第二節　機械基礎

一、機械連接

（一）螺紋連接

1.螺紋

（1）螺紋的形成

螺紋是指平面圖形（如三角形、矩形、梯形等）在圓柱（或圓錐）表面上，沿著螺旋線上升所形成的具有規定牙型的連續凸起。凸起是指螺紋兩側面間的實體部分，又稱為牙。在圓柱（或圓錐）外表面上所形成的螺紋稱為外螺紋；在圓柱（或圓錐）內表面上所形成的螺紋稱為內螺紋。

（2）普通螺紋的基本參數

①直徑（圖1-77）

大徑（d、D）——指螺紋的最大直徑，又叫作公稱直徑。

中徑（d2、D2）——通過螺紋軸向剖面內牙型上溝槽和凸起寬度相等處的直徑。

小徑（d1、D1）——是指螺紋的最小直徑。

②線數（n）

線數是指螺紋螺旋線的數目。螺紋有單線和多線之分，沿一條螺旋線形成的螺紋稱為單線螺紋，沿兩條或兩條以上螺旋線形成的螺紋稱為多線螺紋，如圖1-78所示。

③螺距（P）和導程（Pn）

螺距是指相鄰兩牙在中徑線上對應兩點間的軸向距離。

導程是指同一條螺旋線上的相鄰兩牙在中徑線對應兩點間的軸向距離。

螺紋導程=螺距×線數　　即：Pn=P×n

④旋向

順時針旋轉時旋入的螺紋，稱為右旋螺紋。逆時針旋轉時旋入的螺紋，稱為左旋螺紋。工程上常用右旋螺紋。

⑤升角（λ）

螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。

⑥牙型角（α）

螺紋軸向剖面內，螺紋牙型兩側邊的夾角稱為牙型斜角。

（3）螺紋的種類、特點及應用

按照用途的不同，螺紋可分為連接螺紋和傳動螺紋兩大類。連接螺紋有普通螺紋、管螺紋和圓錐螺紋。傳動螺紋有梯形螺紋、鋸齒形和矩形螺紋。

①普通螺紋牙型是等邊三角形，內外螺紋旋合后留有徑向間隙。普通螺紋按螺距大小又分為粗牙螺紋和細牙螺紋。細牙螺紋的螺距小，升角小，自鎖性能好，強度高，但不耐磨，易滑扣。一般連接多用粗牙螺紋，細牙螺紋多用于細小零件、薄壁管件或受沖擊、振動和變載荷的連接中，也用作微調機構的調整螺紋用。

②管螺紋

管螺紋螺紋牙型是等腰三角形，牙型角為55°。根據密封性，管螺紋又分為圓柱管螺紋和圓錐管螺紋。圓柱管螺紋的牙頂有較大的圓角，內外螺紋旋合后無徑向間隙，保證連接的緊密性。適用于水、氣、潤滑和電氣管路系統。圓錐管螺紋的螺紋分布在錐度為1：16的圓錐管壁上。內外螺紋旋合后，利用本身的變形就能保證連接的緊密性。適用于高溫、高壓或密封性要求高的管路系統。

③圓錐螺紋的牙型是等腰三角形，牙型角為60°，牙頂是平頂，多用于汽車、航空機械、機床的燃料、油、水、氣的輸送管路系統。

④矩形螺紋的牙型是矩形，牙型角為0°，傳動效率較高，但牙根強度弱，磨損后難以修復。為便于加工，常制成10°的牙型角。

⑤梯形螺紋的牙型是等腰梯形，牙型角為30°，內外螺紋以錐面貼緊，不易松動。與矩形螺紋相比，傳動效率略低，但工藝性好，牙根強度高，對中性好，是最常用的傳動螺紋。

⑥鋸齒形螺紋牙型是不等腰梯形，工作面的牙型角為3°，非工作面的牙型角為30°。內外螺紋旋合后，外徑處無間隙，便于對中。這種螺紋具有矩形螺紋傳動效率較高、梯形螺紋牙根強度高的特點，但中能用于單向受力的螺旋中。

2.螺紋連接

（1）螺栓連接

常見的普通螺栓連接如圖1-79（a）所示。這種連接是被連接件上的通孔與螺栓桿間留有間隙，通孔的加工精度低，結構簡單，裝拆方便，使用時不受被連接件材料的限制，因此應用極廣。圖1-79（b）是鉸制孔用螺栓連接，這種連接能精確固定被連接件的相對位置，并能承受橫向載荷，但孔的加工精度要求較高。

（2）雙頭螺柱連接（圖1-80）

雙頭螺柱連接適用于結構上不能采用螺栓連接的場合，例如被連接件之一太厚，不宜制成通孔或需要經常拆裝時，往往采用雙頭螺柱連接。

（3）螺釘連接（圖1-81）

螺釘連接是螺釘直接擰入被連接件的螺紋孔中，不用螺母，在結構上比雙頭螺柱連接簡單，用途和雙頭螺柱連接相似，但多用于受力不大，又不需要經常拆裝的場合。

（4）緊定螺釘連接（圖1-82）

緊定螺釘連接是利用擰入零件螺紋孔中的螺釘末端頂住另一零件的表面或頂入相應的凹坑中，以固定兩個零件的相對位置，并可傳遞不大的力或扭矩。螺釘除作為連接和緊定用外，還可作為調整零件位置，如機器、儀器的調節螺釘等。

除上述四種基本螺紋連接形式外，還有一些特殊結構的連接（圖1-83）。例如專門用于將機座或機架固定在地基上的地腳螺栓連接；裝在機器或大型零、部件的頂蓋或外殼上便于起吊用的吊環螺釘連接；用于工裝設備中的T形槽螺釘連接等。

3.螺紋連接的預緊

在實用上，絕大多數螺紋連接在裝配時都必須擰緊，使連接在承受工作載荷之前，預先受到力的作用。這個預加的作用力稱為預緊力。

預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性，防止受載后被連接件出現縫隙或發生相對運動。適當選用較大的預緊力對螺紋連接的可靠性以及連接件的疲勞強度都是有利的。特別像氣缸蓋、管路凸緣、齒輪箱軸承蓋等緊密性要求較高的螺紋連接尤為必要。但過大的預緊力會導致整個連接的結構尺寸增大，也會使連接件在裝配或偶然過載時被拉斷。通常規定，擰緊后螺紋連接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限的80％。

對于重要的或有特殊要求的螺栓連接，則應根據載荷性質、連接剛度等具體工作條件確定適當的預緊力，并在裝配圖上注明數值，以便裝配時加以嚴格控制。受變載荷的螺栓連接的預緊力應比受靜載荷的要大些。

通常借助測力矩扳手或定力矩扳手控制預緊力的大小。

4.螺紋連接的防松

在沖擊、振動或變載荷的作用下，螺紋連接會松脫。為了防止連接松脫，保證連接安全可靠，必須采取有效的防松措施。

防松的根本問題，在于防止螺旋副相對轉動。防松的方法，按其工作原理可分為摩擦防松、機械防松和鉚沖防松。

（1）摩擦防松

①對頂螺母：兩螺母對頂擰緊后，使旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力的作用。工作載荷有變動時，該摩擦力仍然存在。因下螺母螺紋牙受力較小，其高度可小些，但為了防止裝錯，兩螺母的高度取成相等為宜。結構簡單，適用于平穩、低速和重載的連接。

②彈簧整圈：螺母擰緊后，靠墊圈壓平而產生的彈性反力使旋合螺紋間壓緊。同時墊圈斜口的尖端抵住螺母與被連接件的支承面也有防松作用。結構簡單、防松方便。但由于墊圈的彈力不均，在沖擊、振動的工作條件下，其防松效果較差，一般用于不甚重要的連接。

③自鎖螺母：螺母一端制成非圓形收口或開縫后徑向收口。當螺母擰緊后，收口脹開，利用收口的彈力使旋合螺紋壓緊。結構簡單，防松可靠，可多次裝拆而不降低防松性能。適用于較重要的連接。

④開口銷與槽形螺母：槽形螺母擰緊后將開口銷穿入螺栓尾部孔和螺母的槽內。將開口銷尾部掰開與螺母側面貼緊。也可用普通螺母代替槽形螺母，但需擰緊螺母后再配鉆銷孔。適用于較大沖擊振動的高速機械中的連接。

（2）機械防松

①止動墊圈：螺母擰緊后，將單耳或雙耳止動墊圈分別向螺母和被連接件的側面折彎貼緊，即可將螺母鎖住。若兩個螺栓需要雙連鎖緊時，可采用雙連止動墊圈，使兩個螺母相互制動。結構簡單，使用方便，防松可靠。

②串聯鋼絲：用低碳鋼絲穿入備螺釘頭部的孔內，將各螺釘串聯起來，使其相互制動。使用時必須注意鋼絲的穿入方向；適用于螺釘組連接，防松可靠，但裝拆不便。

（3）鉚沖防松

①端鉚：螺母擰緊后，把螺栓末端伸出部分鉚死。防松可靠，但拆卸后連接件不能重復使用：適用于不需拆卸的特殊連接。

②沖點：螺母擰緊后，利用沖頭在螺栓末端與螺母的旋回縫處打沖，利用沖點防松。防松可靠，但拆卸后連接件不能重復使用。適用于不需拆卸的特殊連接。

（二）鍵連接

鍵是一種標準零件，鍵主要用于軸和軸上零件（如帶輪、齒輪等）的連接，起著傳遞扭矩的作用。鍵嵌入軸上的鍵槽中，再將帶有鍵槽的齒輪裝在軸上，當軸轉動時，因為鍵的存在，齒輪就與軸同步轉動，達到傳遞動力的目的。鍵的種類很多，常用的有普通平鍵、半圓鍵、楔鍵和切向鍵等。

1.平鍵連接

圖1-84為普通平鍵連接的結構形式。鍵的兩側面是工作面，工作時，靠鍵同鍵槽側面的擠壓傳遞扭矩。鍵的上表面和輪轂上鍵槽的底面間則留有間隙。平鍵連接具有結構簡單、裝拆方便、對中性較好等優點，因而得到廣泛應用。這種鍵連接不能承受軸向力，不能起到軸向固定的作用。

普通平鍵按形狀分，有圓頭（A型）、方頭（B型）及單圓頭（C型）三種。圓頭平鍵放在軸上用鍵槽銑刀銑出的鍵槽中，鍵在鍵槽中軸向固定良好。缺點是鍵的頭部側面與輪轂上的鍵槽并不接觸，因而鍵的圓頭部分不能充分利用，而且軸上鍵槽端部的應力集中較大。方頭平鍵是放在用鋸片銑刀銑出的鍵槽中，因而避免了上述缺點，但對于尺寸大的鍵，宜用緊定螺釘壓在軸上的鍵槽中，以防松動。單圓頭平鍵則常用于軸端與轂類零件的連接。

普通平鍵用于靜連接。當被連接的零件在工作過程中必須在軸上作軸向移動時，則須采用由導向平鍵或滑鍵組成的動連接。導向平鍵用螺釘固定在軸上的鍵槽中，軸上的傳動零件則可沿鍵做軸向滑移。當零件滑移的距離較大時，因所需導鍵的長度過大，制造困難，故宜采用滑鍵。滑鍵固定在輪轂上，軸上零件帶動滑鍵在軸上的鍵槽中作軸向滑移，因而軸上需銑出較長的鍵槽。如圖1-85、圖1-86所示。

2.半圓鍵連接（圖1-87）

半圓鍵形狀如半圓。軸上鍵槽用尺寸與半圓鍵相同的半圓鍵槽銑刀銑出，因而鍵在槽中能繞其幾何中心擺動以適應輪轂中鍵槽的斜度。半圓鍵工作時，靠其側面來傳遞扭矩。這種鍵連接的優點是工藝性較好，裝配方便，尤其適用于錐形軸與輪轂的連接。缺點是軸上鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，故一般只用于輕載連接中。

3.切向鍵連接（圖1-88）

由一對斜度為1：100的楔鍵組成。切向鍵的工作面是兩鍵沿斜面拼合后相互平行的兩個窄面，被連接的軸和輪轂上都開有鍵槽，裝配時，把一對鍵分別從輪轂兩端打入，拼合而成的切向鍵就沿軸的切線方向楔緊在軸與輪轂之間。工作時，靠工作面上的擠壓力和軸與輪轂間的摩擦力來傳遞扭矩。用一個切向鍵時，只能單向傳動；有反轉要求時，必須用兩個切向鍵，此時為了不致嚴重地削弱軸和輪轂的強度，兩個鍵槽最好錯開120°。由于切向鍵的鍵槽對軸的削弱較大，常用于直徑大于100mm的軸上。例如用于大型帶輪、大型飛輪，礦山用大型絞車的卷筒及齒輪等與軸的連接。

4.楔鍵連接

楔鍵分為普通楔鍵及鉤頭楔鍵，普通楔鍵又有圓頭及方頭兩種形式（圖1-89）。楔鍵的上下兩面是工作面，鍵的上表面和與它相配合的輪轂鍵槽底面均具有1：100的斜度。裝配時，圓頭楔鍵要先放入鍵槽，然后打緊輪轂；方頭及鉤頭楔鍵則在輪轂裝到適當位置后才將鍵打緊，使它楔緊在軸和輪轂的鍵槽里。

工作時，靠鍵的楔緊作用來傳遞扭矩，同時還可承受單向的軸向載荷，對輪轂起到單向定位作用。但在楔緊時破壞了軸與轂的對中性，故不宜用于對中要求嚴格或高速、精密傳動的場合。由于楔鍵連接結構較平鍵連接簡單，被連接零件在軸上的軸向固定不必采用附加零件，故通常在一些低速、輕載和對傳動精度要求不高的連接中使用。

為了便于拆卸，楔鍵最好用于軸端；如用于軸的中部而又不能先裝鍵時，則軸上鍵槽長度至少應為鍵長的兩倍，以便于裝配。使用帶鉤頭的楔鍵時，拆卸較為方便，但如安放在軸端，則應注意加裝安全罩。

5.（1）花鍵連接的特點及應用

花鍵連接（圖1-90）（或多槽連接）由軸上和轂孔上的多個鍵齒和鍵槽組成。因而花鍵連接可以說是平鍵連接在數目上的發展。但是，由于結構形式和制造工藝的不同，與平鍵連接比較，花鍵連接在強度、工藝和使用方面有以下優點：

①因為在軸上與轂孔上直接而勻稱地制出較多的齒和槽，故連接受力較為均勻；

②因槽較淺，齒根處應力集中較小，軸與轂的強度削弱較少；

③齒數較多，總接觸面積較大，因而可承受較大的載荷；

④軸上零件與軸的對中性（這對高速及精密機器很重要）；

⑤導向性較好（這對動連接很重要），可用研磨的方法提高加工精度及連接質量。

缺點是齒根仍有應力集中，有時需用專門設備加工，成本較高。

花鍵已標準化。它在機械制造中，特別是在飛機、汽車、拖拉機、機床制造業和農業機械中得到廣泛的應用。

（2）花鍵連接的類型

花鍵連接按其齒形不同，分為矩形花鍵、漸開線花鍵和三角花鍵。

①矩形花鍵

按齒數和齒高的不同，齒形尺寸規定了四個尺寸系列，即輕系列、中系列、重系列及補充系列。輕系列的齒數最少，齒的高度也最低，因而承載能力也最小，多用于靜連接或輕載連接。中系列的齒數較輕系列的多些，齒也高些，適用于中等載荷的靜連接，或零件僅在空載下移動的動連接重系列的齒數最多齒也最高故常用于重載連接。

矩形花鍵可采用外徑、齒側和內徑三種定心方式。其特點和應用見表1-7。

②漸開線花鍵

漸開線花鍵可以用制造齒輪的方法來加工；工藝性較好，制造精度也較高，花鍵齒的齒根部強度高，應力集中小，易于對中，當傳遞的扭矩較大且軸徑也大時，宜采用漸開線花鍵連接。

漸開線花鍵定心方式有：齒形定心、按與分度圓的同心圓柱面定心和外徑定心。按漸開線齒形定心具有自動定心作用，有利于各齒均勻承載，一般應優先采用。漸開線花鍵按與分度圓的同心圓柱面定心適用于受徑向載荷較小，又要求傳動平穩的傳動機構。采用此種定心方式時，花鍵的幾何尺寸關系與按齒形定心時相同，定心的圓柱面應與花鍵分度圓柱同心。按外徑定心只在特殊需要時才采用，如用于徑向載荷較大，齒形配合又需選用動配合的傳動機構。因為采用此種定心后，限制了花鍵自動定心的作用。加工花鍵的刀具需特殊制造。

③三角花鍵

三角花鍵的齒形為三角形，齒數較多，鍵齒較細，故對軸的強度削弱較小。三角花鍵只按齒側定心，因而花鍵軸的內徑及外徑處都留有徑向間隙。它適用于輕載和直徑小的靜連接，特別適用于薄壁零件的連接。

（三）銷連接

銷主要用來固定零件之間的相對位置，也用于軸與轂的連接或其他零件的連接，并可傳遞不大的載荷。還可作為安全裝置中的過載剪斷元件。如圖1-95～圖1-97所示。

銷可分為圓柱銷、圓錐銷、槽銷、開口銷及特殊形狀的銷等，其中圓柱銷及圓錐銷均有國家標準。如圖1-98～圖1-100所示。

圓柱銷靠過盈固定在孔中。這種銷如經多次裝拆就會破壞連接的可靠性和精確性；而圓錐銷就無此缺點。

圓錐銷具有1：100的錐度，使其有可靠的自鎖性能。開尾圓錐銷裝入銷孔后，把末端開口部分撐開，能保證銷不致松脫。若被連接零件的錐孔未打通或為了裝方便，也可用一端帶有螺桿的螺桿圓錐銷。

槽銷是沿圓柱面的母線方向開有深度不同的凹槽的銷（圖1-101）。槽常有三條，用滾壓或模鍛方法制出。槽的主要形狀有：沿銷全長的平行直槽；沿銷全長的楔形槽；一端有短楔槽、兩端有短楔槽及中部有短凹槽等。

槽銷壓入銷孔后，它的凹槽即產生收縮變形，故可借材料的彈性而固定在銷孔中。安裝槽銷的孔不需精確加工，并且在同一孔中可裝拆多次。槽銷近來應用較為普遍，對于受振動載荷的連接也很適用。在很多場合下，槽銷可代替鍵、螺栓、圓錐銷來使用（圖1-102）。

開口銷（圖1-103）是一種防松零件，常用A2、A3及10、15等低碳鋼絲來制造。

銷的類型可根據工作要求選定。用于連接的銷，工作時，通常受擠壓和剪切作用。其尺寸可根據連接的結構特點，按經驗確定；定位銷通常不受載荷或只受很小的載荷，其直徑可按結構確定，數目不少于兩個。銷裝入被連接件的銷孔內的長度約為銷的直徑的1～2倍。

二、機械傳動

（一）帶傳動

1.帶傳動的組成及工作原理

帶傳動一般是由主動輪1、傳動帶2和從動輪3組成（圖1-104），傳動帶緊套在兩輪上，使帶和帶輪之間的接觸面產生正壓力。當原動機驅動主動輪轉動時，依靠帶和帶輪間的摩擦力的作用，帶動從動輪一起轉動，并傳遞動力。

2.帶傳動的特點

（1）帶具有彈性，可緩解沖擊和振動，傳動平穩，無噪聲。

（2）當機器過載時，帶在帶輪上打滑，對機器具有過載保護作用。

（3）結構簡單，成本低，帶損壞后容易更換，安裝維護方便。

（4）結構不夠緊湊，大功率的帶傳動尺寸往往很大，而且不能保證準確的傳動比。

3.帶傳動的類型及應用

在帶傳動中，常用的有平形帶傳動、三角帶傳動、圓形帶傳動和同步齒形帶傳動等。

（1）平形帶傳動

平形帶的橫剖面扁平。工作時，帶的環形內表面與輪緣接觸，結構簡單，帶輪也容易制造，而且平形帶比較薄，撓曲性能好，適用于在傳動中心距較大、高速運轉的傳動。

常用的平形帶有橡膠布帶、縫合棉布帶、棉織帶和毛織帶等數種。其中以橡膠布帶應用最多。

（2）三角帶

三角帶的橫剖面是梯形，帶輪上也做出相應的輪槽。工作時，三角帶只和輪槽的兩個側面接觸。根據摩擦原理，在同樣的張緊力下，三角帶傳動較平形帶傳動能產生更大的摩擦力；而且結構比較緊湊，允許的傳動比也比較大，三角帶已標準化并大量生產等優點，因此三角帶傳動的應用比平形帶傳動廣泛得多。

標準三角膠帶都制成無接頭的環形，由伸張層1、強力層2、壓縮層3和包布層4組成（圖1-106）。三角膠帶的結構主要有簾布結構和線繩結構兩類。簾布結構三角膠帶制造比較方便，一般用途的三角帶主要采用簾布結構；線繩結構的三角帶柔韌性好，抗彎強度高，適用轉速較高、載荷不大、帶輪直徑較小的場合。

三角膠帶剖面尺寸分為O、A、B、C、D、E、F七種型號。為了制造和測量方便，公稱長度以內圓周長度表示。

除以上所述的三角膠帶外，還有一種活絡三角帶（圖1-107）。這種傳動帶是由多層掛膠帆布貼合，經硫化并沖成小片，逐節搭迭后用螺栓連接而成。活絡三角帶的長度，可以根據需要加長或縮短，應于中心距不能調整的傳動。一般可以代替同型號的三角膠帶，但在速度較高時，傳動的平穩性較差，而且使用壽命也較短。

（3）多楔帶

多楔帶（圖1-108）傳動帶兼有平形帶和三角帶的優點：柔性好，摩擦力大，能傳遞的功率高，并解決了多根三角帶長短不一而使各帶受力不均的問題。多楔帶傳動主要用于傳遞功率較大而結構要求緊湊的場合，帶速可達40m/s。

（二）鏈傳動

1.鏈傳動的組成及工作原理

鏈傳動由主動輪1、鏈條2和從動輪3組成（圖1-109），屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動。鏈輪上制有特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節的嚙合來傳遞運動和動力。

2.鏈傳動的特點

與帶傳動、齒輪傳動相比，鏈傳動具有下列特點：

（1）和齒輪傳動比較，鏈傳動較易安裝，成本低廉，它可以在兩軸中心結構較為緊湊相距較遠的情況下傳遞運動和動力，而且能在低速、重載和高溫條件下及塵土飛揚的不良環境中工作。

（2）和帶傳動比較，它能保證準確的平均傳動比，傳遞功率較大，傳遞效率較高，一般可達0.95～0.97，且作用在軸和軸承上的力較小。鏈傳動是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動。與帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和打滑現象，因而能保持準確的傳動比（平均傳動比），傳動效率較高；又因鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的徑向壓力較小。

（3）鏈條的鉸鏈易磨損，使得節距變大，造成脫落現象。

3.鏈傳動的應用

當兩軸平行且同向回轉，中心距較遠，傳遞功率較大、平均傳動比要求較準確時，可采用鏈傳動。鏈傳動多用于輕工機械、農業機械、石油化工機械、采礦、冶金、運輸起重機械和機床、汽車、摩托車和自行車等機械傳動上。

4.鏈條的種類

鏈條的種類很多，常用的是滾子鏈和齒形鏈。

（1）滾子鏈

滾子鏈也稱套筒滾子鏈（圖1-110），由外鏈板1、銷軸2、內鏈板3、套筒4和滾子5組成。銷軸與外鏈板、套筒與內鏈板分別采用過盈配合固定。而銷軸與套筒、滾子與套筒之間則為間隙配合，這樣當鏈節屈伸時，內鏈板與外鏈板之間就能相對轉動。套筒、滾子與銷軸之間也可以自由轉動。當鏈條與鏈輪進入或脫離嚙合時，滾子可在鏈輪上滾動，兩者之間主要是滾動摩擦，從而減少了鏈條和鏈輪齒的磨損。

（2）齒形鏈

齒形鏈根據鉸接的結構不同，可分圓銷鉸鏈式，軸瓦鉸鏈式和滾柱鉸鏈式三種。

圓銷鉸鏈式齒形鏈（圖1-111）主要由套筒、齒形板報、銷軸3與外鏈板4組成。銷軸3與套筒1為間隙配合。這種鉸鏈的承壓面僅為寬度的一半，故比壓大，易磨損，成本較高。但它比套筒滾子鏈傳動平穩，傳動速度高，且噪聲小，因而齒形鏈又叫無聲鏈。

（三）齒輪傳動

1.齒輪傳動的組成及要作原理

齒輪傳動由主動輪和從動輪組成，兩齒輪的軸線相對位置不變，并各繞其自身的軸線而轉動。如圖1-112所示，當一對齒輪相互嚙合而工作時，主動輪Ol的輪齒1、2、3…，通過嚙合點法向力F的作用逐個地推動從動輪O2的輪齒1′、2′、3′，…，使從動輪轉動，從而將主動輪的動力和運動傳遞給從動輪。

2.齒輪傳動的特點及應用

齒輪傳動與帶傳動和鏈傳動等比較，有如下特點：

（1）能保證瞬時傳動比恒定，平穩性較高，傳遞運動準確可靠。

（2）傳遞的功率和速度范圍較大。齒輪傳動傳遞的功率從幾瓦至幾萬千瓦，圓周速度從很低到每秒100m以上。

（3）結構緊湊、可實現較大的傳動比。在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。

（4）傳動效率高，工作可靠，使用壽命長。常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高。如一級圓柱齒輪傳動的效率可達99％。設計制造正確合理，使用維護良好的齒輪傳動，工作可靠，壽命度達一、二十年，這也是其他機械傳動所不能比擬的。

（5）齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。齒輪傳動是現代各類機械傳動中應用最廣泛最主要的一種傳動。在工程機械、礦山機械、冶金機械以及各類機床中都應用著齒輪傳動。齒輪傳動所傳遞的功率從幾瓦至幾萬千瓦，它的直徑從不到1mm的儀表齒輪，到10m以上的重型齒輪，它的圓周速度從很低到每秒100m以上。大部分齒輪是用來傳遞旋轉運動的，但也可以把旋轉運動線往復運動，如齒輪齒條傳動。

3.齒輪傳動的基本要求

用來傳遞運動和動力的齒輪，其嚙合傳動是個比較復雜的過程。從傳遞運動和動力兩方面來考慮，齒輪傳動應滿足以下兩個基本要求：

（1）傳動要平穩。要求齒輪在傳動過程中，任何瞬時的傳動比保持恒定不變。這樣可以保持傳動的平穩性，避免或減少傳動中的噪聲、沖擊和振動。

（2）承載能力強。要求齒輪的尺寸小、重量輕，而承受載荷的能力大。也就是要求強度高，耐磨性好、壽命長。

4.齒輪傳動的類型（圖1-113）

齒輪傳動的種類很多，可以按不同方法進行分類。

根據齒輪傳動軸的相對位置，可將齒輪傳動分為兩大類，即平面齒輪傳動（兩軸平行）和空間齒輪傳動（兩軸不平行）。

按齒輪傳動在工作時的圓周速度不同，可分低速（v<3m/s）、中速（v=3～15m/s）和高速（v>15m/s）三種。

按齒輪傳動的工作條件不同，可分閉式齒輪傳動和開式齒輪傳動兩種。在農業機械、建筑機械以及簡易的機械設備中有一些齒輪傳動沒有防塵罩或機殼，齒輪完全暴露在外邊，這叫開式齒輪傳動。這種傳動不僅外界雜物極易侵入，而且潤滑不良，因此工作條件不好，輪齒也容易磨損，故只宜用于低速傳動。當齒輪傳動裝有簡單的防護罩，有時還把大齒輪部分地浸入油池中，則稱為半開式齒輪傳動。它的工作條件雖有改善，但仍不能做到嚴密防止外界雜物侵入，潤滑條件也不算最好。而汽車、航空發機等所用的齒輪傳動，都是裝在經過精確加工而且封閉嚴密的箱體（機匣）內，這稱為閉式齒輪傳動（齒輪箱）。它與開式或半開式的相比，潤滑及防護等條件最好，多用于重要的場合。

按齒形方向與軸的相對位置，可分直齒、斜齒和曲齒三種。

按輪齒的齒廓曲線不同，可分為漸開線齒輪，擺線齒輪和圓弧齒輪等幾種。

按齒輪的嚙合方式分，可分為外嚙合齒輪傳動、內嚙合齒輪傳動和齒條傳動。

（四）蝸桿傳動

1.蝸桿傳動的組成（圖1-114）

蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成，用來傳遞空間互相垂直而不相交的兩軸間的運動和動力。由于它具有傳動比大而結構尺寸緊湊等優點，所以在各類機床、冶金、礦山及起重設備等的傳動系統中，得到了廣泛的應用。

2.蝸桿傳動的類型

根據蝸桿形狀的不同，蝸桿傳動可以分為圓柱蝸桿傳動、圓弧面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動。

（1）圓柱蝸桿傳動

圓柱蝸桿傳動包括普通圓柱蝸桿傳動和圓弧齒圓柱蝸桿傳動兩類。

①普通圓柱蝸桿傳動

普通圓柱蝸桿傳動又分為多種類型，但其中最常用的是阿基米德蝸桿傳動。

阿基米德蝸桿，在垂直于其軸線的剖面上，齒廓曲線為阿基米德螺旋線；在通過其軸線的剖面上，齒廓為直線，猶如直齒齒條的齒廓；在螺旋線的法向剖面內，齒廓為曲線。至于蝸輪，在主剖面（通過蝸桿軸線并垂直于蝸桿的平面）上，其齒廓則為漸開線。在此剖面上，蝸桿與蝸輪的嚙合關系可以看做是直齒齒條和齒輪的嚙合關系。阿基米德圓柱蝸桿的缺點是難以進行磨削，因而精度不高。但它具有加工簡便的優點，故在機械中應用最廣。

②圓弧齒圓柱蝸桿傳動

圓弧齒圓柱蝸桿傳動在主剖面上，蝸桿的齒廓為凹弧形，而與之相配的蝸輪的齒廓則為凸弧形。所以圓柱蝸桿傳動是一種凹凸弧齒廓相嚙合的傳動，也是一種線接觸的嚙合傳動。其主要特點為：效率高，一般可達90％以上；承載能力高，一般可較普通圓柱蝸桿傳動高出50％～150％；體積小、重量輕、結構緊湊。這種傳動廣泛地應用到冶金、礦山、化工、建筑、起重等機械設備的減速機構中。

（2）圓弧面蝸桿傳動（圖1-115）

圓弧面蝸桿傳動的特征是，所用蝸桿切制螺紋段的外形是以凹圓弧為母線所形成的旋轉曲面，所以把這種蝸桿傳動叫做圓弧旋轉面蝸桿傳動，簡稱圓弧面蝸桿傳動。在這種傳動的嚙合帶內，蝸輪的節圓位于蝸桿的節弧面上，亦即蝸桿的節弧沿蝸輪的節圓包著蝸輪。在主剖面內，蝸桿和蝸輪的輪齒都是直線齒廓。由于同時相嚙合的齒對增多，而且輪齒的接觸線與蝸桿齒運動的方向近似于垂直，這就大大改善了輪齒受力情況和潤滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動的2～4倍，效率一般高達0.85～0.9；但它需要較高的制造和安裝精度。

（3）錐蝸桿傳動（圖1-116）

錐蝸桿傳動也是一種空間交錯軸之間的傳動，兩軸交錯角通常為90°。蝸桿是由在節錐上分布的等導程的螺旋所形成的，故稱為錐蝸桿。而蝸輪在外觀上就象一個螺旋圓錐齒輪，它是用與錐蝸桿一致的錐滾刀在普通滾齒機上加工而成的，故稱為錐蝸輪。錐蝸桿傳動的特點是：同時接觸的點數較多，重迭系數大；傳動比范圍大（一般為10～360）；承載能力和效率較高；側隙便于控制和調整；能作離合器使用；可節約有色金屬；制造安裝簡便，工藝性好。但由于結構上的原因，傳動具有不對稱性，因而正、反轉時受力不同，承載能力和效率也不同。

3.普通圓柱蝸桿傳動的特點

（1）在蝸桿傳動中，因蝸桿頭數一般較少，所以能實現大的傳動比。

（2）在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續不斷的螺旋齒，蝸輪齒和它是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒對又較多，故沖擊載荷小、傳動平穩、噪聲低。

（3）當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動便具有自鎖性。

（4）蝸桿傳動與螺旋齒輪傳動一樣，在嚙合處有相對滑動。當滑動速度很大，工作條件不夠良好時，就會產生較嚴重的摩擦與磨損，從而引起過分發熱，使潤滑情況惡化。因此摩擦損失較大，效率低。

三、摩擦基本知識

（一）摩擦概述

在正壓力作用下，當相互接觸的兩個物體受切向外力的影響而發生相對滑動，或有相對滑動的趨勢時，在接觸表面上就會產生抵抗滑動的阻力，這一自然現象叫作摩擦，這時產生的阻力叫摩擦力。

摩擦是一種不可逆過程，其結果必然有能量損耗和摩擦表面物質的喪失或轉移，即磨損。磨損會使零件的表面形狀和尺寸遭到緩慢而連續的破壞，使機器的效率及可靠性逐漸降低，從而喪失原有的工作性能，最終還可能導零件的突然破壞。

（二）摩擦分類

摩擦可分兩大類：一類是發生在物質內部，阻礙分子間相對運動的內摩擦；另一類是當相互接觸的兩個物體發生相對滑動或有相對滑動的趨勢時，在接觸表面上產生的阻礙相對滑動的外摩擦。僅有相對滑動趨勢時的摩擦叫作靜摩擦；相對滑動進行中的摩擦叫作動摩擦。動摩擦又分滑動摩擦與滾動摩擦。滾動摩擦的機理與規律完全不同于滑動摩擦。

根據摩擦面間存在潤滑劑的情況，滑動摩擦又分干摩擦、邊界摩擦（邊界潤滑）、混合摩擦（混合潤滑）及流體摩擦（流體滑動）。混合摩擦及流體摩擦統稱非流體摩擦。干摩擦是指表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸量的摩擦。在工程實際中，并不存在真正的干摩擦，因為任何零件的表面不僅會因氧化而形成氧化膜，而且多少也會被潤滑油所濕潤或受到“油污”。

1.干摩擦

兩個無潤滑物體之間的摩擦，主要是由兩種因素所構成，一是摩擦面的實際接觸區內出現的黏著；二是較硬表面上的不平度凸峰在較軟表面上所起的犁刨作用。

影響摩擦系數的因素很多，除了摩擦副的配偶材料性質以外，主要還有表面膜與鍍層、滑動速度、環境溫度和表面粗糙度等。

摩擦副的配偶材料性質對摩擦系數的影響，主要取決于材料的互溶性。對于相同金屬或互溶性的金屬所組成的摩擦副，易發生相互黏著現象，故摩擦系數大。反之，則其值較小。

相對滑動速度對摩擦系數的影響，主要是由于摩擦表面溫度升高將引起表面材料的機械性能發生變化。當相對滑動速度低于音速的十分之一（約30m/s）時，摩擦表面的性質和狀態不致發生明顯的改變，一般可不考慮它的影響。在高于這個速度時，摩擦系數將隨速度的增大而降低，而且用導熱性較差的材料（如合金鋼）比用導熱性較好的材料（如銅），摩擦系數要降低的更多。

周圍介質溫度對摩擦系數的影響。金屬材料的摩擦副隨著溫度的升高，摩擦系數先是下降，在700～8000℃時降到一個最低點，然后又隨溫度的升高而增大。這種現象是由于溫度升高，使得分子間的阻抗減少，因而形成前一階段摩擦系數下降；當溫度繼續升高時，由于金屬的硬度急劇下降，塑性加大，因而摩擦系數的機械分量增大，所以隨著溫度的繼續升高，摩擦系數也迅速加大。

在干摩擦情況下，對于具有一般光潔度的表面，光潔度提高時則摩擦系數減小；但當光潔度提高到一定程度后，如再繼續提高，則因實際接觸面積的增大，表面間的分子吸力也增大，所以摩擦系數將隨著表面粗糙度的增高而緩慢上升。

2.邊界摩擦（邊界潤滑）

摩擦表面間，由于潤滑油的存在而大大改變了摩擦的特性。當兩個受“油污”的表面在重載作用下靠得非常緊（兩表面間可能只有1μm、甚至只有一兩個分子那樣厚的油膜存在，以致有許多的不平度凸峰發生接觸），而潤滑油的體積性質（又叫黏性）還不能起作用時，其摩擦特性便主要取決于潤滑油和金屬表面的化學性質，這種能保護金屬不致黏著的薄膜.叫作邊界薄膜。這時兩表面間形成的摩擦就叫邊界摩擦。

在邊界摩擦時的摩擦規律，基本上與干摩擦相同，只是摩擦系數小些，通常約在0.1左右。因為不能完全避免金屬的直接接觸，所以這時仍有磨損產生。

3.混合摩擦（混合潤滑）

隨著摩擦面間油膜厚度的增大，表面不平度凸峰直接接觸的數量在縮小，而油膜承載的比重在增加。根據對粗糙面相互作用的研究表明，在混合摩擦（混合潤滑）時，可用膜厚比λ來標志不平度與油膜各自分擔載荷的情況：

式中　hmin——兩粗糙面間的最小公稱油膜厚度，μm；

σ——兩粗糙面的綜合不平度，μm：

其中σ1、σ2——分別為兩表面不平度的均方根值，μm。

當λ<0.4時，為邊界摩擦，載荷完全由不平度承擔；當0.4≤λ≤3.0時為混合摩擦，隨著λ值的增大，油膜承擔載荷的比例也在增加；在λ=1時，不平度所承擔的總載荷約為30％。

很顯然，在混合摩擦時，因仍然有不平度凸峰的直接接觸，所以不可避免地還有磨損存在，只是摩擦系數要比邊界摩擦時小得多了。

4.液體摩擦（液體潤滑）

正如以上所指出，當摩擦面間的油膜厚度大到足以將兩個表面的不平度凸峰完全分開時，即形成了完全的液體摩擦。這時的油分子大都不受金屬表面吸附作用的支配而自由移動，摩擦是在流體內部的分子之間進行，所以摩擦系數極小（油潤滑時約為0.001～0.008），而且不會有磨損產生。