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了解齿轮种类和两轴的关系

前言

近年开发的新产品基本没有革新性的新型产品,主要都是对老版模型的式样变更或者设计变更。
因此,通过对老版模型的构造或者零部件形状的部分变更来打造新产品的技能则是对设计提出的新要求。
设计师擅自对产品构造或零部件形状进行大的改动,导致问题发生时,设计师本身则需要负相应责任。因此,通过在CAD上随意的复制粘贴式的设计大行其道,在对构造和机构的原理一无所知的情况下进行开发也成为现在的普遍现状。

例如,从前作为兴趣或车载用而普及的收音机、CD播放器里面放置有可在狭小空间使用的链接器、齿轮、弹簧等。这种构造结构紧凑,可靠性高。可是,由于现在通过USB储存卡或者无线通信即可播放音乐,机械设计师仅需设计不随动作反应的电子基板框体即可。
由于这样的时代变化,机械设计师接触机械设计的机会也在逐渐变少,导致思考新构造和新机构的创造力匮乏。
受老版模型的变化和功能的软件化等影响,机械设计师应该怎样面对机械设计呢?
在研究使用齿轮的机械结构之前,本系列将对齿轮的基础知识进行解说。

1, 什么是机械要素

机械要素是构成机械的零件当中诸如螺钉、螺母、齿轮和键等的最小单位。机械要素主要有以下零件(表1-1)。

表1-1 主要机械要素
齿轮

齿轮
功能:
连续传达旋转运动

皮带轮 / 扣链齿轮

皮带轮 / 扣链齿轮
功能:
连续传达旋转运动

凸轮

凸轮
功能:
把旋转运动转换成不连续的直线运动

弹簧

弹簧
功能:
蓄积重量 / 增强缓冲

滚动轴承 / 滑动轴承

滚动轴承 / 滑动轴承
功能:
支撑旋转轴

螺钉 / 螺母 / 垫片 / 丝杠

螺钉 / 螺母 / 垫片 / 丝杠
功能:
紧固零件 / 把旋转运动转换成直线运动

键 / 销轴 / 扣环

键 / 销轴 / 扣环
功能:
固定旋转方向的偏差 / 防止零件向轴线方向脱落

油封

油封
功能:
密封液体和气体 / 防止异物进入

2, 驱动传达要素的种类

机械要素当中,驱动传达主要分为以下几大类(表1-2)。

表1-2 驱动传达要素的分类
驱动传达 刚体接触传达 啮合传达 齿轮等
摩擦传达 摩擦轮等
非刚体接触传达 啮合传达 齿带或链等
摩擦传达 传送带等
非接触传达 磁力传达 磁性齿轮等

在这些驱动传达要素中,最为常用的是啮合传达的齿轮。

齿轮是通过固定在两个轴上带有凹凸面(齿)的刚体,一个凸面与一个凹面不断的啮合来实现旋转运动的机械要素。

3, 齿轮的作用

使用齿轮的机械设计有以下作用(表1-3)。

表1-3 齿轮的作用
齿轮代表性的作用 说明顺序
改变旋转轴的方向 本次将进行说明
把旋转运动转换成直线运动 本次将进行说明
改变旋转方向(顺时针,逆时针)
改变旋转数(增速,减速)
改变旋转力(增强扭矩,减小扭矩)

齿轮根据形状,用途,材质等可以分为很多种类。设计时最先探讨的是安装在齿轮上的两轴的配置。
可以通过齿轮种类来决定两轴的方向。
齿轮轴的配置可以分为以下3大类(表1-4)。

表1-4 根据齿轮轴位置的齿轮分类

平行轴上使用的齿轮

平行轴上使用的齿轮
正齿轮 / 斜齿轮 / 人字齿轮 / 内齿轮 / 齿条(做直线运动用)

交叉轴上使用的齿轮

交叉轴上使用的齿轮
直齿锥齿轮 / 弧齿锥齿轮

交错轴上使用的齿轮

交错轴上使用的齿轮
圆柱蜗杆副 / 交错轴斜齿齿轮 / 准双曲面齿轮

首先,让我们来看一下在平行轴上使用的齿轮种类和特征(表1-5)。

表1-5 在平行轴上使用的齿轮的种类和特征

正齿轮

正齿轮
齿线为直线且和轴平行的圆柱齿轮。齿和轴平行配置,因此有机械效率高的优点。但是由于啮合率和斜齿轮相比略小,因此在由强度和啮合方面导致的噪声问题上是其劣势。

斜齿轮

斜齿轮
齿线与轴处于相互倾斜位置的圆柱齿轮。由于齿与轴处于相互倾斜位置,所以容易产生轴向力,机械效率与正齿轮相比较差。但是,啮合率与正齿轮相比较大,因此在由强度和啮合方面导致的噪声问题上有其优势。

人字形齿轮

人字形齿轮
左旋和右旋的斜齿轮组合在一起的齿轮。由于啮合时产生的轴向力可以相互抵消,所以可以在有减小轴向力需求时使用。

内齿轮

内齿轮
齿在圆筒内侧的齿轮。有齿线与轴平行或倾斜的两种。想要有效利用有限空间时使用。

齿条

齿条
在平板或者棒状材料的一面刻有齿,可以把它看做是圆柱齿轮半径无限变大的物体。
与之配对使用的是圆柱齿轮。
把旋转运动转换成直线运动,或者把直线运动转换成旋转运动时使用。

机器猫
"齿条与圆柱齿轮啮合可以轻松实现旋转运动与直线运动的自由转换!"

接下来,我们一起看一下在交叉轴上使用的齿轮的种类和特征(表1-6)。

表1-6 交叉轴上使用的齿轮的种类和特征

直齿锥齿轮

直齿锥齿轮
齿线与节锥线的母线一致的齿轮,齿线为直线。

弧齿锥齿轮

弧齿锥齿轮
齿线为曲线的锥齿轮。
与圆柱齿轮相同,与直齿锥齿轮相比,啮合率更高,因此在由强度和啮合方面导致的噪声问题上有其优势。

接下来我们看一下交错轴上使用的齿轮的种类和特征(表1-7)。

表1-7 交错轴上使用的齿轮的种类和特征

圆柱蜗杆副

圆柱蜗杆副
蜗杆和与之啮合的蜗轮的总称。只需一对齿轮副的啮合即可获得大的减速比是其特征。但是,由于是滑动接触产生的摩擦,机械效率与其他类型齿轮相比明显较小。啮合时的噪音低也是其特征。
减速比大于1/40时,可以从蜗杆驱动,不可以从蜗轮驱动,有着不可逆的特点。但是,也有因振动产生逆转的可能。不可逆性被称为自锁。

交错轴斜齿轮

交错轴斜齿轮
圆柱齿轮副在交错轴上做运动传达的齿轮。一般应用在较小负荷的机械结构上。

准双曲面齿轮

准双曲面齿轮
在交错轴上传达运动的圆锥状齿轮。锥齿轮中两轴不相交型。
一般的准双曲面齿轮的减速比在1/10左右,高传动比准双曲面齿轮可以实现高减速比,在设计上可以跟蜗轮蜗杆一样,达到不可逆性。

机器猫
"有不可逆转的齿轮吗?"

设计时一般先决定好两轴的关系,然后按照两轴关系选定齿轮。但是,考虑到齿轮的成本,两轴关系可以按照以下优先顺序。

1, 平行轴上使用的齿轮 (廉价)
2, 交叉轴上使用的齿轮
3, 交错轴上使用的齿轮 (昂贵)

从以上介绍我们了解了作为机械要素的齿轮的作用以及齿轮的种类和特征。

下次我们将对使用齿轮做机械设计时非常重要的一个因素,即有关速比的相关想法进行解说。

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