第三讲 传动及典型零件
讲 师： 王明辉
1. 带传动
2.
链传动
3. 齿轮传动
3.1 齿轮传动分类
3.2 齿轮材料和热处理方法的选择 3.3 圆柱齿轮传动几何尺寸的计算 3.4 齿轮与齿条传动几何尺寸的计算
4. 滚珠丝杠
4.1 滚珠丝杠的分类 4.2 滚珠丝杠的五个特长 4.3 滚珠丝杠的选择 4.4 滚珠丝杠的安全设计
4.4.1 润滑 4.4.2 防尘
4.4.3 使用上的注意事项 4.4.4 滚珠丝杠的安装
5. 线性滑轨
5.1 直线运动系统的额定负载和寿命 5.2 摩擦系数
5.3 润滑和安全设计
6. 其它操作件
6.1 传动件 6.2 流动应用件 6.3 密封件 6.4 弹性件
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6.5 磁性件
机械组件简介
设计是纸上造物，是一种创造性的活动，它需要灵感，经验和丰富的构思．构思的信息来源愈丰富愈好，要设计出合乎要求的机构除应掌握机构学的逻辑，还应对组件有足够的了解．
机构是许多组件组成的，其中一个组件运动时，而其它组件做相应的动作，它是一个约束运动的系统．
对实际的设计大多是组合设计，通过创造和造择合乎机构学逻辑的方法，将各种组件有机组合成机构，因此我们需了解组件本身的技术和组件相互间的技术．
今天侧重介绍组件的种类，并就其选用做简要说明．
1.带传动
皮带和链等柔性传动机构，因为是性体连接故有柔软性，有吸收传动中的振动以保护其它机构的特征．与摩擦轮相比，由于是面接触故传递力大． 皮带类因为是靠接触部份的摩擦传递力的，故不能避免滑移．只是链稍有不同．具有齿轮相似的机能．如果要正确地保持速比．没有偏差地传递回转，是需要链具有定节距性．
诸如在大间距或许多轴同时回转，即在长而宽的对方传动时，经常使用柔性传动方式．用齿轮有点过于高级，相当程度上是机能过剩．使用简单是柔性的优点，但相应地秘须要注意例如轴间距长时的拉力调整和防止偏移与脱落等＜皮带＞．
作为电动机连接形式广泛使用的是三角皮带，皮带与皮带轮都已标准化，由于皮带传动是靠摩擦力的，必须给皮带加拉力才能挥作用． 该拉力一般是靠以下方法加上去的：（１）．皮带的自重；（２）．靠短皮带拉紧的安装；（３）．张紧轮（拉紧轮、压紧轮）；（４）靠移动一侧的轴以产生拉紧等，特别是（４）为三角皮带传动的基本方案．
对通用电动机的轴承，作用的拉力是以径向载荷加上的，所以在使用标准的皮带罗和皮带时，即使电机厂已有所考虑．但超过了就必须另加考虑，支承强度．
皮带的拉力在初期运行时必然松驰，所以必须进行再调整合适的垂度，对三角皮带．每在轴间距100mm的中间部位为1.6mm左右．此垂度是在A型，皮带加上1kg左右．B型，加上2kg左右的特定载荷值时的数值，该值多由皮带制造厂规定． 皮带的传动效率也能达到95～99％，麻烦的是在传动中，有起伏振动的从振，和在皮带在平皮带上有同期性左右晃动的横振、滑动特别在速度小、传动力大的下易引起三角皮带传动的速比到１：７左右．特殊情况能取到１：１０左右．速比是很大的．
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2.链传动
链传劝的速比准确且传递力大，在柔性机构中最“坚固”，有噪音和振动问题对链速度的周期性变化必须予以注意．
两轴间的距离用齿轮传动太远．用皮带传动太近，并且要传递大动力时，可使用链轮一般轴间距多在４m以下．
虽不如皮带适用于高速回转，但有不受温度和湿度的影响的优点．
链在使用中由于磨损等原因整体长度要伸长，为使其缩短要将链环一节一节取下，因而不能作到任意长度的缩短，只能是近似长度．当延伸的比例达到２．５％时，大体上就必须拆换了．
链原来是于低速和大马力范围的，但现在也开始逐渐也被使用于高速的用途上了，一般滚子链取５米／秒以下，无声链取７米／秒以下．
滚子链的链轮，齿数少时链的磨损严重．另外回转不均匀．因而一般取１７齿以上齿数，无声链因为改善了接触，振动和噪音显着减少．
从耐久力这一点看，选择节距小，链轮齿数多的，或与链轮的大小相比．选择一点的链的更合乎要求．
回转方向要使松边处于下方，在链轮上下布置时，或以一方为移动轴，或加进惰轮，都必须加上适当拉力才行．两轴间的水平距离很大时，可在途中设中间轴．或反松边入在上方加上惰轮．
链轮的包角至少９０°以上．一般取１２０°以上．考虑时应保证紧边最少要有三个齿相啮合．
链不象皮带那样能滑动．在过载时如无安全装置则不得保护．所以多有靠摩擦的转矩限制器等附属机构．
润滑同时也起到冷却作用，还可减少噪声和延长寿命． 滚子链的轴间距离取节距的３０～５０倍左右是标准的．加脉动载荷时控制在２０倍以下．链的下垂度是正负振摆的总和，约为轴间距的４％左右．在载荷易变动，在小轴音或垂直布置的情况下，减至２％拉直安装．
链在直线状态下使用时，要注意两端安装部份和载荷部份的停止方法：一边磨损大，这一部份就承受不了．
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3. 齿轮传动
3.1 齿轮传动分类
圆柱齿轮传动
平行轴齿轮传动
齿轮传动
非圆齿轮传动
直齿锥齿轮传动 斜齿锥齿轮传动
渐开线齿轮传动 圆弧齿轮传动 摆线齿轮传动 其它
相交轴齿轮传动
交错轴齿轮传动
曲线锥齿轮传动
交错轴斜齿轮传动 准双曲面齿轮传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 蜗杆传动 锥蜗杆传动
环面蜗杆传动
按主﹑从齿轮转向不同又分为 : 外啮合齿轮传动, 内啮合齿轮传动和齿条传动 常用齿轮传动 : 渐开线圆柱齿轮传动, 及直齿和弧齿锥齿轮传动
3.2 .齿轮材料和热处理方法的选择
材 料 调 质 钢 热 处 理 特 点 调质后有较好的强度和韧性,切削性能也好 适 用 条 件 广泛用于强度和精度要求不太高的 一般中,低速齿轮传动,以及热处理后 齿面精加工比较困难的大型齿轮 调质(HB220~300) 为保持两齿轮的硬度差,大齿轮可用正火, 精加工可在热处理后进行,加工方便,成本低, 正火(HB<220) 易于跑合 高频淬火(齿面硬齿面硬度高而芯部有较好韧性,为提高芯部强度 往往高频淬火前先调质,可用火焰表面淬火代替 度: 合金钢HRC45~55, 但质量不易保证,为消除热处理变形,需要磨齿, 碳素钢HRC40~50) 成本高但精度亦高,要注意淬裂 齿面硬度很高而芯部保持韧性,热处理变形大 广泛用于要求承载能力高而体积小 的齿轮 广泛用于要求承载能力高,耐冲击性第 4 页 共 14 页
渗 渗碳淬火 设备开发部讲义 讲师： 王明辉
热处理后应磨齿,增加成本和加工时间,但可获得高能好,精度高,体积小的中型以下齿轮 碳 (齿面硬度: 钢 一般为HRC56~62) 精度齿轮 渗 氮 钢 铸 钢 铸 铁 渗 氮 正火,调质 高频淬火 可获得很高的齿面硬度而芯部仍有较好的韧性为提高芯部强度对中碳钢往往先调质 热处理温度低,变形小,热处理后可不磨齿 成本较高 可制造形状复杂的大型齿轮, 强度低于同牌号同样热处理的调质钢,注意铸造缺陷 可制造形状复杂的大型齿轮,耐磨性好,易加工,承载能力低,价格便宜 用于不能制造的大型齿轮 灰铁和可锻铸铁用于低速,轻载,无冲击的齿轮, 球铁可用于载荷和冲击稍较大的齿轮 适用于较大且在较平稳载荷下工作的齿轮,以及没齿面精加工设备而又硬化层很薄,抗点蚀和耐磨性好,但不宜受冲击载荷 需硬齿面的齿轮 注:该表仅引入适合于GB3480-83渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法采用的钢和铸铁制造齿轮.其它仅作参考 对高速,小功率,精度不高的齿轮还可用非金属材料制造.如PA, PC, POM, PPO等.
3.3 圆柱齿轮传动几何尺寸的计算
项目 主 要 几 何 尺 寸 计 名称 模数 压力角 分度圆直经 齿顶高 齿根高 全齿高 齿顶圆直经 代号 m或mn a或an d ha hf h da 直齿轮计算公式 m值由强度计算或结构设计决定 a=20° d=zm ha=ha*m=m(ha*=1) hf=(ha*+c*)m=1.25m h=ha+hf=2.25m da=d+2ha=(z+2)m 斜齿(人字齿)轮计算公式 mt=mn /cosβ an=20° tanat=tanan/cosβ d=zmt=zmn/cosβ ha=han*mn=mn(han*=1) hf=(han*+cn *)mn=1.25mn h=ha+hf=2.25mn da=d+2ha=(z/cosβ+2)mn 第 5 页 共 14 页
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算 公 式 齿根圆直经 中心距 基圆直经 齿顶圆压力角 端面重合度 纵向重合度 总重合度 当量齿数 df A db aa εa εβ εγ zv df=d-2hf=(z-2.5)m A=(d1+d2)/2=(z1+z2)m/2 db=dcosa aa=arccos(db/da) εa=[z1(tanaa1-tana)+ z2(tanaa2-tana)]/2π εβ=0 εγ=εa df=d-2hf=(z/cosβ-2.5)mn A=(z1+z2)mn/2cosβ db=dcosat aat=arccos(db/da) εa=[z1(tanaat1-tanat)+ z2(tanaat2-tanat)] /2π εβ=bsinβ/πmn εγ=εa+εβ zv=z/cos3β k≒anz'/180°+0.5 假想齿数z'=z invat/invan wkn=mncosan[π(k-0.5)+ z'invan] wkn=mnwkn* wkn*由齿数z在附表查取 重 合 度 k k=az/180°+0.5 k=0.111z+0.5 侧 公法线跨齿数 隙 wk=mcosa[π(k-0.5)+ zinva] 检 公法线长度 wk或wkn 当a=20°时wk=mwk* 查 wk*由齿数z在附表查取 注:斜齿轮按公法线长度进行测量时,必须满足b>Wknsinβ的条件
3.4 齿轮与齿条传动几何尺寸的计算 项目 主 要 几 何 尺 寸 计 名称 模数 压力角 分度圆直经 齿顶高 齿根高 代号 a或an d ha hf 直齿轮计算公式 a=20° d1=zm ha1=(ha*+x1)m ha2=ha*m hf1=(ha*+c*-x1)m hf2=(ha*+c*)m 斜齿(人字齿)轮计算公式 mt=mn /cosβ an=20° tanat=tanan/cosβ d1=zmt=zmn/cosβ ha1=(han*+xn1)mn ha2=han*mn hf1=(han*+cn *-xn1)mn hf2=(han*+cn *)mn 第 6 页 共 14 页
m或mn m值由强度计算或结构设计决定 设备开发部讲义 讲师： 王明辉
算 公 式 全齿高 齿顶圆直经 齿根圆直经 h da df H db aa εa εβ εγ zv h1=ha1+hf1 h2=ha2+hf2 da1=d1+2ha1 df1=d1-2hf1 H=d1/2+xm db1=d1cosa aa1=arccos(db1/da1) εa=[z1(tanaa1-tana)+ 4(ha*-x1)/sin2a]/2π εβ=0 εγ=εa k=az/180°+0.5 k=0.111z+0.5 wk=mcosa[π(k-0.5)+zinva] 当a=20°时wk=mwk* wk*由齿数z在附表查取 h1=ha1+hf1 h2=ha2+hf2 da1=d+2ha1 d1=d1-2hf1 H=d1/2+xn1mn db1=d1cosat aat1=arccos(db1/da1) εa=[z1(tanaat1-tanat)+ 4cosβ(han*-xn1)/sin2at]/2π εβ=bsinβ/πmn εγ=εa+εβ zv1=z1/cos3β zv2=∞ k≒anz'/180°+0.5 假想齿数z'=z invat/invan wkn=mncosan[π(k-0.5)+z'invan] wkn=mnwkn* wkn*由齿数z在附表查取 齿轮中心线到齿条中线距离 重 合 度 侧 隙 检 验
基圆直经 齿顶圆压力角 端面重合度 纵向重合度 总重合度 当量齿数 公法线跨齿数 k wk或wkn 公法线长度 注: 标准传动时, x1=0 第 7 页 共 14 页
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4. 滚珠丝杠
4.1 滚珠丝杠的分类
轴端.半成品
带轴标准库存品
轴端.成品
标准导程 精密滚珠螺杆 预压型
螺母标准品 无预压型
螺母标准品 预压型
标准导程 转造滚珠螺杆 转造轴和标准螺母库存品 无预压型
预压型
精密滚珠螺杆-螺母标准品
无预压型
滚珠螺杆 大导程 滚珠螺杆 转造滚珠螺杆转造轴和标准螺母库存品 无预压型
预压型
精密滚珠螺杆 无预压型
螺母旋转滚珠丝杠 转造滚珠螺杆
螺母回转系列 行程.旋转型
珠螺杆花健轴
行程型
角型
支撑单元 固定侧 圆型
滚珠丝杆 支撑侧 角型 周边零配件 圆型
螺母支座
锁紧螺母
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（见附录资料）4.2
滚珠丝杠的五个特长
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一、 驱动力矩仅为滑动螺杆的1/3 二、 保证高精度 三、 能微量进给 四、 无游隙、高刚性 五、 能高速进给
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4.3
滚珠丝杠的选择
（共3页）
4.3.1 滚珠丝杆的选择程序
4.3.2 滚珠丝杆的使用条件
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（见附录资料）
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（见以下附录资料）4.4
滚珠丝杠的安全设计
（共3 页）
4.4.1 润滑 4.4.2 防尘
4.4.3 使用上的注意事项 4.4.4 滚珠丝杠的安装
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（见附录以下资料）5.
线性滑轨
（共8页） 5.1 直线运动系统的额定负载和寿命 5.2 摩擦系数 5.3 润滑和安全设计
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6. 其它操作件
6.１
传动件
“轴”、“轴承”、“联轴器”一类，也是在任何机构里都广为使用的．对联轴器，离合器和万向联轴器等，很早就有各式各样有意义的构思，自动机的设计频繁地使用电磁离合器／制动器，新产品也有很多种．
6.２ 流动应用件
“管”和“管接头”等组件，随着推广流体利用技术，在生产机械中已占相当的部份，但高压配管仍是问题的领域．具体可参览气、油压等各种手册．
6.３ 密封件
Ｏ型圈和液体填料等方面的进步是显著的，虽然大部份成了“填料”（动密封）
与“垫”（静密封）但其中也包括胡机构密封（端面密封）的结构和迷宫环（非接触密封）的构造等，除去以焊接一类的永久性连接以外，要知道组装的密封部份因为是防漏的并不是完全隔绝的．
6.４ 弹性件
“弹簧”，“橡胶”和“气垫”等也是机械的重要组件．在以缓冲，产生复原力和能量的暂时储存为目的时，是不呆缺少的． 往复运动的机构里可以使用各种缓冲器，但用细孔使流体移动形式的“阻尼延迟
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器”，不仅在吸收冲击方面，并且在延迟时间和调节时间方面也被广泛地利用． 防止超载的“限制”，从安全角度是很重要的，这里也多使用弹簧和摩擦效应．振动和噪音容易成为公害的原因．共振也带来破坏性影响，弹性体为该防振装置的主要设施．
弹簧为工业上广泛应用的零件，既可以原样地以柔性管道的形式，用做管路的输送材料，也可以做为万向接头用于传递小的动力，也有于弹簧与齿轮齿合起缓冲，防止过载作用的构造，这样的例子不少．
“盘簧”是简单而可靠性强的小型动力源，形状为涡状板簧，与其它弹簧相比，可作更多的工作，如代替或并用电池或压缩空气作为动力源是有利的，这从钟表的长时间动作的实例中可以看出．
6.５ 磁性件
利用永久磁铁和电磁铁产生各装置，如提升器、气和磁力分离器等，其应用范围是很广的．装夹工作方面，要说除机械装夹以外的装夹方法，首先可举出是气动和电磁的．铁族材料和电磁吸盘的组合，具有开发各种应用产品的余地．非接触的磁力驱动，特别是在小型机构方面将打开新的途径．当超过某一温度时永久磁铁将失去磁性，该温度就是居里点铁的居里点是个770°ｃ．另外一般情况下，磁铁全都只能用作吸收，而在极低温的条件下，与铅之类的超导体相斥，可充分用于分离．轴承的磁支持等（无摩擦轴承）在工业方面的应用是不可估量的．
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