第13章 机械传动系统的设计.docx
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第13章机械传动系统的设计
第十三章一般机械传动系统设计
现代机器由原动机部分、传动部分、执行部分三个基本部分组成。
原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。
通常，一部机器只用一个原动机，复杂的机器也可能有几个动力源。
它们都是把其它形式的能量转换为可以利用的机械能。
现代机器中使用的原动机多是以各式各样的电动机和热力机为主。
执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。
一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。
传动部分由图13-1可知，是把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需要的运动形式、运动及动力参数的中间传动装置。
机器的传动部分多数使用机械传动系统。
它是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分，其质量和成本在整台机器的质量和成本中占有很大的比例。
机器的工作性能在很大程度上取决于传动装置的优劣。
因此，本章仅对机械传动系统的设计作一个简单的介绍。
原动机
执行机构
图13-1单路传动
§13.1机械传动方案的设计
传动系统方案设计是在完成了执行系统的方案设计和原动机的选型后进行的。
机械传动
系统除了进行运动和动力传递外，还可实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动等。
满足原动机和工作机性能要求的传动方案，是由不同的组合方式和布置顺序构成的。
13.1.1传动类型的选择
传动机构的类型很多，选择不同类型的传动机构，将会得到不同形式的传动系统方案。
为了获得理想的传动方案，需要合理选择传动机构类型。
常用传动机构及其性能见表13-l。
表13-1常用传动机构及其性能
传动类型
传动效率
传动比
圆周速度
外廓尺寸
相对成本
性能特点
带传动
0.94～0.96
（平带）
0.92～0.97
（V带）
≤5～7
5～25
（30）
大
低
过载打滑，传动平稳，能缓冲吸振，不能保证定传动比，远距离传动
0.95～0.98
（齿型带）
≤10
50（80）
中
低
传动平稳，能保证固定传动比
链传动
0.90～0.92
（开式）
0.96～0.97
（闭式）
≤5（8）
5～25
大
中
平均传动比准确，可在高温下传动，远距离传动，高速有冲击振动
齿轮传动
0.920.96
（开式）
0.96～0.99
（闭式）
≤3～5
（开式）
≤7～10
（闭式）
≤5
≤200
中
小
中
传动比恒定，功率和速度适用范围广，效率高，寿命长。
蜗轮传动
0.40～0.45
（自锁）
0.7～0.9
（不自锁）
8～80
（1000）
15～50
小
高
传动比大，传动平稳，结构紧凑，可实现自锁，效率低
传动类型
传动效率
传动比
圆周速度
外廓尺寸
相对成本
性能特点
螺旋传动
0.3～0.6
（滑动）
≤0.9
（滚动）
高中低
小
中
传动平稳，能自锁，增力效果好
连杆传动
高
1
中
小
低
结构简单，易制造，能传递较大载荷，耐冲击，可远距离传动
凸轮传动
低
中
低
小
高
从动件可实现各种运动规律，高副接触磨损较大
摩擦轮传动
0.85～0.95
≤5～7
≤15～25
大
低
过载打滑，工作平稳，可在运转中调节传动比
选择传动类型时，应根据主要性能指标：
效率高、外廓尺寸小、质量小、运动性能良好、成本低以及符合生产条件等。
选择传动类型的基本原则是：
①当原动机的功率、转速或运动形式完全符合执行系统的工况要求时，可将原动机的输
出轴与执行机构的输入轴用联轴器直接联接。
这种联接结构最简单，传动效率最高。
但当原动机的输出轴与执行机构的输入轴不在同一轴线上时，就需要采用等传动比的传动机构。
②原动机的输出功率满足执行机构要求，但输出的转速、转矩或运动形式不符合执行机
构的需要，此时则需要采用能变速或转换运动形式的传动机构。
③高速、大功率传动时，应选用承载能力大、传动平稳、效率高的传动类型。
④速度较低，中、小功率传动，要求传动比较大时，可选用单级蜗杆传动、多级齿轮传动、带——齿轮传动、带——齿轮——链传动等多种方案，进行分析比较，选出综合性能较好的方案。
⑤工作环境恶劣、粉尘较多时，尽量采用闭式传动，以延长零件的寿命。
⑥尽可能采用结构简单的单级动装置。
中心距较大时，可采用带传动、链传动。
传动比较大时，优先选用结构紧凑的蜗杆传动和行星齿轮传动。
⑦当执行机构的载荷频繁变化、变化量大且有可能过载时，为保证安全运转，可选用有过载保护的传动类型。
⑧单件、小批量生产的传动，尽量采用标准的传动装置以降低成本，缩短制造周期。
13.1.2传动方案的设计
相同的传动机构按不同的传动路线及不同的顺序布置，就会产生出不同效果的传动方案。
只有合理的安排传动路线，恰当布置传动机构，才能使整个传动系统获得理想的性能。
1.传动路线的选择
根据运动和动力的传递路线，传动路线常可分为下列四种：
（1）单路传动其传动路线如图13-1所示。
这种传动路线结构简单，但传动机构数目
多，传动系统的效率越低，因此，应尽量减少机构数目。
当系统中只有一个执行机构和一个原动机时，宜采用此传动路线。
（2）分路传动其传动路线如图13-2所示。
当系统有多个执行机构，而只有一个原动机，可采用图13-2所示的传动路线。
传动机构------传动机构
传动机构------传动机构
…………
传动机构------传动机构
图13-2分路传动
（3）多路联合传动其传动路线如图13-3所示。
当系统只有一个执行机构，但需要多个运动且每个运动传递的功率都较大时宜采用这种传动路线。
传动机构------传动机构
传动机构------传动机构
…………
传动机构------传动机构
图13-3多路联合传动
（4）复合传动复合传动是上述几种路线的组合，常用的形式如图16—4所示。
传动机构
传动机构------传动机构…………
传动机构
图13-4复合传动
传动路线的选择主要是根据执行机构的工作特性、执行机构和原动机的数目以及传动系
统性能的要求来决定，以传动系统结构简单、尺寸紧凑、传动链短、传动精度高、效率高、成本低为原则。
2．机构布置的顺序
布置传动机构顺序时，一般应考虑以下几点：
（1）机械运转平稳、减小振动一般将传动平稳、动载荷小的机构放在高速级。
如带传动
传动平稳，能缓冲吸振，并可过载保护，故一般布置在高速级；而链传动运转不均匀，有冲击，应布置在低速级。
又如斜齿轮传动平稳性比直齿轮传动好，故常用在高速级或要求传动平稳的场合。
（2）提高传动系统的效率蜗杆蜗轮机构传动平稳，但效率低，一般用于中、小功率间隙运动的场合。
对于采用锡青铜为蜗轮材料的蜗杆传动，应布置在高速级，以利于形成润滑油膜，提高承载能力和传动效率。
（3）结构简单紧凑、易于加工制造带传动布置在高速级不仅使传动平稳，而且可减少传动装置尺寸。
一般将改变运动形式的机构（如螺旋传动、连杆机构、凸轮机构等）布置在传动系统的最后一级（靠近执行机构或作为执行机构），可使结构紧凑。
大尺寸、大模数的圆锥齿轮加工较困难，因此应尽量放在高速级并限制其传动比，以减少其直径和模数。
（4）承载能力大、寿命长开式齿轮传动的工作环境较差、润滑条件不好，磨损严重、寿命较短，应布置在低速级。
对采用铝铁青铜或铸铁作为蜗轮材料的蜗杆传动常布置在低速级，使齿面滑动速度较低，以防止产生胶合或严重磨损。
必须强调指出，上述诸点仅为一般建议而不是固定不变的。
例如某些高精度的机器，也有将带传动置于最后一级的低速级，目的是用其吸振特性改善运转精度；在机床分度传动中系统中，其最合一级是蜗杆传动；在焊接及设备中，工作台传动系统的最后一级采用的是圆锥齿轮传动并非鲜见。
总之，应视具体情况具体分析，必须结合整机总体布置、技术性能要求、制造和装配条件、原材料供应情况、工作环境状况、维护和修理等因素，综合分析比较确定。
§13.2机械传动的运动、动力参数的计算
传动方案确定后，必须进行运动和动力参数计算，以便进行传动零件的设计计算。
13.2.1传动系统的运动参数计算
传动系统的运动参数计算包括各级传动比分配、各轴转速以及传动构件的线速度计算。
1.传动比分配
传动系统的总传动比
（13-1）
式中
—原动机输出轴转速，单位为r／min；
—执行机构的输入转速，单位为r／min；
—各级传动比。
将传动系统的总传动比合理地分配到各级传动机构，可以使各级传动机构尺寸协调、减小零件尺寸和机构重量；可以得到较好的润滑条件和传动性能。
分配传动比时通常需考虑以下原则：
（1）各级传动比应在合理的范围内（见表13-1）选取。
（2）注意各级传动零件尺寸协调，结构匀称合理，不会干涉碰撞。
如带传动和单级圆柱齿轮减速器组成的传动装置中，一般应使带传动的传动比小于齿轮传动的传动比。
否则，有可能大带轮半径大于减速器的中心高，使带轮与机座碰撞。
（3）尽量减小外廓尺寸和整体重量。
在分配传动比时，若为减速传动装置，则一般应按传动比逐级增大的原则分配；反之，传动比应逐级减小。
（4）设计减速器时，尽量使各级大齿轮浸油深度大致相同（低速级大齿轮浸油稍深），各级
大齿轮直径相接近，应使高速级的传动比大于低速级。
2．转速和线速度计算
由传动比计算公式
得到从动轴转速
（13-2）
式中：
一主动轴转速，单位为r／min。
传动零件的线速度
（单位为m／s）
（13-3）式中：
一传动零件计算直径，单位为
；
一传动零件转速，单位为r／min。
13.2.2传动系统的动力参数计算
动力参数计算就是要算出各轴的功率和转矩。
1．传动系统的总效率
常用的单路传动系统的总效率为各部分效率乘积，即
（13-4）
式中，
为每一传动机构、每对轴承、联轴器等的效率。
传动机构的效率见表13-1，一对滚动轴承或联轴器的效率可近似取为
=0.98～0.99。
2．功率
传动系统中，对各零件进行工作能力计算时，均以其输入功率为计算功率。
以图13-5所示的二级圆柱齿轮传动系统为例，介绍各轴功率的计算方法。
现已知传动系统的输入功率P入（单位为kW）（或输出功率P出）、齿轮啮合效率η齿、轴承效率η承。
设PI、PⅡ、PⅢ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴的输入功率，单位为kW，则有
图13-5齿轮传动系统
（13-5）
（13-6）
上述两式都可用来计算各轴的功率，在一般情况下，电动机额定功率略大于负载功率，故用式（13-6）计算较为合理。
3．转矩T
当已知各轴的输入功率P（单位为kW）和转速
（单位为r／min）时，即可求出轴的转矩
T（单位为N·m），即
（13-7）
若将上式代入式（13-5）中得各轴的转矩
（13-8）
式中，iI、iⅡ为高、低速级齿轮的传动比。
例13-1设计图13-6所示的胶带输送机传动装置。
已知运输带工作拉力F=4KN，带速
=1m/s，
滚筒直径D=500
，滚筒传动效率
=0.96，两班制工作，工作条件恶劣。
电动机额定功率
=4kW，转速
=1400r/min。
解1．传动方案设计
（1）传动装置的总传动比
（2）拟定传动方案总传动比较大，采用带、链或齿轮传动需要三级传动，若用蜗杆传动只需一级传动工作条件较差，可采用闭式传动，以延长使用寿命。
有以下几种较好的传动方案可供选择：
（n）电动机——三级圆柱齿轮传动（闭式））运输机；
（b）电动机——v带传动——两级圆柱齿轮传动（闭式）——运输机；
（c）电动机——两级圆柱齿轮传动——链传动——运输机；
（d）电动机——蜗杆传动——运输机。
（3）传动方案选择方案（d）结构紧凑，但蜗杆传动效率低，功率损失较大，成本也较大。
方案（a）比方案
（b）、方案（c）成本高。
方案（b）与方案（c）比较，V带传动比链传动工作平稳，能缓冲吸振、起过载保护作用且成本较低。
因此，方案（b）为最优方案（图13-7）。
2．传动比分配图
总传动比
根据传动比分配原则，取V带传动比
=3，高速级齿轮传动比
=4，则低速级传动比
图13-6带式运输机传动图13-7带式运输机传动装置
3．各轴的转速
4．各轴功率
滚筒功率
（kW）
选用滚子轴承，其效率
=0.98，齿轮效率
=0.97，联轴器效率
=0.99，V带效率
=0.96，
各轴输入功率
带传动输入功率
（KW）
5．各轴转矩
运动和动力参数确定后，即可进行主要零部件的工作能力计算，绘制装配图和零件工作图，编写说明书等工作。
例13-2试设计绕线机构的机械传动方案。
电动机转速
=960r/min，绕线轴有效长度L=75mm,
线径d=0.6mm，要求每分钟绕线4层，均匀分布。
解1．工作情况分析
一台原动机要满足绕线和布线两个有协调关系的运动，因此应采用分路传动。
2．传动方案设计
（1）传动装置的传动比绕一层线的转数
=125r，
每分钟绕4层，线轴转速
=500（r／min）
每分钟布4层，布线往复运动为2次/min。
电动机与线轴间的传动比
图16—8线绕机构方案
电动机与往复运动机构间的传动比
（2）拟定传动方案电动机与线轴间的传动比较小，可选用一级V带、齿轮、链或摩擦轮传动。
考虑结构紧凑，传动比准确，选用一级齿轮传动。
电动机与布线机构间有降速和回转运动变往复运动两个要求，由于传动比较大，采用齿轮与蜗杆传动组合来实现，执行机构采用凸轮机构，如图13-8所示。
3.各级传动比的分配
齿轮传动的饿传动比为
取iⅠⅡ=4，则蜗杆传动的传动比
4．运动和动力参数计算（从略）
§13.3机械传动系统的评价
在机械传动系统方案设计时，通常可根据设计要求拟定出多种设计方案，最终通过分析比较提供最优的方案。
而一个方案的优劣，只有通过科学的评价来确定。
为了养活评价时间，保证评价的准确性，在评价机械传动系统的方案时，可使用最常用的评价方法一技术经济评价法。
此法的特点是，先分别求出被评价方案的技术与经济指标，然后进行综合评价。
1.技术评价
技术评价时，某些性能指标如效率、重量、寿命等可以用数量来衡量，某些性能指标如结构繁简、使用维护等则不能用数量来表示。
能用数量表示的，由于使用单位不同，也不能简单楞加。
所以技术评价常用评分的办法，即对每一个评价项目依好坏不同给予不同的分数。
通常取5一很好、4一较好、3一一般、2一较差、1一最差。
觉的机械传动及性能指标评分标准的参考值如表13-2所示。
技术评价用技术价值x表示
（13-9）
式中，Pi一被评价方案满足i=1～n个性能指标的分数；
n一评价的性能指标数
Pmax一理想方案满足性能指标的最高分数。
即Pmax=5。
x值越大，则技术价值越大。
在一般情况下，x>0.8，则方案的技术性能指标很好；x为0.7左右，则方案良好；x<0.6，则方案不能令人满意。
2.经济指标
经济评价通常只计算制造费用，因为它是经济评价中最主要的项目。
经济评价用经济经济价值y表示
（13-10）
式中，[H]一允许的制造费用；
H一实际制造费用
Hi一理想制造费用，建议Hi=0.7[H]。
y值越大，则实际生产成本越低，经济价值越高。
3.技术经济综合评价
综合价值k由下式求得
（13-11）
k值越大，则表示被评方案的技术经济性能越好。
一般当k≥0.65时，认为是较好的方案。
表13-2常用机械传动及其性能指标评分标准的参考值
标
指
能
性
值
分
分
评
型
类
动
传
带传动
链传动
摩擦轮传动
齿轮传动
圆弧齿轮传动
行星齿轮传动
摆线针轮行星传动
蜗杆传动
齿条传动
连杆传动
效率
4
4
3～4
5
3～4
4
2～3
2～3
5
4
重量
4
4
4
3
5
5
5
5
4
5
寿命
3
4
3
5
4
4
4
4
5
4
运动平稳性
5
3
5
4～5
4～5
4～5
5
5
4
4
外廓尺寸
3
4
3～4
5
5
5
5
5
4
4
结构繁简
5
4
5
4
3～4
3～4
4
4
4
5
使用维护
4
4
4
闭式5开式4
4～5
4～5
4～5
闭式5开式4
3
4
成本
5
4
4～5
3～4
3～4
3～4
3
3
4
4
连续工作时间
5
4
4
5
4～5
4～5
2
2
5
4
大功率
3
4
3
5
3～4
4
4
4
4
3
高速度
3
3
3
5
3
3
3
3
4
3
习题
13-1传动系统与执行机构的作用有何不同?
是否所有的机构系统中都有传动系统?
13-2机械传动系统设计的一般程序是什么?
13-3电动机的类型是根据哪些因素选择的?
13-4布置传动机构顺序时，应遵循哪些原则?
13-5传动链的总传动比如何分配给各级传动机构?
13-6分析以下减速传动方案布局是否合理，如有不合理之处，请指出并画出合理的布
局方案。
（1）电动机——链传动——直齿圆柱齿轮——斜齿圆柱齿轮——执行机构；
（2）电动机——开式直齿轮齿轮——闭式直齿轮——带传动——执行机构；
（3）电动机——蜗杆传动——直齿圆锥齿轮——执行机构。
13-7在下图所示的带式运输机中，已知运输带的曳引力F=2100N，运输带的速度
=1．5m／s，卷筒直径D=400mm，每天三班制工作，传动不逆转，载荷平稳，起动载荷是名义载荷的1.25倍，全部采用滚动轴承，传动装置寿命为5年。
要求：
（1）为该传动装置选取Y系列三相异步电动机；
（2）计算传动装置的总传动比；
（3）初步确定各级传动比（运输带的速度允许有±5﹪的误差）；
（4）计算各轴的输入功率和转速。
题13-7图
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