一、齿轮传动的类型、特点和应用
齿轮传动是机械传动中最常见的一类传动，主要由主动轮、从动轮和机架组成，广泛应用于传递任意两轴或多轴间的运动。
1.类型
1）按齿轮传动轴线相对位置和齿型线方向分类
2）按齿轮传动的工作条件分类
（1）开式齿轮传动。一般用于低速或不重要的齿轮传动，即暴露在空气中，不能保持良好的润滑，灰尘，杂质易进入齿轮工作面，齿面易磨损。
（2）闭式齿轮传动。一般用于传动速度较高或重要的齿轮传动。齿轮被闭在具有足够刚度和良好润滑条件的箱体内，俗称齿轮箱。
3）按齿轮的齿廓曲线形状分类
（1）渐开线齿轮传动。
（2）圆弧齿轮传动。
（3）摆线齿轮传动。
2.特点
1）综述
（1）传递的功率和圆周速度范围大。
（2）工作可靠、寿命长。
（3）瞬时传动比恒定。
图8-1 齿轮传动的类型
（4）结构紧凑、效率高，互换性好。
（5）能实现空间任意两轴间的运动和动力传递。
（6）制造成本比较高。
（7）不适用距离大的传动。
（8）低精度齿轮传动会产生振动、噪声和冲击。
2）渐开线齿轮齿廓啮合特点
（1）齿廓啮合满足定传动比要求。
如图8-2所示，两齿廓的基圆内公切线N1N2与两齿廓连心线O1O2交点P（节点），无论两齿廓在何处接触，接触点P的位置恒定不变。两齿轮的传动比i1－2由轮1转速Ω1与Ω2之比等于轮2、轮1节圆半径r′2与r′1之比（或O2P与O1P之比）。
传动比
＝常数，即表示齿轮的传动比恒定。
图8-2
（2）两齿廓间正压力方向不变。
如图8-2所示，两齿廓内公切线N1N2只有一条且与连心线O1O2交点P（节点）的位置不变，过P点的两节圆的公切线t-t与基圆内公切线N1N2的夹角，又称为啮合角，也是不变的常数，啮合角在数值上等于渐开线节圆上的压力角，《通用机械和重型机械用圆柱齿轮标准基本齿条齿廓》（GB/T1356—2001）规定压力角α＝20°。啮合角不变表示齿啮间压力方向不变，若齿轮传递的力矩恒定，则轮齿之间压力的大小和方向均保持不变。
（3）两齿廓啮合的中心距可分性。
如图8-2所示，两齿廓基圆半径不变，即使两齿轮的中心距O1O2（即连心线）稍有点变化，其瞬时传动比仍保持不变，这种性质称为中心距可分性。实际应用过程中因制造安装误差或磨损因素导致中心距的微小改变，仍能保持良好的传动性能，体现了两齿廓的中心距具有可分性。
3）齿轮的主要参数及几何尺寸计标（以标准直齿圆柱齿轮为研究对象）
（1）模数m。
在齿轮分度圆（节圆）上的直径df，分度圆（节圆）上齿距tf，齿数z之间存在如下关系：
为了便于齿轮的设计，制造和应用将分度圆（节圆）上的
取为有理数，并作为齿轮的基本参数，称之为模数m，单位为毫米。
则df＝mz，模数m反映了齿轮分度圆（节圆）上齿距大小（tf＝mπ），模数m大，齿轮的轮齿尺寸就大，所能承受的载荷就大，模数已经标准化（GB1357—1987），见表8-1。
表8-1 齿轮模数标准系列（GB1357—1987） （mm）
注：本表适用于渐开线齿轮，对于斜齿圆柱齿轮是指法面模数；对于直齿圆锥齿轮是指大端模数，优先采用第一系列，括号内的模数尽可能不用。
（2）压力角αf。
（3）齿数z。
齿轮齿数由传动比决定，齿数多少影响着齿轮齿廓曲线的形状，在模数m、压力角αf相同时，齿数越多，齿廓曲线就越趋平直。齿条可以看做是具有无限多个齿的齿轮，其基圆直径无穷大。
（4）标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算公式见表8-2。
表8-2 标准直齿圆柱齿轮基本参数及集合尺寸计算公式
（续表）
注：1.顶隙c：一对齿轮啮合时，一个齿轮的齿顶圆到另一个齿轮的齿根圆之间的径向距离，称为顶隙。其作用是避免传动是轮齿顶撞及贮存润滑油。
2.标准齿轮：指模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数都是标准值，且分度圆上的齿厚等于齿槽宽的齿轮。
3.齿数zmin＝17：当z＜17时，齿根将会出现根切现象，齿根变窄，导致轮齿强度下降，还会影响齿轮传动精度。
3.应用
1）传动过程中各齿轮轴线位置相对机架都固定不动的齿轮系统
如卷扬机传动系统中，动力由电机（或其他动力机）输入减速器（齿轮箱），再由减速器输出轴联接装置驱动卷扬绳筒，从而卷拉（放）绳筒上的钢丝索，实现机构的收或放运动。这种功能在起重机的起升、变幅机构中广泛应用，如图8-3所示。
图8-3 卷扬机传动系统
1—电动机；2，3—联轴节；4—齿轮箱；5—卷绳筒
2）行星齿轮系
在传动过程中，至少有一个齿轮的几何轴线位置不固定，而是绕另一个齿轮的固定轴线转动的齿轮系统。
如图8-4所示，齿轮2的几何轴线O2不固定，它要绕O1或O3转动，齿轮2既绕O2自转又绕O1或O3公转，就像地球既绕地轴自转又绕太阳公转一样，实际应用中常把定轴齿轮系和行星齿轮系或两个以上的行星齿轮系组成的齿轮系统称为组合齿轮系统。
如J4-1500型强制式混凝土搅拌机传动机构中，选用行星齿轮机构，如图8-5所示。
又如塔机回转机构中，常选用行星摆线针轮减速器，小齿轮、大齿圈组合轮系组装成支承回转装置。
图8-4 组合齿轮系统
图8-5 J4-1500型强制式搅拌机传动机构示意
1—主电动机；2—中心小齿轮；3—输出轴；4—行星齿轮；5—搅拌叶总成；6～12—轴承
图8-6 蜗杆传动
3）蜗轮蜗杆传动
如图8-6所示，由蜗杆（主动件）蜗轮及机架组成蜗轮蜗杆传动机构，用于传递两交错轴之间的运动，其轴交角90°。普通蜗杆相当于一个具有梯形螺纹的螺杆。按螺旋线方向不同有左旋和右旋之分。常用的为右旋。按蜗杆轮齿螺旋线数不同可分为单线和多线蜗杆，蜗轮则可看成是一个齿宽方向具有弧形轮缘的斜齿轮。
蜗杆传动具有结构紧凑、传动比大、传动平稳、振动小，噪声低，在一定的条件下具有自锁作用，但传动效率低和制造成本较高是它的不足之处。
蜗杆的齿廓曲线为直线与齿条相同；而与之相啮合的蜗轮齿廓曲线为渐开线与圆柱齿轮相同，故在中间平面内蜗轮与蜗杆的啮合就相当于渐开线齿轮与齿条的啮合，蜗轮回转方向的确认——左（右）手定则判定，如图8-7所示。
图8-7 确认蜗杆的旋转方向
若蜗杆为右旋，用右手握住蜗杆轴线。四指顺着蜗杆的旋转方向，则大拇指沿蜗杆轴线所指的反方向即为蜗轮啮合点处的线速度方向，根据啮合点处线速度方向即可确定蜗轮的转向。若蜗杆为左旋，则用左手按相同方式认定转向。
4）齿轮的失效形式
齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，其形式如下：
（1）轮齿折断，如图8-8所示。
图8-8 轮齿折断
齿轮传动过程中，齿根处受到弯曲交变应力的反复作用，使齿轮根部受拉侧首先出现疲劳裂纹，随着应力循环的次数增加，裂纹不断扩展，齿根剩余断面上的应力超过齿轮材料的极限应力时，轮齿就会产生疲劳折断，或当短时过载冲击载荷作用在轮齿上。弯曲应力超过齿轮材料的极限应力使轮齿突然折断，即过载折断。
（2）齿面疲劳点蚀，如图8-9a所示。
齿轮传动过程中，两齿廓接触面的接触应力是按脉动循环变化的，当齿面接触应力超过材料的接触疲劳极限时，齿面表层就会产生不规则的细微疲劳裂纹，由于交变应力的反复作用，裂纹扩展，致使齿面表层的金属微粒剥落而形成麻点，发生疲劳点蚀。
点蚀使轮齿有效承载面积减少，齿面被破坏，引起冲击和噪声，进而导致齿轮传动失效。
图8-9 齿面
（a）齿面疲牢点蚀；（b）齿面磨损；（c）齿面胶合
（3）齿面磨损，如图8-9b所示。
齿轮传动过程中，由于金属微粒、灰尘、污物等进入齿轮工作面，齿面材料逐渐磨损，使渐开线齿廓失去正确形状，引起振动和噪声，轮齿变薄，导致轮齿折断。
（4）齿面胶合，如图8-9c所示。
齿轮传动过程中，相啮合齿面的金属在一定的压力下直接接触而发生粘着，并随着齿面的相对滑动，使金属从齿面上撕落，导致渐开线齿廓被破坏，引起振动和噪声，直至齿轮的损坏。
5）齿轮传动的润滑
齿轮传动过程中除了过载、冲击致使轮齿损坏外，绝大多数以齿面磨损引起轮齿失效。故齿轮传动润滑目的是减少摩擦、减轻磨损延缓齿轮传动的寿命，保证齿轮传动的工作能力。
（1）开式齿轮传动。
对开式齿轮传动以及小型、低速、轻载减速器采用涂抹、填充油脂或滴油润滑。
（2）闭式齿轮传动。
俗称变速箱内齿轮传动，常用浸油润滑（又称飞溅润滑）和喷油润滑方式。
当齿轮转动时，借助油液的黏着力将油带到啮合处进行润滑，喷油润滑即由油泵或其他供油系统将具有一定压力油液喷到啮合的齿面上进行齿面润滑。
注意：严格按机器设备使用说明书选用指定牌号的润滑油液（脂）；按机器设备使用说明书的技术要求，定期更换润滑油液（脂），防止油液（脂）老化失效；向机器设备加注油液时，注意油液标尺高度线，控制油液总量。
二、螺纹和螺纹连接的类型、特点和应用
1.螺纹的类型、特点和应用
螺纹的分类有普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等，除矩形螺纹外，其他螺纹都已标准化，除管螺纹采用英制外，都采用公制，见表8-3。
表8-3 常用螺纹的特点和应用
（续表）
2.螺纹连接的类型、特点和应用
螺纹连接的基本类型、特点和应用见表8-4。
表8-4 螺纹连接的基本类型、特点和应用
（续表）
3.标准螺纹连接件的类型、特点和应用。
标准螺纹连接件的类型、特点和应用见表8-5。
表8-5 标准螺纹连接件的类型、特点和应用
（续表）
常用的螺纹连接件有螺栓，双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈等，这类连接件都已标准化。
4.螺纹的预紧与防松
1）螺纹的预紧
多数螺纹连接在装配时就已拧紧，称为预紧，也称为紧连接。不预紧的螺栓连接称之为松连接。预紧的目的是增强螺栓连接的可靠性，防止松脱。对于受拉力作用的螺栓连接，还可提高螺栓的疲劳强度，对于受横向载荷的紧螺栓连接，有利于增大连接中的摩擦力。
对于一般的连接可凭经验来控制预紧力的大小，但对重要的连接就要严格控制其预紧力，可通过控制拧紧力矩来实现。常用测力矩扳手和定力矩扳手来控制拧紧力矩。
2）螺纹的防松
表8-6 常用的防松方法及特点
（续表）
常用的单线螺纹是能满足自锁条件，在静载荷或冲击振动不大时不会自行松脱，但在冲击载荷下或当温度变化很大时，连接有可能松动，甚至松脱而造成严重事故。螺栓连接防松的实质在于防止工作时螺栓与螺母相对转动，具体防松方法有摩擦防松、机械防松和永久防松三类，见表8-6。
三、带传动的工作原理、特点和应用
带传动是一种应用很广的机械形式，主要用于传递两轴之间运动（动力），带传动一般由主动带轮，从动带轮、传动带组成，如图8-10所示。
图8-10 带传动
常用于减速传动装置中，且两轴回转方向相同，俗称为开口传动，被分为摩擦型和啮合型的两大类传动，其中摩擦型应用较广。
1.工作原理和主要参数
1）工作原理
胶带安装后，由于张紧的原因，胶带中存在初拉力
。同时，在胶带与带轮的接触面上产生正压力，当主动轮转动时胶带与带轮的接触表面上产生摩擦力
，于是主动轮靠摩擦力
带动胶带运动，胶带又靠摩擦力
带动从动轮。故胶带传动是借助于中间挠性件胶带的摩擦传动。
2）主要参数
（1）传动比
（2）中心距L，即主，从动轮的中心距离。
（3）包角α，即胶带在主动轮上的包围弧所对的中心角，要求α≥120°（平带传动α≥150°）。
2.带传动的美型和特点
1）摩擦型带传动
如图8-11～图8-14所示。
图8-11 平带传动
图8-12 V带传动
图8-13 多楔带传动
图8-14 圆带传动
2）特点
（1）适用于中心距较大的传动。
（2）胶带具有弹性，能缓和冲击，吸收振动，传动平稳无噪声。
（3）过载时，带与带轮会出现打滑，此时传动虽不能正常进行，但能防止其他零件损坏，起载保护作用。
（4）结构简单，维护方便，无须润滑，成本低廉。
（5）圆带的弹性滑动，不能保证准确的传动比。
（6）传动效率较低，带的寿命较短。
（7）传动的外廓尺寸和带作用于轴上的压力都较大。
（8）不宜在高温，易燃及有油、水的场合使用。
（9）一般允许带速v＝5～25m/s，传动比i≤7，传动效率η≈0.90～0.95范围内使用。
3）啮合型带传动
如图8-15所示，啮合型带传动依靠带的内侧凸齿与带轮外缘上的齿槽相啮合来传递运动和动力，即如同步带传动。
图8-15 同步带
4）特点
啮合型带传动除了保持摩擦型带传动的优点外，还具有传递功率大、传动比准确等特点。一般用于要求传动平稳、传动精度较高的场合，故这种带传动制造、安装精度要求较高，成本相对比较高。
3.应用
胶带传动应用比较广泛，其中V带使用得比较普遍。
1）V带有普通V带、窄带、宽带、大楔角带、汽车V带等多种类型，其中以普通V带应用最广。标准V带通常制成无接头的环形带，其横截面如图8-16所示。
图8-16 V带的结构
结构组成主要由包布、顶胶、抗拉体和底胶四部分，顶胶与底胶为橡胶材料制成，外层用胶帆布包覆成型。
V带的尺寸已标准化《普通V带和窄V带尺寸》（GB/T11544—2012），普通V带分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号，见表8-7、表8-8。
表8-7 V带的截面尺寸
表8-8 普通V带的基准长度 （mm）
（续表）
在同样条件下，截面尺寸大，则能传递的功率就大。V带两侧工作面的夹角θ称为带的楔角，普通V带θ＝40°。V带轮的材料带采用铸铁、铸钢、铝合金、工程塑料等，轮缘上制有槽，槽的结构尺寸和数量应与所用V带的型号、根数相对应（表8-9）。V带楔角为40°，为了保证工作时带与带轮面接触良好，故将带轮轮楔角规定为32°、34°、36°和38°四种。
表8-9 普通V带轮的轮槽尺寸
带轮可采用实心式带轮，也可制成带有轮辐和轮缘部分的带轮，如图8-17所示。
图8-17 普通V带轮的典型结构
《普通和窄V带轮》（GB/T10412—2002）和《普通和窄V带传动》（GB/T13575—2008）选用时严格按标准执行，确保带传动有效。Damin取值范围可根据不同的带轮轮切角和V带型号选用。
2）带传动的张紧和维护
（1）带传动的张紧。
带传动不仅在安装时带张紧在带轮上，而且在带工作一段时间之后，由于带的塑性变形而发生松弛，导致初拉力下降影响其传动能力时，还需对带重新张紧。
①调整中心距方式，如图8-18和图8-19所示。
图8-18 带传动的定期张紧装置
图8-19 带传动的自动张紧装置
②张紧轮方式，如图8-20所示。
通常带与带轮安装后，在两带轮中间段的V带上用拇指下按一段距离l≤15mm，则该带传动张紧度适中。
（2）带传动的维护。
带传动在使用过程中，需要进行正常的维护保养，以保证传动能力，延长使用寿命。
图8-20 带传动的张紧轮张紧装置
①为确保安全，带传动装置外面应加装防护罩。
②防止带与酸、碱油接触而腐蚀传动带，还不宜暴晒。
③带传动无须润滑，禁止向传动带或轮槽内加注润滑油、脂。
④应定期检查传动带，若有一根松弛或损坏则全部更新。
⑤安装或拆卸传动带时，应使用调整中心距的方法将传动带套入或取出。严禁用撬棍等工具将带撬入或撬出带轮。
⑥严禁在有易燃、易爆气体的环境中使用带传动，以免发生危险。
⑦若要闲置传动装置一段时间，则应将传动带放松，存放传动带时，须将传动带悬置或平放在货架上，以免变形。
四、轴的功用和类型
组成机器的各类零件中，轴是一种重要的零件。轴的功用：支承轴上零件，并使其具有确定的工作位置，同时传递运动和动力。
（1）根据承载情况的不同，轴分为转轴、心轴和传动轴三类。
①转轴。工作时既承受弯矩，又传递扭矩的轴，是机器中最常见的轴，如减速器中的齿轮轴等，如图8-21所示。
②心轴。工作时只承受弯矩，不传递转矩的轴。不随零件一同转动的心轴，称为固定心轴，如滑轮轴。随零件一同转动的心轴，称为转动心轴，如火车车轮轴、滑轮轴等。如图8-22和图8-23所示。
图8-21 减速器轴
1—齿轮；2—轴承；3—轴；4—联轴器
图8-22 滑轮轴
图8-23 火车车轮轴
③传动轴。工作时主要以传递转矩，不承受弯矩或弯矩很小的轴，如汽车变速箱与后桥差速器之间的轴。如图8-24所示。
（2）按轴线形状的不同，分为直轴、曲轴和挠性轴三类。
①直轴、转轴、心轴、传动轴，都属于直轴类。直轴按其外形的不同，还可分为光轴和阶梯轴两种。光轴轴上各处外径相同，形状简单，加工容易，应力集中源少，但轴上的零件不易装配和定位；价梯轴轴上各段直径不同，方便轴上零件的装拆，定位和固定，在机器上广泛应用。
②曲轴。如图8-25所示，用于内燃机等有特殊要求的机器中。
③挠性轴。如图8-26所示，这种轴可以把回转运动灵活地传到任何位置。
图8-24 汽车传动轴
图8-25 曲轴
图8-26 挠性轴
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