轴； 4)相邻行星轮不发生干涉。 1.传动比条件 H

21、HHi 3 1 13 Hi11 1 3 z z 113 )1( ziz H z1+z3 = i1H z1 强调此结论下一步要用 z1 z3 z2 H 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 上式表明 :两中心轮的齿数应同时为 偶数 或 奇数 。 r3 r1+ 2r2 当采用标准齿轮传动或等变位齿轮 传动时有： z2 (z3- z1 )/2 2.同心条件 系杆的轴线与两中心轮的轴线重合。 r 1 2r2 r 3 或 z3 z1+ 2z2 z1(i1H-2)/2 作者：潘存云教授 z 1 z3 z2 H 113 )1( ziz H 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 设对称布列有

22、 K个行星轮， 2/k 在位置 O1装入第一个行星轮， 3)均布安装条件 能装入多个行星轮且仍呈 对称布置，行星轮个数 K与各轮 齿数之间应满足的条件。 / 1 /H )1( 1 3 z z i1H 1+(z3 /z1 ) 则相邻两轮之间的夹角为： 固定轮 3，转动系杆 H， 使 H ,此时，行星轮从位置 O1运动到位置 O2， 而中心轮 1从位置 A转 到位置 A，转角为 。 kz zz 2 1 31 A O2 O1 H A 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 1 3 比较得： = N(2/ z1 ) 如果此时轮 1正好转过 N个完整

23、的齿，则齿轮 1在 A处又出现与 安装第一个行星轮一样的情形， 可在 A处装入第二个行星轮。 结论： 当系杆 H转 过一个等份角 时， 若齿轮 1转过 N个完 整的齿 , 就能实现 均布安装。 轮 1的转角为： 单个齿中心角 结论： 要满足均布安装条件，轮 1和轮 3的齿数之和 应能被行星轮个数 K整除。 N =(z1+z3)/k kz zz z z 2)1( 1 31 1 3 = z1 i1H /k A O2 O1 A kz zz 2 1 31 A A 模型验证 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 即： (z1+z2)sin(/k) z2+2h*a 4)邻接条件 相邻两个

24、行星轮装入后不发生干涉 , 即两行星轮中心距应大于两齿顶圆 半径之和 : 2(r1+r2)sin(/2 ) /2 r 1+r 2 2(r2+h*am) 为便于应用，将前三个条件合并得： Nzzz : 321 k iii H H H 1 1 1 :)1(: 2 2:1 z2 z1(i1H-2)/2 N z1 i1H /k 确定各轮齿数时，应保证 z1、 z2、 z3、 N为正整数， 且 z1、 z2、 z3均大于 zmin。 O1O2 2ra2 O1 O2 k izizizz H H H 11 11 11 1 :)1(:2 )2(: 配齿公式 z3 z1(i1H-1)/2 重写前三个条件 湖南理

25、工学院专用 作者： 潘存云教授 例： 已知 i1H 5， K=3，采用标准齿轮，确定各轮齿数。 解： =6:9:24:10 =1:3/2:4:5/3 若取 z1 18， 验算邻接条件： (18+27)sin/3= 39 满足要求。 则 z2 27， z3 72 27+2 29 z2+2h*a =1:(5-2)/2:(5 1):5/3 k iiiNzzz H H H 1 1 1 321 :)1(:2 2:1: 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 为了减少因制造误差引起的多个行星轮所承担 载荷不均匀的现象，实际应用时往往采用均载装置。 5)行星轮系均载装置 均载装置的结构特点是采用弹性元件使中心

26、轮 或系杆浮动。 作者：潘存云教授 中心轮浮动 3 1 2 系杆浮动 3 1 2 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 11 7 其它轮系简介 在 2K-H行星轮系中，去掉小中心轮，将行星轮加 大使与中心轮的齿数差 z2-z1 1 4， 称为少齿差传 动。传动比为： H HHi 2 1 12 若 z2-z1 1(称为一齿差传动 )， z1 100，则 iH1 100。 输入轴转 100圈，输出轴只反向转一圈。可知这种少齿数差传动机构可获得很大的单级传动比 。 1 12 1 z zzi H 输出机构 V 系杆为主动，输出行星轮的运动。由于行星轮作 平面运动，故应增加一运动输出机构 V。 1 2

27、iH1=1/ i1H = -z1 /(z2 - z1 ) 称此种行星轮系为 : K-H-V型。 Hi11 1 2 z z 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 工程上广泛采用的是孔销式输出机构 图示输出机构为双万向联轴节，不仅轴向尺寸大，而且不适用于有两个行星轮的场合。 1 2 当满足条件： 销孔和销轴始终保持接触。 四个圆心的连线构成 : 平行四边形 。 dh= ds + 2a a dh ds 根据齿廓曲线的不同，目前工程上有两种结构的减速 器，即渐开线少齿差行星和摆线针轮减速器。 不实用 ! 结构如图 oh os o1 o2 湖南理工学院专用 作者： 潘

28、存云教授 一、 渐开线 少齿差行星齿轮传动 其齿廓曲线为普通的渐开线，齿数差一般为 z2-z1=1 4。 优点： 传动比大，一级减速 i1H可达 135，二级可达 1000以上。 结构简单，体积小，重量轻。与同样传动比和同样 功率的普通齿轮减速器相比，重量可减轻 1/3以上。 加工简单，装配方便。 效率较高。一级减速 0.8 0.94,比蜗杆传动高。 由于上述优点，使其获得了广泛的应用 缺点 ： 只能采用正变位齿轮传动，设计较复杂。 存在重叠干涉现象 传递功率不大， N45KW 。 受输出机构限制 径向分力大，行星轮轴承容易损坏。 大 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 二

29、、 摆线针轮传动 结构特点： 行星轮齿廓曲线为摆线 (称摆线轮 )，固定轮采用 针轮 。 摆线轮 销轴 当满足条件： d h= ds + 2a 销轴套 ds dh O1 齿数差为 : z2-z1=1 a 销孔和销轴始终保持 接触，四个圆心的连 线构成一平行四边形。 针轮 O2 针齿套 针齿销 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 r2 2 发生圆 外摆线： 发生圆 2在导圆 1(r1r2)上作纯 滚动时，发生圆上点 P的轨迹。 齿廓曲线的形成 p3 p4 p2 外摆线 1 导圆 r1 p1 p5 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 a 短幅外摆线： 发生圆

30、在导圆上作纯滚 动时，与发生圆上固联 一点 M的轨迹。 齿廓曲线： 短幅外摆线的内侧等 距线 (针齿的包络线 )。 短幅外摆线 齿廓曲线 1 2 r2 p4 p5 B A r1 p1 p2 p3 导圆 发生圆 M2 o2 M3 o3 o4 M4 o5 M5 M1 o1 c1 c5 外摆线： 发生圆 2在导圆 1(r1r2) 上作纯滚动时，发生 圆上点 P的轨迹。 齿廓曲线的形成 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 三、谐波齿轮传动 组成 : 刚轮 (固定 ) 、 柔轮 (输出 ) 、 波发生器 (主动 ) 。 刚轮 柔轮 波发生器 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 优点

31、： 传动比大，一级减速 i1H可达 135，二级可达 1000以上。 结构简单，体积小，重量轻。与同样传动比和同样 功率的普通齿轮减速器相比，重量可减轻 1/3以上。 加工简单，装配方便。 效率较高。一级减速 0.8 0.94,比蜗杆传动高。 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 啮合 啮合 工作原理 ： 当波发生器旋转时，迫使柔轮由圆变形为椭圆，使长 轴两端附近的齿进入啮合状态，而端轴附近的齿则脱开，其余不 同区段上的齿有的处于逐渐啮入状态，而有的处于逐渐啮出状态。 波发生器连续转动时，柔轮的变形部位也随之转动，使轮齿依次 进入啮合，然后又依次退出啮合，从而实现啮合传动。 在传动过程中柔轮的弹性变形近似 于谐波，故取名为谐波传动。 刚轮 柔轮 波发生器 啮出 啮入 脱开 脱开 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 刚轮 优点： 传动比大，单级减速 i1H可达 50 500； 同时啮合的齿数多，承载能力高； 传动平稳、传动精度高、磨损小； 在大传动比下，仍有较高的机械效率； 类型： 双波传动、 三波传动 零件数量少、重量轻、结构紧凑； 缺点： 启动力矩较大、柔轮容易发生疲劳损坏、发热严重。 转臂旋转一圈，柔轮变形两次，并反向转两个齿。 转臂旋转一圈，柔轮变形三 次，反向转三个齿。 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 转臂 柔轮 滚轮 滚轮 双波动画 三波动画