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第6章传动系统设计本章要点：•4种变速装置；•典型装置：起停换向、制动、安保•传动类型的选择依据•传动部件的设计要点•有级变速传动系统设计(运动与结构)•传动件计算转速的确定•无级变速传动系统的设计原则6.1传动系统的功能与组成6.1.1传动系统的功能与组成1.传动系统的概念：将动力机的运动和动力传递给执行机构或执行构件的中间装置。动力机的性能一般不能满足执行机构的要求①动力机输出等速回转运动，而执行机构需要各种运动形式；②执行机构所要求的速度、转矩或力，与动力机不一致；③一个动力机有时要带动若干个运动形式和速度都不同的执行机构。2.传动系统的功能：连接动力机与执行机构，并把动力机的运动和动力经适当变换，以满足执行机构的作业要求。若动力机性能符合执行机构要求，则传动系统可省略。3.传动系统的组成传动链：组成传动联系的一系列传动件传动系统的组成：所有传动链及它们之间的相互联系。通常包括：变速装置，起停和换向装置，制动装置，安全保护装置等。6.1.2常用的变速装置变速装置作用：改变动力机的输出转速和转矩以适应执行机构的需要。1.交换齿轮变速机构图6-1。电动机→z22→z44→轴Ⅱ→A→B→轴Ⅲ(得不同转速)→z23→z36→z20→z65→轴Ⅴ(内孔是花键孔)→执行机构。优点：①结构简单，不需要变速操纵机构，轴向尺寸小，变速箱的结构紧凑；②与滑移齿轮变速相比，实现同样的变速级数所用的齿轮数量少。缺点：①更换齿轮时费时费力；②悬臂安装且侧隙较大，刚性和润滑条件较差需专门保管。适用：不需要经常变速的机械，如各种自动和半自动机械。2.滑移齿轮变速机构图6-2。电动机→z1、z2→轴Ⅰ三联滑移齿轮→轴Ⅱ→轴Ⅲ双联滑移齿轮，得到6级转速。优点：能传递较大的转矩和较高的转速，变速较方便，串联几个变速组可实现较多的变速级数，没有常啮合的空转齿轮，因而空载功率损失较小。缺点：不能在运转中变速；为便于滑移啮合，多用直齿齿轮传动，因而传动不够平稳，轴向尺寸比较大。图6-3滑移齿轮的结构，高于7级精度的淬火齿轮，一般需经剃齿、珩齿或磨齿加工才能达到精度。整体式：在插齿、剃齿、珩齿时，两个齿轮间应留有足够宽的空刀槽，磨齿时则要更大些，这将导致齿轮的轴向尺寸加大。组合式：轴向尺寸就较为紧凑，但增加了齿轮的切削加工。201110083.离合器变速机构牙嵌式离合器和齿式离合器：属于刚性传动，传动比准确，可传递较大的转矩，但不能在运转中变速。摩擦片式离合器：操纵方式可以是机械的、液压的和电磁的。摩擦离合器变速机构特点：优点：①可在运转中变速，变速时齿轮不必移动②可采用斜齿或人字齿传动，使传动平稳；③摩擦片结合平稳，无冲击，并可起到过载保护作用缺点：①结构较复杂，传递大转矩时体积较大，传动比不准确②各对齿轮始终处于啮合状态，磨损较大，有空转损失，传动效率较低。③是一个热源和噪声源。适用：自动或半自动机械中。例：图6-4。带传动→z18→z54→Ⅳ→Ⅴ得到4级转速：①Ⅳ+z48→z52→Ⅴ，M2和M3接合，M1和M4脱开；②Ⅳ+z34→z66→Ⅴ，M2和M4接合，M1和M3脱开；③Ⅳ+z25→z75→Ⅴ，M1和M3接合，M2和M4脱开；④Ⅳ+z25→z75+Ⅴ+z52→z48+Ⅳ+z34→z66→Ⅴ，M1和M4接合，M2和M3脱开。①②③都是正向传动路线，④是一条折回传动路线。4.啮合器变速机构⑴啮合器工作原理及结构啮合器广泛用于汽车、拖拉机、叉车、挖掘机等行走机械的变速箱中。啮合器变速机构能满足的要求：①运转平稳，多采用常啮合斜齿传动；②在运转中变速；③传递较大转矩。☆普通啮合器的工作原理图6-5。___20111027z齿轮2、4均空套在传动轴1上，齿环3、5分别与齿轮2、4固联，中间齿轮6与传动轴1固联，中间齿轮6与3、5的几何尺寸均相同。啮合套7是一个有内齿轮的滑移套，7的内齿轮几何尺寸与6、3及5相同。图6-5a：啮合套7在中间位置，齿轮2及4均空转，二者不传递运动和动力；图6-5b：啮合套7左移，通过7将6与3接合，使2与轴1相连接而传递运动和动力。7右移，可使4与轴1相连接而传递运动和动力，从而达到变速的目的。普通啮合器：结构简单，但轴向尺寸稍大，变速过程中顶齿现象不可避免，故换档不轻便，且噪声较大。☆改善啮合过程顶齿现象的措施：①间隔短齿：图6-6，将两侧齿环1的齿都间隔地缩短一个长度a，这样就便于轮齿插入齿槽，当啮合套与齿环2的转速一致后，整个齿长便推入齿槽。通常a值为2mm左右。②加宽式结构：可防止啮合套因振动和非操纵轴向力作用下自动脱档，图6-7a。加宽式就是把啮合套的齿宽加大，使其在变速结束后，啮合套的齿端超出齿环2~3mm。由于载荷集中于啮合套中部，减小了轮齿的扭转变形和非操纵轴向分力，有利于防止自动脱档，但不十分可靠。③切槽式结构，图6-7b。在啮合套2的齿环中部切一环槽，在中间齿轮3的齿环上切两条槽，轮齿在轴向就分成三段，中间段的齿厚比两边齿厚一般减薄0.4~0.6mm，变速结束后使厚齿段位于啮合套2的环槽位置。这样就使啮合套在工作过程中厚齿段形成每边0.2~0.3mm的档肩，可有效地防止啮合套自动脱档。⑵同步啮合器的工作原理变速过程中先使将要进入啮合的一对齿轮的圆周速度相等，然后才使它们进入啮合，即先同步后变速，可减轻轮齿在变速时产生冲击，使变速过程平稳。图6-8，套筒6具有内花键孔和外花键齿，它可在8上移动，6的外花键齿与啮合套4的内花键啮合，6的左右侧各镶有衬套2和5。4通过3带动6一起左右移动。图示为4处于空档位置。4左移，通过3带动6一起左移，使左侧2的内锥面与左齿环1的外锥面接触，作用在4上的操纵力使两个锥面互相压紧，由此产生的摩擦力使空套的1与6、4同步旋转。适当加大操纵力，使4克服弹簧力将3压下后继续左移，使4与空套的1相啮合，变速过程结束。4右移的变速过程与上述相同。图6-9，变速箱3采用啮合器变速机构，输出轴可实现前进五档、倒退四档的变速。主传动路线是：6→5→4→3→z17→z18→2→z19→z20→z21→z22→驱动链轮z23，带动履带。7、8和9的动力，均由发动机出轴齿轮z24(兼作飞轮)处接出，这些泵的工作不受3换档和松开5的影响。1档(a空、b上、d下)：z1→z2→z3→z4→z9→z102档(a空、b上、d上)：z1→z2→z3→z4→z8→z113档(a空、b上、c下)：z1→z2→z3→z4→z7→z124档(a空、b上、c上)：z1→z2→z3→z4→z6→z145档(a上，b、c、d空)：z15→z13R1档(a空、b下、d下)：z16→z5→z9→z10R2档(a空、b下、d上)：z16→z5→z8→z11R3档(a空、b下、c下)：z16→z5→z7→z12R4档(a空、b下、c上)：z16→z5→z6→z14T180履带推土机变速箱的结构特点：图6-10①采用啮合器变速和常啮合斜齿轮传动。因此，工作较平稳，噪声小，轴向尺寸紧凑，换档轻便，冲击小，无须停车换档；②各轴的轴向定位均采用一端定位，以消除热膨胀引起的附加应力。前支承均为双列向心球面滚子轴承，能承受由斜齿轮引起的轴向力。后支承为单列向心短圆柱滚子轴承，可以轴向游动。轴Ⅰ及轴Ⅱ的圆柱滚子轴承外环用弹性档圈定位，轴Ⅲ的圆柱滚子轴承外环用圆柱销定位。各轴均采用渐开线花键轴，联接强度高，工艺性及时中性好；③空套齿轮的内孔均配一个双金属滑动轴承，并采用强制润滑。润滑油从油泵输出后经滤油器、冷却器后，从变速箱前端盖进入各轴中心孔，流到各轴承进行循环润滑；④各轴的前轴端采用多个O型橡胶密封圈和油封密封，密封性能好；⑤轴Ⅲ的轴向位置用钢垫片进行调整，以保证锥齿轮的正确啮合位置。6.1.3起停和换向装置____20121120起停和换向装置：用来控制执行机构的起动、停车以及改变运动方向。1.对起停和换向装置的基本要求：起停和换向方便省力，操作安全可靠，结构简单，并能传递足够的动力。2.各种机械对起停和换向要求的几种情况①不需要换向且起停不频繁：许多自动机属于这种工况。图6-11电阻帽自动机，分配轴不需反转，通常机器一经起动，连续运行很长时间不需停车。②需要换向但不频繁：图6-12钻机的钻杆在工作时需作直线往复运动。图6-13龙门起重机上各个执行件都要作正反两个方向的运动，因为工作行程的时间较长，故换向不频繁。若两个方向都是工作行程，则速度一般应相同；若反方向为非工作行程，则反向速度应大于正向速度。③换向和起停频繁：普通车床上车削螺纹，主轴和刀架频繁地正、反向运行。主轴正转、刀架前进是切削行程，主轴反转、刀架后退是空行程。3.起停和换向装置的结构⑴齿轮－摩擦离合器换向机构图6-14传动原理：z1和z3均空套在轴Ⅰ上，摩擦离合器向左接合时，通过z2传动至轴Ⅱ；摩擦离合器向右接合时，通过z0、z4传动轴Ⅱ实现反转；摩离合器向右接合时，通过z0、z4传动轴Ⅱ实现反转；摩擦离合器处于中间位置时，轴Ⅱ不转。这样就可实现轴Ⅱ的起停和换向。起停用的摩擦离合器可以是机械的、液压的和电磁的。图6-15结构图。12通过花键与7相连，11与齿轮14相连，3通过8与7相连。左移9→4→3→2→1，使左边摩擦离合器接合，或右移9→4→3→5→6，使右边摩擦离合器接合，或9在中间，左右两边脱开。调节1或6可以分别调整两边摩擦片的间隙，调整后用锁紧销10锁紧以防止螺母松动。当9移到接合位置后应具有自锁作用，即当操纵力去掉后，压紧摩擦片的压紧力仍不能消失。如图示在压紧位置上使操纵套9的圆柱部分压紧钢球，此时钢球的作用力与操纵套9的运动方向垂直，就能保证可靠地自锁。在结构上应使操纵离合器的压紧力成为一个封闭的平衡力系，使传动轴和轴承免受很大的轴向载荷。2的反作用力与压紧力大小相等、方向相反：向左的压紧力→2→1→11+12→13→7。同时，2的反作用力→4→3→8→7。⑵齿轮换向机构改变齿轮机构的外啮合齿轮的对数，可以改变从动轮的转向。图6-16，齿轮1与主轴固连，齿轮6通过进给箱与走刀光杠或丝杠相连。在图示实线时，运动传递路线为齿轮1→2→3→4→5→6，其传动比为i16＝n1/n6＝(-1)(z2z3z4z6)/(z1z2z3z5)＝(z4z6)/(z1z5)传动比为正，说明6与1(主轴)同向转动。4图示虚线位置时，操纵手柄α反时针转－α角度，2脱离啮合，而3同时与1和4相啮合，运动传递路线为1→3→4→5→6，其传动比为i16＝n1/n6＝(-1)(z3z4z6)/(z1z3z5)＝－(z4z6)/(z1z5)传动比为负，6与1转向相反。3惰轮：对传动比大小没有影响，只改变外啮合次数的齿轮。例：图6-16中的2和3。6.1.4制动装置1.制动装置的要求与类型⑴应用场合:①为了节省辅助时间，对于起停频繁或运动构件惯性大、运动速度高的传动系统，应安装制动装置。②执行机构或执行构件需频繁换向时，必须先制动停车后换向。③用于机械一旦发生事故时紧急停车，④使运动构件可靠地停在某个位置上。⑵对制动装置的基本要求：工作可靠，操纵方便，制动平稳且时间短，结构简单，尺寸小，磨损小，散热良好。⑶常用制动器的类型：两大类①摩擦式：带式，盘式，外抱块式，内张蹄式等②非摩擦式：磁粉式、磁涡流式，水涡流式等。2.带式制动器图6-17。它由2、1和3组成。钢带3有摩擦内衬，其出端的调节螺母用来调整制动带的松紧。它结构简单，轴向尺寸小，操纵方便，但制动时制动轮和传动轴受单向压力，制动带的压强及磨损不均匀，制动力矩受摩擦因数变化的影响大，散热性差，因此只适用于中小型机械3.盘式制动器制动轮为盘状，其摩擦面可制成圆盘形或圆锥形，结构与盘式离合器相似，工作时利用轴向力(如弹簧力、液压或气压力、手动力等)使制动盘的摩擦表面压紧而实现制动。圆盘形制动盘可为单盘或多盘，多盘式的制动力矩大，轴向尺寸也稍大。由于制动轴向力均匀分布在制动盘圆周表面，制动轮轴不承受弯曲作用力，因此结构紧凑，制动平稳，摩擦表面的磨损均匀，且制动力矩的大小与旋转方向无关。但散热性较差，摩擦表面温度较高。它可制成封闭式，利于防尘