机械传动基础知识分析

第一章机械传动基础知识

第一节基本概念

一、常用的传动方式

人类为了适应生活和生产上的需要，创造出各种各样的机器来代替或减轻人的劳动。例如汽车、洗衣机以及各种机床。在机器中，通常工作部分的转速（或速度）不等于动力部分的转速（或速度），运动形式往往也不同。通常，将机器中动力部分的动力和运动按预定的要求传递到工作部分的中间环节，称为传动。

传动可以通过机、电、液等形式来实现。在现代工业中，根据传动的原理不同，主要应用着机械传动、液压传动、气压传动和电传动等四种传动方式。每种不同的传动形式都是通过一定的介质来传递能量和运动的，而由于传递介质的不同，形成了不同的传动特点，以及不同的适用范围。

1．机械传动

机械传动是利用带轮、齿轮、链轮、轴、蜗杆与蜗轮、螺母与螺杆等机械零件作为介质来进行功率和运动的传递，即采用带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动和螺旋传动等装置来进行功率和运动的传递。机械传动是最常见的传动方式，它具有传动准确可靠、操纵简单、容易掌握、受环境影响小等优点，但也存在传动装置笨重、效率低、远距离布置和操纵困难、安装位置自由度小等缺点。

2．液压传动

液压传动是采用液压元件，利用处于密封容积内的液体（油或水）作为工作介质，以其压力进行功率和运动的传递。液压传动由于自身所具有的特点，在现代工业中得到广泛的应用。

3．气压传动

气压传动是采用气动元件，利用压缩空气作为工作介质，以其压力进行运动和功率的传递。气压传动近年来在国内外都得到很快发展，这是因为它不仅可以实现单机自动化，而且可以控制流水线和自动线的生产过程，是实现自动控制的一种重要方法。

4．电传动

电传动是采用电力设备和电气元件，利用调整其电参数（电压、电流和电阻），来实现运动或改变运动速度。如收录机中拖动磁带的小电机，机床电气控制装置，直流电机，变频电机等。

以上四种传动方式在现代传动装置中，充分发挥着各自的特点和作用。下面将着重介绍一些常见的机械传动形式：带传动、链传动、齿轮传动和螺旋传动。

二、机械传动在机器中的应用

我们以图1-1所示牛头刨床的传动简图为例，来说明机械传动在机器中的作用。由图可知，牛头刨床由床身、滑枕、刨刀、工作台、齿轮、带轮、带、导杆、滑块等组成。电动机是刨床的动力来源，安装在床身上。刨刀和工作台是直接完成切削任务的工作部分。要将动力部分的动力和运动传到工作部分，

就离不开这两者之间的传动部分。刨床的动力和运动的传递由如下方式实现：在偏心销上套有一个可以绕其轴线回转的滑块，而滑块嵌入导杆中间的槽内，它与导杆中间的槽可作相对滑移。导杆上端与滑枕用铰链相联，当电动机经齿轮传动装置带动大齿轮转动时，通过偏心销和滑块，便可带动导杆作往复摆动，从而通过铰链使滑枕沿床身的导轨作往复移动。因此，在动力部分和工作部分之间，有带传动、齿轮传动、平面连杆机构等传动装置。

图1-1 牛头刨床

1—电动机；2—齿轮传动装置；3—带传动；4—大齿轮；5—滑枕；6—床身；7—销钉；

8—螺旋传动；9—刨刀；10—工作台；11—偏心销；12—滑块；13—导杆。

通过分析牛头刨床的传动系统，可以看出机械传动在其中有如下作用：

（1）改变运动速度

电动机的转速是比较高的，经带传动到齿轮箱输入轴上的大带轮时，转速已降低。再通过改变滑移齿轮啮合位置能获得几种不同的转速。可见带传动和齿轮传动可将某一输入转速变为几种不同的输出转速，从而使滑枕能够获得多种不同的移动速度。

（2）改变运动形式

牛头刨床的动力部分是电动机，输入的运动形式是回转运动，经过带传动和齿轮传动后仍为回转运动，但经过曲柄滑块机构（由偏心销、滑块、导杆组成）后，牛头刨床的滑枕却变成了直线往复运动。

（3）传递动力

电动机的输出功率通过带传动和齿轮传动及曲柄滑块机构把动力传给滑枕，然后使装在刀架上的刨刀有足够的切削力完成刨削工作。

第二节带传动

一、带传动的工作原理和传动形式

1．带传动的工作原理

带传动是一种应用很广泛的机械传动装置，它是利用传动带作为中间的挠性件，依靠传动带与带轮

之间的摩擦力来传递运动和动力。

带传动由主动轮1、从动轮2和挠性传动带3组

成，如图1-2所示。当主动轮回转时，在摩擦力的作

用下，带动传动带运动，而传动带又带动从动轮回转，图1-2 带传动的工作原理

这样就把主动轴的运动和动力传给从动轴。1—主动轮；2—从动轮；3—传动带。

2．带传动的形式

在实际使用中，由于使用场合和转动方向不同，有不同的传动形式。根据两轴在空间的相互位置和转动方向的不同，带传动主要有开口传动、交叉传动和半交叉传动三种传动形式，如表1-1所示。

（1）开口传动

开口传动用于两轴平行并且旋转方向相同的场合。两轴保持平行，两皮带轮的中间平面应重合。开口传动的性能较好，可以传递较大的功率。

（2）交叉传动

交叉传动用于两轴平行但旋转方向相反的场合。由于交叉处皮带有摩擦和扭转，因此传动带的寿命和载荷容量都较低，允许的工作速度也较小，线速度一般在11m/s以下。

交叉传动不宜用于传递大功率，载荷容量不应超过开口传动的70～80%，传动比可到6。为了减少磨损，轴间距离不应小于20倍的带轮宽度。

（3）半交叉传动

半交叉传动用于空间的两交叉轴之间的传动，交角通常为90°。传动带在进入主动轮和从动轮时，方向必须对准该轮的中间平面，否则，传动带会从带轮上掉下来。

半交叉传动的线速度一般不宜超过11m/s，传动比一般不超过3，载荷容量约为开口传动的70～80%，并且只能单向传动，不能逆转。

表1-1 常用带的传动形式

开口传动交叉传动半交叉传动

传动简图

二、带传动的主要类型、特点和应用

1．带传动的主要类型

根据传动原理，带传动可分为摩擦型带传动和啮合型带传动两类。

（1）摩擦型带

带传动的主要类型是摩擦型带传动。这种带传动中，由于带紧套在两个带轮上，带与带轮接触面间产生压力，当主动轮回转时，依靠带与带轮接触面间的摩擦力，拖动从动轮一起回转而传递一定的运动和动力。根据带的截面形状，常用的摩擦型带传动可分为平带传动、V带传动、多楔带传动和圆带传动，如图1-3所示。

平带传动 V带传动多楔带传动圆带传动

图1-3 摩擦型带传动

平带横截面为扁平矩形，质轻且挠曲性好。传动结构简单，带轮制造容易，在传动中心距较大的情况下应用较多。一般用的平带是有接头的橡胶帆布带，运转不平稳，不适于高速运转。在某些高速机械（如磨床、离心机等）中常用无接头的高速环形胶带、丝织带和锦纶编织带等。

V带横截面为等腰梯形，其工作面为带轮上制出的环形沟槽相接触的两侧面，带与轮槽底不接触。在带对带轮的压紧力Q相同时，V带传动产生的最大摩擦力约为平带传动的3倍，因此V带能传递较大的功率。此外，允许的传动比较大、中心距较小，外廓尺寸小，且V带无接头，传动较平稳，故应用最广。

多楔带是在平胶带基体上做出若干纵向楔的环形传动带，其工作面为楔的侧面，带轮也有相应的环形轮槽。多楔带有平带挠曲性好和V带摩擦力较大的优点，并能克服多根V带传动各带受力不均的特点，常用于传递功率较大而结构要求紧凑及速度较高的场合。

圆带的横截面为圆形，一般用皮革或棉绳制成，结构简单，但传动功率很小。常用于低速轻载的机械，如缝纫机、仪表机械、真空吸尘器和磁带盘等的机械传动。

（2）啮合型带

啮合型带传动是依靠带上的齿与带轮轮齿的相互

啮合传递运动和动力，比较典型的是图1-4所示的同

步带传动，它除保持了摩擦带传动的优点外，还具有

传递功率大，传动比准确等优点，故多用于要求传动

平稳、传动精度较高的场合。图1-4 同步带传动2．带传动的特点

带传动的主要优点是：

（1）适用于两轴中心距较大的传动，中心距最大可达10m。

（2）带传动是弹性体，可缓冲、吸振，传动平稳，噪声小。

（3）结构简单，制造、安装和维护方便，成本低廉。

（4）过载时，带在带轮上打滑，可防止其它零件损坏，起安全保护作用。

带传动的主要缺点是：

（1）带传动的结构不够紧凑，传动装置的外廓尺寸较大。

（2）带在带轮上有弹性滑动，瞬时传动比不恒定，且传动效率低，带的寿命较短。

（3）因需要张紧，对轴的压力大。

（4）带传动中的摩擦会产生电火花，不适宜用在高温、易燃、易爆或经常与油水接触的场合。

3．带传动的应用

由于带传动的上述特点，带传动多用于机械中要求传动平稳、传动比要求不严格、中心距较大、传递功率不大的高速级传动中。通常，带传动的传动效率约为0.94～0.97，工作速度一般为1～21m/s。为使传动结构紧凑，带传动传递的功率最大不超过10kW。为防止传动时带打滑，带传动的常用传动比不超过7，一般平带i≤3，V带i≤7。带传动一般多用于动力部分（电动机）到工作部分的高速传动，如牛头刨床中的带传动。

第三节链传动

一、链传动的工作原理

链传动是以链条作为中间挠性传动件，通过链节与链轮齿的不断啮合和脱开而传递运动和动力的，它属于啮合传动。如图1-5所示，链传动由主动链轮1、链条2和从动链轮3组成。当主动链轮转动时，通过链条与链轮之间的啮合力带动从动链轮跟着旋转，

同时将主动轴的运动和动力传递给从动轴。

二、链传动的类型、特点和应用

1．链传动的类型

根据用途的不同，链传动分为传动链、起重链和图1-5 链传动

牵引链。传动链用来传递动力和运动，起重链用于起1—主动链轮；2—链条；3—从动链轮。

重机械中提升重物，牵引链用于链式输送机中移动重物。

一般机械传动中常用的是传动链。传动链有齿形链和短节距精密滚子链（简称滚子链）。齿形链又称无声链，由成组齿形链板左右交错排列，并用铰链联接而成，如图1-6所示。它运转平稳，噪声小，承受冲击载荷的能力高，但结构复杂，质量大，价格高，常用于高速或运动精度和可靠性较高的传动装置中。

（a）链结构（b）啮合传动

图1-6 齿形链

1—轴瓦；2—轴销；3—链板。

滚子链结构简单，成本较低，生产量大，从低速到较高速、从轻载到重载都适用，在传动链中占有

主要地位。如图1-7所示，滚子链由滚子1、套筒2、销轴3、内链板4和外链板5所组成。

（a）链的主要几何尺寸（b）8字形链板（c）过渡链板

1—滚子；2—套筒；3—销轴；4—内链板；5—外链板。

图1-7 滚子链的结构

链板一般制成8字形，以使它的各个横截面具有接近的抗拉强度，

同时减少了链的质量和运动时的惯性力。链条中相邻两销轴中心的距

离称为节矩，用p表示，它是链传动的主要参数。节矩较大，链的各

元件尺寸也越大，链传递的功率也越大，但平稳性变差。故在设计时

如果要求传动平稳，则应尽量选取较小的节矩。当传递功率较大时，

可采用双排链（如图1-8所示）或多排链。

多排链由几排普通单排链用销轴联成，多排链的承载能力与排数

成正比，但由于精度的影响，各排链所受载荷不易均匀，故排数不宜

过多，常用双排链或三排链，四排以上的少用。滚子链已标准化，国图1-8 双排链

家标准是GB1243—97。

2．链传动的特点

链传动与其它传动相比，链传动的主要优点是：

（1）链传动是具有中间挠性件的啮合传动，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，故能保证准确的平均传动比，传动效率较高，结构紧凑，传递功率大，张紧力比带传动小，作用在传动轴与轴承上的力较小，但无过载保护作用。

（2）在相同功率条件下，链传动比带传动结构紧凑，并适用于低速、重载下工作。

（3）与齿轮传动相比，链传动结构简单，加工成本低，安装精度要求低，适用于较大中心距的传动，能在高温、多尘、油污等恶劣的环境中工作。

链传动的主要缺点是：

（1）链条与链轮工作时磨损较快，使用寿命较短，磨损后链条的节距增大，链轮齿形变瘦，链条在啮合时会发出“咯咯”的响声，甚至造成脱链现象。

（2）只能传递平行轴间的同向回转运动，安装时对两轮轴线的平行度要求较高。链条不适宜装在两

个成水平位置的链轮上传动，这样容易发生脱链或顶齿。

（3）由于链条进入链轮后形成多边形折线，从而使链条速度忽大忽小地周期性变化，并伴有链条的上下抖动。因此，链传动的瞬时传动比不恒定，传动平稳性较差，有冲击和噪声，不宜用于高速和急速反向的场合。

（4）制造费用较高。

3．链传动的应用

链传动主要用于两轴相距较远、传动功率较大且平均传动比又要求保持不变、工作条件恶劣（如多粉尘、油污、泥沙、潮湿、高温及有腐蚀性气体）的场合。目前多用于化工机械、矿山机械、农业机械、自行车、摩托车和装配流水线传动机构中，例如，日常生活中使用的自行车就是利用链传动的工作原理，通过链条将脚踏部分的运动和力传递给后轮，然后驱动自行车后轮转动的。

第四节齿轮传动

一、齿轮传动的工作原理和传动形式

1．齿轮传动的工作原理

齿轮传动是由主动齿轮1、从动齿轮2和机架所组成，如图1-9

所示。当一对齿轮相互啮合工作时，主动轮O1的轮齿（1、2、3……），

通过啮合点法向力F n的作用逐个地推动从动轮O2的轮齿（1′ 、2′ 、

3′ ……），使从动轮转动，从而将主动轴的动力和运动传递给从动轴。

齿轮传动时，两齿轮轴线相对位置不变，并各绕其自身的轴线而

转动。图1-9 齿轮传动2．齿轮传动的传动形式O1—主动齿轮；O2—从动齿轮。

按照齿轮工作条件不同，齿轮传动又可分为开式传动、半开式传动和闭式传动三种形式。

（1）开式齿轮传动

这种传动齿轮是外露的，由于灰砂容易落入齿面，润滑不完善，故轮齿易磨损。优点是结构简单，适用于圆周速度较低和精度要求不高的情况。

（2）半开式齿轮传动

这种传动齿轮的下部浸入润滑油池内，有简单的防护罩，但仍然没有完全克服开式传动的缺点，一般用于较低速度的传动。

（3）闭式齿轮传动

齿轮和轴承等均装在刚性很大的箱体内（如各种减速器中的齿轮传动），润滑良好，封闭严密，安装精确，可保证良好的工作，因此用的较多。

二、齿轮传动的类型、特点

1．齿轮传动的类型

齿轮传动的类型很多，按照一对齿轮轴线间的相互位置不同，可分为两轴平行的齿轮传动，如圆柱齿轮传动；两轴相交的齿轮传动，如圆锥齿轮传动；两轴交错的齿轮传动，如螺旋圆柱齿轮传动。按照轮齿的方向，可分为直齿、斜齿、人字齿、圆弧齿等齿轮传动。按啮合情况不同，又可分为外啮合齿轮传动、内啮合齿轮传动、齿轮与齿条啮合传动。齿轮传动的分类可参见表1-2。

表1-2 齿轮传动类型

轴线互相平行轴

侧

图

外啮合圆柱直齿轮

传动

内啮合传动齿轮齿条传动外啮合圆柱斜齿轮

传动

运

动

简

图

轴线相交

（特例：轴

线交角为

∑90o）

直齿锥齿轮曲线齿锥齿轮

轴

线

相

错

交错轴斜齿轮（∑≠90o）蜗杆传动（∑=90o）

2．齿轮传动的特点

齿轮传动的优点：

（1）由于采用合理的齿形曲线，所以齿轮传动能保证两轮瞬时传动比恒定，平稳性较高，传递运动准确可靠。

（2）适用的传动功率和圆周速度范围较大。

（3）传动效率高（一般为0.94～0.99，一般圆柱齿轮的传动效率可达98%），使用寿命长。

（4）结构紧凑、体积小。

齿轮传动的缺点：

（1）齿轮的制造、安装精度要求较高，制造成本大。

（2）承受过载和冲击的能力差，低精度齿轮传动时噪声和振动较大。

（3）当两传动轴之间的距离较大时，若采用齿轮传动结构就会复杂，所以齿轮传动不适宜于距离较大两轴间的运动传递。

轴侧图运动简图

（4）没有过载保护作用。

（5）在传递直线运动时，不如液压传动和螺旋传动平稳。

三、齿轮传动的基本要求

齿轮传动类型很多，用途各异，但从传递运动和动力的要求出发，各种齿轮传动都应满足下列两项基本要求：

1．传动平稳

要求齿轮在传动过程中，应始终严格保持瞬时传动比恒定不变，否则主动轮匀速转动而从动轮转速时快时慢，会引起冲击、振动和噪声，影响传动的质量。由于齿轮采用了合理的齿形曲线（通常采用渐开线、摆线和圆弧，其中最常用的是渐开线），于是就保证了瞬时传动比保持不变。这样可保持传动平稳，提高齿轮的工作精度，以适用于高精度及高速传动。

2．承载能力强

要求齿轮要有足够的抵抗破坏能力以传递较大的动力，并且还要有较长的使用寿命及较小的结构尺寸。

要满足上面两个基本要求，就须对轮齿形状、齿轮的材料、齿轮加工、热处理方法、装配质量等诸多方面提出相应的要求。

四、齿轮系的分类与功用

由一对齿轮组成的机构是齿轮传动的最简单形式，但在机械中，为了将输入轴的一种转速变换为输出轴的多种转速，或为了获得大的传动比等，常采用一系列互相啮合的齿轮来达到此要求。这种由一系列齿轮组成的传动系统称为齿轮系，简称轮系。

1．轮系的分类

通常根据轮系运动时齿轮轴线位置是否固定，将轮系分为定轴轮系和周转轮系两种。传动时，所有齿轮轴线的位置都是固定不变的轮系称为定轴轮系。图1-10所示为两级圆柱齿轮减速器中的定轴轮系，图1-11所示为汽车变速箱中的定轴轮系。

（a）轴侧图（b）运动简图（a）轴侧图（b）传动示意图图1-10 两级圆柱齿轮减速器图1-11 汽车变速箱至少有一个齿轮的轴线可绕另一齿轮的固定轴线转动的轮系称为周转轮系。如图1-12所示，齿轮2的轴线围绕齿轮1的固定轴线转动。

（a）轴侧图（b）运动简图

图1-12 周转轮系

2．轮系的功用

在实际机械传动中，轮系得到广泛应用，其功用归纳如下：

（1）实现相距较远两轴之间的传动

当两轴间的距离a较大时，若仅用一对齿轮来传动则齿轮尺

寸过大，既占空间，又浪费材料，且制造安装都不便。若用轮系

传动，就可克服上述缺点，如图1-13所示。图1-13 相距较远的两轴间的传动（2）获得大的传动比

一对齿轮传动受到结构尺寸的限制，传动比不能太大，而利用轮系可以由若干个齿轮传动来获得较大的传动比。

（3）实现变速、换向的传动

当主动轴转速或转向不变时，利用轮系可使从动轴获得多种转速或改换转向。

（4）实现多路传动

实际机械中，有时需要由一个主动轴带动几个从动轴一起转动，这时可采用轮系实现这一要求。

第五节螺旋传动

一、螺旋传动的工作原理

螺旋传动是利用由带螺纹的零件构成的螺旋副将回转运动转变为直线运动的一种机械传动方式。

螺旋传动主要由螺杆、螺母和机架组成。如图1-14所示为车床大拖板的螺旋传动结构简图，在螺杆外表面和开合螺母内表面均制有螺纹，相互组成螺旋副，当车床的长螺杆转动，借助开合螺母就带动了大拖板作直线移动。

二、螺旋传动的类型和特点

1．螺旋传动的类型

（1）螺旋机构按螺旋副中的摩擦性质，可分为滑动螺旋、滚动螺旋两种类型。

滑动螺旋的螺杆与螺母直接接触，处于滑动摩擦状态，如图1-14所示。滑动螺旋具有以下特点：螺杆与螺母之间的摩擦大，易磨损，且传动效率低；可设计成自锁特性的传动；结构简单、制造方便。

大拖板

开合螺母

螺杆

（a）外循环（b）内循环图1-14 车床的螺杆螺母传动图1-15 滚动螺旋

若将螺旋副的内、外螺纹改成内、外螺旋状的滚道，并在其间放入滚动体，便是滚动螺旋，如图1-15所示。

滚动体多用滚珠，当螺杆或螺母转动时，滚珠不仅可以沿螺旋槽滚道滚动，将螺杆与螺母分开，形成滚动摩擦，而且在螺母和丝杠之间传递动力和运动。滚珠经中间导向装置可返回滚道中初始位置，形成封闭式的反复循环。循环方式分为外循环和内循环两类，分别如图1-15a、1-15b所示。内循环中螺母的每一圈螺纹装一个反向器，滚珠在同一圈滚道内形成封闭循环回路。内循环滚珠流动性好，摩擦损失较少，传动效率高，径向尺寸小，但反向装置加工精度高。外循环是滚珠在回程时脱离螺杆的滚道，而在螺旋滚道外进行循环。外循环加工方便，但径向尺寸较大。

滚动螺旋由于用滚动摩擦代替了滑动摩擦，所以大大减小了摩擦阻力，改善了螺旋传动条件，启动转矩小，传动平稳、轻便，效率高；不具有自锁特性，可以变直线运动为旋转运动，结构复杂，制造困难。

（2）按使用要求不同，螺旋机构又可分为传动螺旋、传力螺旋和调整螺旋机构三种。

传动螺旋机构主要用于传递运动，常要求其具有较高的传动精度和传动效率。例如机床工作台的传动机构就是利用螺杆的转动，使螺母带动工作台沿机架上的导轨而产生移动。

传力螺旋机构主要用来传递动力，常见的有螺旋千斤顶和螺旋压力机，当以较小的力转动螺杆（或螺母），就能使其产生轴向运动和大的轴向力，完成举起重物或加压于工件的工作。

调整螺旋机构主要用来调整和固定零件的相对位置。这种螺旋机构的螺杆上有两段螺距或旋向不同的螺纹，分别与固定螺母、可动螺母组成双螺旋机构。差动螺旋机构是最常见的调整螺旋机构。

2．螺旋传动的特点

螺旋机构与其它将回转运动转变为直线运动的传动装置（如曲柄滑块机构）相比，具有结构简单，工作连续、平稳、承载能力大、传动精度高、易于自锁等优点，在机械制造中获得了广泛的应用。其缺点是螺纹之间产生较大的相对滑动，因而磨损快，使用寿命短，效率低，近年来由于滚动螺旋机构的应用，使磨损和效率问题得到了很大的改善。