《機械基礎（第2版）》 第13課 蝸桿傳動和齒輪系

課題機械傳動裝置（四）——蝸桿傳動和齒輪系課時2課時（90min）教學目標知識技能目標：（1）掌握蝸桿傳動的主要參數(shù)及工作原理（2）了解蝸輪與蝸桿的結(jié)構(gòu)和材料（3）掌握常見機械傳動裝置的運行與維護（4）能夠計算蝸桿傳動的傳動比，確定蝸輪的轉(zhuǎn)向（5）能夠計算定軸輪系的傳動比，確定輪系傳動件的轉(zhuǎn)向思政育人目標：（1）養(yǎng)成實事求是的科學精神和求真務實的辯證思維（2）提升遵守標準規(guī)范的職業(yè)意識和學以致用的職業(yè)素養(yǎng)教學重難點教學重點：蝸桿傳動的工作原理；蝸桿傳動、定軸輪系的傳動比計算；教學難點：蝸桿傳動、定軸輪系的傳動比計算；教學方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學設計第1節(jié)課：→→傳授新知（38min）第2節(jié)課：傳授新知（15min）→例題講解（10min）→任務實施（15min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學過程主要教學內(nèi)容及步驟設計意圖第一節(jié)課課前任務【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯(lián)系，組織學生下載“任務工單4.2”，并根據(jù)任務工單進行組內(nèi)分工。同時，提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件預習本節(jié)課知識，了解蝸桿傳動的類型和特點，普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸的計算，蝸桿與渦輪結(jié)構(gòu)和材料，蝸桿傳動的維護，齒輪系的類型及功能，定軸齒輪系傳動比的計算等內(nèi)容，并思考以下問題：（1）蝸桿傳動的類型有哪些？請舉例說明，并簡述蝸桿傳動的特點。（2）蝸桿傳動的主要參數(shù)有哪些？請舉例說明，并簡述計算方法。（3）蝸桿傳動的失效形式有哪些？蝸桿傳動的潤滑方式有哪些？請舉例說明?！緦W生】完成課前任務通過課前任務，使學生了解所學課程的重要性，增加學生的學習興趣考勤（2min）【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學生】按照老師要求簽到培養(yǎng)學生的組織紀律性，掌握學生的出勤情況問題導入（5min）【教師】提出以下問題：減速器傳動機構(gòu)中，平行軸間的傳動用圓柱齒輪傳動，相交軸間的傳動用圓錐齒輪傳動，那空間兩交錯軸間的運動是用什么來傳遞運動的呢？【學生】思考、舉手回答【教師】通過學生的回答，引入要講的知識通過問題導入的方法，引導學生主動思考，激發(fā)學生的學習興趣

傳授新知（38min）一、蝸桿傳動【多媒體教學】?【教師】要求學生通過“文旌課堂”APP掃描二維碼“蝸桿傳動的工作原理及特點”，觀看微課視頻，學習蝸桿傳動的工作原理及特點?【學生】觀看、思考【教師】新知講解1．蝸桿傳動的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：由蝸桿、蝸輪和機架等組成。工作原理：主要用于空間兩交錯軸之間運動和動力的傳遞，如2．蝸桿傳動的類型和特點根據(jù)蝸桿外形的不同，蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動三類，如圖所示。（a）圓柱蝸桿傳動（b）環(huán)面蝸桿傳動（c）錐蝸桿傳動圓柱蝸桿傳動可分為普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動。在普通圓柱蝸桿傳動中，根據(jù)螺旋面形狀的不同，普通圓柱蝸桿可分為阿基米德圓柱蝸桿、漸開線圓柱蝸桿、法向直廓圓柱蝸桿等。其中，阿基米德圓柱蝸桿具有加工方便、承載能力強等優(yōu)點，應用最為廣泛。優(yōu)點：①傳動比（一般為10～80）大且準確，結(jié)構(gòu)緊湊；②傳動平穩(wěn)，噪聲較??；③可實現(xiàn)自鎖。缺點：①蝸輪與蝸桿之間的摩擦較大，傳動效率較低（一般為0.7～0.9）；②通常選用銅合金等材料，成本較高。【課堂互動】?【教師】提出問題讓學生思考、討論，并隨機抽取學生回答蝸桿傳動和齒輪傳動相比有哪些特點？常用于什么場合？?【學生】聆聽、思考、討論、回答3．普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)普通圓柱蝸桿傳動如圖所示，通過蝸桿軸線且垂直于蝸輪軸線的平面稱為中間平面，它既是蝸桿的軸向截面，又是蝸輪的端面。在中間平面內(nèi)，蝸輪與蝸桿的嚙合相當于漸開線齒輪與齒條的嚙合，因此普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸均以中間平面的參數(shù)為標準值。1）蝸桿的頭數(shù)和蝸輪的齒數(shù)蝸桿的頭數(shù)是指蝸桿分度圓柱上螺旋線的條數(shù)，用表示。蝸桿頭數(shù)越小，傳動比越大，且越容易實現(xiàn)自鎖，但傳動效率將隨之降低，摩擦發(fā)熱量增大；蝸桿頭數(shù)越大，傳動效率越高，但傳動比將變小，且加工困難。因此，工程中通常取。蝸輪的齒數(shù)，若太小，蝸桿傳動的平穩(wěn)性將變差，且蝸輪容易產(chǎn)生根切；若太大，蝸輪的直徑將增大，與之相嚙合的蝸桿長度則會增加，導致蝸桿傳動的剛度下降。因此，工程中通常取。2）模數(shù)和壓力角蝸桿傳動在中間平面內(nèi)相當于齒輪齒條傳動，且中間平面為蝸桿的軸面和蝸輪的端面，因此規(guī)定蝸桿的軸面模數(shù)和軸面壓力角與蝸輪的端面模數(shù)和端面壓力角分別相等（即，），以保證蝸桿與蝸輪的正確嚙合。其中，蝸桿傳動的模數(shù)一般取標準值，標準壓力角為20°。3）蝸桿分度圓直徑和蝸桿直徑系數(shù)工程中對每個標準模數(shù)的蝸桿都規(guī)定了若干分度圓直徑。蝸桿分度圓直徑與模數(shù)m的比值稱為蝸桿直徑系數(shù)，用q表示，即（4-15）由式（4-15）可知，當模數(shù)m一定時，q越大，蝸桿分度圓直徑d1越大，蝸桿的剛度越高。4）導程角螺旋線與蝸桿軸端面的夾角稱為蝸桿分度圓柱上的導程角，簡稱導程角，用表示。5）中心距在蝸桿傳動中，蝸輪與蝸桿的中心距為4．普通圓柱蝸桿傳動幾何尺寸的計算名稱符號蝸桿蝸輪分度圓直徑d齒頂圓直徑齒根圓直徑蝸桿導程角—蝸輪螺旋角—標準中心距a5．普通圓柱蝸桿的嚙合傳動1）蝸桿傳動正確嚙合的條件蝸桿的軸向模數(shù)與蝸輪的端面模數(shù)相等；蝸桿的軸面壓力角與蝸輪的端面壓力角相等；2）蝸桿傳動的傳動比在蝸桿傳動中，蝸桿通常為主動件，則蝸桿與蝸輪之間的傳動比為（4-19）3）渦輪和蝸桿的轉(zhuǎn)向關系如圖4-40所示，右手張開伸直，使手心朝向自己，四指指向蝸桿或蝸輪的軸線方向，若大拇指的指向與齒形方向一致，則表示該蝸桿或蝸輪為右旋，如圖4-40（a）、（b）所示；反之，則為左旋，如圖4-40（c）所示。（a）右旋蝸桿（b）右旋蝸輪（c）左旋蝸桿為了正確利用蝸桿傳動，需要確定蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向。蝸輪的旋轉(zhuǎn)方向與蝸桿的旋向和旋轉(zhuǎn)方向有關，具體可通過左（右）手定則來判斷。其中，左旋蝸桿用左手，右旋蝸桿用右手。如圖所示，伸出手掌，四指沿著蝸桿回轉(zhuǎn)方向彎曲，大拇指伸直代表蝸桿軸線，與大拇指指向相反的方向即為蝸輪上嚙合點的線速度方向。（a）右旋蝸桿（b）左旋蝸桿6．蝸桿與渦輪的結(jié)構(gòu)和材料1）蝸桿與蝸輪的結(jié)構(gòu)鑄鐵蝸輪和直徑小于100mm的銅合金蝸輪通常采用整體式結(jié)構(gòu)。當蝸輪的直徑較大時，蝸輪齒圈用銅合金制造，蝸輪輪心用鋼或鑄鐵制造。當蝸輪直徑大于600mm時，或在蝸輪磨損后需要更換齒圈的場合，蝸輪輪圈與輪心可用螺栓連接。對于大批量生產(chǎn)的蝸輪，常將銅合金齒圈直接鑲鑄在鑄鐵輪心上。2）蝸桿與蝸輪的材料蝸輪和蝸桿除了應具有足夠的強度外，還應具有良好的減摩性、耐磨性和抗膠合能力。由于蝸桿嚙合的次數(shù)比蝸輪多，因此蝸桿材料的硬度應比蝸輪高。蝸桿齒面要求具有較高的硬度和較小的表面粗糙度，常用的材料有合金滲碳鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼。為提高蝸桿的齒面硬度，需要對其進行合理的熱處理。蝸桿常用材料的性能、熱處理方式及適用范圍（詳見教材表4-12）。7.蝸桿傳動的維護1）蝸桿傳動的失效形式與齒輪傳動類似，蝸桿傳動的失效形式主要有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損及齒面膠合等。其中，閉式蝸桿傳動的主要失效形式是齒面膠合和點蝕，開式蝸桿傳動的主要失效形式是齒面磨損和輪齒折斷。由于材料和結(jié)構(gòu)上的原因，蝸輪輪齒的強度往往低于蝸桿螺旋齒的強度，因此蝸桿傳動的失效大多發(fā)生在蝸輪輪齒上。2）蝸桿傳動的潤滑蝸桿傳動的相對滑動速度大、發(fā)熱量大，若潤滑不良則會顯著降低工作效率，并且會帶來嚴重的磨損，甚至出現(xiàn)膠合，因此必須選擇合適的潤滑油及潤滑方式。蝸桿傳動常用潤滑油的黏度和潤滑方式（詳見教材表4-14）?！緦W生】聆聽、思考、理解通過教師講解、課堂互動、舉例分析等教學方式，幫助學生掌握蝸桿傳動的類型和特點，普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)、幾何尺寸的計算和嚙合傳動，蝸桿與蝸輪的結(jié)構(gòu)和材料，蝸桿傳動的維護等相關知識第二節(jié)課

傳授新知（15min）二、齒輪系【教師】新知講解1．齒輪系的類型【多媒體教學】?【教師】要求學生通過“文旌課堂”APP掃描二維碼“定軸輪系”，觀看微課視頻，學習定軸輪系知識?【學生】觀看、思考1）定軸輪系傳動時，各齒輪的幾何軸線相對于機架都處于固定狀態(tài)的齒輪系稱為定軸輪系。按照各齒輪軸線是否在同一平面，定軸輪系又可分為平面定軸輪系和空間定軸輪系，如圖4-42所示。（a）平面定軸輪系（b）空間定軸輪系【學生】聆聽、思考、理解【多媒體教學】?【教師】要求學生通過“文旌課堂”APP掃描二維碼“周轉(zhuǎn)輪系”，觀看微課視頻，學習周轉(zhuǎn)輪系知識?【學生】觀看、思考【教師】新知講解2）周轉(zhuǎn)輪系傳動時，至少有一個齒輪的幾何軸線相對于機架位置不固定的齒輪系稱為周轉(zhuǎn)輪系，它主要由太陽輪、行星輪、行星架和機架等組成，如圖所示。根據(jù)機構(gòu)自由度數(shù)目的不同，周轉(zhuǎn)輪系可分為行星輪系和差動輪系。行星輪系：一個太陽輪固定，自由度的周轉(zhuǎn)輪系，如圖（a）所示。差動輪系：兩個太陽輪都可轉(zhuǎn)動，自由度的周轉(zhuǎn)輪系，如圖（b）所示。

（a）行星輪系

（b）差動輪系2．齒輪系的功能1）實現(xiàn)長距離傳動如圖4-44所示，用四個小齒輪代替兩個大齒輪進行傳動，既可節(jié)約空間、材料，又能方便制造和安裝。2）實現(xiàn)變速和換向傳動在輸入軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向不變的情況下，利用齒輪系可以使輸出軸獲得若干不同的轉(zhuǎn)速或反向的運動。如圖4-45所示為某簡易汽車變速箱機構(gòu)運動簡圖。3）實現(xiàn)大傳動比傳動采用齒輪系傳動通過多級累加，可用較小的體積獲得較大的傳動比。特別是采用周轉(zhuǎn)輪系，只需幾個齒輪就可獲得很大的傳動比。例如，圖4-46所示的行星輪系。4）實現(xiàn)運動的合成和分解由前述可知，差動輪系具有兩個自由度，如圖4-47所示。利用差動輪系這一特點，可以實現(xiàn)運動的合成與分解。3．定軸齒輪系傳動比的計算傳動比大?。篿12=n1/n2=z1/z2傳動比方向：（1）符號法：“+“轉(zhuǎn)向相同，”-“轉(zhuǎn)向相反（2）箭頭法：箭頭方向表示齒輪方向【課堂互動】?【教師】組織學生以小組為單位填寫下表類型圖例傳動比大小轉(zhuǎn)向平行軸外嚙合傳動平行軸內(nèi)嚙合傳動圓錐齒輪傳動蝸桿傳動?【學生】思考、討論、填表如圖所示的平面定軸輪系中，齒輪1為主動輪，齒輪5為從動輪，可用畫箭頭的方法表示出各輪的轉(zhuǎn)動方向。該齒輪系中，各對齒輪傳動的傳動比為，，，其中，，，因此該齒輪系的傳動比為【學生】聆聽、思考、理解?【教師】組織學生討論以下問題：觀察上式分子與分母有什么特點？與什么有關系？?【學生】思考、討論、回答?【教師】總結(jié)學生回答定軸輪系的傳動比的大小等于組成該齒輪系的各對嚙合齒輪傳動比的乘積，其值也等于所有從動輪齒數(shù)連乘積與所有主動輪齒數(shù)連乘積之比。定軸輪系的傳動比的轉(zhuǎn)向取決于輪系中外外嚙合的對數(shù)。即m——齒輪系中外嚙合齒輪的對數(shù)。通過教師講解、課堂互動、舉例分析等教學方式，幫助學生掌握齒輪系的類型，齒輪系的功能，定軸齒輪系傳動比的計算等相關知識例題講解（10min）【教師】講解以下例題【例4-3】在如圖4-51所示的車床溜板箱進給刻度盤齒輪系中，已知運動由齒輪1輸入，由齒輪5輸出。其中，（方向向上），，，，，。試求的大小和方向?！窘狻浚?）在車床溜板箱進給刻度盤齒輪系中，1為主動輪，5為末端從動輪，齒輪系的傳動關系為：1→2，2→3，3→4，4→5。（2）根據(jù)式（4-20）計算車床溜板箱進給刻度盤齒輪系的傳動比，即齒輪5的轉(zhuǎn)速為（3）的方向可用畫箭頭的方法確定，如圖4-52所示。圖4-51例4-3圖圖4-52例4-3結(jié)果圖【學生】聆聽、思考、理解通過例題講解，加深學生對知識的理解，幫助學生強化知識點的記憶任務實施

（15min）【教師】組織學生以小組為單位根據(jù)表格中的要求，分析該齒輪系的傳動，確定蝸輪的轉(zhuǎn)向并計算其轉(zhuǎn)速，并填寫“任務工單4.2”如圖所示為組合機床動力滑臺齒輪系，其運動從電動機輸入，從蝸輪6輸出。在該齒輪系中，電動機轉(zhuǎn)速（），各齒輪齒數(shù)、蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)分別為，，，，（雙頭），，蝸桿為右旋?！緦W生】觀察、思考、分組討論、填寫任務工單【教師】根據(jù)各組學生的表現(xiàn)進行評價，并填寫任務工單中的考核評價表【學生】結(jié)合自身表現(xiàn)和教師的評價，對本次任務進行總結(jié)通過任務實施，加深對所學知識的理解，并將理論應用到實踐中，做到學以致用課堂小結(jié)

（3min）【教師】簡要總結(jié)本節(jié)課的要點本節(jié)課主要學習了蝸桿傳動的類型和特點，普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸的計算，蝸桿與渦輪結(jié)構(gòu)和材料，蝸桿傳動的維護，齒輪系的類型及功能，定軸齒輪系傳動比的計算等內(nèi)容。希望同學們能夠通過本節(jié)課的學習，掌握蝸桿傳動、定軸輪系的傳動比計算，為學習后續(xù)