轮系机构（Wheel Mechanism）

轮系是由一系列相互啮合的齿轮所组成的传动系统，用于实现不同轴之间的转速变换或转矩变换。轮系可以分为定轴轮系、周转轮系和复合轮系。

类型

定轴轮系

当轮系运转时，各个齿轮的轴线相对机架的位置都是固定的，这种轮系称为定轴轮系。

特点

1. 适用于实现大的传动比。
2. 适用于较大的轴间距。
3. 可以实现变速或变向。
4. 可以用一个主动轴带动若干要求不同转速、转向的从动轴。

周转轮系

至少有一个齿轮的几何轴线绕另一个齿轮的固定几何轴线转动的轮系，称为周转轮系。

特点

1. 可以实现大的传动比。
2. 结构紧凑，适用于空间有限的场合。
3. 可以实现复杂的运动合成和分解。

复合轮系

既包含定轴轮系又包含周转轮系，或包含多个周转轮系的轮系，称为复合轮系。

特点

1. 结合了定轴轮系和周转轮系的优点，适用于复杂的传动要求。
2. 可以实现多种传动比和运动方向的组合。

应用

实现大传动比的传动

当两轴间需要较大的传动比时，采用多级齿轮组成的定轴轮系或周转轮系可以实现。

实现远距离的两轴传动

当两轴间距离较远时，采用定轴轮系可以避免单对齿轮传动导致的机构尺寸庞大。

实现变速、换向传动

主动轴转速不变时，利用轮系可使从动轴获得多种工作转速，并可换向。例如，汽车变速器和自行车变速器。

实现分支传动

用一个主动轴带动若干要求不同转速、转向的从动轴，或用若干从动轴带动同一主动轴。

工作原理

轮系机构在机械传动中起着重要的作用，通过合理选择和设计轮系，可以实现大传动比、远距离传动、变速换向传动和分支传动等多种功能。定轴轮系、周转轮系和复合轮系各有其特点和适用场合，选择合适的轮系类型可以提高机械系统的性能和效率。

定轴轮系

1. 传动比计算：定轴轮系的传动比等于串联的各对齿轮传动效率的连乘积。
2. 效率：定轴轮系的效率较高，通常在95%以上。

周转轮系

1. 传动比计算：周转轮系的传动比计算较为复杂，需要考虑行星轮、太阳轮和行星架的运动关系。
2. 效率：周转轮系的效率相对较低，但结构紧凑，适用于大传动比和空间有限的场合。

复合轮系

1. 传动比计算：复合轮系的传动比计算需要分别计算定轴轮系和周转轮系的传动比，然后进行综合。
2. 效率：复合轮系的效率介于定轴轮系和周转轮系之间，具体效率取决于具体的设计和应用。

定轴轮系的结构组成和传动特点

在定轴轮系中，传动比等于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；

结构组成

定轴轮系是指轮系运转时，其各个齿轮的轴线相对机架的位置都是固定的。这种轮系可以分为平面定轴轮系和空间定轴轮系。定轴轮系的基本构成是由一系列安装在固定轴上的齿轮组成。这些齿轮通过齿数比例的设计，实现不同的转速比，从而达到改变转动速度和传递动力的目的。

1. 平面定轴轮系：所有齿轮的轴线都是互相平行的，通常由圆柱齿轮组成。
2. 空间定轴轮系：轮系中至少有一个齿轮的轴线与其他齿轮的轴线不平行，通常包含圆锥齿轮或蜗杆传动。

传动特点

1. 实现大传动比：当两轴间需要较大的传动比时，采用多级齿轮组成的定轴轮系可以实现。例如，若仅用一对齿轮实现传动比为100，则大轮直径齿数为小轮齿数的100倍，而采用三级的轮系则可大大减小大轮直径。
2. 实现远距离的两轴传动：当两轴间距离较远时，采用定轴轮系可以避免单对齿轮传动导致的机构尺寸庞大。
3. 实现变速、换向传动：主动轴转速不变时，利用轮系可使从动轴获得多种工作转速，并可换向。例如，汽车变速器和自行车变速器。
4. 实现分支传动：用一个主动轴带动若干要求不同转速、转向的从动轴，或用若干从动轴带动同一主动轴。

传动比计算

定轴轮系的传动比等于输入轴角速度与输出轴角速度之比。计算传动比时，不仅要计算其大小，还要确定两轴的相对转动方向。定轴轮系通过一系列固定轴上的齿轮实现传动，具有实现大传动比、远距离传动、变速换向传动和分支传动等特点。其传动比计算需要考虑齿轮的齿数和啮合方式，以确定传动比的大小和方向。

1. 平面定轴轮系：传动比的计算公式为iAB=nA\nB，其中 nA和 nB分别为输入轴和输出轴的转速，z为齿轮的齿数。正负号取决于外啮合齿轮的对数，外啮合时取负号，内啮合时取正号。
2. 空间定轴轮系：传动比的大小计算方法与平面定轴轮系相同，但因各轴线并不能都相互平行，故不能用正负号来确定主、从动轮的相对转向，必须用画箭头的方法在图上标注出。

周转轮系的结构组成和传动特点

周转轮系通过太阳轮、行星轮、行星架和齿圈的组合，实现了复杂的传动功能。其结构紧凑，能够在较小的空间内实现较大的传动比，适用于空间有限的场合。传动比的计算需要考虑相对运动，通过建立方程求解。周转轮系在航空航天、机器人、汽车等领域的应用非常广泛。

结构组成

周转轮系是一种复杂的齿轮传动系统，其特点是至少有一个齿轮的几何轴线绕另一个齿轮的固定几何轴线转动。周转轮系主要由以下几部分组成：

1. 太阳轮（Sun Gear）：中心的齿轮，通常作为主动轮或从动轮之一。
2. 行星轮（Planet Gears）：围绕太阳轮转动的齿轮，通常与太阳轮和齿圈啮合。
3. 行星架（Planet Carrier）：支撑行星轮的构件，行星轮安装在其上，行星架可以旋转。
4. 齿圈（Ring Gear）：外圈的齿轮，通常与行星轮啮合，其齿形呈圆环状。

周转轮系可以分为简单周转轮系和差动轮系

1. 简单周转轮系：只有一个太阳轮和一个齿圈，行星轮同时与太阳轮和齿圈啮合。
2. 差动轮系：有两个太阳轮，行星轮同时与两个太阳轮和齿圈啮合。

传动特点

1. 实现大传动比：周转轮系可以在较小的空间内实现较大的传动比，特别适用于空间有限的场合。
2. 结构紧凑：相比定轴轮系，周转轮系的结构更加紧凑，能够在一个较小的空间内实现复杂的传动功能。
3. 高效率：虽然周转轮系的效率相对定轴轮系略低，但通过合理设计，仍可以达到较高的传动效率。
4. 运动合成与分解：周转轮系可以实现复杂的运动合成和分解，适用于需要精确控制运动的场合，如机器人关节、航空航天设备等。
5. 自锁性：在某些情况下，周转轮系具有自锁性，即只能由主动轮带动从动轮，而不能由从动轮带动主动轮，这在提升设备中尤为重要。

传动比计算

周转轮系的传动比计算比定轴轮系复杂，通常需要使用相对运动的概念。传动比的计算公式为：

iAB=(nA−nH)\(nB−nH)。

其中，nA和 nB分别为输入轴和输出轴的转速。nH为行星架的转速。iAB为输入轴和输出轴之间的传动比。具体计算步骤如下：

1. 确定各齿轮的齿数：记录太阳轮、行星轮和齿圈的齿数。
2. 建立方程：根据齿轮的啮合关系，建立转速之间的方程。
3. 求解传动比：通过方程求解输入轴和输出轴之间的传动比。

混合轮系的结构组成和传动特点

结构组成

混合轮系是由定轴轮系和周转轮系组合而成的复杂轮系。其结构组成可以分为以下几种类型：

串联型

前一轮系的输出运动即为后一轮系的输入运动。例如，图所示的混合轮系的右半部为周转轮系，左半部为定轴轮系。齿轮1的角速度 ω1作为整个轮系的输入运动，齿轮3的角速度 ω3为定轴轮系的输出运动。由于周转轮系中的齿轮3'与齿轮3固联为同一构件，因此 ω3也为周转轮系的输入运动。

闭式差动型

周转轮系为自由度 F=2的差动轮系，而作为定轴轮系有两个输出运动，即 ω4和 ω3。对于差动轮系而言，得到两个输入运动，即 ω′4和 ω′3，这样就可以获得差动轮系一个确定的输出运动 ωH。这种原差动轮系中两个独立运动的构件，通过定轴轮系（或其它周转轮系）建立了某种约束条件，相当于“闭合”成自由度 F=1的行星轮系，故称为闭式差动组成。

传动特点

实现大传动比

混合轮系可以实现较大的传动比，特别适用于空间有限的场合。通过合理设计，可以在较小的空间内实现复杂的传动功能。

结构紧凑

混合轮系结合了定轴轮系和周转轮系的优点，结构更加紧凑，能够在一个较小的空间内实现复杂的传动功能。

高效率

虽然混合轮系的效率相对定轴轮系略低，但通过合理设计，仍可以达到较高的传动效率。

运动合成与分解

混合轮系可以实现复杂的运动合成和分解，适用于需要精确控制运动的场合，如机器人关节、航空航天设备等。

自锁性

在某些情况下，混合轮系具有自锁性，即只能由主动轮带动从动轮，而不能由从动轮带动主动轮，这在提升设备中尤为重要。

传动比计算

混合轮系的传动比计算较为复杂，需要将轮系中的定轴轮系和周转轮系分别进行分析，然后联立求解。具体步骤如下：

划分基本轮系

首先需要将混合轮系中的定轴轮系和周转轮系区分开来。定轴轮系中各齿轮的轴线固定不动，而周转轮系中至少有一个齿轮的轴线绕另一个齿轮的固定轴线转动。混合轮系通过结合定轴轮系和周转轮系的优点，实现了复杂的传动功能。其结构紧凑，能够在较小的空间内实现较大的传动比，适用于空间有限的场合。传动比的计算需要将轮系中的定轴轮系和周转轮系分别进行分析，然后联立求解。混合轮系在航空航天、机器人、汽车等领域的应用非常广泛。

分别列出传动比计算式

对于定轴轮系，传动比计算公式为：

iAB=nA\nB，

其中 nA和 nB分别为输入轴和输出轴的转速，z为齿轮的齿数。正负号取决于外啮合齿轮的对数，外啮合时取负号，内啮合时取正号。

对于周转轮系，传动比计算公式为：

iAB=(nA−nH)\(nB−nH)，

其中 nA和 nB分别为输入轴和输出轴的转速，nH为行星架的转速。

联立求解

根据各基本轮系间的联接关系，将各计算式联立求解，最终求出混合轮系的传动比。

轮系的应用实例

汽车变速器

变速器是用来改变来自发动机的转速和转矩的机构，它能固定或分档改变输出轴和输入轴的传动比，又称变速箱。变速器由变速传动机构和操纵机构组成，有些汽车还有动力输出机构。传动机构大多用普通齿轮传动，也有的用行星齿轮传动。如果变速器输出轴的转速可以连续变化，则称为无级变速器，否则称为有级变速器。

有级变速器

塔轮变速器

两个塔形带轮分别固定在轴Ⅰ、Ⅱ上，传动带可在带轮上移换三个不同的位置。由于两个塔形带轮对应各级的直径比值不同，所以当轴Ⅰ以固定不变的转速旋转时，通过移换带的位置可使轴Ⅱ得到三级不同的转速。这种变速器大多采用平带传动，也可用V带传动。其优点是传动平稳，结构简单。但尺寸较大，变速不方便。

滑移齿轮变速器

滑移齿轮是在轴上可以移动的，它所传递的扭距是传到轴上的，用滑键或花键连接，齿轮啮合实现变速。这种变速器变速方便，结构紧凑，传动效率高，应用广泛，但不能使用斜齿轮。

离合式齿轮变速器

可以采用斜齿轮或人字齿轮，使传动平稳。若采用摩擦式离合器，则可在运转中变速。其缺点是齿轮处在经常啮合状态，磨损较快，离合器所占空间较大。

无级变速器

有些机械为了适应工作条件的变化，往往需要连续地改变其工作速度，这就需要采用无级变速器。无级变速器有机械式、电动式、电磁式和液压式等多种，机械式无级变速器具有结构简单、传动性能好、适用性强、维护方便和效率高等优点，所以应用广泛。

汽车减速器

减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。减速器结构紧凑，效率较高，传递运动准确可靠，使用维护方便，可以成批生产，因此应用非常广泛。

常用减速器的特点

1. 一级斜齿圆柱齿轮减速器：结构简单，传动效率高。
2. 一级圆柱蜗杆减速器：结构紧凑，适用于低速大扭矩的传动。
3. 二级斜齿圆柱齿轮减速器：传动比大，结构紧凑。
4. 二级圆柱齿轮电动机减速器（同轴式）：适用于电动机驱动的设备。
5. 二级斜齿圆柱齿轮减速器（轴装式）：适用于轴装式设备。
6. 摆线针轮减速器：结构紧凑，传动效率高。
7. 谐波齿轮减速器：传动比大，结构紧凑，适用于高精度传动。
8. 行星减速器：传动比大，结构紧凑，适用于高精度传动。

汽车传动系统中的关键组件

在汽车的动力传输过程中，减速器和变速箱作为核心组件，各自承担着独特的任务。它们在构造和使用场景上有所不同。首先，变速器主要由传动机构和控制机构构成，通过变换齿轮的啮合来调整发动机转速和扭矩，以适应不同的驾驶需求。它通常用于高速设备，如汽车和摩托车。相反，减速器主要由齿轮、轴、轴承、箱体及附件组成，其设计是为了处理低速大扭矩的传动任务。例如，在重载设备如起重机和挖掘机中，它负责降低转速、增大扭矩，以应对高强度的工作负载。

汽车减速器和变速箱的区别

汽车变速器和减速器在汽车传动系统中扮演着重要角色。变速器通过不同的齿轮副实现转速和扭矩的调整，以适应不同的驾驶需求。减速器则通过降低转速、增大扭矩，确保车辆在低速、高扭矩的工况下正常运行。理解它们的区别和作用，对于汽车维修和性能优化至关重要。

结构：

• 变速器：由变速传动机构和操纵机构构成。

• 减速器：主要由传动零件（如齿轮或蜗杆）、轴、轴承、箱体及其附件组成。

使用设备：

• 变速器：通常用在转速大的传动设备上。

• 减速器：多用于低转速大扭矩的传动设备。

用途：

• 变速器：能够改变来自发动机的转速和转矩。

• 减速器：是原动机和工作机之间的独立闭式传动装置，目的是降低转速和增大转矩，以满足工作需求。

工作原理：

• 变速器：主要应用了齿轮传动的降速原理，通过操纵机构让内部不同的齿轮副工作，实现转速调整。

• 减速器：把电动机、内燃机等高速运转的动力经输入轴上齿数少的齿轮与输出轴上的大齿轮啮合来达到减速目的。

如何提高机械系统的传动效率和性能

提高传动效率的方法

优化设计参数：

1. 选择合适的材料：不同的材料具有不同的强度、耐磨性和热传导性能等特点，合理的选择可以减轻部件的重量，减少摩擦损耗。
2. 确定最佳的几何尺寸：如齿轮的齿数、模数、压力角等，这些都会影响到传动效率。通过计算和模拟分析，找到最优的设计方案。

降低摩擦损失：

1. 润滑与密封：保持良好的润滑条件，使用高效的密封装置，以减少摩擦阻力，防止灰尘和其他颗粒物进入传动系统。
2. 表面处理技术：对接触面进行特殊的表面处理，例如硬化、镀层或涂层等，以减小摩擦系数。

改进制造工艺：

1. 精密加工：采用先进的制造技术和设备，实现零件的精密加工，确保配合精度，减少间隙引起的能量损失。
2. 检测与调整：对关键部件进行严格的检测和必要的调整，以确保装配质量符合设计要求。

改善散热效果：

1. 冷却系统：设计合理的冷却系统，及时带走传动过程中产生的热量，避免过热导致的效率下降。
2. 散热结构：在传动系统中设置导流板、隔热罩等结构，以引导空气流动，增强散热效果。

定期维护保养：

1. 清洗与更换：定期清洗传动系统中的油污和杂质，并根据产品手册的要求及时更换润滑油。
2. 检查与修复：定期检查各部件的工作状态，及时发现并修复磨损、松动等问题。

应用新型技术：

1. 无润滑轴承：利用磁悬浮或气浮等技术，使滚动体与保持架之间形成无接触空间，从而消除传统的滑动摩擦。
2. 高效离合器：采用新型的摩擦材料和控制策略，提高离合器的响应速度和效率。

数字化监控与优化：

1. 传感器网络：在传动系统中安装传感器，实时监测温度、振动、转速等数据，为后续分析和优化提供依据。
2. 智能控制系统：开发基于物联网和人工智能的控制系统，自动调节传动系统的各个参数，使其始终保持在最佳工作状态。

实现多级变速、增速、减速以及改变传动方向的方法

多级变速：

1. 定轴轮系：通过多个齿轮的串联，实现多级变速。例如，汽车变速器中的多个齿轮副可以实现不同的传动比，从而实现多级变速。
2. 周转轮系：通过行星齿轮机构实现多级变速。行星齿轮机构可以实现较大的传动比变化，适用于空间有限的场合。

增速：

1. 齿轮传动：通过小齿轮带动大齿轮，实现增速。例如，使用小齿轮作为主动轮，大齿轮作为从动轮，可以实现从动轮的转速高于主动轮。
2. 行星齿轮传动：通过行星齿轮机构实现增速。行星齿轮机构可以实现较高的传动比，适用于需要高增速的场合。

减速：

1. 齿轮传动：通过大齿轮带动小齿轮，实现减速。例如，使用大齿轮作为主动轮，小齿轮作为从动轮，可以实现从动轮的转速低于主动轮。
2. 行星齿轮传动：通过行星齿轮机构实现减速。行星齿轮机构可以实现较大的传动比，适用于需要高减速的场合。

改变传动方向：

1. 齿轮组传动：通过不同大小的齿轮组合来改变传动方向。例如，使用一对相互啮合的齿轮，其中一个齿轮的旋转方向与另一个齿轮相反。
2. 链条反向装置：通过改变链条的走向来改变传动方向。例如，使用可调节的导向轮，调整链条的走向，从而改变传动方向。
3. 链条轮组合：通过改变链条轮的组合方式来改变传动方向。例如，使用不同大小的链条轮，实现传动方向的改变。

视频讲解

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