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13章机械传动系统的设计
现代机器由原动机局部、传动局部、执行局部三个基本局部组成。
原动机局部是驱动整部机器以完成预定功用的动力源。
通常，一部机器只用一个原动机，复杂的机器也能够有几个动力源。
它们都是把其它方式的能量转换为可以应用的机械能。
现代机器中运用的原动机多是以各式各样的电动机和热力机为主。
执行局部是用来完成机器预定功用的组成局部。
一部机器可以只要一个执行局部，也可以把机器的功用分解成好几个执行局部。
传动局部由图13-1可知，是把原动机的运动方式、运动及动力参数转变为执行局部所需求的运动方式、运动及动力参数的中间传动装置。
机器的传动局部少数运用机械传动系统。
它是绝大少数机器不可缺少的重要组成局部，其质量和本钱在整台机器的质量和本钱中占有很大的比例。
机器的任务功用在很大水平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复杂的引见。
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停止的。
机械传动
系统除了停止运动和动力传递外，还可完成增速、减速或变速传动；变换运动方式；停止运动的分解和分解；完成分路传动和较远距离传动等。
满足原动机和任务机功用要求的传动方案，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，将会失掉不同方式的传动系统方案。
为了取得理想的传动方案，需求合理选择传动机构类型。
常用传动机构及其功用见表13-l。
表13-1常用传动机构及其功用
传动类型
传动效率
传动比
圆周速度
外廓尺寸
相对成本
功用特点
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，传动颠簸，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
传动颠簸，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，传动颠簸，结构紧凑，可完成自锁，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
功用特点
螺旋传动
0.3～0.6
（滑动）
≤0.9
（滚动）
高中低
小
中
传动颠簸，能自锁，增力效果好
连杆传动
高
1
中
小
低
结构复杂，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
从动件可完成各种运动规律，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，任务颠簸，可在运转中调理传动比
选择传动类型时，应依据主要功用目的：
效率高、外廓尺寸小、质量小、运动功用良好、本钱低以及契合消费条件等。
选择传动类型的基本原那么是：
①当原动机的功率、转速或运动方式完全契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。
这种联接结构最复杂，传动效率最高。
但当原动机的输入轴与执行机构的输入轴不在同一轴线上时，就需求采用等传动比的传动机构。
②原动机的输入功率满足执行机构要求，但输入的转速、转矩或运动方式不契合执行机
构的需求，此时那么需求采用能变速或转换运动方式的传动机构。
③高速、大功率传动时，应选用承载才干大、传动颠簸、效率高的传动类型。
④速度较低，中、小功率传动，要求传动比拟大时，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，停止剖析比拟，选出综合功用较好的方案。
⑤任务环境恶劣、粉尘较多时，尽量采用闭式传动，以延伸零件的寿命。
⑥尽能够采用结构复杂的单级动装置。
中心距较大时，可采用带传动、链传动。
传动比拟大时，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、变化量大且有能够过载时，为保证平安运转，可选用有过载维护的传动类型。
⑧单件、小批量消费的传动，尽量采用规范的传动装置以降低本钱，延长制造周期。
13.1.2传动方案的设计
相反的传动机构按不同的传动路途及不同的顺序布置，就会发生出不同效果的传动方案。
只要合理的布置传动路途，恰当布置传动机构，才干使整个传动系统取得理想的功用。
1.传动路途的选择
依据运动和动力的传递路途，传动路途常可分为以下四种：
（1）单路传动其传动路途如图13-1所示。
这种传动路途结构复杂，但传动机构数目
多，传动系统的效率越低，因此，应尽量增加机构数目。
当系统中只要一个执行机构和一个原动机时，宜采用此传动路途。
（2）分路传动其传动路途如图13-2所示。
当系统有多个执行机构，而只要一个原动机，可采用图13-2所示的传动路途。
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）多路结合传动其传动路途如图13-3所示。
当系统只要一个执行机构，但需求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途。
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多路结合传动
（4）复合传动复合传动是上述几种路途的组合，常用的方式如图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
传动路途的选择主要是依据执行机构的任务特性、执行机构和原动机的数目以及传动系
统功用的要求来决议，以传动系统结构复杂、尺寸紧凑、传动链短、传动精度高、效率高、本钱低为原那么。
2．机构布置的顺序
布置传动机构顺序时，普通应思索以下几点：
（1）机械运转颠簸、减小振动普通将传动颠簸、动载荷小的机构放在高速级。
如带传动
传动颠簸，能缓冲吸振，并可过载维护，故普通布置在高速级；而链传动运转不平均，有冲击，应布置在低速级。
又如斜齿轮传动颠簸性比直齿轮传动好，故常用在高速级或要求传动颠簸的场所。
（2）提高传动系统的效率蜗杆蜗轮机构传动颠簸，但效率低，普通用于中、小功率间隙运动的场所。
关于采用锡青铜为蜗轮资料的蜗杆传动，应布置在高速级，以利于构成润滑油膜，提高承载才干和传动效率。
（3）结构复杂紧凑、易于加工制造带传动布置在高速级不只使传动颠簸，而且可增加传动装置尺寸。
普通将改动运动方式的机构（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（接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，以增加其直径和模数。
（4）承载才干大、寿命长开式齿轮传动的任务环境较差、润滑条件不好，磨损严重、寿命较短，应布置在低速级。
对采用铝乌青铜或铸铁作为蜗轮资料的蜗杆传动常布置在低速级，使齿面滑动速度较低，以防止发生胶合或严重磨损。
必需强调指出，上述诸点仅为普通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，任务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，应视详细状况详细剖析，必需结合零件总体布置、技术功用要求、制造和装配条件、原资料供应状况、任务环境状况、维护和修缮等要素，综合剖析比拟确定。
§13.2机械传动的运动、动力参数的计算
传动方案确定后，必需停止运动和动力参数计算，以便停止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
—原动机输入轴转速，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；可以失掉较好的润滑条件和传动功用。
分配传动比时通常需思索以下原那么：
（1）各级传动比应在合理的范围内（见表13-1）选取。
（2）留意各级传动零件尺寸协调，结构匀称合理，不会干预碰撞。
如带传动和单级圆柱齿轮减速器组成的传动装置中，普通应使带传动的传动比小于齿轮传动的传动比。
否那么，有能够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全体重量。
在分配传动比时，假定为减速传动装置，那么普通应按传动比逐级增大的原那么分配；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反（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
失掉从动轴转速
〔13-2〕
式中：
一自动轴转速，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局部效率乘积，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，对各零件停止任务才干计算时，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，引见各轴功率的计算方法。
现传动系统的输入功率P入（单位为kW）（或输入功率P出）、齿轮啮合效率η齿、轴承效率η承。
设PI、PⅡ、PⅢ区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴的输入功率，单位为kW，那么有
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，在普通状况下，电动机额外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）
假定将上式代入式（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所示的胶带保送机传动装置。
运输带任务拉力F=4KN，带速
=1m/s，
滚筒直径D=500
，滚筒传动效率
=0.96，两班制任务，任务条件恶劣。
电动机额外功率
=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拟大，采用带、链或齿轮传动需求三级传动，假定用蜗杆传动只需一级传动任务条件较差，可采用闭式传动，以延伸运用寿命。
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，本钱也较大。
方案（a）比如案
（b）、方案（c）本钱高。
方案（b）与方案（c）比拟，V带传动比链传动任务颠簸，能缓冲吸振、起过载维护作用且本钱较低。
因此，方案（b）为最优方案（图13-7）。
2．传动比分配图
总传动比
依据传动比分配原那么，取V带传动比
=3，高速级齿轮传动比
=4，那么低速级传动比
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，即可停止主要零部件的任务才干计算，绘制装配图和零件任务图，编写说明书等任务。
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，平均散布。
解1．任务状况剖析
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拟小，可选用一级V带、齿轮、链或摩擦轮传动。
思索结构紧凑，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，由于传动比拟大，采用齿轮与蜗杆传动组合来完成，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，那么蜗杆传动的传动比
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，通常可依据设计要求拟定出多种设计方案，最终经过火析比拟提供最优的方案。
而一个方案的优劣，只要经过迷信的评价来确定。
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，可运用最常用的评价方法一技术经济评价法。
此法的特点是，先区分求出被评价方案的技术与经济目的，然后停止综合评价。
1.技术评价
技术评价时，某些功用目的如效率、重量、寿命等可以用数量来权衡，某些功用目的如结构繁简、运用维护等那么不能用数量来表示。
能用数量表示的，由于运用单位不同，也不能复杂楞加。
所以技术评价常用评分的方法，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、3一普通、2一较差、1一最差。
觉的机械传动及功用目的评分规范的参考值如表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个功用目的的分数；
n一评价的功用目的数
Pmax一理想方案满足功用目的的最高分数。
即Pmax=5。
x值越大，那么技术价值越大。
在普通状况下，x>0.8，那么方案的技术功用目的很好；x为0.7左右，那么方案良好；x<0.6，那么方案不能令人满意。
2.经济目的
经济评价通常只计算制造费用，由于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一实践制造费用
Hi一理想制造费用，建议Hi=0.7[H]。
y值越大，那么实践消费本钱越低，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，那么表示被评方案的技术经济功用越好。
普通当k≥0.65时，以为是较好的方案。
表13-2常用机械传动及其功用目的评分规范的参考值
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
运动颠簸性
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
运用维护
4
4
4
闭式5开式4
4～5
4～5
4～5
闭式5开式4
3
4
本钱
5
4
4～5
3～4
3～4
3～4
3
3
4
4
延续任务时间
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?
能否一切的机构系统中都有传动系统?
13-2机械传动系统设计的普通顺序是什么?
13-3电动机的类型是依据哪些要素选择的?
13-4布置传动机构顺序时，应遵照哪些原那么?
13-5传动链的总传动比如何分配给各级传动机构?
13-6剖析以下减速传动方案规划能否合理，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在以下图所示的带式运输机中，运输带的曳引力F=2100N，运输带的速度
=1．5m／s，卷筒直径D=400mm，每天三班制任务，传动不逆转，载荷颠簸，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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