一文读懂齿轮系传动

 

导语在机械设备中，为了获得较大的传动比，或是变速和换向，常常要采用多对齿轮进行传动，如机床、汽车上使用的变速箱、差速器，工程上广泛应用的齿轮减速器等，这种由多对齿轮所组成的传动系统称为齿轮系，简称轮系。

 

 

 

       齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和的机械传动。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。
 

       特  点
 

       效率高，在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高，闭式传动效率为96%~99%，这对大功率传动有很大的经济意义； 结构紧凑，比带、链传动所需的空间尺寸小； 传动比稳定，传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，正是由于其具有这一特点； 工作可靠、寿命长，设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重要。

       齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。
 

 

       分   类
 

 

       齿轮传动按齿轮的外形可分为圆柱齿轮传动、锥齿轮传动、非圆齿轮传动、齿条传动和蜗杆传动。
 

       圆柱齿轮传动
 

       用于传递平行轴间动力和运动的一种齿轮传动。按轮齿与齿轮轴线的相对关系，圆柱齿轮传动可分为直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动和人字齿圆柱齿轮传动3种。
 

▲直齿圆柱齿轮传动
 

▲斜齿圆柱齿轮传动
 

▲人字齿圆柱齿轮传动
 

       圆柱齿轮传动的传递功率和速度适用范围大，功率可从小于千分之一瓦到10万千瓦，速度可从极低到 300米／秒。
 

       啮合特点由齿廓曲面形成过程可知，渐开线直齿圆柱齿轮啮合时，齿廓曲面的接触线是与轴线平行的直线，在啮合过程中整个齿宽进入和退出啮合，轮齿上所受的力也是突然加上或卸掉，故传动平稳性差，冲击和噪声大。
 

       锥齿轮传动
 

       锥齿轮传动由一对锥齿轮组成的相交轴间的齿轮传动，又称伞齿轮传动。按齿线形状锥齿轮传动可分为直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动和曲线齿锥齿轮传动，其中直齿的和曲线齿的应用较广。
 

▲直齿锥齿轮传动
 

▲斜齿锥齿轮传动
 

       非圆齿轮传动
 

       是指传动中至少有一个齿轮的节曲面不是旋转曲面的齿轮传动。
 

 

       齿条传动
 

       齿轮与齿条的传动结构，齿条分直齿齿条和斜齿齿条，分别与直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮配对使用； 齿条的齿廓为直线而非渐开线（对齿面而言则为平面），相当于分度圆半径为无穷大圆柱齿轮。
 

 

       蜗杆传动
 

       是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90°。
 

 

       蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿。
 

 

 

       按轮齿的齿廓曲线可分为渐开线齿轮传动、摆线齿轮传动和圆弧齿轮传动等。由两个以上的齿轮组成的传动称为轮系。根据轮系中是否有轴线运动的齿轮可将齿轮传动分为普通齿轮传动和行星齿轮传动，轮系中有轴线运动的齿轮就称为行星齿轮。
 

 

       按照传动时各齿轮的轴线位置是否固定，轮系分为定轴轮系和行星轮系两种基本类型。传动时所有齿轮的几何轴线位置均固定不变，这种轮系称为定轴轮系。
 

▲平面定轴轮系
 

▲空间定轴轮系
 

       传动时齿轮g的几何轴线绕齿轮a,b和构件H的共同轴线转动，这样的轮系成为行星轮系。根据自由度的不同，行星齿轮系又可分为周转齿轮系和差动齿轮系。周转轮系有一个自由度，行星轮系有两个自由度。
 

▲周转轮系
 

▲差动轮系
 

       1、轮系的传动比
 

       轮系始端主动轮与末端从动轮的转速之比值，称为轮系的传动比，用i表示转角的大小。
 

 

       式中n1——主动轮1的转速，r/min；nk——从动轮的转速，r/min；
 

       2、齿轮系的作用
 

       2.1 实现相距较远的两轴间运动和动力的传递
 

       在齿轮传动中，当主从动轴间的距离较远时，如果只用一对齿轮来传动，齿轮的尺寸势必很大。这样，既增大机器的结构尺寸和重量，又浪费材料而且制造安装都不方便。若改用两对齿轮组成的轮系来传动，就可使齿轮尺寸小得多，制造安装也较方便。
 

▲齿轮系传动
 

       2.2 实现分路传动
 

       利用轮系可以使一根主动轴带动若干根从动轴转动，获得所需的各种转速。
 

▲齿轮分路传动
 

       2.3 实现变速传动
 

       当主动轴的转速不变时，利用轮系可以使从动轴获得多种工作转速，这种传动称为变速传动。汽车、机床、起重机等许多机械都需要变速传动。
 

▲齿轮变速传动
 

       2.4 获得较大的传动比
 

       采用定轴轮系或行星轮系均可获得大的传动比。
 

       若用定轴轮系来获得大传动比，需要多级齿轮传动，致使传动装置的结构复杂和庞大。而采用行星轮系，只需很少几个齿轮，就可获得很大的传动比。由于行星轮系采用多个行星轮来分担载荷，而且常采用内啮合传动，合理地利用了内齿轮中部空间，兼之其输入轴输出轴在同一轴线上，这不仅使行星减速器的承载能力大大提高，而且径向尺寸非常紧凑。在功率和传动比相同情况下，行星减速器的体积和重量只是定轴轮系减速器的1/2～1/3。
 

 

       2.5 实现运动的合成和分解
 

       机械中采用具有两个自由度的差动行星轮系来实现运动的合成和分解。这是行星轮系独特的功用。
 

       运动合成差动轮系有两个自由度，只有给定三个基本构件中任意两个的运动后，第三个基本构件的运动才能确定。这就是说，第三个基本构件的运动为另两个基本构件运动的合成。
 

▲圆锥齿轮差动轮系（运动合成）
 

       运动分解利用差动轮系还可以将一个基本构件的转动按所需的比例分解为两个基本构件的转动。
 

▲汽车差速器（运动分解）