机械传动概论及精密传动进展

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1、机械传动概论及精密传动进展陈兵奎 机械传动国家重点实验室机械工程是指以有关的自然科学和技术科学 为理论基础，结合在生产实践中积累的技术经验， 研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修 理各种机械中全部理论与实际问题的一门应用学科 。包括4个二级学科:机械设计及理论机械制造及自动化机械电子工程车辆工程重庆大学具有机械工程一级学科博士授权点 ，机械设计及理论是国家重点学科机械传动国家重点实验室实验室实验室概况概况u实验室的沿革： 1988年由国家计委批准筹建； 1991年通过国家建设验收； 1997年通过国家第一次评估； 2003年通过国家第二次评估。实验室 把精密、可靠、经济、环境友好地传递

2、运动和动力的科 学与技术问题作为研究的主线，进行应用基础研究和创新 研究； 瞄准国防和工业装备的需求，着力解决重大装备的关键 技术难题，为国防、国民经济和社会发展作贡献。学术带头人及学术骨干秦大同 教授、博导梁锡昌 教授、博导张光辉 教授、博导李润方 教授、博导陈小安 教授、博导彭东林 教授、博导王家序 教授、博导李以农 教授孙东野 教授陈兵奎 教授、博导机械传动尤其是齿轮传动具有效率高 、可靠和恒功率输出的特性，是装备业极其 重要的基础性零部件。齿轮被认为是工业的象征。 机械传动机械传动的种类n带传动：三角带、平带、圆形带、同步齿形带等n链传动：套筒滚子链传动、齿形链传动、包容链传动n渐开线

3、圆柱齿轮传动：直齿、斜齿n圆弧齿轮传动n圆锥齿轮传动：直齿、斜齿、弧齿、准双曲面n蜗杆传动：圆柱蜗杆、弧面蜗杆、平面二包n渐开线圆柱齿轮行星传动n摆线行星轮传动:摆线针轮、RV、双摆线钢球、Dojen 、Twinspinn谐波传动n螺旋传动：滑动丝杠、滚珠丝杠分类n杠杆传动原理：带、齿轮传动等n斜面传动原理：螺旋传动、蜗杆传动等n变形原理：谐波传动等杠杆原理杠杆是最简单的机械。杠杆原理是力学与机械的基础，力的平衡与力矩的平衡是诸多科学研究和工程技术分析中广 泛应用的基本手段之一。细心一点，在各种机械装置中都能找 到杠杆的影子。下图中，方形代表重物、圆形代表支持点、箭 头代表用力点，这样，在(图

4、1)中的杠杆右边向下用力，就可 以把左方的重物抬起来了；L1=L2 F1=F2 既不省力也不费力 在(图2)中，在杠杆右边向上 用力，也能把重物抬起来；在(图 3)中，支点在左边、重物在右边 ，力点在中间，向上用力，也能 把重物抬起来。(图1)中支点在杠 杆中间，物理学里，把这类杠杆 叫做第一种杠杆；(图2)是重物在 中间，叫做第二种杠杆；(图3)是 力点在中间，叫做第三种杠杆。1）第一种杠杆如下图示： 这种杠杆可能省力可能费力，也 可能既不省力也不费力。这要看 力点和支点的距离。 2）第二种杠杆例如：滑轮、开瓶器、榨汁器、 胡桃钳这种杠杆的力点一定比重点距离支点远 ，所以永远是省力的。3）第

5、三种杠杆例如： 镊子、烤肉夹子、筷 子 这种杠杆的力 点一定比重点距离支 点近，所以永远是费 力的。杠杆原理与齿轮传动齿轮传动如左图所示，两个齿轮相当于两 根省力杠杆，在各端受到相同的作用 力F，但因力臂不相等L2L1， 故力 矩 FL2 FL1 ，即用电机带动 的输入端O1只需输入较小的扭矩就可 在输出端O2获得较大的扭矩。齿轮传动的优缺点齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机 构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动 和动力。齿轮传动主要优点：传动效率高，结构紧凑 ，工作可靠、寿命长，传动比准确。 齿轮机构主要缺点：制造及安装精度要求高 ，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合 。传动的基

6、本要求 在齿轮传动机构的研究、设计和生产中，一般要满足以下两个基本要求： 传动平稳在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动及噪音尽量小。承载能力大在尺寸小、重量轻的前提下，要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长。 典型齿轮传动机构 平行轴齿轮传动机构（圆柱齿轮传动机构 ）v直齿圆柱齿轮副：齿线为分度圆柱面直母线的圆柱齿 轮副。在各类机械传动中使用最广，制造较简单。v斜齿圆柱齿轮副：由两个斜齿圆柱齿轮组成的齿轮副 。优点是重合度大，传动平稳，适用于高速。缺点是传动 中产生轴向力，一般不宜做滑移式变速齿轮。v人字齿轮副：一个圆柱齿 轮，在其一部分齿宽上为右 旋齿，而在另一部分齿宽上 为左旋齿，两部分齿宽

7、之间 无论有槽与否。常用于高速 重载传动。v 齿条传动：一平板或直 杆，当其有一系列等距离分 布的齿时，就称为齿条。利 用齿轮齿条可以把回转运动 变成直线运动（或相反）。v行星齿轮传动：行星 齿轮传动主要由行星轮 、行星架和中心轮构成 。由两个中心轮和一个 行星架组成的2K-H型行 星传动，效率高，结构 紧凑，单级传动比范围大，目前应用最广泛。 相交轴齿轮传动机构（圆锥齿轮 ）v直齿锥齿轮副：常用于低速、轻载传动。用成对刨刀加工时，圆周速度v5m/s；用仿形法加工时，圆周速度v2m/s。为减少装配和制造引起的偏载，可制成鼓形齿。轴向力小，方向固定。v斜齿锥齿轮副：常用于圆周速度v5m/s的传动

8、中，承载能力较大，有较大的轴向力，且其方向与齿轮旋向有关。目前应用日益减少，被曲线锥齿轮代替。v曲线锥齿轮：传动时轴向力较小，方向与直齿锥齿轮相近，可在不改变支承装置的情况下，代替直齿锥齿轮，使传动更平稳。v蜗轮蜗杆：由圆 柱蜗杆及其配对的 蜗轮组成的交错轴 齿轮副，加工较简 单，应用广泛，一 般圆柱蜗杆传动效 率低，不易磨削， 齿面磨损快交错轴齿轮传动机构v交错轴斜齿轮副：由两个配对的斜齿轮组成的交错轴齿轮副。用于传动轴间交角为090的任意值传动中。缺点是啮合时滑动速度较大，磨损较快，理论上为点接触传动，承载能力较低n齿轮传动可用于各行各业，其中包括：A：起重机械 B：运输机械 C：石油机械

9、 D：化工机械 E：建筑机械 F：煤炭机械G：轻工机械 H：纺织机械等机械设备齿轮在生产/生活中的应用例1：捷 达 轿 车 变 速 器例2：ZSY型硬齿面圆柱齿轮减速器例3：圆锥齿轮减速器例4：180轧管机用减速器齿轮技术的发展趋势n 随着社会的发展、时间的推移，齿轮技术进展的步伐越来越迅速。近年来，机械装置正向着大型、高速、重载、精密、成套和自动化方向发展，有的则向小型、轻量化方向发展，从而推动了齿轮技术的进步。n 概括起来说，当今世界各国齿轮技术的总趋势是向六 高、二低、二化的方向发展。六高即高承载能力、高齿面 硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率；二低即 低噪声、低成本；二化即标准

10、化、多样化。与技术革命的 发展也紧密结合起来，具体表现在以下三个方面。1.齿轮的设计与研究方面硬齿面、高精度将继续是齿轮技术发展的主流，在这方面 的研究将继续深入进行。电子计算机在齿轮设计、制造、分析（CAD/CAM/CAA）方 面得到更为广泛深入的应用，优化设计、可靠性设计、有限 元分析等新的设计方法更普遍得到实际应用。设计周期大大 缩短，设计质量大大提高，以获得更先进更可靠的齿轮产品 。渐开线硬齿面齿轮仍占主导地位，行星齿轮等新型传动将 迅速发展，如行星传动、摆线斜齿传动、谐波传动、减速电 机和环面蜗杆副、尼曼蜗杆以及各种新型的行动装置等。不同应用领域内齿轮品种规格的标准化和多样化。高性能

11、齿轮的研究与应用扩展到更广泛流域。6）齿轮传动的摩擦学方面取得了重大的进展，尤其是润滑技 术的发展，这主要指的是油品和添加剂这两个方面，润滑工程 将成为一个十分重要的领域。 7）齿轮传动将更多地从动力系统的角度进行总体考虑，即把 发动机、齿轮传动装置和执行机构综合成为一个整体的动力机 组，对该机组的噪声、振动、安装、拆卸以及维护保养等统一 联系起来考虑，以组合成为一个整体性能优良的成套动力装置 。 8）为了解决工程实践中的实际问题，将有更多的设计和研究 力量投入基础应用试验研究、预生产试验研究、生产试验以及 对机组在使用现场的测试和评价分析研究等，并根据需要逐步 发展机电一体化的产品，用微电子

12、技术对机组的温度、裂纹、 噪声、振动、运行品质进行动态监控。2.齿轮制造技术方面用切削和磨削两种方法精加工硬齿面齿轮的制造技术都 将进一步继续发展。内齿轮加工技术进一步发展，剃齿技术也将继续发展。对于大批量生产的齿轮，重要的发展趋势是：所有的制 造和检验功能全盘自动化。齿轮加工机床方面，高效率、高精度、高刚度和高度自 动化的齿轮加工机床将进一步得到发展。发展新的齿轮量仪和监测系统，刀具方面加工硬齿面齿 轮的高效、强力切削刀具将继续发展。3.齿轮材料与热处理方面齿轮的新材料金属的或非金属的新材料都将进一步 发展。钢质齿轮仍将在动力传动中起主导作用。齿轮的毛坯，锻造或铸造的齿轮毛坯将越来越接近齿轮

13、 的最终形状。热处理方面，深层硬化处理技术和热处理变形控制技术 是两个重要的发展方向。齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平，开拓和发展齿轮技术有着广阔的前景。国际 上在20世纪90年代以的，以信息技术与人工智能技术为特征的现 代制造技术发展起来，出现了柔性计算机集成制造、智能加工设 备、系统管理技术等。这些现代化技术成为当前国内外齿轮企业 关注的重点。我国齿轮行业信息化建设始于上世纪90年代初，主 要体现在几个方面：计算机辅助设计与制造技术，如CAE、CAD 、CAM、CAPP、CNC柔性制造；精益制造的推广；计算机集成 制造系统CIMS在汽车齿轮制造方面的应用等。

14、 4.小结斜面传动原理斜面传动原理利用斜面结构可以省力，用一个 较小的力获得一个较大的压力。螺旋 就是卷成圆柱状的斜面，是大幅度节 约了占地空间的斜面，它广泛地应用 于机械紧固与传动中，如螺钉、螺母 、丝杠等。我们以千斤顶来说明斜面原理。 它可以利用很小的力F作用于手并将重 物或高压的物体W提升。R值代表手柄 之长度，而P为螺旋的节距，或手柄旋 转一圈的所上升的距离。在不考虑摩擦力的情况下， 遵循下面原则：作用力 F 乘以其移动 一圈所经过的距离应等于同時重锤之重量乘以其上升之距离。手把绕一圈之长度为2R ，亦 即作用力F行走之距离。F x 2R = W x P 或 F = (W x P) /

15、 2R 设 R 等于 18 吋, P 等於 1/8 吋，重锤重100,000 磅 ，则所需之力 F 为110 磅。 故若忽略摩擦力，则仅需 110 磅之力作用于 F 则可提升100,000 磅的重力 W，但此時提升 的速度相当缓慢。螺旋传动螺旋传动螺旋传动主要由螺杆和螺母组成。除自锁螺旋外，一般 用来把螺旋运动变成直线运动，也可把直线运动变为螺旋运动 ，同时进行能量和力的传递，或者调整零件间的相互位置。螺旋传动的类型螺旋传动的类型根据工作性质的不同，可分为三类。当其以传 递运动为主，并要求较高传动精度时，称传动螺旋。 如金属切削机床的进给螺旋；以传动能量和力为主时 ，称传力螺旋，如螺旋压力机、

16、螺旋起重器等；以调 整零件间的相互位置为主时，称调整螺旋，如镗刀杆 的差动微调螺旋等。 按螺纹副的摩擦状态，螺旋传 动可分为滑动传动、滚动传动、静压传动三大类。下 面分别介绍。滑动螺旋的性能特点滑动螺旋的性能特点摩擦阻力大，传动效率低， 一般仅0.3 0.7。当螺旋伸角 小于摩擦角时，反行程自锁， 此时效率低于0.5磨损快运转较 平稳，但低速或微调时易出现 爬行现象，螺纹间有侧向间歇 ，定位精度低，轴向刚度较差结构简单，制造方便，成本 低滚动螺旋的性能特点滚动螺旋的性能特点n摩擦阻力大，传动效率在0.9 以上，具有传动的可逆性n工作寿命长，平均约为滑动螺 旋的10倍n运转平稳，启动时无颤动，低 速时无爬行n可得到很高的定位精度和轴向 刚度n不能自锁，抗冲击和及承受径 向载荷的能力差n结构复杂，制造较困难，成本 较