第章機(jī)械傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計

第2章機(jī)械傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計第2章機(jī)械傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1分析和擬定傳動方案2.2選擇電動機(jī)2.3傳動裝置的總傳動比的計算及其分配2.4傳動裝置的運動參數(shù)和動力參數(shù)的計算2.5機(jī)械傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計示例1第2章機(jī)械傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計

機(jī)械傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計，主要包括分析和擬定傳動方案，選擇原動機(jī)，確定總傳動比和分配各級傳動比以及計算傳動系統(tǒng)的運動和動力參數(shù)。22.1分析和擬定傳動方案2.1.1傳動系統(tǒng)方案應(yīng)滿足的要求

機(jī)器一般由動力裝置（電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等，又稱為原動機(jī)）、傳動系統(tǒng)(裝置)，執(zhí)行裝置和操縱控制裝置4部分組成，有時還要有必要的輔助裝置。根據(jù)執(zhí)行裝置的要求，傳動系統(tǒng)通過操縱裝置將動力裝置的運動和動力傳遞給執(zhí)行裝置。實踐表明，傳動系統(tǒng)設(shè)計的合理性，對整部機(jī)器的性能，成本以及整體尺寸都有很大影響。因此，合理的設(shè)計傳動系統(tǒng)是整部機(jī)器設(shè)計工作中的重要一環(huán)，而合理地擬定傳動方案又是保證傳動系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)。傳動方案一般由運動簡圖表示。它直接地反映了機(jī)器間運動和動力的傳遞關(guān)系。在課程設(shè)計中，學(xué)生應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，擬定傳動方案。如果設(shè)計任務(wù)書中已給出傳動方案，學(xué)生則應(yīng)分析和了解所給方案的優(yōu)缺點。3

傳動方案首先應(yīng)滿足機(jī)器的性能要求，適應(yīng)工作條件，工作可靠，此外還應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，成本低，傳動效率高和操作維護(hù)方便等。要同時滿足上述要求往往比較困難，一般應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計任務(wù)有側(cè)重地保證主要設(shè)計要求，選用比較合適的方案。圖2-1所示為礦井運輸用帶式運輸機(jī)的三種傳動方案。由于工作機(jī)在狹小的礦井巷道中連續(xù)工作，要求是尺寸緊湊，傳動效率高。圖2-1(a)方案寬度尺寸較大，帶傳動也不適應(yīng)繁重的工作要求和惡劣的工作環(huán)境；圖2-1（b）方案雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但蝸桿傳動效率低，長期連續(xù)工作不經(jīng)濟(jì)；圖2-1（c）方案尺寸較小，傳動效率較高，也適應(yīng)惡劣環(huán)境中長期工作，是較為合理的。(a)（b）（c）圖2-1帶式運輸機(jī)傳動方案比較42.1.2擬定傳動系統(tǒng)方案時的一般原則

由上述方案分析可知，在選定動力裝置的條件下，根據(jù)機(jī)器的工作條件擬定合理的傳動方案，主要是合理地確定傳動系統(tǒng)，即合理明確傳動機(jī)構(gòu)的種類和多級傳動中各傳動機(jī)構(gòu)的合理布置。下面給出傳動機(jī)構(gòu)選項和各類傳動機(jī)構(gòu)布置及原動機(jī)選擇的一般原則。

1.傳動機(jī)構(gòu)類型的選擇原則合理地選擇傳動類型是擬定傳動方案時的重要環(huán)節(jié)。常用傳動機(jī)構(gòu)的類型，性能和使用范圍可參閱機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)教材。第9章中的9.2.4中列出了常用機(jī)械傳動的傳動比推薦范圍，可參考選用。在機(jī)械傳動系統(tǒng)中，各種減速器應(yīng)用很多，常用減速器的類型，特點和應(yīng)用可見表2-1。5在選擇傳動機(jī)構(gòu)類型時依據(jù)的一般原則為：

（1）小功率傳動，宜選用結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的傳動機(jī)構(gòu)，以降低制造成本；（2）大功率傳動，應(yīng)優(yōu)先選用傳動效率高的傳動機(jī)構(gòu)，如齒輪傳動，以降低能耗；（3）工作中可能出現(xiàn)過載的工作機(jī)，應(yīng)選用具有過載保護(hù)作用的傳動機(jī)構(gòu)，如帶傳動，但在易爆、易燃場合，不能選用帶傳動，以防止摩擦靜電引起火災(zāi)；（4）載荷變化較大，換向頻繁的機(jī)器，應(yīng)選用具有緩沖吸振能力的傳動機(jī)構(gòu)，如帶傳動；（5）工作溫度較高，潮濕、多粉塵、易爆、易燃場合，宜選用鏈傳動，閉式齒輪或蝸桿傳動；（6）要求兩軸保持準(zhǔn)確的傳動比時，應(yīng)選用齒輪或蝸桿傳動。62．各類傳動機(jī)構(gòu)在多級傳動中的布置原則

在多級傳動中，各類傳動機(jī)構(gòu)的布置順序不僅影響傳動的平穩(wěn)性和傳動效率，而且對整個傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸也有很大影響。因此，應(yīng)根據(jù)各類傳動機(jī)構(gòu)的特點合理布置，使各類傳動機(jī)構(gòu)得以充分發(fā)揮其優(yōu)點。常用傳動機(jī)構(gòu)的一般布置原則是：（1）帶傳動承載能力較低，但傳動平穩(wěn)，緩沖吸振能力強，宜布置在高速級；（2）鏈傳動運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，有沖擊，宜布置在低速級；（3）蝸桿傳動效率低，但傳動平穩(wěn)，當(dāng)其與齒輪傳動同時應(yīng)用時，宜布置在高速級，以減小圓錐齒輪的尺寸；（4）當(dāng)傳動中有圓柱齒輪和圓錐齒輪傳動時，圓錐齒輪傳動宜布置在高速級，以減小圓錐齒輪的尺寸；（5）對于開式齒輪傳動，由于其工作環(huán)境較差，潤滑不良，為減少磨損，宜布置在低速級；（6）斜齒輪傳動比較平穩(wěn)，常布置在高速級。7

類別級數(shù)圖簡推薦傳動比特點及應(yīng)用齒輪減速器單級直齒i≤4、斜齒i

≤5、人字齒i≤8應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)簡單。齒輪可用直齒、斜齒或人字齒?？捎糜诘退佥p載，也可用于高速重載雙級圓柱齒輪展開式

i=8～40

應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)簡單，用斜齒、直齒、人字齒。展開式的齒輪相對軸承不對稱，軸向載荷分布不均，故要求高速級小齒輪遠(yuǎn)離輸入端，軸應(yīng)有較大剛性；同軸式的減速器長度方向尺寸較小、軸向尺寸較大，剛度較差；分流式的齒輪相對于軸承對稱分布，常用于較大功率，變載荷場合下。同軸式分流式圓錐齒輪單級直齒錐齒i≤3圓柱斜齒、或曲線齒i≤8用于輸出軸和輸入軸兩軸線垂直相交的場合。為保證兩齒輪有準(zhǔn)確的相對位置，應(yīng)有進(jìn)行調(diào)整的結(jié)構(gòu)。齒輪難于精加工，僅在傳動布置需要時采用雙級直齒i=6.3~31.5斜齒、曲線齒i=8~40應(yīng)用場合與單級圓錐齒輪減速器相同。錐齒輪在高速級，可減小錐齒輪尺寸，避免加工困難；小錐齒輪軸常懸臂布置，在高速級可減小其受力8

類別級數(shù)圖簡推薦傳動比特點及應(yīng)用蝸桿減速器單級上置式i=8~80大傳動比時結(jié)構(gòu)緊湊，外廓尺寸小，效率較低。下置蝸桿時潤滑條件好，應(yīng)優(yōu)先采用，但當(dāng)蝸桿速度太高時（v≥5m/s），攪油損失大。上置蝸桿式軸承潤滑不便下置式雙級i=100~4000結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、效率低，為使高速級和低速級傳動浸油深度大致相同，應(yīng)使高速級的中心距約為低速級的兩倍齒輪－蝸桿減速器i=15~480有蝸桿傳動在高速級和齒輪傳動在高速級兩種形式。前者效率較高，后者應(yīng)用較少行星齒輪減速器漸開線行星齒輪減速器單級i=2~12雙級i=14~160傳動型式有多種，體積小，重量輕，承載能力大，效率高，工作平穩(wěn)。但制造精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜擺線針輪減速器直齒單級：i=11~87傳動比大，效率較高（0.9～0.95），運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，體積小，重量輕。過載和抗沖擊能力強，壽命長。加工難度大，工藝復(fù)雜諧波齒輪減速器單級i=50~500（左圖、柔輪或剛輪固定，波發(fā)生器主動）i=1.002~1.02（右圖、波發(fā)生器固定，柔輪主動）傳動比大，同時參與嚙合齒數(shù)多，承載能力高。體積小，重量輕，效率0.65～0.9，傳動平穩(wěn)，噪聲小。制造工藝復(fù)雜92.2選擇電動機(jī)

2.2.1原動機(jī)類型及選擇原則

根據(jù)動力源的不同，常用動力裝置可分為四大類型，即電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、液壓電動機(jī)和氣壓電動機(jī)等。在選擇動力裝置的類型時，主要應(yīng)從以下三個方面進(jìn)行考慮：（1）執(zhí)行構(gòu)件的載荷特性、運動特性，機(jī)械的結(jié)構(gòu)布局、工作環(huán)境、環(huán)保要求等；（2）動力裝置的機(jī)械特性、適應(yīng)的工作環(huán)境、輸出參數(shù)可控制性、能源供應(yīng)情況等；（3）機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性、效率、質(zhì)量、尺寸等。由于電力供應(yīng)的普遍性，且電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，效率高，控制和使用方便等優(yōu)點，目前大部分固定機(jī)械均優(yōu)先選用電動機(jī)作為動力裝置。下面簡單介紹電動機(jī)的類型與參數(shù)的選擇。10

2.2.2電動機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式的選擇

電動機(jī)是一種標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，使用時只需合理選擇其類型和參數(shù)即可。電動機(jī)的類型有交流電動機(jī)、直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)等。直流電動機(jī)和伺服電動機(jī)造價高，多用于一些有特殊需求的場合；步進(jìn)電動機(jī)常用于數(shù)控設(shè)備中。由于交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作穩(wěn)定可靠、容易維護(hù)、且交流電源易于獲得，故是機(jī)械設(shè)備最常用的原動機(jī)。一般工程上常用三相異步交流電動機(jī)，其中Y系列為全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機(jī)，電源電壓380V，用于非易燃、易爆、腐蝕性工作環(huán)境，無特殊要求的機(jī)械設(shè)備，如機(jī)床、農(nóng)用機(jī)械、運輸機(jī)等，也適用于某些啟動轉(zhuǎn)矩有較高要求的機(jī)械，如壓縮機(jī)等。YZ系列和YZR系列分別為籠型轉(zhuǎn)子和繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)，具有較小轉(zhuǎn)動慣量和較大過載能力，可適用于頻繁啟制動和正反轉(zhuǎn)工作狀況，如冶金、起重設(shè)備等。對有特殊要求的工作場合，應(yīng)按特殊要求選擇，如井下設(shè)備防爆要求嚴(yán)格，可選用防爆電動機(jī)等。最常用的結(jié)構(gòu)形式為封閉型臥式電動機(jī)。常用的Y系列，YZ系列和YZR系列電動機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)，外形和安裝尺寸見本書第16章電動機(jī)。11

2.2.3電動機(jī)容量的選擇

選擇電動機(jī)容量就是合理確定電動機(jī)的額定功率。決定電動機(jī)功率時要考慮電動機(jī)的發(fā)熱，過載能力和啟動能力三方面因素，但一般情況下電動機(jī)容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。對于載荷不變或變化不大，且在常溫下長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機(jī)，只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計算。電動機(jī)容量可按下述步驟確定。

1.工作機(jī)所需功率Pw

工作機(jī)所需功率Pw應(yīng)由機(jī)器工作阻力和運動參數(shù)計算確定。課程設(shè)計時可按設(shè)計任務(wù)書給定的工作機(jī)參數(shù)計算求得。1213

3.確定電動機(jī)額定功率

Ped根據(jù)計算出的功率Pd可選定電動機(jī)的額定功率Ped，應(yīng)使Ped等于或稍大于Pd。2.2.4電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇同一類型、同一功率的三相異步交流電動機(jī)，有幾種不同的同步轉(zhuǎn)速（即磁場轉(zhuǎn)速），一般常用電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速有3000r/min、1500r/min、750r/min等幾種。同步轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)，磁極較多，其外廓尺寸及重量大，價格高；而同步轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)，磁極較少，尺寸和質(zhì)量小，價格低。因此，確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速時，應(yīng)從電動機(jī)和傳動系統(tǒng)的總費用、傳動系列的復(fù)雜程度機(jī)器機(jī)械效率等各個方面綜合考慮。當(dāng)執(zhí)行構(gòu)件的轉(zhuǎn)速較高時，選用高轉(zhuǎn)速電動機(jī)能縮短運動鏈，簡化傳動環(huán)節(jié)，提高傳動效率。但如果執(zhí)行構(gòu)件的速度很低，則選用高轉(zhuǎn)速電動機(jī)時，會使減速裝置增大，機(jī)械傳動部分的成本會大幅度增加，且機(jī)器的機(jī)械效率也會降低很多。因此，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇，必須從整機(jī)的設(shè)計要求出發(fā)，綜合考慮，為能較好保證方案的合理性，應(yīng)試選2~3種型號的電動機(jī)，經(jīng)初步計算后擇優(yōu)選用。14選擇電動機(jī)轉(zhuǎn)速時，可先根據(jù)工作機(jī)主動軸轉(zhuǎn)速和傳動系統(tǒng)中各級傳動的常用傳動比范圍，推算出電動機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍，以供參照比較，即(2-6)根據(jù)選定的電動機(jī)類型、結(jié)構(gòu)、功率和轉(zhuǎn)速，從標(biāo)準(zhǔn)中查出電動機(jī)型號后，應(yīng)將其型號、額定功率、滿載轉(zhuǎn)速以及電動機(jī)中心高、軸伸尺寸和鍵槽尺寸等記錄下來備用，具體格式可見2.5節(jié)中總體設(shè)計示例。152.斗3傳動平裝置繞的總?cè)鈧鲃尤急鹊目嫌嬎悻F(xiàn)及其爬分配2.完3.求1總傳鋤動比悠的計衰算由選纖定電遠(yuǎn)動機(jī)漢的滿督載轉(zhuǎn)慚速nm和工設(shè)作機(jī)荒主動噴軸的萍轉(zhuǎn)速nw，可升確定依傳動對系統(tǒng)橋的總皮傳動午比為(2偶-7計)由于旬傳動豬系統(tǒng)謀是由攜多級昏傳動咱串聯(lián)聚而成甩，因類此總變傳動糕比是意各級批傳動洋比的堪連乘勢積，蝕即(2煌-8班)162.估3.豆2各級耕傳動愛比的暮合理添分配設(shè)計挨多級粱傳動舒系統(tǒng)精時，夸需將殼總傳帽動比蜂分配盒到各謠級傳傷動機(jī)態(tài)構(gòu)。奶分配廳傳動剩比時羊通常找應(yīng)考畫慮以值下幾搏個方稀面：（1）各級棚傳動螞機(jī)構(gòu)率的傳秘動比禁應(yīng)在愧推薦架值的殼范圍秘內(nèi)（見招表2-障1與第9章中徐的9.穗2.臂4），不應(yīng)監(jiān)超過起最大苦值，段以利桑發(fā)揮犬其性己能，很并使粉結(jié)構(gòu)疾緊湊微。（2）應(yīng)使村各級貪傳動膨的結(jié)農(nóng)構(gòu)尺富寸協(xié)潛調(diào)，頌勻稱罷。例初如由V帶傳填動和嗎齒輪揉傳動犬組成融的傳著動系肉統(tǒng)（限見圖2-芒2），V帶傳幕動的補傳動早比不輩能過診大（建耕議采躍用i=2～4），否則饑會使北大帶錦輪半睬徑超政過減呢速器撓的中憐心高叛，造撒成尺投寸不像協(xié)調(diào)姑，并瓣給機(jī)六座設(shè)婦計和傭安裝斬帶來粗困難煤。圖2-濁2減速鍵器外脾裝過恒大的投帶輪17（3）應(yīng)鹽避免檢傳動毀零件挨之間虛發(fā)生嫁干涉棄碰撞勝。如德圖2-掩3所示飄，當(dāng)鈴高速下機(jī)傳乎動比憂過大津時就謹(jǐn)可能簽發(fā)生烈高速批級大車齒輪統(tǒng)與低估速軸牙發(fā)生滋干涉萍的情通況。圖2-裙2減速設(shè)器外爪裝過丙大的枕帶輪應(yīng)使販傳動雞裝置易外廓歲尺寸秋緊湊傲，質(zhì)昏量輕耗。如陰圖2-略4所示色二級蹄圓柱版齒輪兆減速蜘器，岡在相鎖同的飼總中爽心距芹和總域傳動攪比情灣況下翻，方或案（b）具錢有較責(zé)小的敏外廓副尺寸藍(lán)。在減勝速器視設(shè)計件中常稀使各漠級大墳齒輪辛直徑定相近據(jù)，以營使大橡齒輪盟有相嶄接近微的浸拉油深德度。瞧如圖2-螞4（b）所修示，罩高，擁低速醫(yī)兩級左大齒拼輪直萌徑相沉近，素且低斃速級汁大齒械輪直松徑稍旅大，度其浸罰油深點度也趁稍深半一些附，有錘利于榜浸油蓄潤滑言。（a）繳（b）圖2-亭4傳動游比分煩配對軌結(jié)構(gòu)媽影響18192.煤4傳動讀裝置歪的運很動參珠數(shù)和崗動力冬參數(shù)旨的計肅算20212.甘5機(jī)械障傳動根系統(tǒng)術(shù)的總用體設(shè)匯計示劣例【例2-現(xiàn)1】如圖2-劍5所示震帶式激運輸本機(jī)減墻速傳硬動系激統(tǒng)方釣案，紗已知咬卷筒蹦直徑D=3散00企mm犧,運輸敵帶的研有效蒜拉力F=2志80指0N而,運輸短帶速案度v=1姿.5斃m(xù)/協(xié)s,在室悄內(nèi)常擱溫下?lián)L期熔連續(xù)杠工作競，載羊荷較姓平穩(wěn)腔，單臂向運隔轉(zhuǎn)。獻(xiàn)試按桑已知