機(jī)械基礎(chǔ)-學(xué)做一體化 課件 任務(wù)4-6 電動(dòng)機(jī)的選擇及運(yùn)動(dòng)動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、軸的選擇與設(shè)計(jì)

任務(wù)四電動(dòng)機(jī)的選擇及運(yùn)動(dòng)動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算4.1識(shí)讀平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖4.2電動(dòng)機(jī)的選擇4.3傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比計(jì)算與分配4.4各級(jí)傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

4.1識(shí)讀平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

4.1.1運(yùn)動(dòng)副及其分類

1.運(yùn)動(dòng)副若要傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，各構(gòu)件之間需通過(guò)一定的連接方式組成一個(gè)機(jī)構(gòu)，且組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件之間的連接必須是可動(dòng)的，且這種相互運(yùn)動(dòng)是確定的。這種由兩個(gè)構(gòu)件組成的可動(dòng)連接稱為運(yùn)動(dòng)副，如圖4-1所示。圖4-1運(yùn)動(dòng)副

2.運(yùn)動(dòng)副的分類

根據(jù)連接的兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是平面的還是空間的，運(yùn)動(dòng)副可分為平面運(yùn)動(dòng)副和空間運(yùn)動(dòng)副。兩構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)、線、面實(shí)現(xiàn)接觸，根據(jù)兩構(gòu)件之間的接觸情況可將運(yùn)動(dòng)副分為高副和低副。兩構(gòu)件通過(guò)面接觸構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副統(tǒng)稱為低副，如圖4-1(a)、(b)所示。兩構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)或線接觸構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副統(tǒng)稱為高副，如圖4-1(c)所示。

根據(jù)兩構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，低副又可分為轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副。兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)的低副稱為轉(zhuǎn)動(dòng)副或回轉(zhuǎn)副，也稱為較鏈，如圖4-1(a)所示。兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)的低副稱為移動(dòng)副，如圖4-1(b)所示。

4.1.2平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

所有構(gòu)件都在同平面或相互平行平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)，反之則稱為空間機(jī)構(gòu)。

1.平面機(jī)構(gòu)的組成

在組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件中，與參考系固定、相對(duì)不動(dòng)的構(gòu)件稱為機(jī)架。一般情況下，機(jī)構(gòu)安裝在地面上，那么機(jī)架相對(duì)于地面是固定不動(dòng)的；如果機(jī)構(gòu)安裝在運(yùn)動(dòng)物體(如車、船、飛機(jī)等)上，那么機(jī)架相對(duì)于該運(yùn)動(dòng)物體是固定不動(dòng)的，而相對(duì)于地面則可能是運(yùn)動(dòng)的，其余的構(gòu)件均相對(duì)于機(jī)架而運(yùn)動(dòng)。其中，給定獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的構(gòu)件稱為原動(dòng)件，由原動(dòng)件帶動(dòng)而隨之運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為從動(dòng)件。

2.平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及其意義

由于設(shè)計(jì)和研究的需要，人們常通過(guò)繪制簡(jiǎn)圖的方式來(lái)表示一個(gè)機(jī)構(gòu)。另外，通過(guò)研究人們發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，各部分的運(yùn)動(dòng)是由其原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、該機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動(dòng)副的類型(例如是高副還是低副、是轉(zhuǎn)動(dòng)副還是移動(dòng)副等)、數(shù)目及相對(duì)位置決定的，而與構(gòu)件的外形(高副機(jī)構(gòu)的輪廓形狀除外)、斷面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)目及固定連接方式，以及運(yùn)動(dòng)副的實(shí)際結(jié)構(gòu)均無(wú)關(guān)。

3.運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件的表示

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中，各平面運(yùn)動(dòng)副在不同視圖中的表示方法是不同的。

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)副的表示：圖4-2所示為兩構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的表示方法，其中圖4-2(a)、(b)、(c)所示為垂直于回轉(zhuǎn)軸線的平面，圖4-2(d)、(e)所示為通過(guò)回轉(zhuǎn)軸線的平面，圖中畫(huà)斜線的構(gòu)件表示機(jī)架。圖4-2轉(zhuǎn)動(dòng)副

(2)移動(dòng)副的表示：圖4-3所示為兩構(gòu)件用移動(dòng)副連接的表示方法。圖4-3移動(dòng)副

(3)具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)件的表示：由于構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)主要取決于運(yùn)動(dòng)副，因此首先應(yīng)當(dāng)用符號(hào)畫(huà)出各運(yùn)動(dòng)副元素在構(gòu)件上的相對(duì)位置，然后再用簡(jiǎn)單線條把它們連接成構(gòu)件，圖4-4所示為具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素構(gòu)件的表示方法。圖4-3移動(dòng)副圖4-3移動(dòng)副

(4)具有三個(gè)或四個(gè)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)件的表示：圖4-5所示為具有三個(gè)或四個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素的構(gòu)件，此時(shí)各運(yùn)動(dòng)副元素間的連線形成三角形或多邊形。為了表明它們是同一構(gòu)件，應(yīng)在三角形、多邊形中畫(huà)上斜線(見(jiàn)圖4-5(b))，或?qū)蓷l直線相交的部位畫(huà)出焊縫符號(hào)(見(jiàn)圖4-5(c))。如果一個(gè)構(gòu)件上的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副位于一條直線上，則應(yīng)用半圓跨越連接上下兩段直線來(lái)表示，而不能用中間的轉(zhuǎn)動(dòng)副直接連接這兩段直線，如圖4-5(d)所示。圖4-5具有三個(gè)或四個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素的構(gòu)件

4.平面機(jī)構(gòu)示意圖的識(shí)讀

如圖4-6所示，從原動(dòng)件開(kāi)始，按照運(yùn)動(dòng)的傳遞順序，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖規(guī)定符號(hào)(見(jiàn)表4.1)，逐個(gè)判別每個(gè)符號(hào)的代表意義，從而得出整個(gè)機(jī)器的機(jī)構(gòu)組成和運(yùn)動(dòng)原理。圖4-6顎式破碎機(jī)及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

4.2電動(dòng)機(jī)的選擇4.2.1電動(dòng)機(jī)類型的選擇電動(dòng)機(jī)類型根據(jù)電源種類、工作要求、工作環(huán)境、載荷大小和性質(zhì)及安裝要求等條件來(lái)選擇。工業(yè)上廣泛應(yīng)用國(guó)際市場(chǎng)上通用的統(tǒng)一系列——Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)。Y系列電動(dòng)機(jī)為一般用途籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，具有高效、節(jié)能、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、噪聲低、振動(dòng)小、可靠性高、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，適用于電源電壓為380?V無(wú)特殊要求的機(jī)械，如機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、攪拌機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。Y系列(IP44)三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4.2。

4.2.2電動(dòng)機(jī)功率的確定

電動(dòng)機(jī)容量主要由電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱情況決定，而發(fā)熱又與其工作情況有關(guān)。對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、載荷不變或很少變化的、常溫下工作的電動(dòng)機(jī)，在選擇電動(dòng)機(jī)的容量時(shí)，只需使電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷不超過(guò)其額定值，電動(dòng)機(jī)便不會(huì)過(guò)熱。這樣，可按電動(dòng)機(jī)的額定功率Pm等于或略大于電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率Po，即Pm≥Po，從手冊(cè)中選擇相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，而不必再作發(fā)熱計(jì)算。

1.計(jì)算工作機(jī)所需功率PW

工作機(jī)所需功率PW應(yīng)由機(jī)器的工作阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定。

式中，F(xiàn)W為工作機(jī)的阻力(N)；vW為工作機(jī)的線速度(m/s)；ηW為工作機(jī)的效率，對(duì)于帶式運(yùn)輸機(jī)，一般ηW?=?0.94～0.96。

2.計(jì)算電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率Po

由工作機(jī)所需功率和傳動(dòng)裝置的總效率可求得電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率Po：

式中，η為由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)裝置總效率，計(jì)算式為

在計(jì)算傳動(dòng)裝置總效率時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)所取傳動(dòng)副的效率是否已包括其軸承效率，如已包括則不再計(jì)入軸承效率。

(2)軸承效率通常指一對(duì)軸承而言。

(3)同類型的幾對(duì)傳動(dòng)副、軸承或聯(lián)軸器，要分別計(jì)入各自的效率。

(4)在資料中查出的效率值為某一范圍數(shù)值時(shí)，一般可取中間值。如工作條件差、加工精度低、維護(hù)不良時(shí)，則應(yīng)取較低值，反之則取較高值。

3.確定電動(dòng)機(jī)的額定功率Pm

對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷不變或很少變化，且在常溫下工作的電動(dòng)機(jī)，按下式確定電動(dòng)機(jī)的額定功率：

4.2.3電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定

容量相同的同類型電動(dòng)機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速有3000?r/min、1500?r/min、1000?r/min和750?r/min四種。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，則磁極越少，尺寸及重量越小，價(jià)格也越低；但傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比增大，傳動(dòng)級(jí)數(shù)要增多，尺寸及重量增大，從而使傳動(dòng)裝置的成本增加。因此，在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)找尋電動(dòng)機(jī)可選擇轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的中部數(shù)值與同步轉(zhuǎn)速相近的機(jī)型，選用同步轉(zhuǎn)速為1000?r/min或1500?r/min的電動(dòng)機(jī)。

機(jī)座帶底腳、端蓋無(wú)凸緣Y系列電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸及外形尺寸見(jiàn)表4.4。從表中查出的電動(dòng)機(jī)軸徑D、外伸長(zhǎng)度E和鍵槽寬度F以備后面設(shè)計(jì)所用。

4.3傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比計(jì)算與分配

4.3.1傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比計(jì)算電動(dòng)機(jī)選定以后，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速nm及工作軸的轉(zhuǎn)速nW即可確定傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比i，即

當(dāng)傳動(dòng)裝置由多級(jí)傳動(dòng)串聯(lián)而成時(shí)，則總傳動(dòng)比為

式中，i1，i2，…，in為各級(jí)串聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。

4.3.2各級(jí)傳動(dòng)比的分配

對(duì)于傳動(dòng)部分在具體分配傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：

(1)各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比最好在推薦范圍內(nèi)選取，盡可能不超過(guò)其允許的最大值。各類機(jī)械傳動(dòng)的傳動(dòng)比推薦范圍(參考值)見(jiàn)表4.5。

(2)應(yīng)使各級(jí)傳動(dòng)比數(shù)值在推薦范圍內(nèi)均衡選擇，這樣可使傳動(dòng)裝置各部分結(jié)構(gòu)尺寸協(xié)調(diào)、勻稱和利于安裝。

4.4各級(jí)傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

在選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)、分配傳動(dòng)比之后，應(yīng)將傳動(dòng)裝置各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來(lái)，為傳動(dòng)零件和軸的設(shè)計(jì)計(jì)算等提供依據(jù)。若將傳動(dòng)裝置的各軸按轉(zhuǎn)速由高到低依次定為Ⅰ軸、Ⅱ軸……(電動(dòng)機(jī)軸為0軸)，并設(shè)：

則可按電動(dòng)機(jī)軸至工作機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)傳遞路線，采用如下方法計(jì)算出各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)。

1.各軸的轉(zhuǎn)速

其余類推。

2.各軸的輸入功率

其余類推。

3.各軸的輸入轉(zhuǎn)矩

其余類推。

將以上運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果列入表4.6，供以后設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)使用。

例4.1試選擇運(yùn)輸機(jī)的電動(dòng)機(jī)并分配各級(jí)傳動(dòng)比，計(jì)算運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)。帶式運(yùn)輸機(jī)的機(jī)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖0-1，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：工作拉力FW?=?3?kN，輸送帶速度vW?=?1.5?m/s，滾筒直徑D?=?400?mm，運(yùn)輸機(jī)效率η?=?0.96，輸送帶速度容許誤差為?+5%。運(yùn)輸機(jī)為兩班制連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn)，空載啟動(dòng)，載荷變化不大；室內(nèi)工作，有粉塵，環(huán)境溫度30℃左右；使用期限8年，4年進(jìn)行一次大修；動(dòng)力來(lái)源為三相交流電；傳動(dòng)裝置由中等規(guī)模機(jī)械廠小批量生產(chǎn)。

2.確定傳動(dòng)裝置的各級(jí)傳動(dòng)比

3.計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)

4.各軸的轉(zhuǎn)矩任務(wù)五傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)5.1普通V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)5.2直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)5.3其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

一臺(tái)完整的機(jī)器通常由原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)(或工作機(jī)構(gòu))及傳動(dòng)裝置組成。工作機(jī)靠原動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)力才能工作，但二者直接相連的情況較少。因?yàn)樵谝话闱闆r下，工作機(jī)的轉(zhuǎn)速與原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不相同，而且運(yùn)動(dòng)形式也不相同。為此，須在二者之間加入一種裝置，用以傳遞能量并實(shí)現(xiàn)能量分配，改變轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)形式，這種裝置稱為傳動(dòng)裝置(或簡(jiǎn)稱傳動(dòng))。

5.1普通V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

5.1.1帶傳動(dòng)的工作原理及類型帶傳動(dòng)通常由固連于主、從動(dòng)軸上的主動(dòng)帶輪1、從動(dòng)帶輪2和傳動(dòng)帶3組成(圖5-1)，靠帶與帶輪間的摩擦或嚙合實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)輪間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞，故按工作原理可分為摩擦帶傳動(dòng)和嚙合帶傳動(dòng)兩類。圖5-1帶傳動(dòng)的組成

摩擦帶按其截面形狀分為平帶、V帶、多楔帶和圓帶等(圖5-2)。平帶的工作面是內(nèi)表面，而V帶的工作面是兩側(cè)面。由于槽面的楔形增壓效應(yīng)，在同樣張緊力的情況下，V帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力，因而應(yīng)用較為廣泛。圓帶傳動(dòng)能力較小，常用于儀器和家用機(jī)械中。圖5-2摩擦帶的截面形狀

在嚙合帶傳動(dòng)中，傳動(dòng)帶內(nèi)周有一定形狀的等距齒與帶輪上相應(yīng)的齒槽相嚙合，帶與帶輪間無(wú)滑動(dòng)，所以將這種帶傳動(dòng)稱為同步帶傳動(dòng)，如圖5-3所示。圖5-3同步帶傳動(dòng)

帶傳動(dòng)主要用于兩軸平行且轉(zhuǎn)向相同的場(chǎng)合，這種傳動(dòng)稱為開(kāi)口帶傳動(dòng)(圖5-4)。圖中，兩帶輪軸線間的距離稱為中心距a，帶與兩帶輪接觸弧所對(duì)的中心角稱為包角α1和α2，dd1、dd2分別為兩帶輪直徑，設(shè)帶長(zhǎng)為L(zhǎng)d0，則圖5-4開(kāi)口帶傳動(dòng)

5.1.2帶傳動(dòng)的特點(diǎn)和應(yīng)用

帶傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、傳動(dòng)平穩(wěn)、緩沖吸振，過(guò)載時(shí)打滑以防止其他零件的損壞等。其主要缺點(diǎn)是傳動(dòng)比不穩(wěn)定、傳動(dòng)的外形尺寸較大、效率較低、帶的使用壽命較短以及由于帶的張緊面對(duì)軸造成較大的壓力等。

5.1.3帶傳動(dòng)的受力分析與打滑現(xiàn)象

1.帶傳動(dòng)的正常工作

在帶傳動(dòng)開(kāi)始工作前，帶以一定的初拉力F0張緊在兩帶輪上(圖5-5)，帶兩邊的拉力相等(均為F0)。傳遞載荷時(shí)，由于帶與帶輪間產(chǎn)生摩擦力，帶兩邊的拉力將發(fā)生變化。繞上主動(dòng)輪的一邊，拉力由F0增至F1，稱為緊邊(或主動(dòng)邊)；離開(kāi)主動(dòng)輪的一邊，拉力由F0降至F2，稱為松邊(或從動(dòng)邊)(圖5-5)。兩邊的拉力差稱為帶傳動(dòng)的有效拉力Fe，也就是帶所傳遞的圓周力，它是帶和帶輪接觸面上摩擦力的總和Ff，即圖5-5帶傳動(dòng)的受力情況

圓周力F(單位為N)、帶速(單位為m/s)和傳遞功率P(單位為kW)間的關(guān)系為

設(shè)帶的總長(zhǎng)在工作中保持不變，則緊邊拉力的增加量等于松邊拉力的減少量，即

將式(5.3)代入式(5.5)，可得

2.帶傳動(dòng)的打滑

由式(5.4)可知，在帶傳動(dòng)正常工作時(shí)，若帶速v一定，帶傳遞的圓周力F隨傳遞功率的增大而增大，這種變化實(shí)際上反映了帶與帶輪接觸面間摩擦力∑Ff的變化。但在一定條件下，該摩擦力有一極限值。因此，帶傳遞的功率也有相應(yīng)的極限值。當(dāng)帶傳遞的功率超過(guò)此極限值時(shí)，帶與帶輪將發(fā)生顯著的相對(duì)滑動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為打滑。

3.帶傳動(dòng)的臨界狀態(tài)

當(dāng)帶傳動(dòng)出現(xiàn)打滑趨勢(shì)時(shí)，帶與帶輪接觸面間的摩擦力達(dá)到極限值，這時(shí)帶傳遞的圓周力達(dá)到最大值Fmax。此時(shí)，緊邊拉力F1與松邊拉力F2間的關(guān)系由柔韌體摩擦的歐拉公式表示，即

式中，f為帶與帶輪間的摩擦系數(shù)；a為包角。

將式(5.6)代入式(5.7)并整理，可得最大圓周力為

由上式可分析影響最大圓周力的因素：

(1)初拉力F0。初拉力F0越大，帶與帶輪間的壓力越大，產(chǎn)生的摩擦力也越大，即最大圓周力越大，帶不易打滑。

(2)包角α。最大圓周力隨包角α的增大而增大，這是因?yàn)棣猎酱螅瑤c帶輪的接觸面越大，因而產(chǎn)生的總摩擦力就越大，傳動(dòng)能力也越強(qiáng)。一般情況下，因?yàn)榇髱л喌陌谴笥谛л喌陌?，所以最大摩擦力的值取決于小帶輪的包角α1。因此，設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)時(shí)，α1不能過(guò)小，對(duì)于V帶傳動(dòng)，應(yīng)使α1≥120°。

(3)摩擦系數(shù)fv。最大圓周力隨摩擦系數(shù)fv的增大而增大，這是因?yàn)槟Σ料禂?shù)越大，摩擦力就越大，傳動(dòng)能力也越強(qiáng)。而摩擦系數(shù)與帶及帶輪材料、摩擦表面的狀況有關(guān)。不能認(rèn)為帶輪做得越粗糙越好，因?yàn)檫@樣會(huì)加劇帶的磨損。

5.1.4帶傳動(dòng)中的彈性滑動(dòng)與傳動(dòng)比

1.帶傳動(dòng)中的彈性滑動(dòng)

因?yàn)閹菑椥泽w，所以受拉力作用后會(huì)產(chǎn)生彈性變形。設(shè)帶的材料符合變形與應(yīng)力成正比的規(guī)律，由于緊邊拉力大于松邊拉力，所以緊邊的拉應(yīng)變大于松邊的拉應(yīng)變。如圖5-6所示圖5-5帶傳動(dòng)的受力情況

2.帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比

由于彈性滑動(dòng)的影響，將使從動(dòng)輪的圓周速度v2低于主動(dòng)輪的圓周速度v1，其降低量用滑動(dòng)率ε表示，即

設(shè)主、從動(dòng)輪的直徑分別為dd1、dd2，轉(zhuǎn)速分別為n1、n2，則兩輪的圓周速度分別為

代入并整理得帶傳動(dòng)的實(shí)際傳動(dòng)比為

滑動(dòng)率很小(ε≈1%～2%)，一般在計(jì)算時(shí)可不考慮，故取傳動(dòng)比為

5.1.5V帶及帶輪

1.?V帶的型號(hào)和規(guī)格

V帶分為普通V帶、窄V帶、寬V帶、聯(lián)組V帶、齒形V帶、大楔角V帶等十余種類型，其中普通V帶應(yīng)用最廣。下面主要介紹普通V帶。

如圖5-7所示，普通V帶由包布、頂膠、抗拉體和底膠四部分構(gòu)成。包布是V帶的保護(hù)層，由膠帆布制成。頂膠和底膠由橡膠制成，分別承受帶彎曲時(shí)的拉伸和壓縮?？估w是承受拉力的主體，有繩芯(圖5-7(a))和簾布芯(圖5-7(b))兩種結(jié)構(gòu)。繩芯V帶結(jié)構(gòu)柔軟，抗彎強(qiáng)度較高；簾布芯V帶抗拉強(qiáng)度較高。目前已采用尼龍、滌綸、玻璃纖維等化學(xué)纖維代替棉簾布和棉線繩作為抗拉體，以提高帶的承載能力。圖5-7普通V帶的結(jié)構(gòu)

普通V帶的尺寸已標(biāo)準(zhǔn)化(GB/T11544—2012)，按截面尺寸自小到大可分為Y、Z、A、B、C、D、E七種帶型，見(jiàn)表5.1。

如圖5-8所示，節(jié)寬bp為帶的節(jié)面(中性面)的寬度，與該寬度相應(yīng)的帶輪槽形輪廓的寬度稱為輪槽基本寬度；輪槽基本寬度處的帶輪直徑稱為帶輪基準(zhǔn)直徑，用d表示；V帶在規(guī)定拉力下，位于帶輪基準(zhǔn)直徑上的V帶的周線長(zhǎng)度稱為基準(zhǔn)長(zhǎng)度，用Ld表示。V帶是標(biāo)準(zhǔn)件，均制成無(wú)接頭的環(huán)形帶，其基準(zhǔn)長(zhǎng)度和帶長(zhǎng)系數(shù)見(jiàn)表5.2。圖5-8節(jié)面和節(jié)寬

2.?V帶輪的材料和結(jié)構(gòu)

帶輪材料常用鑄鐵(HT150、HT200)，鑄鐵帶輪允許的最大圓周速度為25m/s。速度更高時(shí)可采用鑄鋼。為減輕帶輪重量，也可用鋁合金或工程塑料。

如圖5-9所示，帶輪由輪緣、輪轂和輻板(輪輻)等三部分組成。內(nèi)凹形輪緣上制有與V帶根數(shù)相同的輪槽，V帶橫截面的楔角均為40°，但帶在帶輪上彎曲時(shí)，由于截面變形將使其楔角變小，為了使膠帶仍能緊貼輪槽兩側(cè)，故將帶輪輪槽楔角規(guī)定為32°、34°、36°和38°四種。圖5-9V帶輪的結(jié)構(gòu)

V帶輪的輪槽截面尺寸見(jiàn)表5.1。輪轂是帶輪內(nèi)圈與軸連接的部分，腹板是輪轂和輪緣間的連接部分。

帶輪的結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖5-10)可根據(jù)下列情況選定。當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑dd≤(2.5～3)dh(dh為安裝帶輪處軸徑)時(shí)，可采用實(shí)心帶輪(S型)；dd≤300?mm時(shí)，可采用腹板帶輪(P型)或孔板型(H型)；dd＞300?mm時(shí)，則采用橢圓輪輻帶輪(E型)。普通V帶的基準(zhǔn)直徑系列見(jiàn)表5.3。其結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表5.4。圖5-10帶輪的結(jié)構(gòu)形式

5.1.6普通V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)步驟

1.普通V帶的選型

普通V帶的七種帶型中，截面越大者，傳動(dòng)能力也越大。設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)時(shí)，根據(jù)要求傳遞的功率P，考慮載荷性質(zhì)和每天工作時(shí)間的長(zhǎng)短，由表5.5查取工作情況系數(shù)K，確定設(shè)計(jì)功率Pc。而后，根據(jù)設(shè)計(jì)功率和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由圖5-11查取V帶的型號(hào)。圖中，d1為小帶輪基準(zhǔn)直徑的取值范圍。圖5-11普通V帶選型圖

2.確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速

帶繞在帶輪上要引起彎曲應(yīng)力，帶輪直徑越小，彎曲應(yīng)力越大。因此在設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)時(shí)，帶輪直徑不能選得過(guò)小，可參考表5.3，使d1≥ddmin；另外，還要根據(jù)表5-7和圖5-11選取小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1。

選定dd1后，根據(jù)式(5.10)計(jì)算帶速v，一般應(yīng)使v在5～25?m/s范圍內(nèi)。

驗(yàn)算帶速后，相據(jù)所要求的傳動(dòng)比計(jì)算從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑dd2?=?i?dd1。，并圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑(見(jiàn)表5.3)。

3.確定中心距和V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求或由式0.7(dd1?+?dd2)?<?a0?<?27(dd1?+?dd2)初定中心距a0，由式(5.2)計(jì)算初定V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld0，由表5.2選取接近的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld，最后計(jì)算出實(shí)際中心距a。

4.驗(yàn)算小帶輪的包角

由式(5.1)計(jì)算小帶輪包角α1，應(yīng)使α1≥120°，若不滿足此條件，可適當(dāng)增大中心距或減小兩帶輪的直徑差，也可在帶輪的外側(cè)加壓帶輪，但這樣做會(huì)減少帶的使用壽命。

5.確定帶的根數(shù)

V帶的根數(shù)可按式計(jì)算。式中，Pc為設(shè)計(jì)功率，[P1]為實(shí)際工作條件下單根普通V帶的許用功率，其大小與V帶的型號(hào)、材質(zhì)、長(zhǎng)度、傳動(dòng)比、包角等因素有關(guān)，其值可查表5.7。為使V帶受力比較均勻，一組V帶的根數(shù)不宜過(guò)多，通常z＜10。圖5-12小帶輪工作圖圖5-13大帶輪工作圖

5.1.7帶傳動(dòng)的張緊、安裝和維護(hù)

1.帶傳動(dòng)的張緊

各種材質(zhì)的V帶都不是完全的彈性體，在使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生殘余拉伸變形，使帶的初拉力降低。為了保證帶的傳動(dòng)能力，應(yīng)設(shè)法把帶重新張緊，常見(jiàn)的張緊裝置有以下幾種。

1)通過(guò)調(diào)整中心距的方法使帶張緊

如圖5-14(a)所示，松開(kāi)連接螺栓2后，用調(diào)節(jié)螺釘3使裝有帶輪的電動(dòng)機(jī)沿滑軌1移動(dòng)到所需位置；或用螺桿及調(diào)節(jié)螺母1使電動(dòng)機(jī)繞軸擺動(dòng)到合適位置，如圖5-14(b)所示。圖5-14定期張緊裝置

2)用張緊輪張緊

若傳動(dòng)中心距不能調(diào)節(jié)，可采用張緊輪裝置，如圖5-15所示。它靠懸重1將張緊輪2壓在帶上，以保持帶的張緊。通常張緊輪裝在從動(dòng)邊外側(cè)靠近小帶輪處，以增大小帶輪的包角。圖5-15自動(dòng)張緊裝置

2.帶傳動(dòng)的安裝和維護(hù)

(1)安裝帶傳動(dòng)時(shí)，兩軸必須平行，兩帶輪的輪槽必須對(duì)準(zhǔn)，否則會(huì)加速帶的磨損。

(2)帶傳動(dòng)一般應(yīng)加防護(hù)罩，以確保安全。

(3)需更換V帶時(shí)，同一組V帶應(yīng)同時(shí)更換，不能新舊并用，以免長(zhǎng)短不一造成受力不均。

(4)膠帶不宜與酸、堿或油接觸；工作溫度不宜超過(guò)60°。

(5)安裝V帶時(shí)，先將中心距縮小后將帶套入，然后再慢慢調(diào)整中心距，直至張緊。

5.2直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

5.2.1漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪的齒形、主要參數(shù)和幾何尺寸1.漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪的齒形如圖5-16所示，一直線n-n在一圓周上做純滾動(dòng)時(shí)，直線上任一點(diǎn)K的軌跡，即為圓的漸開(kāi)線。其中直線N-K為漸開(kāi)線的發(fā)生線，該圓稱為漸開(kāi)線的基圓。圖5-16漸開(kāi)線

漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪的齒廓曲線由四部分組成：齒頂圓弧A'A、漸開(kāi)線AB、過(guò)渡曲線BC和齒根圓弧CC'，如圖5-17所示。其齒形左右對(duì)稱、比例合理且均勻分布在齒輪的整個(gè)圓周上。圖5-17直齒圓柱外齒輪各部分名稱及其符號(hào)

2.主要參數(shù)和幾何尺寸

1)直齒圓柱外齒輪各部分名稱及其符號(hào)(圖5-17)

(1)齒頂圓：過(guò)齒輪所有齒頂端的圓稱為齒頂圓，其半徑為ra。

(2)齒根圓：過(guò)齒輪所有齒槽底的圓稱為齒根圓，其半徑為rf。

(3)分度圓：漸開(kāi)線齒廓上壓力角為20°處的圓，是齒輪加工、幾何尺寸計(jì)算的基準(zhǔn)，其半徑為r。

(4)基圓：形成漸開(kāi)線齒廓曲線的圓稱為基圓，其半徑為rb。

(5)齒頂高h(yuǎn)a：齒頂圓與分度圓之間的徑向尺寸稱為齒頂高。

(6)齒根高h(yuǎn)f：齒根圓與分度圓之間的徑向尺寸稱為齒根高。

(7)齒高h(yuǎn)：齒頂圓與齒根圓之間的徑向尺寸稱為齒高。

(8)齒距(是弧長(zhǎng))?p：沿分度圓周上所量得相鄰兩齒同側(cè)齒廓之間的弧長(zhǎng)稱為齒距。

(9)分度圓齒槽寬e：沿分度圓圓周上所量得齒槽的弧長(zhǎng)稱為齒槽寬。

(10)分度圓齒厚s：沿輪齒分度圓圓周上所量得齒槽的弧長(zhǎng)稱為齒槽寬。由圖5-16可知，在同一圓周上的齒距等于齒厚與齒槽寬之和，即

2)漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪的主要參數(shù)及其符號(hào)

(1)齒數(shù)z：齒數(shù)指形狀相同、沿圓周方向均勻分布的輪齒個(gè)數(shù)。

(2)壓力角a：指漸開(kāi)線齒廓某點(diǎn)K的受力方向與運(yùn)動(dòng)方向所夾的銳角a。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：漸開(kāi)線齒廓在分度圓處的壓力角為標(biāo)準(zhǔn)壓力角，用a表示，其值為20°。

(3)模數(shù)m：模數(shù)是齒輪幾何尺寸計(jì)算的重要參數(shù)。模數(shù)越大，其輪齒尺寸越大，輪齒承載能力越強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列見(jiàn)表5.8。

5.2.2漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪的嚙合傳動(dòng)

1.正確嚙合條件

如圖5-18所示，漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的嚙合條件為：兩輪的模數(shù)和分度圓壓力角必須分別相等，即圖5-18漸開(kāi)線齒輪的正確嚙合

2.連續(xù)傳動(dòng)條件

齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件是：兩齒輪的實(shí)際嚙合線B1B2應(yīng)大于或等于齒輪的基圓齒距Pb。通常把B1B2與Pb的比值ε稱為重合度，即

3.標(biāo)準(zhǔn)中心距

4.傳動(dòng)比

漸開(kāi)線齒輪的傳動(dòng)比等于兩個(gè)傳動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速之比，也等于兩齒輪齒數(shù)的反比。即

5.2.3圓柱齒輪加工方法和最少齒數(shù)

1.齒輪加工方法

1)仿形法

仿形法所采用成形刀具切削刃的形狀，在其軸向剖面內(nèi)與被切齒輪齒槽的形狀相同。圖5-19所示為用盤(pán)狀銑刀切制齒輪的情況。圖5-19盤(pán)狀銑刀切制齒輪

2)展成法

展成法是利用齒輪的共軛齒廓互為包絡(luò)的原理來(lái)加工齒廓的。用展成法加工齒輪時(shí)，常用的刀具有齒輪型刀具(如齒輪插刀)和齒條型刀具(如齒條插刀、滾刀)兩大類。

如圖5-20所示為用齒輪插刀加工齒輪的情況。展成法加工齒輪制造精度高，生產(chǎn)效率較高，但需用專用設(shè)備加工，所以在大批生產(chǎn)中多采用展成法。圖5-20齒輪插刀加工齒輪

2.根切現(xiàn)象與齒輪最少齒數(shù)

如圖5-21所示，用展成法加工齒輪時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)刀具的頂部切入齒根，將齒根部分漸開(kāi)線齒廓切去的情況，這種現(xiàn)象稱之為根切。圖5-21根切的產(chǎn)生

切削標(biāo)準(zhǔn)齒輪時(shí)，為了保證無(wú)根切現(xiàn)象，則被切齒輪的最少齒數(shù)為

對(duì)于正常齒制齒輪，zmin?=?17，若允許有微量根切，則實(shí)際最少齒數(shù)可取14。

5.2.4齒輪常用材料和圓柱齒輪結(jié)構(gòu)

1.齒輪常用材料

常用的齒輪材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料等。一般多采用鍛件或軋制鋼材。當(dāng)齒輪結(jié)構(gòu)尺寸較大，輪坯不易鍛造時(shí)，可采用鑄鋼；開(kāi)式低速傳動(dòng)時(shí)，可采用灰鑄鐵或球墨鑄鐵；對(duì)高速、輕載而又要求低噪聲的齒輪傳動(dòng)，也可采用非金屬材料，如夾布膠木、尼龍等。常用的齒輪材料及其力學(xué)性能列于表5.10。

2.常用的齒輪結(jié)構(gòu)形式

(1)齒輪軸：當(dāng)圓柱齒輪的齒根圓至鍵槽底部的距離x≤(2～2.5)?m時(shí)，應(yīng)將齒輪與軸制成一體，稱為齒輪軸，如圖5-22(b)所示。圖5-22齒輪軸

(2)實(shí)體式齒輪：當(dāng)齒輪的齒頂圓直徑da≤200?mm時(shí)，可采用實(shí)體式結(jié)構(gòu)，如圖5-22(a)所示。這種結(jié)構(gòu)型式的齒輪常用鍛鋼制造。

(3)腹板式齒輪：當(dāng)齒輪的齒頂圓da?=?200～500?mm時(shí)，可采用腹板式結(jié)構(gòu)，如圖5-23所示。這種結(jié)構(gòu)的齒輪一般多用鍛鋼制造。圖5-23腹板式齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸

(4)輪輻式齒輪：當(dāng)齒輪的齒頂直徑da?>?500?mm時(shí)，可采用輪輻式結(jié)構(gòu)，如圖5-24所示。這種結(jié)構(gòu)的齒輪常采用鑄鋼或鑄鐵制造。圖5-24輪輻式齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸

5.2.5齒輪傳動(dòng)的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.齒輪傳動(dòng)的失效形式

如圖5-25所示，齒輪傳動(dòng)的失效形式有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合和齒面塑性變形五種。盡管各種失效形式產(chǎn)生的原因不同，但由于它們對(duì)齒輪工作的影響，實(shí)際工作中，應(yīng)采取一些措施減緩或避免失效的發(fā)生，具體措施可查有關(guān)資料。圖5-25齒輪的失效形式

2.齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(1)軟齒面(硬度≤350HBS)的閉式齒輪傳動(dòng)：齒面點(diǎn)蝕是主要的失效形式。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再作齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。

(2)硬齒面(硬度＞350HBS)的閉式齒輪傳動(dòng)：齒根疲勞折斷是主要失效形式。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再作齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核。

(3)開(kāi)式傳動(dòng)：其主要失效形式是齒面磨損。目前為止尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，通常只能按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再考慮磨損，將所求得的模數(shù)增大10%～20%。

5.2.6標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

1.輪齒受力分析

如圖5-26所示為一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪嚙合傳動(dòng)的受力分析，齒輪1為主動(dòng)輪，齒輪2為從動(dòng)輪。其齒廓在節(jié)點(diǎn)C處接觸。若以節(jié)點(diǎn)C作為計(jì)算點(diǎn)，不考慮齒面間摩擦力的影響，且認(rèn)為是一對(duì)輪齒在嚙合，輪齒間的總作用力Fn將沿著嚙合點(diǎn)的公法線N1N2方向，F(xiàn)n稱為法向力。Fn在分度圓上可分解為兩個(gè)分力：圓周力Ft和徑向力Fr。圖5-26輪齒的受力分析

2.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度理論

1)齒面接觸疲勞強(qiáng)度

齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的目的，是為了防止齒面點(diǎn)蝕失效。

鋼制標(biāo)準(zhǔn)外嚙合圓柱齒輪的齒面接觸強(qiáng)度的校核公式為

鋼制標(biāo)準(zhǔn)外嚙合圓柱齒輪的齒面接觸強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為

式中，σH為齒面接觸應(yīng)力(MPa)；K為載荷系數(shù)，見(jiàn)表5.11；u為齒數(shù)比；

d為齒寬系數(shù)，見(jiàn)表5.12；[σH]為許用接觸應(yīng)力，見(jiàn)表5.10。

公式使用說(shuō)明和參數(shù)選擇：

(1)大小齒輪的齒面接觸應(yīng)力相等，即σH1?=?σH2。由于兩輪材料、熱處理不同，導(dǎo)致齒面硬度不同，故[σH1]?≠?[σH2]，校核和設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)代入較小值。

(2)如材料組合不全是鋼，式中常數(shù)“671”應(yīng)根據(jù)彈性系數(shù)來(lái)修正。

2)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度

齒根彎曲疲勞計(jì)算的目的，是為了防止輪齒根部的疲勞折斷。

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核公式為

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為

式中，YF為齒形系數(shù)，見(jiàn)表5.13；YS為應(yīng)力修正系數(shù)，見(jiàn)表5.13；[σbb]為許用彎曲應(yīng)力，見(jiàn)表5.10。圖5-27小齒輪工作圖圖5-28大齒輪工作圖

5.3其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

5.3.1鏈傳動(dòng)1.鏈傳動(dòng)的組成、工作原理和類型現(xiàn)代機(jī)械上廣泛應(yīng)用鏈傳動(dòng)。如圖5-29所示，鏈傳動(dòng)由兩軸平行的主動(dòng)鏈輪1、從動(dòng)鏈輪2和鏈條3組成，靠鏈輪齒和鏈條鏈節(jié)之間的嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。因此，鏈傳動(dòng)是一種具有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)。圖5-29鏈傳動(dòng)

鏈按用途不同可分為傳動(dòng)鏈、起重鏈和輸送鏈三類。起重鏈主要用在起重機(jī)械中提升重物。輸送鏈主要用在各種輸送裝置和機(jī)械化裝卸設(shè)備中，用于輸送物品。在一般機(jī)械傳動(dòng)裝置中，通常應(yīng)用的是傳動(dòng)鏈，根據(jù)傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的不同又可分為套筒鏈、滾子鏈、彎板鏈和齒形鏈等，如圖5-30所示。圖5-30傳動(dòng)鏈的類型

2.鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)和應(yīng)用

鏈傳動(dòng)兼有帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)。

鏈傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)：鏈傳動(dòng)與帶傳動(dòng)類似，適用于兩軸間距較大的傳動(dòng)；鏈傳動(dòng)具有嚙合傳動(dòng)的性質(zhì)，即沒(méi)有彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，平均傳動(dòng)比恒定；鏈傳動(dòng)傳動(dòng)力大、效率較高，經(jīng)濟(jì)可靠，又因鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用在軸上的壓軸力較??；同時(shí)鏈傳動(dòng)可在潮濕、高溫、多塵等惡劣環(huán)境下工作。與齒輪傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)易于安裝，成本低廉。

鏈傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是由于鏈節(jié)的剛性，鏈條是以折線形式繞在鏈輪上，所以瞬時(shí)傳動(dòng)比不穩(wěn)定，傳動(dòng)的平穩(wěn)性較差，工作中沖擊和噪音均較大；磨損后鏈節(jié)增大，鏈條會(huì)逐漸拉長(zhǎng)而變松弛，易發(fā)生跳齒現(xiàn)象，必須使用張緊裝置，故通常只用于平行軸間的傳動(dòng)。

5.3.2平行軸斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)

前面論述的直齒圓柱齒輪的齒廓形成過(guò)程以及嚙合特點(diǎn)，都是在其端面即垂直于齒輪軸線的平面來(lái)討論的，而齒輪是有寬度的。因此，將前面所討論的齒廓形成以及嚙合特點(diǎn)的概念必須做進(jìn)一步的深化。從幾何的觀點(diǎn)看，無(wú)非是點(diǎn)→線、線→面、面→體。因此，漸開(kāi)線曲面的形成可以如下敘述：發(fā)生面S沿基圓柱做純滾動(dòng)，發(fā)生面上任意一條與基圓柱母線NN'?平行的直線KK'?在空間所走過(guò)的軌跡即為直齒輪的齒廓曲面，如圖5-31所示。圖5-31直齒漸開(kāi)線曲面的形成

斜齒圓柱齒輪的齒廓曲面與直齒圓柱齒輪相似，如圖5-32所示，即發(fā)生面沿基圓柱做純滾動(dòng)，發(fā)生面上任意一條與基圓柱母線NN'?成一傾斜角βb的直線KK'?在空間所走過(guò)的軌跡為一個(gè)漸開(kāi)線螺旋面，即為斜齒圓柱齒輪的齒廓曲面，βb稱為基圓柱上的螺旋角。5-32斜齒漸開(kāi)線曲面的形成

一對(duì)平行軸斜齒圓柱齒輪嚙合時(shí)，斜齒輪的齒廓是逐漸進(jìn)入和脫離嚙合的，如圖5-33(b)所示，斜齒輪齒廓接觸線的長(zhǎng)度由零逐漸增加，又逐漸縮短，直至脫離接觸，當(dāng)其齒廓前端面脫離嚙合時(shí)，齒廓的后端面仍在嚙合中，載荷在齒寬方向上不是突然加上及卸下，其嚙合過(guò)程比直齒輪長(zhǎng)，同時(shí)嚙合的齒輪對(duì)數(shù)也比直齒輪多，即其重合度較大。因此斜齒輪傳動(dòng)工作較平穩(wěn)、承載能力較強(qiáng)、噪聲和沖擊較小，適用于高速、大功率的齒輪傳動(dòng)。圖5-33齒輪嚙合的接觸線

5.3.3直齒錐齒輪傳動(dòng)

錐齒輪用于傳遞兩相交軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，其傳動(dòng)可看成是兩個(gè)錐頂共點(diǎn)的圓錐體相互做純滾動(dòng)，如圖5-34所示。圖5-34直齒圓錐齒輪傳動(dòng)

5.3.4蝸桿傳動(dòng)

1.蝸桿傳動(dòng)的組成和特點(diǎn)

蝸桿傳動(dòng)用于在交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。如圖5-35所示，蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動(dòng)件，通常交錯(cuò)角為90°。蝸桿傳動(dòng)廣泛用于各種機(jī)械和儀表中，常用作減速，僅少數(shù)機(jī)械，如離心機(jī)、內(nèi)燃機(jī)增壓器等，蝸輪為主動(dòng)件，用于增速。圖5-35蝸桿傳動(dòng)

蝸桿傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪音，具有自鎖性。其主要缺點(diǎn)：蝸桿傳動(dòng)效率較低，一般效率只有0.7～0.9；發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。

2.蝸桿傳動(dòng)和類型和應(yīng)用

根據(jù)蝸桿形狀的不同可分為圓柱蝸桿傳動(dòng)(圖5-36(a))、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)(圖5-36(b))和錐面蝸桿傳動(dòng)(圖5-36(c))。圖5-36蝸桿傳動(dòng)的類型

5.3.5凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.凸輪機(jī)構(gòu)的組成和特點(diǎn)

凸輪機(jī)構(gòu)主要由凸輪(原動(dòng)件)、從動(dòng)件和機(jī)架組成。凸輪與從動(dòng)件以點(diǎn)或線相接觸構(gòu)成高副，所以又稱為高副機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)可以將凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)件連續(xù)或不連續(xù)地移動(dòng)或擺動(dòng)。

2.凸輪機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用

凸輪機(jī)構(gòu)常用于傳遞功率不大、低速的自動(dòng)機(jī)或半自動(dòng)機(jī)的控制，以下列舉其應(yīng)用實(shí)例。圖5-37所示為內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)頂桿上下移動(dòng)，按給定的配氣要求啟閉閥門。

根據(jù)凸輪的形狀分類可分為：①盤(pán)形凸輪(圖5.37)；②圓柱形凸輪(圖5.38)；③移動(dòng)凸輪(圖5-39)。圖5-37內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)圖5-38自動(dòng)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)圖5-39自動(dòng)車床靠模機(jī)構(gòu)

按從動(dòng)件端部型式分：

(1)尖頂從動(dòng)件(圖5-37)，其尖頂能與外凸或內(nèi)凹輪廓接觸，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但尖頂易磨損，用于低速、輕載場(chǎng)合。

(2)滾子從動(dòng)件(圖5-39)，端部的滾子與凸輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦，因此阻力、磨損均較小，可以承受較大的載荷，應(yīng)用較廣。

(3)平底從動(dòng)件(圖5-40)，平底從動(dòng)件與凸輪輪廓接觸處在一定條件下可形成油膜，利于潤(rùn)滑，傳動(dòng)效率較高，且傳力性能較好，常用于高速凸輪機(jī)構(gòu)中。圖5-40平底從動(dòng)件

5.3.6間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.棘輪機(jī)構(gòu)

如圖5-41(a)所示，為常見(jiàn)的外嚙合齒嚙式的棘輪機(jī)構(gòu)，主要由棘輪1、棘爪2、搖桿3、止回棘爪4和機(jī)架組成。彈簧5用來(lái)使止回棘爪4與棘輪保持接觸。當(dāng)搖桿3順時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)時(shí)，棘爪在棘輪齒頂滑過(guò)，棘輪靜止不動(dòng)；當(dāng)搖桿3逆時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)時(shí)，棘爪插入棘輪齒間并推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。這樣，搖桿3連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)，棘輪1即可實(shí)現(xiàn)單向的間歇運(yùn)動(dòng)。圖5-41(b)為內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)。圖5-41棘輪機(jī)構(gòu)

2.槽輪機(jī)構(gòu)

如圖5-42所示為外槽輪機(jī)構(gòu)，它是由具有徑向槽的槽輪2、帶有圓銷A的撥盤(pán)1和機(jī)架組成的。圖5-42外槽輪機(jī)構(gòu)

3.不完全齒輪機(jī)構(gòu)

圖5-43為外嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)，它由一個(gè)或幾個(gè)齒的不完全齒輪1、具有正常輪齒和帶鎖止弧的齒輪2及機(jī)架組成。在輪1主動(dòng)等速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)中，當(dāng)主動(dòng)輪1上的輪齒與從動(dòng)輪2的正常齒相嚙合時(shí)，主動(dòng)輪1驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪2轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)主動(dòng)輪1的鎖止弧S1與從動(dòng)輪2鎖止弧S2接觸時(shí)，則從動(dòng)輪2停歇不動(dòng)并停止在確定的位置上，從而實(shí)現(xiàn)周期性的單向間歇運(yùn)動(dòng)。圖5-43所示的內(nèi)嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪1每轉(zhuǎn)l周，從動(dòng)輪2轉(zhuǎn)1/4周。圖5-43外嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)

不完全齒輪機(jī)構(gòu)有外嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)和內(nèi)嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)兩種型式，如圖5-43和圖5-44所示，一般常用外嚙合形式。外嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)，兩輪轉(zhuǎn)向相反；內(nèi)嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)，兩輪轉(zhuǎn)向相同。圖5-44內(nèi)嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)任務(wù)六軸的選擇與設(shè)計(jì)6.1軸的分類及其應(yīng)用6.2軸的材料及其選用6.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.4軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

6.1軸的分類及其應(yīng)用

1.按軸受的載荷和功用分類1)心軸如圖6-1所示，心軸是只承受彎矩不承受扭矩的軸，主要用于支承回轉(zhuǎn)零件，如車輛軸和滑輪軸。圖6-1心軸

2)傳動(dòng)軸

如圖6-2所示，傳動(dòng)軸是只承受扭矩不承受彎矩或承受很小彎矩的軸，主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩，如汽車的傳動(dòng)軸。圖6-2傳動(dòng)軸

3)轉(zhuǎn)軸

如圖6-3所示，轉(zhuǎn)軸是同時(shí)承受彎矩和扭矩的軸，既支承零件又傳遞轉(zhuǎn)矩，如減速器主動(dòng)軸。圖6-3轉(zhuǎn)軸

2.按軸線形狀分類

按軸線形狀分類，軸可分為直軸(圖6-4)、曲軸(圖6-5)和撓性軸(圖6-6)。在實(shí)際應(yīng)用中以直軸為主。圖6-4直軸(階梯軸)圖6-5曲軸圖6-6撓性軸

6.2軸的材料及其選用

1.碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼具有較好的機(jī)械性能，對(duì)應(yīng)力集中敏感性較低，且價(jià)格便宜，故應(yīng)用較廣泛，如35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼。一般軸采用45鋼，應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)或正火處理；有耐磨性要求的軸段，應(yīng)進(jìn)行表面淬火及低溫回火處理。輕載或不重要的軸，使用普通碳素鋼Q235、Q275等。軸的常用材料及機(jī)械性能見(jiàn)表6.1。

2.合金鋼

合金鋼具有較高的機(jī)械性能，對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，淬火性較好，熱處理變形小，價(jià)格較貴。多使用于要求重量輕和軸頸耐磨性高的軸。例如：汽輪發(fā)電機(jī)軸，要求在高速、高溫、重載下工作，可采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等；滑動(dòng)軸承的高速軸，可采用20Cr、20CrMnTi等。

3.球墨鑄鐵

球墨鑄鐵吸振性和耐磨性較好，對(duì)應(yīng)力集中敏感性較低，且價(jià)格低廉，使用鑄造制成外形復(fù)雜的軸，如內(nèi)燃機(jī)中的曲軸。

6.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.3.1軸的結(jié)構(gòu)如圖6-7所示，軸頭是與回轉(zhuǎn)零件相配合的部分，通常軸上開(kāi)有鍵槽；軸頸是與軸承配合的部分，其上裝有軸承；軸身是連接軸頭和軸頸的部分。圖6-7軸的結(jié)構(gòu)

6.3.2軸上零件的軸向定位與固定

1.軸肩和軸環(huán)

軸肩和軸環(huán)是階梯軸上截面變化的部位，其特點(diǎn)為定位方法簡(jiǎn)單、可靠。軸肩的圓角半徑R越大，此處的應(yīng)力集中就越??；但為了使軸上零件的端面能與軸肩緊貼，軸肩的圓角半徑R必須小于零件孔端的圓角半徑R1或倒角C1(如圖6-8所示)，否則無(wú)法與軸肩緊貼。圖6-8軸肩和軸環(huán)

2.軸端擋圈和圓錐面

如圖6-9所示，軸端擋圈與軸肩、圓錐面與軸端擋圈聯(lián)合使用，常用于軸端能起到雙向固定的作用。這種方式裝拆方便，多用于承受劇烈振動(dòng)和沖擊的場(chǎng)合。圖6-9軸端擋圈軸肩

3.定位套筒和圓螺母

定位套筒(圖6-10)用于軸上兩零件的距離較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位可靠。圓螺母(圖6-11)用于軸上兩零件距離較大，需要在軸上切制螺紋，對(duì)軸的強(qiáng)度影響較大。圖6-10定位套筒圖6-11圓螺母

4.彈性擋圈和緊定螺釘

彈性擋圈(圖6-12)和緊定螺釘(圖6-13)常用于軸向力較小的場(chǎng)合。圖6-12彈性擋圈圖6-13緊定螺釘

6.3.3軸上零件的周向定位與固定

軸上零件的周向固定形式如圖6-14所示，平鍵連接見(jiàn)任務(wù)八相關(guān)內(nèi)容。過(guò)盈配合是利用軸和零件輪轂孔之間的配合過(guò)盈量來(lái)連接，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)周向和軸向固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)中性好，對(duì)軸削弱小，但裝拆不方便。成型連接是利用非圓柱面與相同的輪轂孔配合，對(duì)中性好，工作可靠，但制造困難，應(yīng)用較少。圖6-14周向固定的形式

6.3.4軸的加工和裝配工藝性

(1)軸的形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單，階梯軸的臺(tái)階數(shù)應(yīng)盡可能少。

(2)軸段若需磨削或切制螺紋，須留出螺紋退刀槽或砂輪越程槽，如圖6-15所示。圖6-15螺紋退刀槽或砂輪越程槽

(3)當(dāng)軸上有多個(gè)鍵槽時(shí)，各軸段上的鍵槽應(yīng)布置在軸的同一素線上，鍵槽寬度應(yīng)盡量一致。

(4)階梯軸的直徑應(yīng)中間大(圖6-16(a))，向兩端依次減小，以便于軸上零件的裝拆。

(5)軸端、軸頸與軸肩的過(guò)渡部位應(yīng)加工出45°倒角(圖6-16(b))或圓角，以便于軸上零件的裝配，并可減少應(yīng)力集中。圖6-16鍵槽設(shè)置與倒角

6.3.5各段直徑和長(zhǎng)度的確定

1.軸徑的確