设为首页收藏本站

科技网

科技网 门户 科学技术 机械制造 查看内容

齿轮工作原理

2018-3-30 11:11| 发布者: dymodel| 查看: 5719| 评论: 0|原作者: ship

摘要: 齿轮被广泛应用于机械设备中。它们有一些非常重要的作用,但其中最重要的则是它们在机动设备中提供的齿轮减速功能。这种功能之所以重要,是因为在通常情况下,虽然转速极高的小电动机能够为设备提供足够的动力,但它 ...


齿轮被广泛应用于机械设备中。它们有一些非常重要的作用,但其中最重要的则是它们在机动设备中提供的齿轮减速功能。这种功能之所以重要,是因为在通常情况下,虽然转速极高的小电动机能够为设备提供足够的动力,但它们不能提供足够的力矩。例如,电动螺丝刀具有非常大的齿轮减速比,这是因为它需要大量的力矩才能转动螺丝钉,但电动机在高速运转下只能生成较小的力矩。利用齿轮减速装置,将可以减小输出速度,同时增大力矩。
齿轮的另一个作用是调整旋转方向。例如,在汽车两个后轮之间的差速器中,动力由汽车中心的传动轴传送而来,差速器需要将这一动力转动90度,然后才能将其施加给后轮。
不同类型的齿轮中有着各种各样的复杂特征。在本文中,我们将了解齿轮的轮齿究竟是如何发挥作用的,然后谈谈所有机械配件中的各种齿轮都有哪些特点

基础知识在任何齿轮中,齿轮比都是由齿轮中心与接触点之间的距离决定的。例如,在含有两个齿轮的设备中,如果一个齿轮的直径是另一个齿轮的两倍,那么齿轮比就是2:1。

下面让我们来看一个最简单的齿轮,这是一个周围伸出很多木销的轮子。 

图1. 木销齿轮动画

这种齿轮的问题在于,在两个齿轮一起转动时,每个齿轮中心与接触点之间的距离会不断变化。这意味着,齿轮比在齿轮转动时会发生变动,进而导致输出速度出现波动。如果汽车中使用了这样的齿轮,将无法维持恒定的速度——您会不停地加速和减速。

许多现代齿轮使用一种称为渐开线的特殊齿形。这种齿形有一个十分重要的特性,它们可以在两个齿轮间维持一个恒速比。与上面的木销齿轮相同,这种齿形的接触点也在不断变化,但它的渐开线形轮齿可以补偿这种变化。有关详细信息,请参见行星齿轮组和齿轮比


正齿轮正齿轮是最常见的一种齿轮。它们具有直轮齿并装在平行轴上。有时,人们会同时使用很多正齿轮来生成较大的齿轮减速比。

图2. 正齿轮
很多设备中都使用了正齿轮,当您浏览博闻网时,将会经常看到这些设备,比如电动螺丝刀、跳舞丑怪、摆动式喷灌机、发条式闹钟、洗衣机和干衣机等。但汽车中则很少使用正齿轮。
这是因为正齿轮的噪音很大。每当一个齿轮的轮齿与另一个齿轮的轮齿啮合时,这些轮齿将发生碰撞,进而发出噪声。此外,它还会增大轮齿所承受的压力。
为了减少噪音并降低齿轮间的压力,汽车中使用的齿轮大都是斜齿轮。 
斜齿轮
在斜齿轮上,轮齿的切口方向与齿轮表面成一定的角度。当斜齿轮系统上的两个轮齿啮合时,接触点将从轮齿的一端开始,并随着齿轮的旋转逐渐移到另一端,直至两个轮齿完全啮合。

图3. 斜齿轮
通过这种逐渐啮合的方式,斜齿轮在运转时要比正齿轮平稳、安静得多。因此,几乎所有汽车的变速器都使用斜齿轮。
由于斜齿轮上的轮齿呈现一定的角度,因此当它们啮合时,齿轮将会承受一定的压力。使用斜齿轮的设备都装有轴承,用来承受这种压力。
斜齿轮有一个非常有趣的方面,如果齿轮轮齿的角度适当,便可以将它们装在相互垂直的轴上,从而使啮合角度变为90度。 

图4. 交错轴斜齿轮
锥齿轮
当需要改变轴的旋转方向时,便可以使用锥齿轮。它们一般装在互相垂直的两个轴上,但也可以将其设计为适用于其他角度。
锥齿轮上的轮齿可以是直齿、螺旋齿或准双面齿。实际上,锥齿轮的直齿与正齿轮的直齿有着相同的问题——轮齿的啮合会产生噪声并给轴承带来压力。 

图5. 锥齿轮
与正齿轮相同,解决这一问题的方法就是让齿轮轮齿变弯。这些螺旋轮齿的啮合方式与斜齿轮轮齿类似:接触点从齿轮轮齿的一端开始,并逐渐移到轮齿的另一端。 

图6. 螺旋齿锥齿轮


在直齿和螺旋齿锥齿轮上,两个轴必须相互垂直并位于同一平面上。如果能够延长这两个轴并使之穿过齿轮,它们将相交在一起。然而,准双曲面齿轮可以结合位于不同平面中的两个轴。 

图7. 汽车差速器中的准双曲面锥齿轮
此功能被广泛用于汽车差速器中。差速器的环形齿轮和输入小齿轮都是准双曲面齿轮。这样,输入小齿轮的安装位置便可以低于环形齿轮的轴。图7显示了输入小齿轮正与差速器中的环形齿轮啮合在一起的情形。由于汽车的驱动轴连接在输入小齿轮上,这样就降低了驱动轴的高度。这意味着,驱动轴不会过多地伸到乘客舱中,从而为乘客和货物留出了更多空间。 
蜗轮
如果想获得较大的齿轮减速比,就需要使用蜗轮。蜗轮的齿轮减速比一般为20:1,有时甚至高达300:1或更大。

图8. 蜗轮
许多蜗轮都有一个其他齿轮组所不具备的有趣特性:蜗杆可以轻易转动齿轮,但齿轮无法转动蜗杆。这是因为螺杆上的突角很浅,当齿轮尝试旋转螺杆时,齿轮与螺杆之间的摩擦力会让螺杆保持原位。
这一功能在传送系统等机械中十分有用。当电动机不再转动时,这种锁止功能便可以充当传送装置的制动器。蜗轮另一个十分有趣的应用是托森(Torsen)差速器,这种差速器主要用在某些高性能汽车和卡车上。 
齿条齿轮式传动装置
齿条齿轮式传动装置可将旋转运动转化为线性运动。许多汽车上的转向系统就是这种装置的一个完美示例。在转向系统中,方向盘转动一个与齿条啮合的齿轮。当齿轮旋转时,它将带动齿条左右滑动,具体则取决于你旋转方向盘的方向。

图9. 一个家用称中的齿条齿轮式传动装置
某些称还使用齿条齿轮式传动装置来转动刻度盘。 
行星齿轮组和齿轮比
任何行星齿轮组都主要有三个主要部件:
  * 中心齿轮
  * 行星齿轮及其支架
  * 环形齿轮
在这三个组件中,每个组件都可以充当输入齿轮和输出齿轮,也可以保持不动。组件的角色分配将决定齿轮组的齿轮比。下面我们来观察一个行星齿轮组。
在我们的变速器中有这样一个行星齿轮组,其环形齿轮具有72个轮齿,中心齿轮具有30个轮齿。利用这一齿轮组,我们可以得到很多不同的齿轮比。 



输入
输出
静止
计算公式
齿轮比
A
中心齿轮(S)
行星架(C)
环形齿轮(R)
1+R/S
3.4:1
B
行星架(C)
环形齿轮(R)
中心齿轮(S)
1/(1+S/R)
0.71:1
C
中心齿轮(S)
环形齿轮(R)
行星架(C)
-R/S
-2.4:1


此外,将这三个组件中的任意两个锁定在一起,都会将整个装置的齿轮减速比锁定为1:1。请注意,上面列出的第一个齿轮比表示减速——输出速度小于输入速度。第二个表示加速——输出速度大于输入速度。最后一个也表示减速,但其输出方向被反转。利用此行星齿轮组,还可以得到其他一些齿轮比,但这些齿轮比是与自动变速器相关的。您可以在下面的动画中进行试验:

与自动变速器相关的各种齿轮比的动画演示
请单击上表左侧的按钮。

综上可知,这一齿轮组可以生成所有这些不同的齿轮比,而无需连接或拆下任何其他齿轮。通过并排使用两个这样的齿轮组,我们可以得到变速器所需的四个前进档齿轮和一个倒档齿轮。在下一部分中,我们将介绍两个齿轮组一起使用的情况


详谈渐开线齿形在一个渐开线齿形齿轮的轮齿上,接触点先是接近另一个齿轮,当后一齿轮旋转时,接触点将从该齿轮移开并移向另一个齿轮。如果您能够跟踪接触点的轨迹,将发现接触点走的是一条直线——从一个齿轮附近开始,到另一个齿轮附近停止。这意味着,当轮齿啮合时,接触点的半径将变大。

图10. 渐开线齿轮的动画

节径是指有效的接触直径。由于接触直径并不是固定的,因此节径实际上是一个平均接触距离。当轮齿第一次开始啮合时,上方齿轮的轮齿将与节径内下方齿轮的轮齿接触。但请注意,上方齿轮轮齿与下方齿轮轮齿的接触部分此时非常薄。当齿轮转动时,接触点将向上滑到上方齿轮轮齿的较厚部分。这会向前推动上方的齿轮,从而弥补了较小的接触直径。当轮齿继续旋转时,接触点将移得更远,直至移出节径范围——但下方轮齿的齿形会继续这种运动。接触点滑到下方轮齿的较薄部分,这样便稍微降低了上方齿轮的移动速度,从而抵消了接触直径的增加对速度产生的影响。最终结果是,虽然接触直径在不断变化,但速度仍然保持不变。综上可知,渐开线形齿轮轮齿可以生成固定的转速比


鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

辽公网安备 21100402204006号|科技网 ( 辽ICP备07501385号-1   

GMT+8, 2019-10-14 21:30

Powered by tech-domain X3.4 Licensed

© 2001-2017 Comsenz Inc.

返回顶部