第1章轮系
轮系是指多个齿轮或其它传动轮组成的传动系统。它广泛应用于各种机器之中，实现复杂的传动功能。本章的重点是在轮系中各传动齿轮的齿数和主动齿轮转速已知的情况下，计算其它齿轮的转速，或者计算任意两齿轮的转速之比——传动比。
§1-1 轮系及其分类
前一章研究的是一对齿轮的啮合原理和几何设计等问题，由一对齿轮啮合组成的传动系统是齿轮传动最简单的形式。在实际机械传动中，为了获得大传动，实现变速、换向及远距离传动等各种不同的工作需要，经常采用若干个相互啮合的齿轮传递运动和动力。这种由一系列齿轮构成的传动系统称为轮系。
根据轮系在运转过程中各轮几何轴线在空间的相对位置关系是否固定，可以将轮系分为定轴轮系和周转轮系两大类。
一定轴轮系
轮系运转时，所有齿轮几何轴线的位置都固定不变的轮系称为定轴轮系，如图7-1所示。定轴轮系中，若各齿轮的几何轴线相互平行，则称为平面定轴轮系（如图7-1a所示），否则称为空间定轴轮系（如图7-1b所示）。
(a) 平面定轴轮系(b) 空间定轴轮系
图1-1定轴轮系
二周转轮系
轮系运转时，至少有一个齿轮几何轴线的位置相对机架不固定的轮系称为周转轮系，如图7-2所示。周转轮系中，几何轴线固定的齿轮称为中心轮或太阳轮，如图7-2中的齿轮1和齿轮3，用符号K表示，中心轮可以是转动的，也可以是固定的；几何轴线位置不固定，既可以自转又可以公转的齿轮称为行星轮，如图7-2中的齿轮2；支持行星轮作自转和公转
的构件称为行星架，也称为转臂或系杆，用符号H表示。一个周转轮系中，中心轮和行星架的几何轴线必须重合，否则周转轮系不能运动。
(a) 差动轮系(b) 行星轮系
图1-2周转轮系
周转轮系的种类很多，通常可以按照以下两种方法分类：
1、按照周转轮系所具有的自由度数目分类：
⑴差动轮系
自由度数目为2的周转轮系称为差动轮系，如图7-2a所示。为了使其具有确定的运动，该轮系需要2个具有独立运动的主动件。
⑵行星轮系
自由度数目为1的周转轮系称为行星轮系，如图7-2b所示。该轮系只需要1个具有独立运动的主动件即可有确定的运动。
2、根据周转轮系中基本构件的不同分类
⑴2K-H型周转轮系
该轮系中具有2个中心轮，其结构有3种不同的型式，如图7-3a、b、c所示。
⑵3K型周转轮系
该轮系具有3个中心轮，轮系中虽然具有行星架，但是仅起支承行星轮的作用，不传递动力，因此型号中不包括“H”，如图7-3d所示。
图1-3 周转轮系的分类
三混合轮系
在工程实际中，除了采用单一的定轴轮系和单一的周转轮系外，还经常采用既含定轴轮系部分又含周转轮系部分、或由几部分周转轮系所组成的复杂轮系，称混合轮系或复合轮系，如图7-4所示，由定轴轮系（1-2-2'-3）和周转轮系（H-4-5-6-7）组成。
图 1-4混合轮系
§1-2 定轴轮系传动比的计算
轮系中任意两轴的转速（或角速度）之比称为传动比，用i ab 表示，其中a 、b 分别为所指定的转轴的代号。
如图7-5所示，设齿轮1为主动轴（输入轴），齿轮5为该轮系的从动轴（输出轴），则传动比为i 15 。若各轮的齿数分别为z 1、z 2、z 2、z 3、z 3'、z 4、z 4'、z 5 ，各轮的转速分别为ω1、ω2、ω'2、ω3、ω'3、ω4、ω'4、ω5 ，则可以计算出轮系中各对齿轮间的传动比为：
1
22112z z i ==ωω 23323232'
''===z z i ωωωω 34434343'''===
z z i ωωωω 45545454'
''===z z i ωωωω 将以上各式连乘后可以得到： ),(5143215
432453423125
1544332215443321215↑→====='''''''''ωωωωωωωωωωωωz z z z z z z z z z z z z z z z i i i i i （1-1）
式7-1说明，定轴轮系的传动比等于该轮系中各对齿轮传动比的乘积，也等于轮系中所有从动齿轮齿数的连乘积与所有主动齿轮齿数的连乘积之比，即：
乘积
所有主动齿轮齿数的连乘积所有从动齿轮齿数的连从动齿轮主动齿轮==ωωi （1-2） 式7-2也可以用于轮系中任意从动齿轮转速和传动比的计算。
计算轮系的传动比，不仅要确定传动比的大小，还要确定主、从动轴的转动方向。
图 1-5定轴轮系的传动比计算
图 1-6 齿轮传动的转动方向
定轴轮系各轮的相对转动方向通过在每个齿轮旁逐个标注箭头来表示，其标注规则是：
（1）若视图的方向是齿轮的正面，用绕齿轮中心的圆弧形箭头标注，如图7-6d 中的蜗轮。
（2）若视图的方向是齿轮的侧面，用直线箭头标注出齿轮上距离观测者最近处的速度方向，如图7-6中的其它齿轮。
对于轴线相互平行的齿轮，也可在转速前添加“+”、“-”符号来表示各轴的转动方向，所有为“+”转速的齿轮转动方向相同；所有为“-”转速的齿轮转动方向也相同，但与“+”齿轮的转动方向相反。轴线不平行时，角速度为空间矢量，不能用正负号表示相对转动方向。如果任意两齿轮的轴线平行，转动方向有相同和相反两种情况，若相同则规定传动比为正，若相反则规定传动比为负；如果任意两齿轮的轴线不平行，此时角速度向量为空间向量，不能用正负号区别相对转动方向，故传动比规定其实际转速之比。
图7-6a 所示，一对外啮合齿轮，两轮转向相反，用方向相反的箭头表示，其传动比应当为负值，此时节点的速度方向垂直纸面向前。图7-6b 所示一对内啮合齿轮，两轮转向相同，用方向相同的箭头表示，其传动比应当为正值，此时节点的速度方向垂直纸面向后。图7-6c 所示，一对圆锥齿轮，表示转向的箭头同时离开或指向节点，传动比规定为正，但已经不代表具体转动方向了。此时节点的速度方向垂直纸面向前。
蜗轮蜗杆的转向不仅与蜗杆的转向有关，还与蜗杆的旋向有关。图7-6d 所示蜗杆横置于蜗轮下方，螺旋线向左上方倾斜表示右旋蜗杆，此时可以用右手原则判断，令四指弯曲与蜗杆的转动方向一致，则大拇指的指向即为蜗杆所受轴向力的方向，因此蜗轮所受驱动力的方向为大拇指指向的相反方向，故该蜗轮的转向如图7-6d 所示。同理，若螺旋线向右上方倾斜，则是左旋蜗杆，此时应该使用左手原则判断。
在某些轮系当中，个别齿轮同时与另外两个齿轮啮合，在两个齿轮中间起传递运动和动力的作用，该齿轮既是从动齿轮又是主动齿轮，只起改变转动方向的作用，而不会影响轮系的传动比，这类齿轮称为惰轮或过桥齿轮，如图7-1a 中的齿轮2。
【例7.1】如图7-7所示为一滚齿机工作台的传动机构，已知Z 1=Z '1=20，Z 2=35，Z 4=1（右旋），Z 5=40，滚刀Z 6=1（左旋），Z 7=28。若要加工以各Z 5’=64的齿轮，试求传动比 i 2’4,并
在图中用箭头表示出各轮转向之间的关系。
解：如图所示，在滚齿加工时，通过更换齿轮1-2-2'-3-4
齿轮方法，来保证滚刀6和齿轮毛坯5'保持固定的传
动比。本题要求i 2’4，对于传动路线（2’-3-4）是没法
求的，只有通过传动路线（2-1-1'-7-6-5’-5-4'）求的。
根据公式7-2：
28.1=??????=??????==''''40
1203516428205612457142z z z z z z z z i i 2'4图 1-7滚齿机工作台传动机构
§1-3 周转轮系传动比的计算
由于周转轮系中的行星轮既有自转又有公转，因此其传动比不能直接使用定轴轮系的传动比计算公式。根据运动的相对性原理，如果将行星架固定，并保持周转轮系中各构件间的相对运动速度不变，则可以将周转轮系转化为一个假想的定轴轮系，如图7-7所示。此时，可以应用定轴轮系传动比计算公式7-2计算出该转化轮系的传动比，继而可以得到周转轮系中各构件的绝对速度，并求出周转轮系的传动比，这种方法称为相对速度法或反转法。
(a) 周转轮系 (b) 转化轮系
图 1-8 周转轮系的转化
在图 1-8a 所示周转轮系中，设中心轮的转速分别为为ω1 、ω3 ，齿数分别为z 1 、z 3 ；行星轮的转速为ω2 ，齿数为z 2 ；行星架的转速为ωH 。若将该轮系转化为定轴轮系，如图图 1-8b 所示，则根据运动的相对性，各构件的速度都将增加一个公共速度—ωH ，此时各构件的相对速度为变化如表7-1所示。
表7-1 周转轮系及相应转化轮系中各构件的速度
23323223
12212112132312313113
z z i z z i z z z z z z i H H H H H H H H H H H H H H H =--==-=--==-=-=--==ωωωωωωωωωωωωωωωωωω （1-3）
7-3式的第二式是齿轮1、2的啮合关系，第三式是齿轮2、3的啮合关系，第一式可以由二、
三两式相乘得到，故三个方程中，仅有两个独立的方程。如果三个齿轮的齿数都已知，只要告诉两个转速就可以求出另外两个转速以及所有的传动比。这里请大家认真思考一下行星齿轮2的转速ω2究竟是什么转速。
一般来说，对于任何轮系总可以对每一个啮合点列出一个方程，组成独立完全的方程组，进而求出所有的转动速度和传动比。由7-3推广可知，对于任意周转轮系的转化轮系，若周转轮系中的任意齿轮k 、j ，系杆为H ，其传动比为：
齿数的连乘积转化轮系中各主动齿轮齿数的连乘积转化轮系中各从动齿轮±=--=H k H j H
jk
i ωωωω （1-4） 计算出的传动比为转化机构的传动比，其值为正即为正号机构，其值为负，则为负号机构。式7-4中，可以由各齿轮的齿数计算出i jk H ，只要知道ωj 、ωk 、ωH 中的任意两个，即可求出第3个构件的转速，从而可以计算出周转轮系的传动比。
使用式7-4时，一定要注意所涉及到的各齿轮在转化轮系中必须是定轴轮系。如果超出了范围，肯定会得到错误的计算结果。另外定周转系的转速关系不易直观获得，计算是务必按上述原理进行计算。
【例7.2】如图7-8所示行星轮系，已知各轮齿数为z 1 = 100，z 2 = 101，z '2′= 100，z 3 = 99。求输入件H 对输出件1的传动比i H 1。
解 齿轮1、2-2'、3和系杆H 构成行星轮系，由公式7-4：
10000
999910010099101'213213=??==Z Z Z Z i H H H
H H H H i i 11311310-=--=--=ωωωωωωω 所以，100001
11==H H i i 【例7.3】如图7-9所示，Z 1=Z 3=80，Z 2=50，n 1解 180
8013313113-=-=-=--==z z n n n n n n i H H H H
H
13050-=--H
H n n 即：n H =40r/min 本例中齿轮2的运动为空间运动，参阅理论力学中有关空间运动的内容。
§1-4 混合轮系传动比的计算
在实际机械中，除了单一的定轴轮系和周转轮系外，还大量使用由定轴轮系和周转轮系共同组成，或者由几个周转轮系组成的轮系，这种复杂的轮系称为混合轮系，也称为复合轮
系，如图7-11所示。
混合轮系传动比既不能直接按定轴轮系的传动比来计算，也不能直接按周转轮系的传动比来计算，而应当将复合轮系中定轴轮系部分和周转轮系部分区分开来分别计算。因此，混合轮系传动比计算的方法及步骤为：
1）分清轮系：正确地划分定轴轮系和基本周转轮系。根据周转轮系具有行星轮的特点，首先要找出行星轮，也就是轴线不固定的齿轮；再找出行星架(注意行星架不一定是呈杆状)，以及与行星轮相啮合的所有中心轮。分出一个基本的周转轮系后，还要判断是否有其他行星轮被另一个行星架支承，每一个行星架对应一个周转轮系，在逐一找出所有基本周转轮系后，剩下的便是定轴轮系了。
2）分别计算。即定轴轮系部分应当按定轴轮系传动比方法来计算，而周转轮系部分必须按周转轮系传动比来计算，应分别列出它们的计算式。
3）联立求解。即根据轮系各部分列出计算式，进行联立求解。
对于特别复杂的周转轮系，可以考虑每一个啮合点列出一个方程，然后再进行求解。
(a) 图 1-11 混合轮系
【例7.4】如图7-12所示，各轮齿数Z 1=20，Z 2=40，Z 2’解 首先分解轮系：齿轮3轴线不固定，与其相联的齿轮1、2组成定轴轮系。可列出方程组：
24
2421221120220
40z z n n n i z z n n i H H H '-=--=
-=-=-==
' 由第二式渴求得
520801)(11'244'2'2=+=--=-=z z i i H H 然后，将以上两式联立求解，得：H i 112i =1052'2-=?-=?H i
本例中若还要求出与齿轮3有关的传动比，您应当如何列方程呢？
【例7.5】在图7-13所示的双级行星齿轮减速器中，各齿轮的齿数为Z 1=Z 6=20, Z 3=Z 4=40, Z 2=Z 5=10,试求：
(1) 固定齿轮4时的传动比 i 1H 2
(2) 固定齿轮3时的传动比 i 1H 2
解法1
（1）当轮4固定时，轮系②为行星轮系，轮系①为定轴
轮系。i 1H 2= i 6H 2
6
466466422222
210z z i ωωωωωωωi H H H H H H -=-=--=--= i 1H 2= i 6H 2=1+Z 4/Z 6=1+40/20=3
（2）当轮3固定时，轮系①为行星轮系，轮系②仍为差
动轮系，这是一个混合轮系。
21013111311
1
1-=-=-=--=z z ωωωωωi H H H H ωH 1=ω1/3 264466422
2-=-
=--=z z ωωωωi H H H i 1H 2=ω1/ωH2=1.8
解法2
（1）列出啮合方程和固定连接关系
41614626241
31311,,,ωωωωωωωωωωωω==-=---=--H H H H H z z z z （2）令ω4=0，求此时的传动比i 1H2
4621213310,00z z z z H H -=---=--ωωωωω i 1H 2直接由第二式求出： i 1H 2=ω1/ωH2=3
（3）令ω3=0，求此时的传动比i 1H2
4
6212413441,0z z z z H H -=---=--ωωωωωωω 两式联立可以求得：i 1H 2=ω1/ωH2=1.8
§1-5 周转轮系设计中若干问题
周转轮系在机械传动中得到了广泛的应用。周转轮系设计涉及到多方面内容，如同通常机械设计一样有几何尺寸计算、强度计算、结构设计等。但在机构运动方案设计阶段，周转轮系设计的主要任务是：合理选择轮系的类型，确定各轮的齿数，选择适当的均衡装置。
图 1-13
一 周转轮系类型的选择
轮系类型的选择，主要从传动比范围、效率高低、结构复杂程度以及外廓尺寸、重量等几方面综合考虑。
（1）当设计的轮系主要用于传递运动时，首要的问题是考虑能否满足工作所要求的传动比，其次兼顾效率、结构复杂程度、外廓尺寸和重量。
设计轮系时，若工作所要求的传动比不太大，则可根据具体情况选用负号机构，图 1-14给出了几种常用的2K-H 型负号机构的型式及其传动比适用范围。根据周转轮系的传动比计算公式，负号机构的传动比只比其转化机构传动比的绝对值大1，可以满足传动比不大的场合，同时还具有较高的效率。
i 1H =2.8~13 i 1H =1.14~1.56 i 1H =2 i 1H =8~16
图 1-14几种常用的2K-H 型负号机构的型式及其传动比适用范围 由于负号机构的传动比大小主要取决于转化机构的传动比，如果要利用负号机构实现大的传动比的话，会使的轮系外廓尺寸过大。因此，若希望获得比较大的传动比又不致使机构外廓尺寸过大，可考虑选用混合轮系。
通过前面的例题，可以看出，正号机构可以获得很大的传动比，且当传动比很大时，转化机构的传动比接近于1，因此，机构的尺寸不致过大，但正号机构的效率较低。所以，若设计的轮系是用于传动比大而对效率要求不高的场合，可考虑选用正号机构。需要注意的是，正号机构用于增速时，随着传动比的增加，效率会急剧下降，甚至会出现自锁现象。
（2）当设计的轮系主要用于传递动力时，首先要考虑机构效率的高低，其次再兼顾传动比、外扩尺寸、机构复杂程度和重量。
由于负号机构具有较高的传动效率，所以，在动力传动中一般采用负号机构。如果要求具有较大的传动比，而单级负号机构不能满足要求时，则可将负号机构串联起来使用，或和定轴轮系联合组成混合轮系。
二 周转轮系中各轮齿数的确定
1、周转轮系用来传递运动，必须实现工作所要求的传动比，因此各轮
齿数必须满足第一个条件----传动比条件。如图 1-15所示的单排2K-H
负号机构行星轮系，根据传动比条件，则有：
1
313111z z i i H H +=-= 113)1(z i z H -=
图 1-15单排2K-H 负号机构行星轮系
2、周转轮系是一种共轴式的传动装置，为了保证装在系杆上的行星轮在传动过程中始终与中心轮正确啮合，必须使系杆的转轴与中心轮的轴线重合，这就要求各轮齿数必须满足第二个条件----同心条件。如图 1-15所示的行星轮系，根据同心条件，则有：
2321r r r r -=+ (1-5) 若三个齿轮均为标准齿轮或高度变位齿轮传动，则各轮分度圆半径可用模数和齿数来表示，各轮模数相等，上式可改写为：
2321z z z z -=+ (1-6)
2/)2(2/)(11132-=-=H i z z z z
上式表明两中心轮的齿数应同时为奇数或偶数。如采用角变位齿轮传动，则同心条件按节圆半径计算。
2321r r r r ''-'='+'
3、要使多个行星轮能够均匀地分布在中心轮四周，就要求各轮齿数必须满足第三个条件----装配条件。
如图 7-16所示，设有k 个均布的行星轮，则相邻两
行星轮间所夹的中心角为2π/k 。将第一个行星轮在位置
I 装入，设轮3固定，系杆H 沿逆时针方向转过φH =2π/k
到达位置II 。这时中心轮1转过角φ1。
1
313111111/2z z i i k H H H H +=-====ωωπ??? 则 k z z π?2)1(131+= 若在位置I 又能装入第二个行星轮，则此时中心轮1转
角φ1对应于整数个齿。
k
z z z N ππ?2)1(21311+== 则 k
i z k z z N H 1131=+= (1-7) 因此，这种周转轮系的装配条件为：两中心轮的齿数z 1、z 3之和应能被行星轮个数k 所整除。
4、为了不让相邻两个行星轮的齿顶产生干涉和相互碰撞，在由上述三个条件确定了各轮齿数和行星轮个数后，还必须进行这方面的校核，这就必须满足第四个条件---邻接条件。 如图 7-16所示，为了不让相邻两个行星轮的齿顶产生干涉和相互碰撞，如采用标准齿轮，则
2a AB d l > 即：)(2sin )(2*221m h r k r r a +>+π
图 1-16 周转轮系的装配条件
*2212sin )(a
h z k z z +>+π
(1-8) 为了设计时便于选择各轮的齿数，通常把前三个条件合为一个总的配齿公式，即 k
i z i z i z z N z z z H H H 1111111321:)1(:2)2(::::--= (1-9) 三 周转轮系的均衡装置
周转轮系之所以具有体积小、重量轻、承载能力高等优点，主要是由于在结构上采用了多个行星轮均布分担载荷，并合理地利用了内啮合传动的空间。如果各个行星轮之间的载荷分配是均衡的，则随着行星轮数目的增加，其结构将更为紧凑。但由于零件不可避免地存在着制造误差、安装误差和受力变形，往往会造成行星轮间的载荷不均衡，其优点难以实现。
可以采用提高行星轮、中心轮和行星架的制造和安装精度的方法来实现周转轮系的均载，但由于受到工艺条件的限制，很难达到，而且也不经济。目前，普遍采用的均载方法是从结构设计上采取措施，使各构件间能够自动补偿各种误差，从而达到每个行星轮受载均匀的目的。常见的均载方法如下：
（1）采用基本构件浮动的均衡装置
基本构件浮动最常用的方法是采用双齿或单齿式联轴器。三个基本构件中有一个浮动即可起到均衡作用，若两个基本构件同时浮动，则效果更好。如图 1-17所示，(a)、(b)所示为中心外齿轮浮动的情况，(c)、(d)为中心内齿轮浮动的情况。
图 1-17基本构件浮动的均衡装置 （2）采用弹性元件的均衡装置
这类均衡装置主要是通过弹性元件的弹性变形使各行星轮之间的载荷得以均衡。其优点是具有良好的减振性，结构比较简单；缺点是载荷不均衡系数与弹性元件的刚度及总制造误差成正比。
弹性均衡装置形式很多。如图 1-18所示为这种均衡装置的几种结构。图(a)为行星轮装在弹性心轴上；图(b)为行星轮装在非金属弹性衬套上。它们均可用于行星轮数目大于3的周转轮系中。
图 1-18 弹性均衡装置 （3）采用杠杆联动的均衡装置
这种均衡装置中装有偏心的行星轮轴和杠杆系统。当行星轮受力
不均衡时，可通过杠杆系统的联锁动作自行调整达到新的平衡位
置。其优点是均衡效果较好，缺点是结构较复杂。
如图7-19为具有3各行星轮的均载装置。3各偏心的行星轮轴互
为120°布置，每个偏心轴与平衡杠杆刚性联接，杠杆的另一端由
一个能在本身平面内自由运动的浮动环支撑。当作用在3个行星
轮轴上的力互不相等时，则作用在浮动环上的3个力也不相等，
环即失去平衡，产生移动或转动，使受载大的行星轮减载，受载
小的增载，直至达到平衡为止。 §1-6 常见行星传动简介
机械中还愈来愈多地采用其他的一些行星传动，如渐开线少齿差行星传动、摆线针轮行星传动和谐波齿轮传动，简介如下。
一 渐开线少齿差行星传动
渐开线少齿差行星传动是一种特殊的周转轮系，如图
7-20所示，由固定的渐开线内齿轮2、行星轮1、系杆H 及
等角速度比输出机构V 组成。因齿轮1和2采用渐开线齿
廓，且两者齿数相差很少，一般为1 ~ 4，故称为渐开线少
齿差行星传动。工程中以K 代表中心轮，H 代表系杆，V
代表输出机构。因此又称为K-H-V 型轮系。
该轮系以系杆H 为输入运动构件，行星轮1输出运动
构件。因行星轮作平面一般运动，为输出行星轮的绝对速度，
故专门采用输出机构V ，将行星轮的绝对运动变为定轴转
动。该轮系的传动比为
122112z z i H H H =--=ωωωω
图 1-19
三个行星轮的均衡装图 1-20 渐开线少齿差行星传动
由ω2=0，经整理得
21111z z z i H H -==ωω (1-10)
由上式可以看出，该轮系可以获得较大传动比，当z 2-z 1=1时，也即轮1和轮2只差一个齿，则i H 1=-z 1，此时轮系的传动比为最大值，常称为渐开线一齿差行星传动。负号表示输出行星轮1与输入构件H 的转向相反。
渐开线少齿差行星传动具有传动比大、结构简单、体积小、重量轻、加工维修容易、效率高（可达80 ~ 94%）等优点。但齿数相差很少的内啮合轮齿易出现干涉，设计加工时需要用变位等特殊方法。目前在轻工、化工、仪表、机床及起重机械设备中获得广泛应用。
二 摆线针轮行星传动
摆线针轮行星传动属于一齿差的K-H-V 型行星传动。其传动原理、运动输出机构等均与渐开线一齿差行星传动相同，唯一区别在于齿轮的齿廓不是渐开线，而是摆线。
如图7-21所示，中心轮1固定在机壳上，它是由装在机壳内的许多带套筒的圆柱销所组成，故称为针轮；行星轮2为摆线齿轮，行星架H 为偏心轴。行星轮的运动依靠等角速比的孔销输出机构传到输出轴上。摆线
针轮行星传动的传动比为
2z i HV -=
摆线针轮传动克服了渐开线少齿
差传动容易出现干涉的弱点，还有传动
比大，体积小、重量轻、效率高（一般
可达0.90—0.94），承载能力大，传动平
稳、磨损小，使用寿命长等优点。因此，
在国防、冶金、矿山、纺织、化工等部
门得到广泛应用。 三 谐波齿轮传动
谐波齿轮传动是利用行星传动原理而发展起来的新型传动，它由刚轮1、柔轮2和波发生器H 组成，如图7-22所示。刚轮是一个刚性内齿圈，柔轮为一易变形的薄壁外齿圈，二者齿距相同，齿数不同。波发生器由一个转臂才几个滚子组成。通常波发生器为主动件，柔轮为输出端，刚轮固定。
当波发生器装入柔轮后，由于转臂长度大于柔轮内孔直径，将柔轮撑为椭圆形。椭圆长轴两端柔轮外齿与刚轮内齿相啮合，短轴两端两者完全脱开。当波发生器转动时，柔轮的齿逐一被推入刚轮的齿槽中进行啮合。由于柔轮的齿数z 2比刚轮齿数z 1少，波发生器转动一周，柔轮相对刚轮沿相反方向转过(z 1-z 2)个齿的角度，即反转(z 1-z 2)/z 2周。因此，传动比为
21222z z z n n i H H --== (1-11)
由于在传动的过程中，柔轮产生的弹性变形波近似于谐波，故称之为谐波齿轮传动。
图 1-21摆线针轮行星传动机构
谐波齿轮传动的优点为：传动比大；体积小、重量轻；同时啮合的齿数多，传动平稳，承载能力较大；磨擦损失小，传动效率高；结构简单，安装方便。缺点是柔轮易疲劳破损，而且起动力矩较大。谐波传动已广泛用于机床、汽车、船舶、起重运输、纺织、冶金等机械设备中，机器人活动关节也多采用谐波传动减速。
§1-7 轮系的应用
轮系被广泛应用于各种机械和仪表中，其主要功能有：
1、实现远距离两轴之间的传动
当主动轴和从动袖之间的距离较远时，如果仅用一对齿轮来传动，如图7-23中的齿轮1和齿轮2，齿轮的尺寸就很大，既占空间，又费材料，且制造安装都不方便。若改用图中内四个小齿轮3、4、5、6组成的轮系来传动，就可以缩小齿轮尺寸，便于制造和安装。
2、实现大传动比传动
使用一对齿轮传动，其传动比一般不大于8。否则小齿轮尺寸太小而寿命较低，大齿轮尺寸较大而占用较大的空间，如图7-24中的齿轮1和2。此时若采用多级齿轮传动，则可以获得很大的传动比，尤其行星齿轮机构的传动比可以达到数千乃至更大。但是当传动比较大时齿轮较多，结构复杂，因而传动效率较低。
3、实现分路传动
图 1-22谐波齿轮传动
图 1-23定轴轮系的远距离传动 图 1-24定轴轮系的大传动比传动
如图7-25为滚齿机上实现滚刀与轮坯范成运动的传动简图。图中由轴I 来的运动和动力经锥齿轮1、2传给滚刀，同时又由与锥齿轮1同轴的齿轮3经齿轮4、5、6、7传给蜗杆8，再传给蜗轮9而至轮坯。这样实现了运动和动力的分路传动。
图 1-25 滚齿机的部分传动
4、实现变向、变速传动
通过不同齿轮的啮合组合，可以实现变速及变向操作。如图7-26所示为汽车上常用的三轴四速变速箱传动简图。当改变各轴的轴向位置时，
使传动过程中通过不同的齿轮啮合，从而获得不同的变
速比。
图中轴I 为输入轴，轴Ⅲ为输出轴，轴Ⅱ和Ⅳ为中
间传动轴。当牙嵌离合器的x 和y 半轴接合，滑移齿轮
4、6空套时，Ⅲ轴得到与I 轴同样的高转速；当离合器
脱开，运动和动力由齿轮1、2传给Ⅱ轴，当移动滑移齿
轮使4与3啮合，或6与5啮合，Ⅲ轴可得中速或低速
档；当移动齿轮6与Ⅳ轴上的齿轮8啮合，Ⅲ轴转速反
向，可得低速的倒车档。
5、实现运动的分解和合成 利用差动轮系的双自由度特点，可以将一根轴的运
动分解为两根轴的运动，也可以将两根轴的运动合成为一根轴的运动。图7-27所示的差动轮系不难导出其转速关系为：
2
)(31n n n H += (1-12) 它可以实现运动的合成，将齿轮1和齿轮3的转速合称为转臂H
的转速；也可以相反地将转臂H 的转速分解。如图7-28所示的汽车后桥的就利用该差动轮系的这一特性进行工作的。两车轮的转速相
当于上式中的n 1和n 3，传动轴的转速相当于上式中的n H ，汽车转弯时内外车轮的转速应当是不同的，以避免车轮与地面之间发生剧烈摩擦。后桥中差动轮系的作用是汽车行进中能自然适应不同转弯过程和直线行进中的内外车轮之间的速度差异。目前的各种轮式车辆的行驶系统几乎都采用了这一传动技术，是差动轮系最典型的应用。
图 1-26 变速箱的机构
图 1-27差动轮系
图 1-28汽车后桥差速器
思考题
1 什么是轮系？轮系可以分为哪几种基本类型？它们各有什么特点？
2什么是差动轮系？差动轮系是如何构成的？它具有什么特点？
3什么是行星轮系？行星轮系由哪些基本构件组成？它们各作什么运动？
4如何计算定轴轮系的传动比？定轴轮系中各轮的转向如何确定？
5什么是惰轮？惰轮有什么特点？为什么要使用惰轮？
6什么是周转轮系的转化轮系？为什么要进行这种转化？
7什么是混合轮系？混合轮系的传动比如何计算？
8在确定行星轮系各轮齿数时，应遵循那些条件，这些条件各起什么作用？
9轮系的主要功能有哪些，请举例说明？
练习题
7-1已知图示轮系中各轮的齿数分别为z1=z3=15，z2=30，z4=25，z5=20,z6=40。求传动比i16，并指出如何改变i16的符号。
题图7-1 题图7-2
7-2如图所示为一手摇提升装置，其中各轮齿数均为已知，试求传动比i15，并指出当提升重物时手柄的转向。
7-3如图轮系中，已知z1=20，z2=30，z3=18，z4=68，齿轮1的转速n1=150 r/min。求系杆H 的转速n H的大小和方向。
题图7-3 题图7-4
7-4在图示的双级行星齿轮减速器中，各齿轮的齿数为Z1=Z6=20, Z3=Z4=40, Z2=Z5=10,试求：
(1) 固定齿轮4时的传动比i1H2
(2) 固定齿轮3时的传动比i1H2
7-5如图所示为一装配用电动螺丝刀齿轮减速部分的传动简图。已知各轮齿数为z1= z4=7，z3= z6=39。若n1=3000 r/min，试求螺丝刀的转速。
题图7-5 题图7-6
7-6在图示的复合轮系中，设已知n1=3549 r/min，又各轮齿数为z1=36，z2=60，z3=23，z4=49，z’4=69，z5=31，z6=131，z7=94，z8=36，z9=167。试求行星架H的转速n H
7-7在图示的电动三爪卡盘传动轮系中，设已知各轮齿数为：=6，==25，=57，
=56。试求传动比。
题图7-9 题图7-8
7-8在双螺旋桨飞机的减速器中，已知z1=z6，z2=z'2=20，z4=30，z5=z'5=18，齿轮1的转速
n1=15000 r/min,求螺旋桨P和Q的转速n P、n Q的大小和方向。
7-9图示为手动起重葫芦，所起吊重物由轮A吊起，手动驱动力由轮B输入，已知z1= z'2=10，z2=20，z4=40，轮A、B的直径如图所示。求轮A、B边缘的速度比。
题图7-9
习 题 7-9 在图示的渐开线齿阔中，基圆半径100b r mm =，试求出： 1）当135mm k r =时，渐开线的展角k θ，渐开线压力角k α和渐开线在K 点的曲率半径k ρ。 2）当020k θ=，025和0 30时，渐开线的压力角k α和向径k r 。 解：1) /cos k b k r r α= 100cos 0.741135 b k k r r α= == 42.2o k α= tan 0.17022k k k θαα=-= sin 90.68k k k r mm ρα== 2) 当20o k θ=时，51.15o k α=，/cos 159.42k b k r r mm α== 当25o k θ=时，'545o k α=，/cos 170.47k b k r r mm α== 当30o k θ=时，'5628o k α=，/cos 181.02k b k r r mm α== 7-10今测得一渐开线直齿标准齿轮齿顶圆直径110mm a d =，齿根圆直径87.5mm f d =，齿数20z =，试确定该齿轮的模数m ，齿顶高系数*a h 和径向间隙系数* c 。 解：* (2)a a d m z h =+
**(22)f a d m z h c =-- f a d d d << d mz = 5m mm ∴= 代入求解，得： *1a h =，*0.25c = 7-11已知一对外啮合渐开线直齿圆柱齿轮，齿数120z =，241z =，模数2mm m =， *1a h =，*0.25c =，020α=，求： 1）当该对齿轮为标准齿轮时，试计算齿轮的分度圆直径1d 、2d ，基圆直径1b d 、2b d ，齿顶圆直径1a d 、2a d ，齿根圆直径1f d 、2f d ，分度圆上齿距p 、齿厚s 和齿槽宽e 。 2）当该对齿轮为标准齿轮且为正确安装时的中心距，求齿轮1的齿顶压力角1a α，齿顶处齿廓的曲率半径1a ρ。 解：1) 1140d mz mm ==，2282d mz mm == 11cos 37.59b d mz mm α==，22cos 77.05b d mz mm α== *11(2)44a a d m z h mm =+=，* 22(2)86a a d m z h mm =+= **11(22)35f a d m z h c mm =--=，** 22(22)77f a d m z h c mm =--= 6.28p m mm π==，0.5 3.14S m mm π==，0.5 3.14e p mm == 2）1 11 arccos 31.3o b a a d d α== 111.43a mm ρ== 7-12 渐开线标准齿轮的基圆和齿根圆重合时的齿数为多少（考虑正常齿和短齿两种情况）？齿数为多少时基圆大于齿根圆？ 解：cos b d mz α=，** (22)f a d m z h c =-- 若为正常齿，则*1a h =，* 0.25c =
基本概念自测题 一、填空题 1、轮系的主要功用是：_________、_________、_________、_________。 2、定轴轮系是指__________________，周转轮系是指__________________。 3、定轴轮系的传动比等于各对齿轮传动中_____动轮齿数的乘积与______动轮 齿数乘积之比。 4、定轴轮系中从动轮转向可用画_________的方法来确定；只有轮系中各齿轮轴线 全都_________时，才能在传动比计算公式中用(-1)m确定从动轮转向。 5、周转轮系中，轴线位置固定的齿轮称为_________轮或_________轮，而轴线位置 变动的齿轮称为_________轮，支持行星轮自转的构件称为_________，又称_________杆或__________________架。 6、周转轮系是由行星轮、中心轮和转臂组成的，每个单一的周转轮系具有_________ 个转臂，中心轮的数目_________，且转臂与中心轮的几何轴线必须_________。 7、单一周转轮系不能直接用定轴轮系求解传动比，而是要用_________法使原周转轮系成为_________轮系后再用定轴轮系公式求解。 8、转化轮系传动比计算公式中iH13不是i13=n1／n3，而是nH1／nH3， nH1=_________，nH3=_________。 9、行星轮系的自由度=_________，差动轮系的自由度=_________，行星轮系中必有一个_________是固定不动的。 10、既有定轴轮系又有单一周转轮系的称_________轮系。 11、求解混合轮系的传动比首先必须正确地把混合轮系划分为_________轮系和各 个_________轮系，并分别列出它们的_________计算公式，找出其相互联系，然后_________。 12、机械摩擦无级变速器通过改变接触点(区)到两轮回转轴线的距离，从而改变 两轮的_________半径，使传动比连续_________。 13、调速范围是无级变速器的主要性能指标，其数值为从动轴的_________转速与_________转速之比。 二、单项选择题(在括号内填入一个选定答案的英文字母代号) 1、行星轮系的自由度为( )。 A．2 B．1 C．1或2 2、差动轮系的自由度为( )。 A．2 B．1 C．1或2 3、( )轮系中必须有一个中心轮是固定不动的。 A．周转 B．行星C．差动 4、( )轮系中两个中心轮都是运动的。 A．周转 B．行星 C．差动 5、( )轮系不能用转化轮系传动比公式求解。 A．行星轮系 B．差动轮系 C．混合轮系 6、每个单一周转轮系具有( )个转臂。 A．1 B．2 C．1或2 7、每个单一周转轮系中心轮的数目应为( )。 A．1 B．2 C．1或2 8、每个单一周转轮系中，转臂与中心轮的几何轴线必须( )。
习题与参考答案 一、复习思考题 1．为什么要应用轮系？试举出几个应用轮系的实例？ 2．何谓定轴轮系？何谓周转轮系？行星轮系与差动轮系有何区别？ 3．什么叫惰轮？它在轮系中有什么作用？ 4．定轴轮系的传动比如何计算？式中（-1）m 有什么意义？ 5．定轴轮系末端的转向怎样判别？ 6．如果轮系的末端轴是螺旋传动，应如何计算螺母的移动量？ 二、填空题 1．由若干对齿轮组成的齿轮机构称为 。 2．根据轮系中齿轮的几何轴线是否固定，可将轮系分 轮系、 轮系和 轮系三种。 3．对平面定轴轮系，始末两齿轮转向关系可用传动比计算公式中 的符号来判定。 4．行星轮系由 、 和 三种基本构件组成。 5．在定轴轮系中，每一个齿轮的回转轴线都是 的。 6．惰轮对 并无映响，但却能改变从动轮的 方向。 7．如果在齿轮传动中，其中有一个齿轮和它的 绕另一个 旋转，则这轮系就叫周转轮系。 8．旋转齿轮的几何轴线位置均 的轮系，称为定轴轮系。 9．轮系中 两轮 之比，称为轮系的传动比。 10．加惰轮的轮系只能改变 的旋转方向，不能改变轮系的 。 11．一对齿轮的传动比，若考虑两轮旋转方向的同异，可写成±== 2 1 n n i ——。 12．定轴轮系的传动比，等于组成该轮系的所有 轮齿数连乘积与所有 轮齿数连乘积之比。 13．在周转转系中，凡具有 几何轴线的齿轮，称中心轮，凡具有 几何轴线的齿轮，称为行星轮，支持行星轮并和它一起绕固定几何轴线旋转的构件，称为 。 14．周转轮系中，只有一个 时的轮系称为行星轮系。 15．转系可获得 的传动比，并可作 距离的传动。 16．转系可以实现 要求和 要求。 17．转系可以 运动，也可以 运动。 18．采用周转轮系可将两个独立运动 为一个运动，或将一个独立的运动 成两个独立的运动。
P120 7-1 解： n 5= n 1/ i 15=1440/24.9=57.83r/min (方向与n 1相同) 由中心距不变，可看出： 由轴I 到轴II 有1种方案； 由轴II 到轴III 有3种方案； 由轴III 到轴IV 有3种方案； 由轴IV 到轴V 有2种方案； 轴V 能获得的转速数量： C 11× C 31 ×C 31 ×C 21 =1×3×3×2=18种 7-2 解：(1) 确定轮系: 周转轮系: 2,2’,H-1,3 (2) 列方程 (3) 联立方程 n 3=0 (2) 由(1) (2)解得： 7-3 解：(1) 划分轮系 周转轮系: 2,H-1,3和周转轮系: 2,2’,H-3,4。 (2) 列方程 )1(81748102133113-=-=-=--=z z n n n n i H H H )2(12172712010245243'23443=??==--=z z z z n n n n i H H H 411311=-==H H H i n n i )1(320 5010030'21323113-=??-=-=--=z z z z n n n n i H H H 9.241928192691373654)1(45115=??????-==n n i a 2=55m /2
(3) 联立方程 n 3=0 (3) 由(1)(2)(3)解得： n 4= n 1/ i 14=3750/(-7.5)=-500r/min(方向与n 1相反) 7-4 解：(1) 划分轮系 周转轮系: 5,7-4’,6、周转轮系: 8,H-7,9和 定轴轮系1~4。 (2) 列方程 (3) 联立方程 n 4= n 4’ (4) n 6= n 9=0 (5) 由(1)~(5)解得： n H = n 1/ i 1H =3549/28.58=124.18r/min 7-5 解：(1) 确定轮系: 周转轮系: 2,2’,H-1,3 (2) 列方程 (3) 联立方程 n A = n 1 (2) n B = n H (3) n 3=0 (4) 由(1)~(4)解得： 5.712/58/254114-=-==H H n n n n i )2(69131'46767'476'4-=-=--=z z n n n n i )3(94 167799779-=-=--=z z n n n n i H H H 58.2894 261692006924511=??==H H n n i )1(692452336496031424114=??===z z z z n n i 101=-==H AB B A AB i n n i × )1(914 125428'21323113-=??-=-=--=z z z z n n n n i H H H
第1章轮系 轮系是指多个齿轮或其它传动轮组成的传动系统。它广泛应用于各种机器之中，实现复杂的传动功能。本章的重点是在轮系中各传动齿轮的齿数和主动齿轮转速已知的情况下，计算其它齿轮的转速，或者计算任意两齿轮的转速之比——传动比。 §1-1 轮系及其分类 前一章研究的是一对齿轮的啮合原理和几何设计等问题，由一对齿轮啮合组成的传动系统是齿轮传动最简单的形式。在实际机械传动中，为了获得大传动，实现变速、换向及远距离传动等各种不同的工作需要，经常采用若干个相互啮合的齿轮传递运动和动力。这种由一系列齿轮构成的传动系统称为轮系。 根据轮系在运转过程中各轮几何轴线在空间的相对位置关系是否固定，可以将轮系分为定轴轮系和周转轮系两大类。 一定轴轮系 轮系运转时，所有齿轮几何轴线的位置都固定不变的轮系称为定轴轮系，如图7-1所示。定轴轮系中，若各齿轮的几何轴线相互平行，则称为平面定轴轮系（如图7-1a所示），否则称为空间定轴轮系（如图7-1b所示）。 (a) 平面定轴轮系(b) 空间定轴轮系 图1-1定轴轮系 二周转轮系 轮系运转时，至少有一个齿轮几何轴线的位置相对机架不固定的轮系称为周转轮系，如图7-2所示。周转轮系中，几何轴线固定的齿轮称为中心轮或太阳轮，如图7-2中的齿轮1和齿轮3，用符号K表示，中心轮可以是转动的，也可以是固定的；几何轴线位置不固定，既可以自转又可以公转的齿轮称为行星轮，如图7-2中的齿轮2；支持行星轮作自转和公转
的构件称为行星架，也称为转臂或系杆，用符号H表示。一个周转轮系中，中心轮和行星架的几何轴线必须重合，否则周转轮系不能运动。 (a) 差动轮系(b) 行星轮系 图1-2周转轮系 周转轮系的种类很多，通常可以按照以下两种方法分类： 1、按照周转轮系所具有的自由度数目分类： ⑴差动轮系 自由度数目为2的周转轮系称为差动轮系，如图7-2a所示。为了使其具有确定的运动，该轮系需要2个具有独立运动的主动件。 ⑵行星轮系 自由度数目为1的周转轮系称为行星轮系，如图7-2b所示。该轮系只需要1个具有独立运动的主动件即可有确定的运动。 2、根据周转轮系中基本构件的不同分类 ⑴2K-H型周转轮系 该轮系中具有2个中心轮，其结构有3种不同的型式，如图7-3a、b、c所示。 ⑵3K型周转轮系 该轮系具有3个中心轮，轮系中虽然具有行星架，但是仅起支承行星轮的作用，不传递动力，因此型号中不包括“H”，如图7-3d所示。 图1-3 周转轮系的分类 三混合轮系 在工程实际中，除了采用单一的定轴轮系和单一的周转轮系外，还经常采用既含定轴轮系部分又含周转轮系部分、或由几部分周转轮系所组成的复杂轮系，称混合轮系或复合轮系，如图7-4所示，由定轴轮系（1-2-2'-3）和周转轮系（H-4-5-6-7）组成。