清華大學(xué)機(jī)械原理課件-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

清華大學(xué)機(jī)械原理課件——齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)課程介紹1課程目標(biāo)掌握齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本理論和設(shè)計(jì)方法，并能獨(dú)立設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。2課程內(nèi)容涵蓋齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本概念、分類(lèi)、工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算、應(yīng)用實(shí)例、維護(hù)保養(yǎng)等方面內(nèi)容。3課程特色以理論聯(lián)系實(shí)際為原則，結(jié)合豐富的案例和工程應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用和特點(diǎn)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的精確傳遞，例如改變轉(zhuǎn)速、扭矩和方向。效率高相比其他傳動(dòng)方式，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率相對(duì)較高，可以有效減少能量損失。傳動(dòng)精度高齒輪的齒形設(shè)計(jì)可以確保傳動(dòng)過(guò)程中的精度，使運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞更加穩(wěn)定。齒輪基本概念齒輪齒輪是一種具有齒形的機(jī)械零件，用于傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩。齒數(shù)齒輪上齒形的數(shù)量，決定了齒輪的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)速。模數(shù)齒輪尺寸的基本參數(shù)，用于確定齒輪的齒高、齒厚和齒距。齒形齒輪的齒廓形狀，常見(jiàn)的有漸開(kāi)線齒形和圓弧齒形。齒輪分類(lèi)按齒輪形狀分類(lèi)齒輪可分為圓柱齒輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿等。按齒輪輪齒形狀分類(lèi)齒輪可分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪等。按齒輪應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)齒輪可分為傳動(dòng)齒輪、分配齒輪、同步齒輪等?；X輪的基本參數(shù)參數(shù)描述模數(shù)齒輪大小的基本單位，決定齒輪的尺寸和強(qiáng)度齒數(shù)齒輪上的齒的個(gè)數(shù)，決定齒輪的轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)比齒頂高齒頂?shù)椒侄葓A的距離，影響齒輪的強(qiáng)度和嚙合性能齒根高分度圓到齒根的距離，影響齒輪的強(qiáng)度和嚙合性能齒厚兩個(gè)相鄰齒之間的距離，影響齒輪的強(qiáng)度和嚙合性能齒頂圓直徑齒頂圓的直徑，影響齒輪的尺寸和強(qiáng)度分度圓直徑齒輪分度圓的直徑，影響齒輪的尺寸和傳動(dòng)比齒根圓直徑齒根圓的直徑，影響齒輪的尺寸和強(qiáng)度齒輪嚙合原理齒廓線齒輪嚙合過(guò)程中，齒廓線互相接觸，形成瞬時(shí)接觸點(diǎn)。嚙合角齒輪嚙合角是指齒廓線上瞬時(shí)接觸點(diǎn)處的法線與齒輪中心連線的夾角。嚙合線齒輪嚙合過(guò)程中，瞬時(shí)接觸點(diǎn)軌跡稱(chēng)為嚙合線。嚙合點(diǎn)齒輪嚙合過(guò)程中，齒廓線上任意兩點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為嚙合點(diǎn)。齒輪嚙合特性嚙合線齒輪嚙合過(guò)程中，兩齒輪齒廓上的接觸點(diǎn)連線形成嚙合線。接觸點(diǎn)齒輪嚙合時(shí)，齒廓上的接觸點(diǎn)是瞬時(shí)接觸點(diǎn)，不斷移動(dòng)。嚙合力齒輪嚙合過(guò)程中，齒廓間存在摩擦力和法向力，形成嚙合力。圓柱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)圓柱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是最常見(jiàn)的齒輪傳動(dòng)形式之一，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中。這種傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、傳動(dòng)效率高、承載能力強(qiáng)，適用于各種速度和功率的傳動(dòng)場(chǎng)合。圓柱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)95%以上承載能力強(qiáng)，能承受較大的載荷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低應(yīng)用范圍廣，適用于各種速度和功率的傳動(dòng)場(chǎng)合斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是指齒輪齒面與輪軸線成一定角度的傳動(dòng)系統(tǒng)。斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低承載能力強(qiáng)傳動(dòng)效率高斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)常用于高速、重載的機(jī)械設(shè)備，例如汽車(chē)變速箱、機(jī)床主軸等。錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)軸線相交錐齒輪的軸線相交，用于傳遞功率或改變運(yùn)動(dòng)方向。錐齒輪錐齒輪的齒面為錐面，齒輪的形狀類(lèi)似于圓錐體的一部分。廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、機(jī)械、航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，例如汽車(chē)的差速器。蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)由蝸桿和蝸輪組成，蝸桿為螺旋形的螺桿，蝸輪為與蝸桿嚙合的齒輪。蝸桿傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，且傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低，適用于低速、重載場(chǎng)合。蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)，適合低速、重載場(chǎng)合。缺點(diǎn)是效率低、易磨損，且潤(rùn)滑要求較高。行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是一種重要的傳動(dòng)形式，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)變速箱、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈和行星架組成。太陽(yáng)輪固定在中心位置，行星輪圍繞太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，齒圈固定在外環(huán)，行星架固定在行星輪上，并與輸出軸相連。當(dāng)太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，行星輪沿著齒圈滾動(dòng)，行星架就會(huì)帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)。行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比取決于太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈的齒數(shù)比。齒輪傳動(dòng)效率分析90%機(jī)械效率齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率一般在90%左右，主要受摩擦損耗影響5%摩擦損失齒輪嚙合、軸承摩擦和潤(rùn)滑油摩擦是主要損失源5%其他損失齒輪的振動(dòng)和沖擊，材料的彈性變形也會(huì)導(dǎo)致能量損失齒輪磨損和失效分析1齒面磨損齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，齒面相互摩擦，導(dǎo)致磨損。磨損主要分為粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。2齒輪斷裂齒輪受力過(guò)大或材料強(qiáng)度不足，可能導(dǎo)致齒輪斷裂。斷裂通常發(fā)生在齒根或齒尖部位。3齒輪塑性變形齒輪長(zhǎng)期承受過(guò)載或沖擊載荷，可能導(dǎo)致齒輪塑性變形，影響齒輪的正常工作。4齒輪疲勞失效齒輪在交變載荷作用下，可能發(fā)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致齒輪失效。齒輪傳動(dòng)噪聲分析齒輪嚙合齒輪嚙合過(guò)程中的沖擊和振動(dòng)是主要噪聲源。齒輪精度齒輪加工精度低會(huì)增加嚙合誤差，導(dǎo)致噪聲增加。潤(rùn)滑條件潤(rùn)滑不良會(huì)加劇齒面磨損，提高噪聲水平。安裝精度安裝精度低會(huì)導(dǎo)致齒輪間相對(duì)位置偏差，產(chǎn)生噪聲。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則強(qiáng)度齒輪設(shè)計(jì)需要考慮強(qiáng)度和剛度，以防止齒輪在負(fù)載下發(fā)生斷裂或彎曲失效。磨損齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)需要確保齒輪表面的磨損率在可接受范圍內(nèi)，以延長(zhǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。噪聲齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，需要設(shè)計(jì)合理的齒形和傳動(dòng)參數(shù)，以降低噪聲。效率齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的效率取決于齒輪的嚙合狀態(tài)、潤(rùn)滑條件等因素，設(shè)計(jì)需要優(yōu)化效率。典型齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例汽車(chē)變速箱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在汽車(chē)變速箱中廣泛應(yīng)用，通過(guò)不同齒輪組合實(shí)現(xiàn)不同擋位，適應(yīng)不同的行駛速度和負(fù)載需求。工業(yè)機(jī)器人齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人中用于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的運(yùn)動(dòng)控制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中用于減速增扭，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。單級(jí)減速裝置設(shè)計(jì)1確定減速比根據(jù)負(fù)載和電機(jī)轉(zhuǎn)速的要求確定合適的減速比。2選擇齒輪類(lèi)型根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)和傳動(dòng)要求選擇合適的齒輪類(lèi)型，如圓柱齒輪、斜齒輪等。3齒輪參數(shù)計(jì)算計(jì)算齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等參數(shù)，確保齒輪嚙合正常。4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)齒輪軸、軸承、機(jī)箱等部件，確保減速裝置的強(qiáng)度和剛度。5強(qiáng)度校核對(duì)齒輪和軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保其能夠承受負(fù)載。6潤(rùn)滑設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)，確保齒輪的正常潤(rùn)滑，延長(zhǎng)其使用壽命。7加工制造根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙加工制造齒輪和減速裝置的其他部件。8裝配調(diào)試將減速裝置的各個(gè)部件裝配在一起，并進(jìn)行調(diào)試，確保其正常工作。多級(jí)減速裝置設(shè)計(jì)1需求分析確定減速比、輸入扭矩、輸出速度等參數(shù)。2方案選擇選擇合適的齒輪類(lèi)型、級(jí)數(shù)、傳動(dòng)比等。3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)齒輪軸、軸承、箱體等結(jié)構(gòu)。4強(qiáng)度校核驗(yàn)證齒輪、軸承、箱體的強(qiáng)度。差速器設(shè)計(jì)1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮齒輪類(lèi)型、尺寸和材料2強(qiáng)度分析確保齒輪和軸的強(qiáng)度足夠3潤(rùn)滑設(shè)計(jì)保證潤(rùn)滑油的充足供應(yīng)和潤(rùn)滑效果差速器設(shè)計(jì)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析和潤(rùn)滑設(shè)計(jì)等因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)車(chē)輛的動(dòng)力和傳動(dòng)要求選擇合適的齒輪類(lèi)型、尺寸和材料。強(qiáng)度分析要確保齒輪和軸的強(qiáng)度足夠，以避免在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂或磨損。潤(rùn)滑設(shè)計(jì)要保證潤(rùn)滑油的充足供應(yīng)和潤(rùn)滑效果，以降低摩擦和延長(zhǎng)使用壽命。變速箱設(shè)計(jì)1齒輪選擇根據(jù)傳動(dòng)比和載荷選擇合適的齒輪類(lèi)型和參數(shù)2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定變速箱的結(jié)構(gòu)形式，包括殼體、軸系、換擋機(jī)構(gòu)等3強(qiáng)度校核對(duì)齒輪、軸、軸承等關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保安全可靠4潤(rùn)滑設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)合理的潤(rùn)滑系統(tǒng)，確保變速箱內(nèi)部的潤(rùn)滑和冷卻離合器設(shè)計(jì)1摩擦片提供摩擦力2壓盤(pán)壓緊摩擦片3分離軸承分離壓盤(pán)4彈簧提供壓力5飛輪傳遞動(dòng)力制動(dòng)器設(shè)計(jì)1選擇合適的制動(dòng)器類(lèi)型根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和需求選擇合適的制動(dòng)器類(lèi)型，如鼓式制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、電磁制動(dòng)器等。2確定制動(dòng)器參數(shù)根據(jù)載荷、速度、環(huán)境等因素確定制動(dòng)器尺寸、材料、摩擦系數(shù)等參數(shù)。3進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，包括制動(dòng)盤(pán)/鼓、制動(dòng)蹄片/片、活塞、油管等部件。4進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析確保制動(dòng)器在工作條件下能夠承受載荷，并保證足夠的剛度和穩(wěn)定性。5進(jìn)行熱分析評(píng)估制動(dòng)器在工作時(shí)的熱量產(chǎn)生和散熱情況，確保制動(dòng)器溫度不會(huì)過(guò)高。6進(jìn)行性能測(cè)試對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行性能測(cè)試，驗(yàn)證其制動(dòng)性能、耐久性等指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。齒輪傳動(dòng)裝置維護(hù)和故障診斷定期檢查齒輪，檢查是否有磨損、裂紋或其他損傷。確保齒輪箱中有足夠的潤(rùn)滑油，并定期更換潤(rùn)滑油。使用聲學(xué)儀器監(jiān)測(cè)齒輪的運(yùn)行聲音，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真分析虛擬模型使用CAD軟件創(chuàng)建齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型，模擬齒輪嚙合、運(yùn)動(dòng)和力學(xué)性能。仿真分析利用仿真軟件進(jìn)行虛擬測(cè)試，例如有限元分析，模擬齒輪的應(yīng)力分布、強(qiáng)度和疲勞壽命。優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)仿真分析結(jié)果優(yōu)化齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高傳動(dòng)效率，降低噪聲和磨損。新材料在齒輪傳動(dòng)中的應(yīng)用耐磨材料陶瓷、金屬陶瓷、復(fù)合材料等耐磨材料可提高齒輪的抗磨損性能，延長(zhǎng)使用壽命。高強(qiáng)度材料高強(qiáng)度鋼、鈦合金等材料可提高齒輪的承載能力，減小齒輪尺寸，提高傳動(dòng)效率。輕質(zhì)材料碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等輕質(zhì)材料可降低齒輪重量，提高傳動(dòng)效率，減少能耗。發(fā)展趨勢(shì)和前沿技術(shù)智能化齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)將更加智能化