华科机械原理PPT课件 齿轮系.ppt

第五章 齿轮系,5.1 定轴齿轮系及其传动比,5.2 周转齿轮系及其传动比,5.3 复合齿轮系及其传动比,5.4 齿轮系的功用,5.5 行星轮系的设计,5.6 新型行星传动简介,齿轮系的定义与类型,由一系列齿轮组成的传动系统称为齿轮系。 根据轮系中各齿轮轴线的位置是否固定来分类，主要有以下几种： 定轴轮系 周转轮系 复合轮系,定轴轮系,周转轮系,复合轮系,齿轮系的传动比,轮系中首末两轮的角速度之比，包括计算传动比大小和确定首末两轮的转向关系。,问题热身,如何设计一个10000:1传动比的齿轮系?如何改变减速机构的传动比? (接上)必须得一对齿轮退出啮合/另一对齿轮进入啮合吗?什么是差速机构? 指南车的原理是什么?,5.1 定轴齿轮系及其传动比,1、定轴齿轮系：齿轮系传动过程中，其各齿轮的轴线相对于机架的位置都是固定不变的。,2、传动比大小及方向的确定,左(螺)旋/右旋？,确定蜗轮蜗杆旋向,空间想象右左螺栓箭头折返,问题1：求蜗轮/蜗杆旋转方向,问题2：求蜗杆螺旋方向(左旋/右旋),问题3：另一种投影方向上。,蜗杆左螺旋，求：蜗轮旋转方向？,求：蜗杆螺旋方向？(左旋/右旋),例：设轮1为首轮，轮5为末轮，已知各轮齿数为 z1，z2，z5，求传动比i15 .,解：,Z3：仅改变转向，惰轮,3.首、末两轮转向关系的确定（与齿轮传动类型有关）,1）全部由平行轴圆柱齿轮组成的定轴齿轮系，可在传动比计算公式的齿数比前乘以(-1)m，m为外啮合齿轮的对数。,2）轮系中首、末两轮的轴线不平行时，采用打箭头的方式确定转向关系。,大传动比传动,例5-1-1：钟表传动示意图如下。E为擒纵轮，N为发条盘，S、M及H各为秒针、分针及时针。设Z1=72， Z2=12， Z2=64 ， Z3=8， Z3=60 ， Z4=60， Z5 =6， Z2=8， Z6=24， Z6=6，问Z4、Z7各为多少？,解：(1) 走秒传动，由轮1，2(2)，3(3),4组成定轴轮系,得,（a）,(2) 走分传动，由轮1，2组成定轴轮系，得,（b）,(3) 走时传动，由轮1，2（2），6（6），7组成定轴轮系，得,（c）,故,故,本题为分路传动的定轴轮系。各路的首末两轮的转向关系用传动比正、负号表示，并可直接用外啮合的数目m来确定，即（-1）m。,5.2 周转齿轮系及其传动比,周转轮系：在齿轮运转时，其中至少有一个齿轮的几何轴线绕另一齿轮的几何轴线运动的齿轮系称为周转齿轮系。,由行星轮、中心轮、转臂和机架组成。行星轮绕自身几何轴线回转(自转)，同时随转臂绕中心轮轴线回转(公转)。,一、周转齿轮系的特点,周转轮系转化为定轴轮系,周转轮系,与,定轴轮系,的区别？,二、周转齿轮系传动比的计算（反转法）,转化齿轮系的传动比就可以按定轴齿轮系传动比求解：,一般计算公式：,假定转向相同,对上式作以下说明：,1）只适用于转化齿轮系的首末轮的回转轴线平行（或重合）的周转齿轮系。,2）齿数比前一定有“+”或“”号。其正负号判定，可将转臂H视为静止，然后按定轴齿轮系判别主从动轮转向关系的方法确定。,3）注意1 、 k 、 H 应分别用正负号代入（推导时假定三者同向）；,4）1 、 k 、 H 三个量，须知其中任意两个角速度的大小和转向，才能确定第三个角速度的大小和转向；,例,注意i1kH与i1K的区别,常用换算,例5-2-1：已知齿数z1=30, z2=20, z2=z3= 25, n1=100r/min, n3=200r/min。 求nH。,解：,1） n1与n3 同向， n1=100r/minn3=200r/min代入，可得,nH=-100r/min,nH=700r/min,可得,所求转速的方向，须由计算结果得正负号来决定，决不能在图形中直观判断！,2） n1与n3 反向，即用 n1=100r/min，n3= -200r/min代入，,或 iH1=10000,若z3=100,H与齿轮转向相同,H与齿轮转向相反,例5-2-2：齿数z1=100, z2=101, z2=100, z3 =99，求传动比.,结论,当各轮齿数相差很小时，周转轮系可获得很大的传动比。周转轮系输出构件的转向既与输入运动转向有关，又与各轮齿数有关。周转轮系各轮的转向应通过计算确定。,三、周转轮系的种类,根据自由度数来分差动轮系 F= 3n-2PL-PH = 34 - 24 - 2=2行星轮系 F= 3n-2PL-PH = 33 - 23 - 2=1,行星轮系其中一个中心轮固定(例如中心轮n固定，即n0),差动轮系1、 n 和H三者需要有两个为已知值，才能求解。,2、根据基本构件不同来分,2K-H型3K-H型,3、根据传动比符号分,正号机构转化机构的传动比符号为“”。负号机构转化机构的传动比符号为“”。,2K-H的常见结构1,转臂H的假想齿数ZH,2K-H的常见结构2,4、典型行星轮系的传动比,显然有：Z3Z1，以Z1=18、Z2=9、Z3=36为例。,减速(2)，反向传动,等速，同向传动,减速(3)，同向传动,四、有多个行星轮的周转齿轮系,若z2=z2, z3=z3, 则有:,常见2KH型周转轮系及其 转化机构传动比计算,负号机构,负号机构,负号机构,负号机构,正号机构,正号机构,正号机构,5.3 复合齿轮系及其传动比,1、复合齿轮系：既含有定轴齿轮系，又含有周转齿轮系 ，或者含有多个周转齿轮系的传动。,轮系的传动比：轮系中首轮与末轮的角速度的比值 传动比的计算内容包括：传动比的大小和齿轮的转向。,2 、复合齿轮系传动比的计算方法,2）分列方程,3）联立求解,d、 注意联立求解时，各单一轮系的转速之间的关系。,4）注意符号,1）分清轮系,a、齿数比连乘积前的符号；,b、已知转速应以代数量代入:即带“+”或“-” ；,c、求出的转速也带有符号，“+”表示与假定的正方向相同, “-”表示与假定的正方向相反；,已知：z1=30, z2=20, z2=30, z3 = 25, z4 =100, n1=100r/min, 求i1H。,2）分列方程,3）联立求解：,1）分清轮系：,1-2为两定轴轮系，2-3-4, H为行星轮系。,（方向与n1反向）,例:图示轮系,若齿轮1每分钟转19转, z1=20, z2=40, z2=20, z3=30, z3=24, z4=18, z5=15, z5=30, z6=105, z6=35, z7=32, 求齿轮7转速大小及方向。,解：3,4,5-5,6为行星轮系1,2-2,3为定轴轮系6,7为定轴轮系,解：3,4,5-5,6为行星轮系i36=1-(z5z6/z3z5)=n3/n6=-57/481,2-2,3为定轴轮系i13=n1/n3=z2z3/z1z2=26,7为定轴轮系i67=n6/n7= -z7/z6=-32/35i17=n1/n7=i13i36i67=114/35n7=n135/114=1935/114=35/6=5.833转/分(与n1同向）,例 ：已知z1= 1(右旋), z1=101, z2=99, z4=100, z5=1(右旋), z5=100, z2= z4 , n1=100r/min，试求转臂H的转速nH。,解： 1、分清轮系,2、分列方程,3 联立求解,（方向与n2同向）,1-2；1-5-5-4为两定轴轮系；2-3-4, H为周转轮系；,例：已知: z1=50，z2=100，z3 = z4 = 40, z4 =41, z5 =39, 求: i13 。,解:1、分清轮系:,3-4-4-5, 2(H)组成行星轮系;1-2组成两定轴轮系。,2、分列方程:,3、 联立求解,(a),(b),组合机床走刀机构,改变齿数可实现换向传动！,图(a): 1-2-2-3-H为F = 1的行星齿轮系,4-5-6-H为F = 1的行星齿轮系,图(b): 1-2-3(H2)-H1为F = 1的行星齿轮系,4-5-6-H2(3)为F = 1的行星齿轮系,图(c): 1-2-3-H1为F = 1的行星齿轮系,3-4-5-H2为F = 1的行星齿轮系,如图(b), 1、2、2、3、H组成 F = 1的行星齿轮系,(a),(b),3K型齿轮系 (3个中心轮和一个转臂),齿轮3、2、2、4、H组成 F = 1的行星齿轮系,图(a)的计算过程，参见书P157,5.4 齿轮系的功用,1、在体积较小及重量较轻的条件下，实现大功率传动,2、获得较大的传动比,例子,3、用作运动的合成与分解,或,或,差速机构,即：左/右轮转速必须满足：,车轮,1、要想转弯时，轮胎不滑转，左右驱动轮的转速必须满足:,2、周转轮传动比计算公式为:,5、实现换向运动,传统车用四档齿轮变速机构,方法1: 增加隋轮方法2: 改变齿数比方法3: 行星轮(改变固定构件),6、实现变速传动,炼钢转炉变速倾动装置要求：装料时倾动快，出钢/渣时倾动慢。采用2自由度行星齿轮系，由电机M1、M2驱动：M1正转、反转、停；M2正转、反转、停可以获得9种不同的运行模式。优点（与其他机构比）：体积小，结构简单；控制系统简单（调速电机）；运行可靠。,辛普森式(Simpson)变速机构,将两个单排单级行星齿轮机构组合起来形成的双排单级行星齿轮机构，称为辛普森结构.,拉威娜式(Ravigneaus) 变速机构,将一个单排单级行星齿轮机构和一个单排双级行星齿轮机构或由两个单排双级行星齿轮机构按特定的方式组合起来，称为拉维那式行星齿轮机构。,双级行星齿轮机构中，行星架的等效齿数是内齿圈齿数减去太阳轮齿数。可见，双级行星齿轮机构的速比计算公式和行星架的等效齿数与单级行星齿轮机构是不同的。,69前进挡自动变速机构莱佩莱捷式(Lepelletier),皮埃尔莱佩莱捷(Pierre Leplletier)，是一名法国工程师，曾在法国法雷奥(Valeo)汽车零部件集团工作，于1992年作为职务发明申请了专利，美国发明专利号为US005106352A 。当他从法雷奥退休时，他请求把该专利做退休金的一部分并得到应允，然后他把该专利卖给德国自动变速器专业制造商ZF公司。以该专利为基础，ZF公司经过了的10个年头开发于2001年向市场发布了新一代自动变速器ZF6HP26六前速自动变速器，并相继开发了6HP-24、6HP-19前驱四驱自动变速器。莱式变速器结构由1个简单的单排单级行星齿轮加上一组拉威娜轮系构成，有3个离合器和两个制动器，共5 个用油元件。莱式轮系没有直接档（以ZF6HP系列为例、7HP有直接档），结构上没有采用单向离合器（OWC）从而简化了系统零部件的数量，节省了原材料。,莱式轮系发明专利公布 以后，对全球各大汽车制造商的冲击可用“恐惧”二字形容，比较莱式轮系结构、纯液压的A340H及电控的4T65E，后者用了近10个用油元件实现4前速，而前者只用了5个用油元件就实现了6前速（若把前排固定的太阳轮用制动器控制取代即可实现7前速）。现在莱式轮系正在成为业内标准，该轮系已在通用GM(6L80)、福特FORD(6R60/6R75)、爱信AISIN(TR-6/TF-60N/TF80SN)、采埃夫ZF(6HP-19/6HP-26/7HP系列)等OEM制造商生产的变速器上得到广泛应用，奥迪、BMW7系列、CADILLAC STS-V、CORVETTE Z-06、福特FIVE-HUNDRED、MAZDA6、MINI-COOPER、保时捷CAYENNE、大众Volkswagen(GOLF&ASSAT)、富豪VolvoXC90等汽车制造商也已大量装车，随着时间推移，在6前速成为整车标准配备的潮流下，莱式轮系在中高档轿车中占有压倒性地位。,双离合器自动变速器(DSG),5.5 行星轮系设计,一、类型选择原则二、各轮齿数和行星轮数的确定三、行星轮系的均载装置,行星轮系的效率,1. 对于2KH型行星轮系负号机构，i1H1。无论是中心轮1主动还是转臂H主动，轮系的效率均高于其转化机构的效率H。对于负号机构，无论是用作增速还是减速，都具有较高的效率。设计行星轮系时，若用于传递功率，应尽可能选用负号机构。2. 2KH型行星轮系正号机构，i1H1。当转臂H为主动件时，行星轮系的效率H10，机构将不会发生自锁；当中心轮1为主动件时，1H有可能为零，轮系可能发生自锁。正号机构多用在要求传动比很大，但传递动力不大的场合。,结论,行星轮系的类型很多，在相同的条件下，采用不同的类型，可以使轮系的外廓尺寸、重量和效率相差很多。因此，在设计行星轮系时，应重视轮系类型的选择。其选择原则为：,首先，应满足传动的范围。,例 2K-H型行星轮系的传动比范围,其次，应考虑传动效率的高低。 动力传动应采用负号机构；当要求有较大传动比时，可采用几个负号机构或与定轴轮系的复合或3K型轮系。,第三，应该注意轮系中的功率流动问题。,此外，还应考虑轮系的外廓尺寸、重量等要求。,一、行星轮系的类型选择,行星轮系中各轮齿数和行星轮数必须满足四个条件，才能装配起来并正常运转和实现要求的传动比。 以单排2K-H行星轮系为例：,二、各轮齿数和行星轮数的确定,即：,1、传动比条件,当给定行星轮系传动比i1H时，有：,行星轮系的三个基本构件的回转轴线必须在同一直线上。由图示行星轮系知：,2、同心条件,若采用标准齿轮或等变位齿轮传动时，上式变为r3=r1+2r2，或：,显然：两中心轮的齿数应同为偶数或同为奇数。,即：,(a),(b),3、装配条件,行星轮系中行星轮的数目和各轮的齿数选择必须正确 ，否则就装配不起来。在设计时行星轮的个数k和各轮的齿数应满足均布安装条件。即=(z1+z3)/k行星轮系两中心轮齿数之和应为行星轮个数的整数倍。,设需k个行星轮，=2/k。 O2O O2= ，角度与的关系为 i1H=1+z3/z1=1/ H= / 得 =( 1+z3/z1) =( 1+z3/z1) 2 /k (a)如果太阳轮1转过N个齿（N为整数）， 则 =N 2 / z1 (b)由(a) (b) 得：(z1+z3)/k=N N=(z1+z3)/k两中心轮的齿数之和应为行星轮数的整数倍。 当行星轮数和各轮齿数满足上式的条件时，我们就可以在位置O2装入第二个行星轮。同样，当第二个行星轮转到位置O2时，又可在位置O2装入第三个行星轮；其余依次类推。,在设计行星轮系时应考虑相邻两行星轮齿顶圆不能相交以保证能够运动。即O2 O2da 。如果采用标准齿轮，则有 2(r1+r2)sin(/k) 2(r2+ha*m) 或 (z1+z2) sin( /k) z2+2 ha* 式中：m为模数；ha*为齿顶高系数。,4、邻接条件,单排2K-H行星轮系的配齿公式,综合前面3个条件，若给定中心轮的齿数z1及传动比i1H，有：,三、行星轮系的均载装置,1、原因 2、类型 均载装置类型很多，可使太阳轮浮动；也可使行星轮浮动；行星架也可浮动；几个构件也可同时浮动。 图25示两行星轮系的均载装置都采用弹性元件：a为使太阳轮浮动；b为使行星轮浮动。,行星轮系的均载装置,5.6 新型行星传动简介,一、渐开线少齿差行星传动,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zb-zg14，称为少齿差传动。,行星轮g与中心轮b的齿差小，输出运动为行星轮的绝对转动。,若zb-zg1(称为一齿差传动)，zb100，则:iHV100。,输出机构V,由于行星轮作平面运动，故需要增加一个运动输出机构V。,故称此种行星轮系为：,K-H-V型齿轮系。,传动比,通常：转臂H主动，行星轮g输出运动，所以有：,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，不实用。,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一个平行四边形。,dh= ds + 2a,孔销输出式少齿差行星轮系,4）其齿廓曲线为普通的渐开线，可用一般刀具加工齿轮；,优点：,2）传动比大，单级减速比iHV达-10-100；,1）由于采用内啮合传动，故结构紧凑、体积小、质量小。 与普通齿轮减速器相比，重量可减轻1/3以上；,6）加工简单，装配方便。,3）效率较高。单级减速0.80.94，比蜗杆效率高；,缺点：,7）容易产生各种干涉，应采用正变位齿轮，设计较复杂；,10）传递功率不大，45KW。,9）径向分力大，转臂与行星轮轴承容易损坏；,5）是内啮合，且齿数差一般为zb-zg=14，同时啮合轮齿 对多，承载能力较大；,8）需要专门的输出机构；,摆线钱轮传动，也是K-H-V型少齿差行星传动，且齿数差固定为：zb-zg=1,摆线轮,当满足条件： dh= ds + 2a,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。,二、摆线针轮传动,行星轮齿廓曲线为摆线（称摆线轮），固定轮采用针轮。,摆线针轮行星传动,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。,外摆线,行星轮齿廓曲线的形成,a,o1,o4,o2,o3,o5,外摆线：发生圆(r2)在导圆r1 (r2)上作纯滚动时，发生圆上点P的轨迹。,短幅外摆线：发生圆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,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0.80.94,比蜗杆传动高。,三、谐波齿轮传动,组成：刚轮b、柔轮g、波发生器H(主动构件),工作原理,刚轮b,柔轮g,波发生器H,波发生器旋转时，迫使柔轮变为椭圆，使长轴两端附近的齿进入啮合状态，短轴附近的齿则脱开，其余不同区段上的齿处于逐渐啮入状态或逐渐啮出状态。,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。,传动比,刚轮1固定，波发生器H主动，柔轮g从动：,柔轮g固定，波发生器H主动，刚轮b从动：,转臂,优点：,传动比大，单级减速iHg可达-60-300；,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。,应用：在机械制造、冶金、发电设备、矿山、造船及国防工业(如宇航技术、雷达装置）得到广泛应用。,四、活齿传动,是K-H-V的一种新结构形式。常见的有以下几种:推杆活齿摆动活齿滚柱活齿套筒活齿活齿传动机构由激波器H、中心轮K（可做成摆线、圆弧或其他曲线形状）以及活齿轮G（由活齿和活齿架组成）三个基本构件组成。,五、机械无级变速器,主要有以下几种类型：摩擦式然链式带式，2脉动式其他,本章的基本要求,判断轮系类型:定轴、周转、复合；差动、行星、计算传动比：确定主、从动轮的转向关系各类轮系的功能，学会根据各种要求正确选择轮系类型。行星轮系效率的概念及其主要影响因素。行星轮系设计的几个基本问题几种其它类型行星传动的原理及特点。,本章的热点问题,5个公式：定轴1；周转2；转化公式2蜗轮蜗杆的转向判定：箭头折返、螺栓、右旋左手、空间想象如何从轮系中区分周转轮系？2个中心轮、1个转臂、1个（或多个）行星轮如何区分转臂、中心轮、行星轮？转臂：具有2个（或以上）回转中心的构件中心轮：具有1个回转中心，且轴线相对于机架固定行星轮：具有1个回转中心，且轴线相对于机架旋转如何确定各轮转向？先假定转向，以相应的符号代入公式，根据结果的符号确定行星轮数目增多的问题：无特殊处理中心轮增多的问题：按多个周转轮系处理（3K2个，4K？）转臂增多的问题：按多个周转轮系处理（每1个转臂决定1个周转轮系）,