《机械基础》课件（中）

机械基础授课教师:XXX

授课日期:2020年X月X日连接学习目标了解运动副的组成及其分类。会绘制平面机构的运动简图，会计算平面机构的自由度。认识平面连杆机构。熟悉铰链四杆机构的基本类型。了解铰链四杆机构的演化类型。掌握铰链四杆机构类型的判断方法。了解平面连杆机构的运动特性。4.1平面机构的运动简图和自由度平面运动副1．运动副使两构件组合而相互接触，并沿一定路径产生相对运动时，此两构件称为一个运动副。根据两构件接触形式的不同，运动副分为低副和高副。（1）低副低副是指两构件之间作面接触的运动副，主要包括移动副、转动副和螺纹副三种。平面运动副（2）高副高副是两机件间以点或线接触的运动副。如点接触的球轴承（图4-3）和线接触的摩擦轮（图4-4）。平面运动副2．平面运动副的表示方法1）两构件组成移动副的表示方法如图4-5所示，其导路必须与相对移动方向一致。平面运动副2）两构件组成转动副时，其表示方法如图4-6所示。图面垂直于回转轴线时用图4-6a表示；图面不垂直于回转轴线时用图4-6b表示。表示回转副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。平面运动副3）用符号表示高副时，一般需把两构件在接触点处的曲线轮廓画出，但对于齿轮机构，习惯上只画出两齿轮的节圆,如图4-7所示。平面机构的运动简图1．平面机构运动简图的定义在不考虑构件的外形、截面尺寸和运动副的实际结构情况下，用简单的线条和符号表示的构件和运动副，并按一定的比例画出各运动副间相对位置的图形，称为机构运动简图。表4-1列出了构件和运动副的常用表示方法。平面机构的运动简图2．构件的分类组成机构的构件按其运动性质可分为固定件、主动件和从动件。（1）固定件固定件也称机架，是用来支承活动构件的构件，如图4-8中所示的颚式破碎机座，它是用来支承带轮、偏心轴、肘板等构件的。（2）主动件主动件是运动规律已知的活动构件。平面机构的运动简图（3）从动件从动件是受主动件影响而产生相应运动的构件。在机构中除了机架与主动件之外，其他构件都是从动件。而在从动件中按预期的规律向外界输出运动或动力的构件称为输出构件，如图4-8中所示的动颚。平面机构的自由度1．平面机构自由度的定义假设一对运动副中的一个构件固定，而另一构件相对于此固定件的位置所允许的自由运动空间，称为自由度。一个自由刚体（未受任何约束的刚体）具有六个自由度，即三个坐标方向的平移与三个坐标轴的旋转，如图4-9a所示。平面机构的自由度一构件与另一构件组成运动副之后，即受到某种约束而丧失其中一个或多个自由度，故运动副的自由度最多为5，但最少为1，即至少维持一个空间的相对运动。如图4-9b所示的运动副，A被限制在B内作平面运动，A沿x、y轴各有相对平衡及z轴有相对旋转运动，故自由度为3。平面机构的自由度图4-9c所示为圆球与平面的运动副，圆球沿x、y轴各具有相对平衡与旋转及z轴有相对旋转运动，故自由度为5。平面机构的自由度成为低副的两构件，必定是面接触，但面接触的两构件未必是低副，还需要视其相对自由度而定。图4-10所示为具有3个旋转自由度的圆球副，虽是面接触，但是是高副。又图4-11所示为具有2个自由度的圆柱副，同样是高副。平面机构的自由度2．机构具有确定运动的条件机械的自由度必须大于零才能保证除机架之外的其他构件能够运动。如果机构的自由度等于零，所有构件就不能运动，因此也就构不成机构。通常用具有一个独立运动的构件作主动件，因此，机构具有确定运动的充分必要条件为构件系统的自由度必须大于零，且主动件的数目必须等于自由度数。4.2铰链四杆机构及其演化概述机构是由若干构件组成的，所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。平面连杆机构是用销轴、滑道等方式连接起来的，各构件间在同一平面或相互平行的平面内，如图4-12所示。平面连杆机构能够实现一些较为复杂的平面运动，在生产中应用很广泛。最常见的平面连杆机构是由四个杆件组成的，简称演化铰链四杆机构。平面四杆机构中，以所有运动副都是转动副的铰链机构和含有一个移动副的滑块机构应用最为广泛。铰链四杆机构的基本形式1．铰链四杆机构的组成如图4-13所示，在铰链四杆机构中，其各构件的名称如下。1）机架：固定不动的构件，如图4-13中所示的构件4，又称静件。2）连杆：不与机架直接连接的构件，如图4-13中所示的构件2。3）连架杆：与机架直接连接的构件，如图4-13中所示的构件1、3。4）曲柄：能绕固定轴作整周旋转运动的连架杆。5）摇杆：能绕固定轴按照一定角度摆动的连架杆。铰链四杆机构的基本形式2．铰链四杆机构的基本类型及应用根据其两个连架杆的运动形式的不同，可以将平面四杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。（1）曲柄摇杆机构两个连架杆中一个为曲柄另一个为摇杆的四杆机构，称为曲柄摇杆机构，如图4-14所示。铰链四杆机构的基本形式如图4-15所示的缝纫机踏板机构，是一个曲柄摇杆机构，摇杆CD为主动件并作往复摆动，曲柄AB为从动件，作连续的回转运动，再通过带传动驱动机头工作。铰链四杆机构的基本形式（2）双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，如图4-16所示。如图4-17所示的惯性筛机构，这是双曲柄机构在生产实际中的一个典型应用。铰链四杆机构的基本形式在平面四杆机构中，若对边的长度相等而且平行时，该机构称为平行四边形机构。如图4-18所示，不论以哪个构件为机架，平行四边形机构都是双曲柄机构。因此，可将平行四边形机构视为双曲柄机构的特例。铰链四杆机构的基本形式图4-19所示为土木工程所使用的铲斗机，AD与机身相连，AB、CD与铲斗BC连接，形成一平行四边形。当铲斗上升或下降时，能确保BC与AD平行，以维持铲斗的平度。平行四边形机构的四个铰链中心处于同一直线时，机构将处于运动不确定状态，可能会出现图4-20所示的反向双曲柄机构。铰链四杆机构的基本形式（3）双摇杆机构两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构，如图4-21所示。图4-22所示的鹤式起重机中的四杆机构ABCD即为双摇杆机构。当主动件AB摆动时，从动件摇杆CD也随之摆动。铰链四杆机构的演化形式及应用除铰链四杆机构的三种基本类型外，在工程实际中，还广泛应用着其他类型的四杆机构。本节介绍的具有一个移动副的平面四杆机构就是由铰链四杆机构演化而来的。1．曲柄滑块机构曲柄滑块机构是曲柄摇杆机构的一种演化形式，是具有一个曲柄和一个滑块的平面连杆机构。当摇杆变成滑块，曲柄摇杆机构即变为图4-24所示的曲柄滑块机构。铰链四杆机构的演化形式及应用曲柄滑块机构的运动特点是将曲柄的连续转动转化为滑块的往复移动（图4-25），或将滑块的往复移动转化为曲柄的连续转动（图4-26）。铰链四杆机构的演化形式及应用曲柄滑块机构广泛地应用于往复式机械中，如内燃机、压缩机、往复式水泵和压力机等。图4-27所示就是曲柄滑块机构在压力机中的应用。铰链四杆机构的演化形式及应用2．导杆机构如图4-24所示，当以构件2为机架时，就演化为导杆机构。构件2的长度大于构件3时为摆动导杆机构，如图4-28a所示。构件2的长度小于构件3时称为转动导杆机构，如图4-28b所示。图4-29所示为曲柄导杆机构在电器开关中的应用。铰链四杆机构的演化形式及应用3．摇块机构如图4-24所示，当以构件3为机架时，就演化为摇块机构，又称摆动滑块机构，如图4-30所示。铰链四杆机构的演化形式及应用3．摇块机构图4-31所示为应用摇块机构的摆动发动机，当曲柄AB绕固定轴回转时，气缸4在轴承支持的筒耳上绕固定轴摆动。铰链四杆机构的演化形式及应用4．定块机构如图4-24所示，当以构件4为机架时，就演化为定块机构，又称移动导杆机构，如图4-32所示。连杆3为绕固定轴摆动的摇杆，2为连杆，绕A点转动，使连杆1作上下往复运动。如图4-33所示的手压抽水机，即为此机构的应用。4.3铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构类型的判断1．判定条件平面四杆机构是否存在曲柄，取决于各杆的相对长度和机架的选择，具体判别条件如下。1）若最短杆与最长杆长度之和小于或等于另外两杆长度之和，则：①当最短杆为连架杆时，该机构是曲柄摇杆机构。②当最短杆为机架时，该机构是双曲柄机构。③当最短杆为连杆时，该机构是双摇杆机构。2）若最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则不论以哪一杆为机架，都是双摇杆机构。铰链四杆机构类型的判断2．结论平面四杆机构存在曲柄，必须同时满足以下两个条件。1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。2）最短杆是连架杆或机架。平面四杆机构的运动特性1．急回特性在图4-34所示的曲柄摇杆机构中，当以曲柄AB为主动件并作整周转动时，摇杆CD作往复摆动。平面四杆机构的运动特性2．压力角和传动角在图4-35所示的曲柄摇杆机构中，曲柄经连杆传递到摇杆上C点的力F与受力点运动速度vC之间所夹锐角α，称为机构在该位置的压力角。压力角α的余角γ称为传动角。压力角和传动角在机构运动过程中是变化的。平面四杆机构的运动特性3．死点(止点)（1）死点位置的产生在图4-36所示的曲柄摇杆机构中，若以摇杆CD为主动件，则当CD处于两极限位置C1D或C2D时，对应连杆与曲柄出现两次共线。此时无论施加多大的驱动力，均不能使曲柄转动。当主动件处于两极限位置时，连杆与从动件处于两次共线的位置，机构的这个位置称为止点位置。如图4-36中的AB1C1、AB2C2位置。平面四杆机构的运动特性（2）止点位置的克服方法一般来说，在机构传动过程中出现止点位置必然会影响机构的工作效率，因此，为了使机构能够顺利通过止点位置，保持正常工作，常用以下方法。1）利用从动件自重或者添加飞轮。例如，缝纫机的踏板机构即利用飞轮惯性使其通过止点位置。2）增设辅助机构通过止点。3）利用多组构件错列通过止点。具有止点位置的机构常见的除了曲柄摇杆机构之外，曲柄滑块机构、平行四边形机构等也具有该特性。连接学习目标了解凸轮机构的组成。了解凸轮机构的分类。熟悉不同形式凸轮的特点。掌握凸轮的各部分名称。熟悉凸轮机构从动件的常用运动规律。了解平面凸轮轮廓的绘制方法。5.1认识凸轮机构认识凸轮机构在一平板、圆柱或其他物体的面上，具有曲线的轮廓或曲线的凹槽，能借其回转运动，使从动件产生可预期的连续或不连续的运动，这种构件称为凸轮。凸轮传动是使从动件产生某种特定不规则运动的最简捷而准确的方法。例如，内燃机燃烧室的进、排气阀门，需要一定的时间开启或关闭，以供进气或排气，其阀门的开或关就是利用凸轮来控制的。图5-1所示为四行程内燃机。5.2凸轮机构的类型按凸轮形状分类1．盘形凸轮盘形凸轮是凸轮的最基本形式，是一个具有周缘曲线的平板，当其绕固定轴旋转时，能使从动件作直线往复运动或摇摆运动，如图5-2所示。此种凸轮设计简单，制造容易，应用极为广泛，例如内燃机引擎控制阀门启闭的凸轮，即为一盘形凸轮，如图5-3所示。按凸轮形状分类2．移动凸轮可将移动凸轮看成回转中心趋于无限远的盘形凸轮的一部分，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。如图5-4所示，凸轮左右移动，而从动件则作上下往复运动。3．圆柱凸轮将移动凸轮卷在圆柱体上即形成圆柱凸轮，如图5-5所示。按从动件的形状分类1．尖顶从动件图5-6和图5-7所示分别为凸轮与从动件的接触形式为点接触和线接触，其从动件为尖顶从动件，这种从动件结构最简单，从动件的尖底能与任何形状的凸轮轮廓相配合，实现复杂的运动规律。按从动件的形状分类2．滚子从动件在从动件端上装上滚子，成为滚子从动件，则凸轮与从动件的接触为摩擦因数较小的滚动接触，可减少磨损，适合高速传动。图5-8所示是最常用的一种滚子从动件形式。3．平底从动件如图5-9所示，平底从动件与凸轮的周缘曲线相切而成滑动接触。这种从动件传动效率高，且接触面易于形成油膜，利于润滑，常用于高速凸轮机构。按从动件的运动形式分1．移动从动件图5-2所示的从动件为移动从动件，从动件沿导路按照一定的运动规律作直线往复移动。在移动从动件凸轮机构中，如果从动件导路的中心通过凸轮的回转中心，则称之为对心移动从动件凸轮机构；否则，称之为偏置移动从动件凸轮机构。按从动件的运动形式分2．摆动从动件图5-10所示为摆动从动件，从动件按照一定的运动规律绕自身轴线作往复摆动。为了使凸轮与从动件始终保持接触可利用重力、弹簧力或凸轮上的凹槽来实现。5.3凸轮机构的基本参数及从动件的常见运动规律凸轮机构的基本参数图5-11所示为一盘形凸轮，图中直线T—T为凸轮与从动件接触点处的切线，直线N—N为凸轮与从动件接触点处的公法线，凸轮的各部分名称及参数说明如下。凸轮机构的基本参数1．基圆以距凸轮轴心的最短距离为半径所画得的圆，作为设计凸轮周缘的基础，称为基圆，如图5-11所示的圆ABCA。2．迹点迹点为凸轮从动件上的一点，其位置视从动件的形式而异。1）尖顶从动件：在尖顶点。2）滚子从动件：在滚子中心点。3）平底从动件：在平板底线与从动件运动方向线的交点。凸轮机构的基本参数3．理论曲线理论曲线是指从动件的迹点按照预期的运动，凸轮所应具有的假想曲线。滚子从动件的滚子中心或尖底从动件的尖底，沿凸轮周缘所画出的路径曲线，即为理论曲线，如图5-11所示的环状双点画线部分。4．工作曲线工作曲线即凸轮的实际外形曲线，又称为凸轮轮廓。尖底从动件的凸轮，其工作曲线与理论曲线重合。凸轮机构的基本参数5．压力角凸轮与从动件接触点的公法线与从动件运动方向间的夹角，称为压力角，如图5-11所示的θ角。6．推程和推程角从动件从最低位置被凸轮轮廓以一定的运动规律推动上升至最高位置的过程称为推程，从动件在这个过程中走过的距离称为升程。其间凸轮所转过的角度，称为推程角，如图5-11所示的∠AOB。凸轮机构的基本参数7．回程和回程角凸轮继续回转，凸轮轮廓使从动件在弹簧力或重力作用下，以一定的运动规律自最高位置下降至最低位置的过程称为回程，其间凸轮所转过的角度，称为回程角，如图5-11所示的∠BOC。8．行程从动件最低位置与最高位置间的距离，称为行程，即凸轮最大半径与最小半径之差，如图所示B、D两点的直线距离BD。9．偏距从动件的中心线偏离凸轮转动中心的距离称为偏距。从动件的常见运动规律凸轮通常作等速圆周运动，而其从动件则因凸轮周缘形状的不同，可获得各种不同的运动方式，但一般常见的有等速运动、等加速等减速运动和简谐运动三种。1．等速运动等速运动是指当凸轮作等速回转时，其从动件在单位时间内上升或下降的位移皆相等。其位移图呈斜直线，因速度为等值，故速度图为一水平线，加速度则为零，如图5-12所示。从动件的常见运动规律2．等加速等减速运动在这种运动规律中，从动件在推程或回程的前半段作等加速运动，后半段作等减速运动，且在通常的情况下，两部分的加速度都等于a，将加速度在推程前半段一次积分得到速度方程v=at，由此可以得到从动件的最大速度，从而可以画出由两段斜直线组成的速度线图。其位移线图由弯曲方向相反的两段抛物线组成，如图5-13所示。从动件的常见运动规律3．简谐运动一动点作等速圆周运动，其投影在直径上的往复直线运动，称为简谐运动。若以从动件的行程为直径画一半圆，并将半圆弧分成若干等份，而横坐标也分成相同数的等分格，自半圆弧上的等分点作水平线与横坐标上的对应等分线相交，将交点连接而成圆滑曲线，即得简谐运动的位移图，如图5-14所示。5.4图解法设计盘形凸轮的轮廓曲线反转法进行凸轮设计时，采用反转法。下面以图示的尖顶对心移动从动件盘形凸轮机构为例来说明其原理。1．凸轮转动的真实运动情况图5-15a展现的是凸轮转动时的真实运动情况：凸轮以等角速度ω绕轴O逆时针转动，推动从动件在导路中上、下往复移动。反转法2．采用反转法时凸轮机构的运动情况图5-15b展现的是采用反转法时凸轮机构的运动情况：现在设想凸轮固定不动，而让从动件连同导路一起绕O点以角速度（－ω）转过φ1角，此时从动件将一方面随导路一起以角速度（－ω）转动，同时又在导路中作相对移动，运动到图中双点画线所示的位置。盘形凸轮的轮廓设计凸轮机构的形式多种多样，反转法原理适用于各种凸轮轮廓曲线的设计，本节以尖顶对心移动从动件为例说明凸轮轮廓的设计方法。图5-16a所示为从动件导路通过凸轮回转中心的尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。连接学习目标了解棘轮机构的组成、特点和应用。了解槽轮机构的组成、特点和应用。6.1棘轮机构棘轮机构的组成、工作原理及类型1．棘轮机构的组成及工作原理棘轮机构由棘轮、棘爪、摇杆及机架组成，如图6-1所示。曲柄摇杆机构将曲柄的连续转动转换成摇杆的往复摆动；当摇杆4顺时针摆动时，装在摇杆4上的主动棘爪2啮入棘轮1的齿槽中，从而推动棘轮顺时针转动；当摇杆逆时针摆动时，主动棘爪2在棘轮的齿背上滑过，此时，棘轮1在止回爪5的作用下停止不动，扭簧3的作用是将棘爪2贴紧在棘轮1上。棘轮机构的组成、工作原理及类型2．棘轮机构的类型按棘轮机构的工作原理可将其分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。（1）齿式棘轮机构按运动形式可分为以下三类。1）单动式棘轮机构。如图6-1所示，当主动件连续地往复摆动时，棘轮只作单向的间歇运动。棘轮机构的组成、工作原理及类型2）双动式棘轮机构。改变主动件1的结构形状，可以得到图6-2所示的双动式棘轮机构。主动件1往复摆动时都能使棘轮2沿同一方向转动。驱动棘爪3可以制成直的（图6-2a）或带钩头的（图6-2b）。棘轮机构的组成、工作原理及类型3）可变向棘轮机构。图6-3所示为两种可变向棘轮机构。如图6-3a所示，当棘爪直面在左侧，斜面在右侧时，棘轮沿逆时针方向作间歇运动，若提起棘爪翻转90°后再插入，使直面在右侧，斜面在左侧时，棘轮沿顺时针方向作间歇运动。这种棘轮机构常用于牛头刨床工作台的进给装置中。棘轮机构的组成、工作原理及类型（2）摩擦式棘轮机构齿式棘轮机构转动时，棘轮的转角都是相邻两齿所夹中心角的整数倍。为实现棘轮转角的任意性，可采用无棘齿的棘轮机构，如图6-4所示。这种机构通过棘爪2与棘轮3之间的摩擦力来实现传动，故也称为摩擦式棘轮机构。此类机构工作时噪声较小，但其接触面间易发生滑动。为增加摩擦力，可将棘轮做成槽形，如图6-4所示。棘轮机构的特点齿式棘轮机构的结构简单，制造方便，运行可靠，输出角度范围大且可调，但其运动精度低，工作时冲击和噪声较大，所以一般用于速度较低、载荷不大的场合。摩擦式棘轮机构是用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪，以无齿摩擦代替棘轮。其特点是传动平稳、无噪声，动程可无级调节。但因靠摩擦力传动，会出现打滑现象，虽然可起到安全保护作用，但是传动精度不高，所以适用于低速轻载的场合。棘轮机构的应用1．间歇送进图6-5所示为牛头刨床工作台进给机构，为切削工件，刨刀需作连续往复直线运动，工作台作间歇移动。棘轮机构的应用2．制动图6-6所示为杠杆控制的带式制动器，制动轮与外棘轮固连，棘爪铰接于制动轮上，制动轮按逆时针方向自由转动，棘爪在棘轮齿背上滑动，若该轮向相反方向转动，则棘轮被制动。3．超越棘轮机构除了常用于实现间歇运动外，还能实现超越运动。图6-7所示为自行车后轮轴上的棘轮机构。6.2槽轮机构槽轮机构的组成、工作原理及类型1．槽轮机构的组成及工作原理槽轮机构又称为马尔他机构，如图6-8所示。槽轮机构由具有径向槽的槽轮1、带有圆销A的拨盘2和机架组成。槽轮机构的组成、工作原理及类型2．槽轮机构的类型常见的槽轮机构有外啮合和内啮合两种形式，外啮合槽轮机构主动拨盘与从动槽轮转向相反，内啮合槽轮机构主动拨盘与从动槽轮转向相同。根据外槽轮的运动情况，槽轮的槽数z必须大于或等于3，而当z=3时，槽轮转动时将有较大的振动和冲击，所以一般取z=4～8。槽轮机构的特点槽轮机构结构简单、工作可靠，在进入和退出啮合时槽轮的运动要比棘轮的运动较为平稳。图6-9所示为电影放映机中的送片机构。为了适应人眼的视觉暂留现象，要求胶片作间歇移动。连接学习目标了解挠性传动的基本概念。掌握带传动的工作原理、特点、类型和应用。熟悉V带及V带轮的结构、标准及材料。了解V带传动受力及应力分析的方法及计算。了解带传动传动比的计算方法，熟悉V带传动的失效形式。了解带传动张紧、安装和维护和基本方法。熟悉链传动的工作原理、类型、特点和应用。了解链传动的传动比计算。了解链轮的结构和材料。了解链传动的布置与维护。7.1带传动概述挠性传动挠性传动是指当两轴距离过远，无法使用直接接触传动时，必须借助具有挠曲性的连接物，利用拉力与摩擦力使两构件连动而传递运动或功率的方法。常用的挠性连接物有传动带、绳索和链条等。带传动的组成和工作原理1．带传动的组成如图7-1所示，带传动通常是由主动带轮1、从动带轮2及挠性传动带3组成的挠性传动。带是标准件，带轮的槽也需按标准制造。带传动可分为摩擦式带传动（图7-1）和啮合式带传动（图7-2）两类。带传动的组成和工作原理2．摩擦式带传动的工作原理如图7-3所示，当平带紧套在两带轮上还未工作时，带轮两边的带具有相等的预紧力F0，带的预紧力使带与带轮的接触面之间产生正压力。带传动的分类1．平带传动平带是一条断面呈扁平的带状物，如图7-4a所示，用于带轮间传递动力，轴间距离以5～10m为宜，传动线速度可高达25m/s。平带与轮槽接触的内表面为工作面。平带有胶帆布带、编织带、锦纶复合平带。各种平带规格可查阅相关标准。带传动的分类2．V带传动V带的横截面为等腰梯形，如图7-4b所示，带轮上需加工出相应的环形沟槽。V带无接头，传动平稳。V带工作时与轮槽的两个侧面相接触，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，传动能力较平带传动大，允许的传动比也较大，轴间距较小，结构紧凑。在一般的动力机械传动中，V带传动应用较广泛。带传动的分类3．多楔带传动多楔带是在平带的基体上有很多纵向排列的楔形面，如图7-4c所示，因此兼有平带和V带的优点。多楔带传动适用于结构要求紧凑、传递功率较大及速度较高的场合，特别适用于要求V带根数多及轮轴和地面垂直的场合，如电动工具、洗衣机中的带传动。带传动的分类4．圆带传动圆带的横截面为圆形，如图7-4d所示。圆带传动传递功率很低，常用于缝纫机、磁带盘和真空吸尘器的机械传动和一些仪器中。带传动的分类5．同步带同步带如图7-4e所示，利用带的齿与带轮上的齿相啮合传递运动和动力，带与带轮间为啮合传动，没有相对滑动，可保持主、从动轮线速度同步。7.2V带与带轮V带的结构和标准1．V带的结构V带常用的是普通V带和窄V带，断面为梯形的无接头带圈，如图7-5a所示。其内部构造如图7-5b所示，包括：1）抗张体：承受张力的主要部分。2）缓冲材料：用以保护抗张体。3）拉伸胶层：位于抗张体上方的胶层。4）压缩胶层：位于抗张体下方的胶层。5）外皮：由橡胶与织物织成。V带的结构和标准2．V带的型号普通V带和窄V带已标准化，普通Ｖ带按其截面尺寸不同，分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号，窄V带按其截面尺寸不同，分为SPZ、SPA、SPB和SPC四种。V带的结构和标准3．V带的标记普通V带和窄V带的标记内容和顺序为型号、基准长度公称值、标准号。例如：Z1080GB/T11544—2012。表示按GB/T11544—2012《带传动普通V带和窄V带尺寸（基准宽度制）》要求制造的基准长度为1080mm的Z型普通V带。标记通常压印在V带外表面上，以供识别和选购。V带的结构和标准4．V带传动的优点1）可承受冲击载荷。2）传动效率高。3）两带轮间距可以很短。4）运转时无噪声。5）两轮轴稍有偏差，也可正常运转。V带的结构和标准5．V带传动的应用V带广泛用于汽车及机械传动上，例如车床、铣床、钻床等工作机械的动力驱动，如图7-6所示。有时为了传递更大的动力，可将多条V带并排安装在带轮上。V带轮1．V带轮的材料制造V带轮的材料可采用灰铸铁、钢、铝合金或工程塑料，以灰铸铁应用最为广泛。2．V带轮的结构带轮由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成。V带轮按轮辐结构不同分为实心式、腹板式、孔板式和轮辐式四种形式，如图7-7所示。7.3带传动的工作情况分析带传动的受力分析带以一定的预紧力套在带轮上。静止时,带轮两边的拉力相等，均为预紧力F0，如图7-8a所示。工作时，如图7-8b所示，由于带与带轮之间产生的摩擦力Ff，使进入主动轮的一边被拉紧，称为紧边，拉力大小由F0增加到F1；进入从动轮一边的带则相应被放松，称为松边，拉力大小由F0降至F2。带传动的应力分析传动带在工作时，横截面内产生3种不同的应力。1．拉应力σ因紧边拉力F1大于松边拉力F2，故σ1＞σ2。带传动工作时，带绕过主动轮时，拉应力由σ1逐渐减小到σ2；而带绕过从动轮时，拉应力由σ2逐渐增大到σ1。2．离心拉应力σc离心拉应力是指由带弯曲运动而产生的离心拉应力。3．弯曲应力σb弯曲应力σb只发生在带绕在带轮上的圆弧部分，带轮直径越大，带越薄，σb越小；带轮直径越小，带越厚，σb越大。显然，σb1≥σb2。带传动的传动比在带传动中，主动轮的转速与从动轮的转速之比，称为带传动的传动比，用i12表示。如果不考虑带与带轮间弹性滑动因素的影响，传动比计算公式可用主、从动轮基准直径来表示：带的弹性滑动和打滑1．弹性滑动由于带传动存在紧边和松边，在紧边时带被弹性拉长，到松边时又产生收缩，引起带在轮上发生微小局部滑动，这种现象称为弹性滑动。2．带传动的打滑与极限有效拉力当外载较小时，弹性滑动只发生在带即将由主、从动轮离开的一段弧上。传递外载增大时，有效拉力随之加大，弹性滑动区域也随之扩大，当有效拉力达到或超过某一极限值时，带与小带轮在整个接触弧上的摩擦力达到极限，若外载继续增加，带将沿整个接触弧滑动，即带与带轮间发生全面滑动，这种现象称为打滑。7.4带传动的失效形式及张紧、安装和维护带传动的失效形式带传动的主要失效形式是打滑和带的疲劳破坏（经历一定应力循环次数后发生拉断、撕裂、脱层）。因此，对带传动的要求是：在保证不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。带传动的张紧装置带传动工作一段时间后会由于塑性变形而松弛，使初拉力减小、传动能力下降，影响帯传动的正常工作，因此应采用张紧装置来调整带的预紧力。常用张紧方法有以下几种。1．调整中心距法1）定期张紧。如图7-10所示，将装有带轮的电动机1装在滑道2上，旋转调节螺钉3以增大或减小中心距从而达到张紧或松开的目的。图7-11所示为把电动机装在一摆动底座2上，通过调节螺钉3调节中心距达到张紧的目的。带传动的张紧装置2）自动张紧。把电动机1装在图7-12所示的摇摆架2上，利用电动机的自重，使电动机轴心绕铰点A摆动，拉大中心距达到自动张紧的目的。2．张紧轮法带传动的中心距不能调整时，可采用张紧轮法。V带和同步带张紧时，张紧轮一般放在带的松边内侧并应尽量靠近大带轮一边，这样可使带只受单向弯曲，且小带轮的包角不致过分减小。带传动的安装与维护正确的安装和维护是保证带传动正常工作、延长胶带使用寿命的有效措施，一般应注意以下几点：1）安装时，两轴线必须平行，两轮的轮槽要对齐，先缩小轴间距，套上V带后，再调整。2）传动带在带轮轮槽中只有处于正确的位置，才能充分发挥帯传动的传动能力。3）对于重要的带传动，安装时还要测量带的初拉力。带传动的安装与维护4）对带传动应定期检查及时调整，发现损坏的V带应及时更换，新旧带、普通V带和窄V带、不同规格的V带均不能混合使用。5）带传动装置必须安装安全防护罩。这样既可防止绞伤人，又可以防止灰尘、油及其他杂物飞溅到带上影响传动。7.5链传动链传动的组成、类型及特点1．链传动的组成链传动由主动链轮1、从动链轮2和绕在两链轮上的封闭链条3组成，如图7-17所示，两链轮分别安装在相互平行的两轴上。链传动的组成、类型及特点2．链传动的类型不论哪种链传动，其结构都是相同的，各种链传动之间的不同只是在于链条的结构和链轮的轮齿形式不同。常用的链条按用途不同，可分为起重链、输送链和传动链。（1）起重链（2）输送链（3）传动链链传动的组成、类型及特点3．链传动的特点（1）链传动的优点链传动是具有中间挠性件的啮合传动，兼有齿轮传动和带传动的特点。与齿轮传动和摩擦式带传动相比，链传动的主要优点如下：1）没有弹性滑动，平均传动比准确。2）传动效率较高。3）链条对轴的拉力较小。4）可以在较恶劣的条件下工作。5）承载能力大。6）制造与安装精度要求较低。7）轴间距较大且结构简单。链传动的组成、类型及特点3．链传动的特点（2）链传动的缺点1）瞬时传动比不恒定。2）传动的平稳性差，有噪声。3）磨损后易发生跳齿和脱链。4）急速反向转动的性能差。5）不适用于过小的轴间距和有急速换向的传动。链传动的传动比由于链条是可以曲折的挠性体，每一链节均为刚性体，传动时绕在链轮上的链段折成正多边形的一部分，多边形的边长上各点的运动速度并不相等，所以链传动的传动比指平均链速的传动比。链传动的传动比是链轮的转速之比，也是主动链轮的齿数与从动链轮的齿数之比。即传动链的结构与型号1．滚子链的结构GB/T1243—2006《传动用短节矩精密滚子链、套筒链、附件和链轮》中的短节距传动用精密滚子链的结构如图7-18所示，它由内链板、套筒、销轴、外链板和滚子组成传动链的结构与型号1．滚子链的结构链条长度用链节数表示，链节数正好为偶数，以使链条连成的封闭环形正好使外链板与内链板相接，接头处可用开口销（图7-19a）或弹簧夹（图7-19b）将销轴进行固定。传动链的结构与型号1．滚子链的结构链条上相邻销轴的轴间距称为节距p，是链传动时最主要的参数，节距越大，链传动各零件的结构尺寸也越大，承载能力也越高，但转动也越不稳定，质量也随之加大。当需要传送更大动力时，可将数条滚子链并排使用，由于精度的影响，各排受载不易均匀，故排数不宜过多，4排以上很少应用。图7-20所示为双排滚子链的结构。传动链的结构与型号2．滚子链的基本参数、尺寸及其标记滚子链已标准化，滚子链的基本参数和尺寸见表7-6。传动链的结构与型号3．齿形链结构齿形链传动属于啮合式传动，如图7-21所示，其构造为链片两端各有一斜直边，与链轮上同具有斜直边的链齿相接触。如图7-21a所示，当链条长度较短时，链条在轮上的部分比较接近链轮中心；当链条因磨损而拉长时，则链条在轮上部分逐渐远离链轮中心而自动调节长度，如图7-21b所示。链轮的结构和材料1．链轮的结构（1）滚子链链轮的结构如图7-22所示，链轮的结构主要根据链轮直径的大小确定。（2）齿形链轮的结构齿形链轮的结构按GB/T10855—2003中的规定制造。链轮的结构和材料2．链轮的材料链传动的主要失效形式是链条元件的疲劳破坏和磨损，链轮所使用的材料应保证轮齿具有足够的强度和耐磨性。链轮及齿面一般都要进行热处理，且由于小链轮轮齿的啮合次数高于大链轮轮齿的啮合次数，故小链轮轮齿的磨损和冲击也较严重，小链轮的材料性能应好于或等同于大链轮的材料性能，小链轮的齿面硬度也应高于大链轮的齿面硬度。链轮常用的材料有优质碳素钢、灰铸铁和铸钢等，重要场合可采用合金钢。链传动的布置与维护1．链传动的布置布置链传动时应注意以下几方面。1）传动装置最好水平布置，当必须倾斜布置时，中心连线与水平面夹角应小于45º。2）应尽量避免垂直传动轴，若必须采用垂直传动时，应考虑采用中心距可调、设张紧装置或上下两轮错开等方式。3）链传动时，主动链轮的转向应使松边在下，紧边在上，这样可以顺利地啮合。链传动的布置与维护2．链传动的润滑链传动的润滑可缓和冲击、减少摩擦、减轻磨损、提高工作能力和延长链条使用寿命。链传动可采用人工定期润滑、滴油润滑、油浴润滑及压力喷油润滑等润滑方式，润滑油推荐用全损耗系统用油，对于不便使用润滑油的场合，可用润滑脂定期清洗和涂抹。连接学习目标了解齿轮传动的特点、分类和应用。了解齿廓啮合基本定律及渐开线齿廓的特性。了解渐开线齿轮各部分的名称、主要参数及尺寸计算。掌握渐开线直齿圆柱齿轮传动的啮合条件及标准安装条件。了解渐开线齿轮切齿原理及变位齿轮的概念。了解齿轮传动的失效形式及精度的概念。了解齿轮的常用材料。了解齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的概念。了解齿轮的结构及齿轮形式选用原则。了解齿轮传动的润滑方式及效率计算方法。8.1齿轮机构的特点、类型和应用齿轮机构的特点1．齿轮机构的优点1）传动比恒定，这是最重要的特点。2）传动效率高。3）其圆周速度和所传递功率范围大。4）工作寿命长。5）可以传递空间任意两轴之间的运动。6）结构紧凑。2．齿轮机构的缺点1）齿轮制造和安装精度高，成本较高，需采用专用设备、刀具生产制造。2）不适用于两轴中心距较大的场合。3）无过载保护功能。4）传动中有噪声和振动。齿轮机构的类型1．按齿轮的齿廓曲面分类（1）渐开线齿轮渐开线齿轮的齿面是具有渐开线性质的曲面，为应用最广泛的一类齿轮。（2）圆弧齿轮圆弧齿轮的齿面是圆弧曲面，此种齿轮承载能力高于渐开线齿轮，适用于高速重载的场合。（3）摆线齿轮摆线齿轮机构主要用于摆线少齿差传动，齿廓曲线为外摆线。（4）谐波齿轮与前三种齿轮不同，该齿轮传动中含有柔性轮，其传动比较大，传递的功率也较大。齿轮机构的类型2．按齿轮的工作条件分类（1）开式传动开式传动中齿轮外露，灰尘等容易落入轮齿的啮合区，也不能保证良好的润滑，易引起齿面磨损，因此开式传动适于低速及不重要的场合（2）半开式传动半开式传动中只有简单防护罩，一般用于农业机械、建筑机械及简单机械设备。（3）闭式传动闭式传动是将齿轮封闭在具有足够刚度并有良好润滑条件的密封箱体内，闭式传动多用于汽车、机床及航空发动机等重要传动场合。齿轮机构的类型3．按两齿轮轴线之间的相对位置、齿轮齿形及齿轮转向分类按两齿轮轴线之间的相对位置、齿轮齿形及齿轮转向，常用的齿轮传动的类型、特点及应用见表8-1。齿轮机构的类型3．按两齿轮轴线之间的相对位置、齿轮齿形及齿轮转向分类齿轮机构的类型3．按两齿轮轴线之间的相对位置、齿轮齿形及齿轮转向分类8.2齿廓啮合基本定律与渐开线齿廓齿廓啮合基本定律采用齿轮传动的主要目的是使两个相互啮合的齿轮的角速度大小发生改变或转动方向发生改变。两个齿轮的瞬时角速度ω1与ω2之比称为传动比i。图8-1所示为两齿轮相互啮合的一对齿廓，O1、O2为两齿轮的回转轴心。渐开线齿廓的形成及特性1．渐开线的形成如图8-2所示，直线NK在半径为rb的圆周上作纯滚动时，直线上任意一点K的轨迹AK称为该圆的渐开线。2．渐开线的基本性质由渐开线的形成过程可知，渐开线具有下列性质：1）发生线沿基圆滚过的长度等于基圆上被滚过的圆弧长。渐开线齿廓的形成及特性3）渐开线上任意点K的法线与该点的速度方向所夹的锐角αk称为该点的压力角。4）渐开线的形状与基圆的大小有关。基圆半径越小，渐开线越弯曲；基圆半径越大，渐开线越平直；基圆半径无穷大时，渐开线为一条斜直线，即齿条齿廓。5）基圆内无渐开线。渐开线齿廓满足齿廓啮合的基本定律由渐开线的性质2）可知，一对渐开线齿轮啮合时，啮合点的公法线必是两基圆的公切线。因两基圆位置和大小都不变，故其公切线与轴心连线O1O2的交点P（节点）的位置不变，满足齿廓啮合的基本定律。8.3渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算直齿圆柱齿轮的基本参数渐开线齿轮各部分的尺寸均为标准值。如图8-3所示，标准直齿圆柱齿轮各部分的名称、符号及其尺寸间的关系。1）齿数：在齿轮整个圆周上轮齿的总数，用z表示。2）齿顶圆：通过齿轮顶部的圆称为齿顶圆，用ra和da分别表示其半径和直径。3）齿根圆：通过齿轮根部的圆称为齿根圆，用rf和df分别表示其半径和直径。4）分度圆和模数：分度圆是介于齿顶圆和齿根圆之间的一个不可见圆直齿圆柱齿轮的基本参数11）齿槽宽：齿轮相邻两齿之间的空间称为齿槽，在任意圆周上所量得的齿槽大小称为该圆周上的齿槽宽，分度圆上的齿槽宽用e表示。12）齿厚：沿轮齿任意圆周上所量得的弧长称为该圆周上的齿厚，分度圆上的齿厚用s表示。13）齿距：沿轮齿任意圆周上所量得的相邻两齿同侧齿廓之间的弧长称为该圆周上的齿距，分度圆上的齿距用p表示。渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸计算标准齿轮是指模数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数均为标准值，且其分度圆上的齿厚等于齿槽宽的齿轮。8.4渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合的条件设m1、m2和α1、α2分别为两个齿轮的模数和压力角，则正确的啮合条件是于是，一对渐开线直齿圆柱齿轮的传动比又可表达成渐开线直齿圆柱齿轮的连续传动条件为保证一对渐开线齿轮能够连续传动，前一对啮合轮齿在脱开啮合之前（之时），后一对轮齿必须进入啮合，即同时啮合的轮齿对数必须有一对或一对以上。。传动的连续性可用重合度ε定量反映，它表示一对齿轮在啮合过程中，同时参与啮合的轮齿的平均对数，则齿轮的连续传动条件为重合度ε≥1，如图8-6所示。渐开线直齿圆柱齿轮的标准安装条件为了避免冲击、振动，理论上齿轮传动应为无侧隙传动。由于一对齿轮传动相当于一对节圆作纯滚动，因此，要使一对齿轮作无侧隙传动，就应使一个齿轮节圆上的齿厚等于另一齿轮节圆上的齿槽宽。对于满足正确啮合条件的一对标准齿轮，其分度圆齿厚与齿槽宽相等，即s=e=πm/2。所以，要保证无侧隙传动，要求分度圆与节圆重合。分度圆与节圆重合的安装称为标准安装，此时的中心距称为标准中心距。8.5渐开线齿轮的切齿原理与根切现象渐开线齿轮的切齿原理齿轮加工方法很多，有铸造法、热轧法、冲压法、粉末冶金法和切制法等，最常用的是切削加工法，按其加工原理可分为仿形法和展成法。1．仿形法仿形法是在普通铣床上用轴向剖面形状与被切齿轮齿槽形状完全相同的铣刀切制齿轮的方法，如图8-7所示。渐开线齿轮的切齿原理2．展成法展成法是利用一对渐开线齿轮（或齿轮与齿条）相互啮合时，其齿廓互为包络线的原理来加工齿轮的。加工时刀具与齿坯的运动就像一对互相啮合的齿轮，最后刀具将齿坯切出渐开线齿廓。展成法切制齿轮常用的刀具有以下三种。（1）齿轮插刀渐开线齿轮的切齿原理（2）齿条插刀齿条插刀是一个齿廓为切削刃的齿条，用齿条插刀加工齿轮时，刀具与轮坯的相对位置和运动关系如图8-9所示。切削齿廓时，刀具与轮坯的展成运动相当于齿条与齿轮啮合传动，其切齿过程与用齿轮插刀加工齿轮的原理相同，但其效率比齿轮插刀低。渐开线齿轮的切齿原理（3）齿轮滚刀以上两种刀具都只能间断地切削，生产率较低。齿轮滚刀能连续切削，生产率较高。用齿轮滚刀切削齿轮时，刀具与轮坯的相对位置和运动关系如图8-10所示。滚刀的形状类似于蜗杆，其轴平面为一齿条形状，当滚刀绕自己的轴线转动时，就相当于齿条向前移动。渐开线齿轮的根切现象和最少齿数用展成法加工齿轮时，若刀具的齿顶线（或齿顶圆）超过理论啮合线极限点时（图8-11），被加工齿轮齿根附近的渐开线齿廓将被切去一部分，这种现象称为根切，如图8-11所示。图8-1