第2章 机械传动系统的总体设计

机械设计基础课程设计1第2章机械传动系统的总体设计第2章机械传动系统的总体设计2.1分析和拟定传动方案2.2选择电动机2.3传动装置的总传动比的计算及其分配2.4传动装置的运动参数和动力参数的计算2.5机械传动系统的总体设计示例机械设计基础课程设计2第2章机械传动系统的总体设计机械传动系统的总体设计，主要包括分析和拟定传动方案，选择原动机，确定总传动比和分配各级传动比以及计算传动系统的运动和动力参数。机械设计基础课程设计32.1分析和拟定传动方案2.1.1传动系统方案应满足的要求机器一般由动力装置（电动机、内燃机等，又称为原动机）、传动系统(装置)，执行装置和操纵控制装置4部分组成，有时还要有必要的辅助装置。根据执行装置的要求，传动系统通过操纵装置将动力装置的运动和动力传递给执行装置。实践表明，传动系统设计的合理性，对整部机器的性能，成本以及整体尺寸都有很大影响。因此，合理的设计传动系统是整部机器设计工作中的重要一环，而合理地拟定传动方案又是保证传动系统设计质量的基础。传动方案一般由运动简图表示。它直接地反映了机器间运动和动力的传递关系。在课程设计中，学生应根据设计任务书，拟定传动方案。如果设计任务书中已给出传动方案，学生则应分析和了解所给方案的优缺点。机械设计基础课程设计4传动方案首先应满足机器的性能要求，适应工作条件，工作可靠，此外还应结构简单，尺寸紧凑，成本低，传动效率高和操作维护方便等。要同时满足上述要求往往比较困难，一般应根据具体的设计任务有侧重地保证主要设计要求，选用比较合适的方案。图2-1所示为矿井运输用带式运输机的三种传动方案。由于工作机在狭小的矿井巷道中连续工作，要求是尺寸紧凑，传动效率高。图2-1(a)方案宽度尺寸较大，带传动也不适应繁重的工作要求和恶劣的工作环境；图2-1（b）方案虽然结构紧凑，但蜗杆传动效率低，长期连续工作不经济；图2-1（c）方案尺寸较小，传动效率较高，也适应恶劣环境中长期工作，是较为合理的。(a)（b）（c）图2-1带式运输机传动方案比较机械设计基础课程设计52.1.2拟定传动系统方案时的一般原则由上述方案分析可知，在选定动力装置的条件下，根据机器的工作条件拟定合理的传动方案，主要是合理地确定传动系统，即合理明确传动机构的种类和多级传动中各传动机构的合理布置。下面给出传动机构选项和各类传动机构布置及原动机选择的一般原则。1.传动机构类型的选择原则合理地选择传动类型是拟定传动方案时的重要环节。常用传动机构的类型，性能和使用范围可参阅机械设计基础教材。第9章中的9.2.4中列出了常用机械传动的传动比推荐范围，可参考选用。在机械传动系统中，各种减速器应用很多，常用减速器的类型，特点和应用可见表2-1。机械设计基础课程设计6在选择传动机构类型时依据的一般原则为：（1）小功率传动，宜选用结构简单、价格便宜、标准化程度高的传动机构，以降低制造成本；（2）大功率传动，应优先选用传动效率高的传动机构，如齿轮传动，以降低能耗；（3）工作中可能出现过载的工作机，应选用具有过载保护作用的传动机构，如带传动，但在易爆、易燃场合，不能选用带传动，以防止摩擦静电引起火灾；（4）载荷变化较大，换向频繁的机器，应选用具有缓冲吸振能力的传动机构，如带传动；（5）工作温度较高，潮湿、多粉尘、易爆、易燃场合，宜选用链传动，闭式齿轮或蜗杆传动；（6）要求两轴保持准确的传动比时，应选用齿轮或蜗杆传动。机械设计基础课程设计72．各类传动机构在多级传动中的布置原则在多级传动中，各类传动机构的布置顺序不仅影响传动的平稳性和传动效率，而且对整个传动系统的结构尺寸也有很大影响。因此，应根据各类传动机构的特点合理布置，使各类传动机构得以充分发挥其优点。常用传动机构的一般布置原则是：（1）带传动承载能力较低，但传动平稳，缓冲吸振能力强，宜布置在高速级；（2）链传动运转不平稳，有冲击，宜布置在低速级；（3）蜗杆传动效率低，但传动平稳，当其与齿轮传动同时应用时，宜布置在高速级，以减小蜗轮的尺寸；（4）当传动中有圆柱齿轮和圆锥齿轮传动时，圆锥齿轮传动宜布置在高速级，以减小圆锥齿轮的尺寸；（5）对于开式齿轮传动，由于其工作环境较差，润滑不良，为减少磨损，宜布置在低速级；（6）斜齿轮传动比较平稳，常布置在高速级。机械设计基础课程设计8类别级数图简推荐传动比特点及应用齿轮减速器单级直齿i≤4、斜齿i≤5、人字齿i≤8应用广泛、结构简单。齿轮可用直齿、斜齿或人字齿。可用于低速轻载，也可用于高速重载双级圆柱齿轮展开式i=8～40应用广泛、结构简单，用斜齿、直齿、人字齿。展开式的齿轮相对轴承不对称，轴向载荷分布不均，故要求高速级小齿轮远离输入端，轴应有较大刚性；同轴式的减速器长度方向尺寸较小、轴向尺寸较大，刚度较差；分流式的齿轮相对于轴承对称分布，常用于较大功率，变载荷场合下。同轴式分流式圆锥齿轮单级直齿锥齿i≤3圆柱斜齿、或曲线齿i≤8用于输出轴和输入轴两轴线垂直相交的场合。为保证两齿轮有准确的相对位置，应有进行调整的结构。齿轮难于精加工，仅在传动布置需要时采用双级直齿i=6.3~31.5斜齿、曲线齿i=8~40应用场合与单级圆锥齿轮减速器相同。锥齿轮在高速级，可减小锥齿轮尺寸，避免加工困难；小锥齿轮轴常悬臂布置，在高速级可减小其受力机械设计基础课程设计9类别级数图简推荐传动比特点及应用蜗杆减速器单级上置式i=8~80大传动比时结构紧凑，外廓尺寸小，效率较低。下置蜗杆时润滑条件好，应优先采用，但当蜗杆速度太高时（v≥5m/s），搅油损失大。上置蜗杆式轴承润滑不便下置式双级i=100~4000结构紧凑、传动比大、效率低，为使高速级和低速级传动浸油深度大致相同，应使高速级的中心距约为低速级的两倍齿轮－蜗杆减速器i=15~480有蜗杆传动在高速级和齿轮传动在高速级两种形式。前者效率较高，后者应用较少行星齿轮减速器渐开线行星齿轮减速器单级i=2~12双级i=14~160传动型式有多种，体积小，重量轻，承载能力大，效率高，工作平稳。但制造精度要求高，结构复杂摆线针轮减速器直齿单级：i=11~87传动比大，效率较高（0.9～0.95），运转平稳，噪声低，体积小，重量轻。过载和抗冲击能力强，寿命长。加工难度大，工艺复杂谐波齿轮减速器单级i=50~500（左图、柔轮或刚轮固定，波发生器主动）i=1.002~1.02（右图、波发生器固定，柔轮主动）传动比大，同时参与啮合齿数多，承载能力高。体积小，重量轻，效率0.65～0.9，传动平稳，噪声小。制造工艺复杂机械设计基础课程设计102.2选择电动机2.2.1原动机类型及选择原则根据动力源的不同，常用动力装置可分为四大类型，即电动机、内燃机、液压电动机和气压电动机等。在选择动力装置的类型时，主要应从以下三个方面进行考虑：（1）执行构件的载荷特性、运动特性，机械的结构布局、工作环境、环保要求等；（2）动力装置的机械特性、适应的工作环境、输出参数可控制性、能源供应情况等；（3）机械的经济性、效率、质量、尺寸等。由于电力供应的普遍性，且电动机具有结构简单，价格便宜，效率高，控制和使用方便等优点，目前大部分固定机械均优先选用电动机作为动力装置。下面简单介绍电动机的类型与参数的选择。机械设计基础课程设计112.2.2电动机的类型和结构形式的选择电动机是一种标准系列产品，使用时只需合理选择其类型和参数即可。电动机的类型有交流电动机、直流电动机、步进电动机和伺服电动机等。直流电动机和伺服电动机造价高，多用于一些有特殊需求的场合；步进电动机常用于数控设备中。由于交流异步电动机结构简单、成本低、工作稳定可靠、容易维护、且交流电源易于获得，故是机械设备最常用的原动机。一般工程上常用三相异步交流电动机，其中Y系列为全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，电源电压380V，用于非易燃、易爆、腐蚀性工作环境，无特殊要求的机械设备，如机床、农用机械、运输机等，也适用于某些启动转矩有较高要求的机械，如压缩机等。YZ系列和YZR系列分别为笼型转子和绕线转子三相异步电动机，具有较小转动惯量和较大过载能力，可适用于频繁启制动和正反转工作状况，如冶金、起重设备等。对有特殊要求的工作场合，应按特殊要求选择，如井下设备防爆要求严格，可选用防爆电动机等。最常用的结构形式为封闭型卧式电动机。常用的Y系列，YZ系列和YZR系列电动机的技术数据，外形和安装尺寸见本书第16章电动机。机械设计基础课程设计122.2.3电动机容量的选择选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热，过载能力和启动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。对于载荷不变或变化不大，且在常温下长期连续运转的电动机，只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算。电动机容量可按下述步骤确定。1.工作机所需功率Pw工作机所需功率Pw应由机器工作阻力和运动参数计算确定。课程设计时可按设计任务书给定的工作机参数计算求得。wP机械设计基础课程设计13机械设计基础课程设计143.确定电动机额定功率Ped根据计算出的功率Pd可选定电动机的额定功率Ped，应使Ped等于或稍大于Pd。2.2.4电动机转速的选择同一类型、同一功率的三相异步交流电动机，有几种不同的同步转速（即磁场转速），一般常用电动机同步转速有3000r/min、1500r/min、750r/min等几种。同步转速低的电动机，磁极较多，其外廓尺寸及重量大，价格高；而同步转速高的电动机，磁极较少，尺寸和质量小，价格低。因此，确定电动机转速时，应从电动机和传动系统的总费用、传动系列的复杂程度机器机械效率等各个方面综合考虑。当执行构件的转速较高时，选用高转速电动机能缩短运动链，简化传动环节，提高传动效率。但如果执行构件的速度很低，则选用高转速电动机时，会使减速装置增大，机械传动部分的成本会大幅度增加，且机器的机械效率也会降低很多。因此，电动机的转速选择，必须从整机的设计要求出发，综合考虑，为能较好保证方案的合理性，应试选2~3种型号的电动机，经初步计算后择优选用。机械设计基础课程设计15选择电动机转速时，可先根据工作机主动轴转速和传动系统中各级传动的常用传动比范围，推算出电动机转速的可选范围，以供参照比较，即wnwnniiiin)(321(2-6)根据选定的电动机类型、结构、功率和转速，从标准中查出电动机型号后，应将其型号、额定功率、满载转速以及电动机中心高、轴伸尺寸和键槽尺寸等记录下来备用，具体格式可见2.5节中总体设计示例。机械设计基础课程设计162.3传动装置的总传动比的计算及其分配2.3.1总传动比的计算由选定电动机的满载转速nm和工作机主动轴的转速nw，可确定传动系统的总传动比为(2-7)由于传动系统是由多级传动串联而成，因此总传动比是各级传动比的连乘积，即(2-8)wmnni总niiiii321总机械设计基础课程设计172.3.2各级传动比的合理分配设计多级传动系统时，需将总传动比分配到各级传动机构。分配传动比时通常应考虑以下几个方面：（1）各级传动机构的传动比应在推荐值的范围内（见表2-1与第9章中的9.2.4），不应超过最大值，以利发挥其性能，并使结构紧凑。（2）应使各级传动的结构尺寸协调，匀称。例如由V带传动和齿轮传动组成的传动系统（见图2-2），V带传动的传动比不能过大（建议采用i=2～4），否则会使大带轮半径超过减速器的中心高，造成尺寸不协调，并给机座设计和安装带来困难。图2-2减速器外装过大的带轮机械设计基础课程设计18（3）应避免传动零件之间发生干涉碰撞。如图2-3所示，当高速机传动比过大时就可能发生高速级大齿轮与低速轴发生干涉的情况。图2-2减速器外装过大的带轮应使传动装置外廓尺寸紧凑，质量轻。如图2-4所示二级圆柱齿轮减速器，在相同的总中心距和总传动比情况下，方案（b）具有较小的外廓尺寸。在减速器设计中常使各级大齿轮直径相近，以使大齿轮有相接近的浸油深度。如图2-4（b）所示，高，低速两级大齿