任务三
齿轮传动的结构与应用

本任务主要讲述齿轮传动的特点与类型，齿轮的结构，齿轮的失效方式。通过轮系的学习认识定轴轮系、行星轮系，了解齿轮传动在汽车转向器、正时系统、变速器、主减速器和差速器上的应用。

［任务目标］

完成本任务的学习后，你应：

●能描述齿轮传动的特点。

●能识别齿轮传动的类型。

●能描述齿轮的结构、失效形式。

●能识别不同的轮系。

●能识别汽车转向器、正时系统、变速器上的齿轮传动。

●能识别汽车主减速器、差速器上的齿轮传动。

一、齿轮传动的特点与分类

1.齿轮传动的特点

齿轮传动依靠主动齿轮与从动齿轮的啮合传递运动和力。它是目前应用最广泛的一种机械传动，与其他传动相比，具有以下特点：

①瞬时传动比恒定，传动比范围大，可用于减速或增速。

②速度和传递功率的范围大，可用于高速( v >40 m / s)、中速和低速( v <25 m / s)的传动；功率从 1 W到 10 ⁵ kW。

③传动效率高，使用寿命长。

④结构紧凑，工作可靠。

⑤可以传递空间任意两轴之间的运动。

⑥制造成本较高。

⑦低精度齿轮传动时噪声和震动较大。

⑧无过载保护作用。

2.齿轮传动的类型

(1)按照一对齿轮两轴线的相对位置和轮齿的齿向不同，齿轮传动的分类见表 2-1。

(2)按齿轮的工作条件，可分为：

①开式齿轮传动：齿轮暴露在外，不能保证良好的润滑，适用于低速及不重要的场合。

②半开式齿轮传动：齿轮浸入油池，只有简单防护罩，适用于简单机械设备。

③闭式齿轮传动：润滑、密封良好，用于汽车、机床及航空发动机等的齿轮传动中。

二、齿轮的结构与失效形式

1.齿轮的结构

齿轮的基本结构由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成，常见的结构形式见表 2-2。

2.齿轮的失效形式

所谓失效，是指丧失了正常工作能力。对于齿轮传动来说，其失效主要是轮齿的失效，轮齿的失效主要有以下五种类型：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形。因此对齿轮材料的基本要求是：齿面较硬，齿芯较软，以抵抗各种齿面失效和齿根折断。

(1)轮齿折断：主要发生在齿根部分，轮齿的折断有过载折断和疲劳折断，它是最为常见的齿轮失效形式，如图 2-32 所示。汽车变速器使用齿轮较多，其失效现象为齿轮工作时，变速器会发出有节奏的响声，伴随转速变化而变化；如果断齿超过三个，就不能正常工作了。轮齿折断常常是突然发生，后果是传动失效，不但会使齿轮和机器不能工作，甚至会造成重大事故，所以应特别注意。汽车变速器中的齿轮断齿原因如下，在实际工作中需要关注：

①材质不达标或热处理工艺不过关、润滑不当。

②装配时没有按照技术要求进行组装或是突加油门等不当操作。

③更换后没有正确调整好传动副的间隙，造成配合过紧。

④润滑油没有按照规定标号配用，使齿轮传递动力时加大扭矩而造成损坏或断裂。

⑤组装时变速器内有其他金属物体或螺栓等杂物。

(2)齿面点蚀：润滑良好的闭式齿轮传动常见的失效形式。点蚀是在齿面接触应力超过材料的接触疲劳极限时，在齿面上产生的麻点状损伤现象，如图 2-33 所示。

(3)齿面磨损：开式齿轮传动的主要失效形式。外界杂质落入齿面产生磨损，破坏齿形，齿厚变薄影响传动的平稳性，严重时将导致轮齿折断，如图 2-34 所示。

(4)齿面胶合：在高速重载的齿轮传动中，因温度升高，润滑油的油膜被破坏，接触齿面产生很高的瞬时温度，同时在很高的压力下，齿面接触处的金属局部黏结在一起。当齿轮继续运转时，由于两齿轮的相对滑动，在齿轮表面撕成沟纹，这种现象称为齿面胶合，如图 2-35所示。

(5)齿面塑性变形：低速重载软齿轮传动的主要失效形式。重载时，较软的齿面可能在摩擦力作用下沿摩擦力方向产生局部塑性流动，从而破坏齿形。材料较软及摩擦力很大时，齿面材料沿着摩擦力的方向产生塑性变形，如图 2-36 所示。

三、轮系

用一对齿轮可以传递运动和转矩，并达到减速、增速及改变从动轴转向等目的。但是在汽车及其他很多机械中，为了获得大的传动比或变换转速、转向，通常需要采用一系列互相啮合的齿轮将主动轴和从动轴连接起来。这种由一系列齿轮组成的传动系统称为轮系。根据其在传动时各个齿轮的几何轴线是否有相对固定的空间位置，通常可以将轮系分为定轴轮系、行星轮系两大类。

1.定轴轮系

由多个齿轮组成，当轮系运转时，轮系中各个齿轮的几何轴线都是固定的，这种轮系称为定轴轮系，如图 2-37 所示。从图中可以看出，每个齿轮都在各自轴上固定做周转运动，不能做轴向滑移或径向上下变动，其实就是固定在不同的轴上，汽车的变速机构就是利用此原理设计的，如两轴式变速器、三轴式变速器。

2.行星轮系

轮系运转时，至少有一个齿轮的几何轴线是绕另一个齿轮的几何轴线转动，这种轮系称为行星轮系，也称为周转轮系。在如图 2-38 所示的行星轮系中，行星轮同时与太阳轮和内齿圈啮合，在绕其自身轴线转动（自转）的同时又绕行星架轴线转动（公转）。这种传动可将复杂的、大体积、大空间的轮系传动变为小体积、小空间的轮系传动，更有效地利用了汽车或其他设备的有限空间，同时利用空心轴充分有效地提高了各种传动过程实心轴不可能达到的效果，所以在汽车或其他的机械中得到广泛应用。

3.轮系的作用

(1)可获得很大的传动比

当两轮之间的传动比较大时，若仅用一对齿轮传动，则两个齿轮的齿数差一定很大，导致小齿轮磨损加快。为此，一对齿轮传动的传动比不能过大。而采用轮系传动可以获得很大的传动比，以满足低速工作的要求。如汽车发动机在正常工作时，曲轴转速可达每分钟数千转，而在汽车倒车时，车轮转速只有每分钟上百转，其间就是用轮系来实现减速的。

一对啮合齿轮的传动比等于从动齿轮齿数与主动齿轮齿数之比，称为传动比，用 i 表示，有

式中 n ₁ ———主动齿轮转速；

n ₂ ———从动齿轮转速；

Z ₁ ———主动齿轮齿数；

Z ₂ ———从动齿轮齿数。

平面定轴轮系传动比的大小等于组成该轮系的各对啮合齿轮传动比的连乘积，也等于各对啮合齿轮中所有从动轮齿数的连乘积与所有主动轮齿数的连乘积之比，即

其中 m 为齿轮 1 到齿轮 n 所有外啮合次数。

(2)可做远距离的传动

当主动轴和从动轴的中心距较大而又必须采用齿轮传动时，如果只用一对齿轮传动，则齿轮尺寸差距明显过大。若改用轮系来传动，便能避免这种缺陷。

(3)可以方便地实现变速和变向要求

通过轮系传动可以改变轮齿旋转的方向，获得不同的转速。外啮合齿轮传动时，两轮转向相反；内啮合齿轮啮合时，两轮转向相同。汽车在行驶过程中常常会改变行驶速度，前行或后退，通过轮系的使用可以很容易地实现，所以汽车的变速器、主减速器等就是利用轮系制造的，如图 2-39 所示。

(4)可以实现运动的合成与分解

采用行星轮系，可以将两个独立的运动合成为一个运动，或将一个运动分解为两个独立的运动。差动轮系不仅能将两个独立的运动合成为一个运动，而且还可将一个基本构件的主动转动按所需比例分解成另外两个基本构件的不同运动。汽车后桥差速器就利用了差动轮系的这一特性，如图 2-40 所示。

四、齿轮传动在汽车上的应用

1.发动机正时齿轮

为了保证发动机正常工作，气门凸轮轴必须与曲轴之间有相应关系，即配气有正时。四冲程发动机有四个工作循环：进气—压缩—做功—排气，曲轴转两圈完成这四个工作循环；凸轮轴的作用是用来开关气门，一个气缸的工作循环中包括进气一次，排气一次，也就是说一个工作循环凸轮轴只需转一圈就达到了进气、排气的目的，所以曲轴跟凸轮轴的转速比为2 ∶ 1,对于凸轮轴下置式配气机构，采用不同齿数的齿轮啮合即可达到目的，如图 2-41所示。

2.齿轮齿条转向器

齿轮齿条转向器是机械转向器，又名转向机、方向机。汽车转向时，驾驶员作用于转向盘上的力，经过转向轴（转向柱）传到转向器，再通过转向传动机构推动车轮偏转，汽车行驶方向改变。汽车齿轮齿条式转向器如图 2-42 所示，主要由转向齿轮、转向齿条、转向器壳体等组成，依靠转向齿轮与转向齿条的啮合传递运动和动力。齿轮齿条转向器结构简单、工作可靠、效率高，多用于前轮为独立悬架的轻型及微型轿车和货车上，例如奥迪、桑塔纳、天津夏利轿车、南京依维柯轻型货车等都采用了齿轮齿条转向器。

3.变速器

变速器是能固定或分挡改变输出轴和输入轴传动比的齿轮传动装置，又称变速箱。汽车变速器是汽车传动系中最主要的部件之一，通过改变传动比，适应在起步、加速、行驶、倒车以及克服各种道路阻碍等不同行驶条件下对车速的不同需要。按操纵方式分类，变速器可分为手动变速器(MT)、自动变速器(AT)、手动/自动变速器。按变速器主轴不同分类，变速器可分为两轴和三轴变速器。

图 2-43 所示为桑塔纳 2000 的两轴变速器，变速器通过离合器将发动机的动力由一轴传递到二轴，再传递给主减速器。齿轮形式多为斜齿圆柱齿轮、直齿圆柱齿轮。两者相比较，斜齿圆柱齿轮由于轮齿接触是斜线，在啮合过程中是逐渐进入和退出啮合，因此斜齿圆柱齿轮传动平稳，冲击和噪声小；同时斜齿圆柱齿轮承载能力大，结构紧凑，适用于变速器的高速传动；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力。变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，直齿圆柱齿轮仅用于低挡和倒挡。

以常见的手动三轴变速器为例，了解变速器的工作原理：

(1)变速变矩：一对大小、齿数不同的齿轮啮合，可以实现变速变矩，两齿轮外啮合，方向相反。小齿轮带动大齿轮，降速增扭；大齿轮带动小齿轮，增速降扭。

(2)换挡原理：传动比变化，即挡位变化，当动力不能传到输出轴，就是空挡。

(3)变向原理：相互啮合的一对齿轮旋向相反，经过中间轴的传动，输入轴和输出轴的转向一致。倒车时，倒挡齿轮结合，再加上倒挡中间齿轮，输入轴和输出轴的转向相反。

变速器的工作原理如图 2-44 所示：发动机输出的动力经过中间轴间接传递至输出轴。换挡时，换挡杆移动换挡叉（拨叉），再通过同步器的结合，齿轮将中间轴的动力传递给输出轴。结合前，换挡齿轮在输出轴上空转。结合后，动力通过同步器，把动力传递到输出轴上。

4.主减速器和差速器（视频差速器工作原理）

汽车正常行驶时，发动机的转速通常为 2000 ~ 3 000 r/ min左右，但扭矩有限，不能驱动汽车，需要减速增扭。所以发动机的动力经过变速器输出后，必须经过主减速器将变速器输出的动力再次减速，以增加转矩，才能通过差速器传递到车轮。在发动机横向布置的汽车上，主减速器往往采用简单的斜齿圆柱齿轮；在发动机纵向布置的汽车上，主减速器往往采用圆锥齿轮和准双曲面齿轮的形式。以曲齿锥齿轮主减速器（图 2-45）为例，它是依靠齿数少的齿轮带动齿数多的齿轮来实现减速的，采用曲齿锥齿轮传动同时可以改变旋转方向。

汽车差速器是一个差速传动机构，它的位置处于传动轴与左右半轴的交汇点，从发动机输出的动力在这里经过主减速器被分配到左右两个半轴，用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递，如图 2-46 所示。

普通差速器的核心是两个行星齿轮和两个与传动轴相连的半轴齿轮。这四个齿轮都在差速器壳内，通过主减速器传来的动力带动差速器壳体，壳体转动时带动行星轮转动，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。如图 2-46 所示，车辆直行时，差速器壳体内的行星齿轮只是跟着壳体公转而不会自转，左右车轮转速相同；当车辆转弯时，内侧车轮会产生更大的阻力，两侧半轴受力不同会使中间的行星齿轮产生自转，外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。

［任务检测］

1.认识齿轮传动的类型。请在图 2-47 中标出齿轮传动的类型。

2.认识齿轮的失效形式。请标出图 2-48 中齿轮的失效形式。

3.认识轮系。请在图 2-49 中标明啮合齿轮的旋向。

4.齿轮传动在汽车上的应用。

(1)在汽车发动机正时齿轮中，曲轴跟凸轮轴的转速比为 2 ∶ 1,那么曲轴齿轮齿数与凸轮轴齿轮齿数比为___。

(2)齿轮传动在汽车转向系的应用主要是___。这种机械式转向器主要由___、___和转向器壳体组成。

(3)手动变速器中的常啮合齿轮均采用___齿轮，___齿轮仅用于低挡和倒挡。变速器是根据不同的齿轮啮合得到不同的___，从而实现换挡的目的。

(4)请在图 2-50 中标出 1、2、3、4 零件的名称。

［评价］

［反思］

1.发动机和变速器都需要润滑油润滑，发动机的润滑油称为机油，变速器的润滑油称为齿轮油（变速器油），思考二者有何区别？能否混用？齿轮失效有多种形式和原因，如何合理使用齿轮油防止齿轮失效？

2.变速器按操纵方式分为手动变速器(MT)、自动变速器(AT)。手动变速器里的轮系为定轴轮系的代表，思考自动变速器的轮系是什么种类？

3.前置后驱的汽车在驱动后桥设置了差速器，思考前置前驱的差速器在哪里？左右车轮间有差速器，前后轴之间有差速器吗？ s3jOebkbLcJpzDA1VaW/7jmRNRP6a9JDTxPVkmaKyHijjFC5uAhSDjckadTUx4/7