機械傳動系統(tǒng)總體研發(fā)設計

1、第二章 機械傳動系統(tǒng)的總體設計機械傳動系統(tǒng)的總體設計，主要包括分析和擬定傳動方案、選擇原動機、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)。第一節(jié) 分析和擬定傳動系統(tǒng)方案一、傳動系統(tǒng)方案應滿足的要求機器通常由原動機(電動機、內(nèi)燃機等) 、傳動系統(tǒng)和工作機三部分組成。 根據(jù)工作機的要求，傳動系統(tǒng)將原動機的運動和動力傳遞給工作機。實踐表 明，傳動系統(tǒng)設計的合理性，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸都有很大影 響。因此，合理地設計傳動系統(tǒng)是整部機器設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)設計質(zhì)量的基礎。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。傳動方案一般由運動簡圖表示，它直接地

2、反映了工作機、傳動系統(tǒng)和原動機 三者間運動和動力的傳遞關系。在課程設計中，學生應根據(jù)設計任務書擬定傳動 方案。如果設計任務書中已給出傳動方案，學生則應分析和了解所給方案的優(yōu)缺 點。聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。傳動方案首先應滿足工作機的性能要求，適應工作條件、工作可靠，此外還 應結(jié)構簡單、尺寸緊湊、成本低、傳動效率高和操作維護方便等。要同時滿足上 述要求往往比較困難，一般應根據(jù)具體的設計任務有側(cè)重地保證主要設計要求， 選用比較合理的方案。圖 2 l 所示為礦井輸送用帶式輸送機的三種傳動方案。由 于工作機在狹小的礦井巷道中連續(xù)工作，因此對傳動系統(tǒng)的主要要求是尺寸緊湊、 傳動效率高。圖21 (a)方案寬度

3、尺寸較大，帶傳動也不適應繁重的工作要求和 惡劣的工作環(huán)境；圖21 (b)方案雖然結(jié)構緊湊，但蝸桿傳動效率低，長期連續(xù) 工作，不經(jīng)濟；圖21(c)方案寬度尺寸較小，傳動效率較高，也適于惡劣環(huán)境 下長期工作，是較為合理的。 殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。圖21帶式輸送機傳動方案比較、擬定傳動系統(tǒng)方案時的一般原則由上例方案分析可知，在選定原動機的條件下，根據(jù)工作機的工作條件擬定 合理的傳動方案，主要是合理地確定傳動系統(tǒng)，即合理地確定傳動機構的類型和 多級傳動中各傳動機構的合理布置。下面給出傳動機構選型和各類傳動機構布置 及原動機選擇的一般原則。釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1 .傳動機構類型的選擇原則合理地選擇傳動

4、類型是擬定傳動方案時的重要環(huán)節(jié)。常用傳動機構的類型、 性能和適用范圍可參閱機械設計 基礎教材。表136中列出了常用機械傳 動的單 級傳動比推薦值，可參考選用。在機械傳動系統(tǒng)中，各種減速器應用很多，常用 減速器的類型、特點和應用可見表 2 1 o彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。在選擇傳動機構類型時依據(jù)的一般原則為：(1) 小功率傳動，宜選用結(jié)構簡單、價格便宜、標準化程度高的傳動機構， 以降低制造成本。(2) 大功率傳動，應優(yōu)先選用傳動效率高的傳動機構，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，應選用具有過載保護作用的傳動機構，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

5、引起火災。謀 蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。（4）載荷變化較大，換向頻繁的工作機，應選用具有緩沖吸振能力的傳動機 構，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、閉式齒輪 或蝸桿傳動。（6）要求兩軸保持準確的傳動比時，應選用齒輪或蝸桿傳動。2各類傳動機構在多級傳動中的布置原則 在多級傳動中，各類傳動機構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)構尺寸也有很大影響。因此，應根據(jù)各類傳動機構的特 點合理布置，使各類傳動機構得以充分發(fā)揮其優(yōu)點。常用傳動機構的一般布置原 則是： 廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。（ 1）帶傳動承載能力較低， 但傳動平穩(wěn)， 緩沖吸振能力強，

6、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)，當其與齒輪傳動同時應用時，宜布置在 高速級。（4）當傳動中有圓柱齒輪和錐齒輪傳動時，錐齒輪傳動宜布置在高速級，以 減小錐齒輪的尺寸。（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。第二節(jié) 常用減速器的類型、特點和應用常用減速器的類型、特點和應用見表 2 1。-23 -表2 1常用減速器的類型、特點和應用類型簡圖傳動比特點和應用單級圓 柱齒輪減 速器常用：直齒宅4斜齒W6直齒輪用于較低速度(Sih/5),斜 齒輪用于較高速

7、度場合，人字齒輪用于 輕荷較重的傳珀中I 齊 1牛II單 118 -40般采用斜齒輪*低速級也可采用直 齒輪匕總傳動比較大，結(jié)構簡單.應用 最廣。由于垮輪相對于軸承為不對稱布 置，丙而沿齒寬載荷分布不均勻，要求 軸有較大剛度同軸式單級錐 齒輪減速 器圓錐-圓柱齒輪減速器蝸桿減連器減速器橫向尺寸較小，兩大齒輪浸油 深度可以大致相同口結(jié)構較靈雜軸向 尺寸大中間軸較長、剛度差，中間軸 承潤滑較困難般為高速級分流.且常采用斜齒 輪；低速級可用直齒或人字齒輪&齒輪 8-40 相對于軸承為對稱布置，沿齒寬載荷分 布較均勻。減速器結(jié)構較復雜。常用于 大功率、變載荷場合傳動比不宜太大，以減小大齒輪的尺 寸，便

8、于加工圓錐齒輪應置于高速級，以免使圖錐 齒輪尺寸過大，加工困難10 80結(jié)構緊湊傳動比較大，但傳動效率 低，適用于中、小功率和間歇工柞場 合。蝸桿下置時，渭滑、掙卻條件較好口 通常蝸桿岡周速度v4 -5 iw/g時用上置式第三節(jié) 原動機類型和參數(shù)的選擇一、原動機類型及選擇原則根據(jù)動力源的不同，常用原動機可分為四大類型，即電動機、內(nèi)燃機、液壓 馬達和氣壓馬達等。在選擇原動機的類型時，主要應從以下三個方面進行考慮： 煢 楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。（1）執(zhí)行構件的載荷特性、運動特性，機械的結(jié)構布局、工作環(huán)境、環(huán)保要 求等。（2）原動機的機械特性、適應的工作環(huán)境、輸出參數(shù)可控制性、能源供應情 況等。（3）機

9、械的經(jīng)濟性、效率、重量、尺寸等。 由于電力供應的普遍性，且電動機具有結(jié)構簡單、價格便宜、效率高、控制 和使用方便等優(yōu)點，目前，大部分固定機械均優(yōu)先選用電動機作為原動機。下面 簡單介紹電動機的類型與參數(shù)的選擇。 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。二、電動機的種類和結(jié)構形式的選擇電動機是一種標準系列產(chǎn)品，使用時只需合理選擇其類型和參數(shù)即可。電動 機的類型有交流電動機、直流電動機、步進電動機和伺服電動機等。直流電動機 和伺服電動機造價高，多用于一些有特殊需求的場合；步進電動機常用于數(shù)控設 備中。由于交流異步電動機結(jié)構簡單、成本低、工作穩(wěn)定可靠、容易維護，且交 流電源易于獲得，故是機械設備最常用的原動機。一般工程

10、上常用三相異步交流 電動機，其中丫系列為全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，電源電壓380V，用于非易燃、易爆、腐蝕性工作環(huán)境，無特殊要求的機械設備，如機床、農(nóng)用機械、 輸送機等，也適用于某些起動轉(zhuǎn)矩有較高要求的機械，如壓縮機等。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，具有較小轉(zhuǎn)動慣量和較大 過載能力，可適用于頻繁起制動和正反轉(zhuǎn)工作狀況，如冶金、起重設備等。對有 特殊要求的工作場合，應按特殊要求選擇，如井下設備防爆要求嚴格，可選用防爆電動機等。最常用的結(jié)構形式為封閉型臥式電動機籟叢媽羥為贍債蟶練淨常用的丫系列、YZ系列和YZR系列電動機的技術數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸 見本書第十-

11、27 -三、電動機容量的選擇選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮 電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要 由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關。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，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，可不進行發(fā)熱計算。電動機容量可按下述步驟確定：預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。1工作機所需功率Pw工作機所需功率Pw應由機器工作阻力和運動參數(shù)計算確定。課程設計時可按設計任務書給定的工作機參數(shù)計算求得。當已知工作機主動軸的輸出轉(zhuǎn)矩 T (N m)和轉(zhuǎn)速nW (r/min)時，則工

12、作 機主動軸所需功率(2 1)F ( N)和輸送帶速Pw 二如 kW9550如果給出帶式輸送機驅(qū)動卷筒的圓周力(即卷筒牽引力) 度v (m/s),則卷筒軸所需功率FvPwkW(22)1000輸送帶速度V與卷筒直徑D (mm)、卷筒軸轉(zhuǎn)速nW的關系為(2 3)二 Dnw6 0 1 0 002電動機的輸出功率Pd考慮傳動系統(tǒng)的功率損耗，電動機輸出功率為(2 4)式中， 為從電動機至工作機主動軸之間的總效率，即(25)其中1、2、|卜n分別為傳動系統(tǒng)中各傳動副、聯(lián)軸器及各對軸承的效率，其數(shù)值見第十三章中表13 7。3 確定電動機額定功率Ped根據(jù)計算出的功率Pd可選定電動機的額定功率Ped，應使Rd

13、等于或稍大于P。四、電動機轉(zhuǎn)速的選擇同一類型、同一功率的三相異步交流電動機，有幾種不同的同步轉(zhuǎn)速（即磁場轉(zhuǎn)速），一般常用電動機同步轉(zhuǎn)速有 3000r/ min、1500r/min、1000r/ min、750r/min等幾種。同步轉(zhuǎn)速低的電動機，磁極數(shù)多，其外廓尺寸及重量大，價格高； 而同步轉(zhuǎn)速高的電動機，磁極數(shù)少，尺寸和重量小，價格低。因此，確定電動機 轉(zhuǎn)速時，應從電動機和傳動系統(tǒng)的總費用、傳動系統(tǒng)的復雜程度及其機械效率等 各個方面綜合考慮。當執(zhí)行構件的轉(zhuǎn)速較高時，選用高轉(zhuǎn)速電動機能縮短運動鏈， 簡化傳動環(huán)節(jié)，提高傳動效率。但如果執(zhí)行構件的速度很低，則選用高轉(zhuǎn)速電動 機時，會使減速裝置增大，

14、機械傳動部分的成本會大幅度增加，且機器的機械效 率也會降低很多。因此，電動機的轉(zhuǎn)速選擇，必須從整機的設計要求出發(fā)，綜合 考慮，為能較好地保證方案的合理性，應試選 23種型號電動機，經(jīng)初步計算后 擇優(yōu)選用。滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。選擇電動機轉(zhuǎn)速時，可先根據(jù)工作機主動軸轉(zhuǎn)速 nw和傳動系統(tǒng)中各級傳動的 常用傳動比范圍，推算出電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍，以供參照比較，即 鐃誅臥瀉噦圣騁貺 頂廡。n； = （i 門曲）n w（26）式中，nd為電動機轉(zhuǎn)速可選范圍；i；、i2、in為各級傳動的傳動比范 圍，見表13 6。根據(jù)選定的電動機類型、結(jié)構、功率和轉(zhuǎn)速，從標準中查出電動機型號后，應將其型號、額定功率、滿載

15、轉(zhuǎn)速、電動機中心高、軸伸尺寸、鍵槽尺寸等記錄 下來備用，具體格式可 見本章第六節(jié)中總體設計示例。 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。第四節(jié)機械傳動系統(tǒng)的總傳動比和各級傳動比的分配、總傳動比的計算由選定電動機的滿載轉(zhuǎn)速nm和工作機主動軸的轉(zhuǎn)速nw，可確定傳動系統(tǒng)的總nminw傳動比為(2 7)由于傳動系統(tǒng)是由多級傳動串聯(lián)而成，因此總傳動比是各級傳動比的連乘積, 即(28)、各級傳動比的合理分配設計多級傳動系統(tǒng)時，需將總傳動比分配到各級傳動機構。分配傳動比時通 常應考慮以下幾方面：（1）各級傳動機構的傳動比應在推薦值的范圍 內(nèi)（見表13 6），不應超過最大值，以利發(fā)揮其性能，并使結(jié)構緊湊。贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷

16、。（2） 應使各級傳動的結(jié)構尺寸協(xié)調(diào)、勻稱。例如，由V帶傳動和齒輪傳動組成的傳動系統(tǒng)（如圖2 2），V帶傳動的傳動比不能過大，否則會使大帶輪半徑超 過減速器的中心高，造成尺寸不協(xié)調(diào)，并給機座設計和安裝帶來困難。壇搏鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。圖22大帶輪直徑過大（3） 應使傳動裝置外廓尺寸緊湊，重量輕。如圖23所示二級圓柱齒輪減速器，在相同的總中心距和總傳動比情況下，方案（b）具有較小的外廓尺寸。蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。（4）在減速器設計中常使各級大齒輪直徑相近，以使大齒輪有相接近的浸油深度。如圖2 3 （b）所示，高、低速兩級大齒輪直徑相近，且低速級大齒輪直徑 稍大，其浸油深度也稍深一些，有利于浸油潤滑

17、。買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。（5） 應避免傳動零件之間發(fā)生干涉碰撞。如圖24所示，當高速級傳動比過大時就可能發(fā)生高速級大齒輪與低速軸發(fā)生干涉的情況。綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。（3）-# -圖23傳動比分配對結(jié)構尺寸影響閔輪與/渺x 一x-35 -圖24傳動比分配不合理使傳動零件干涉設計二級以上的減速器時，合理分配各級傳動比是很重要的?？紤]到上述問 題，這里推薦一些傳動比的分配方法，供設計減速器時參考。驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦(1) 對于二級臥式圓柱齒輪減速器，為使兩級的大齒輪有相近的浸油深度， 高速級傳動比h和低速級傳動比i2可按下列方法分配： 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。展開式和分流式減速器h = (1.11

18、.5)i2同軸式減速器h二i2(2) 對于圓錐一圓柱齒輪減速器，為使大錐齒輪直徑不致過大，高速級錐齒輪傳動比可取i!0.25i，且i! 3，此處i為減速器總傳動比。但當要齒輪浸油深度大致相等時，也可取i廠3.54 。鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。(3) 對于蝸桿 一齒輪減速器，常取低速級圓柱齒輪傳動比i (0.030.06)i， i為減速器總傳動比。(4) 對于齒輪 一蝸桿減速器，齒輪傳動在高速級，分配傳動比時，為了使箱體緊湊和便于潤滑，通常取齒輪傳動的傳動比i122.5。構氽頑黌碩飩薺齦話騖。傳動比分配時要考慮各方面要求和限制條件，可以有不同分配方法，常需擬 定多種分配方案進行比較。以上分配的各級傳

19、動比只是初始值，待有關傳動零件參數(shù)確定后，再驗算傳 動系統(tǒng)實際傳動比是否符合設計任務書的要求。如果設計要求中沒有特別規(guī)定工作機轉(zhuǎn)速的誤差范圍，則一般傳動系統(tǒng)的傳動比允許誤差可按土（35） %考慮。嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。第五節(jié)機械傳動系統(tǒng)運動和動力參數(shù)的計算進行傳動零件的設計計算時，需計算各軸的輸入功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。為便于 計算，將各軸從高速軸至低速軸依次定為I軸、U軸、川軸，電動機軸定為 I 0車由。堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅。以圖2 5所示帶式輸送機減速傳動系統(tǒng)為例， 當已知電動機額定功率Ped、 載轉(zhuǎn)速n.、各級傳動比及傳動效率后，即可計算各軸的輸入功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。圖2 5

20、帶式輸送機減速傳動系統(tǒng)、各軸的輸入功率各軸輸入功率分別為R=叮 oi kW(29)Ph = RH 12=卩肌叫1 i*W(210)Pm = Ph 23 -Red 01 12 23 kW(211)式中，巳為電動機額定功率，kW ； R、Ph、Pm為I軸、H軸、m軸的輸入功率, kW ； 01為電動機軸與I軸之間帶傳動的效率； 12為I軸和H軸之間高速級傳動 的效率，包括I軸上的一對軸承和高速級齒輪副的效率；23為h軸和m軸之間低速級傳動的效率，包括h軸上的一對軸承和低速級齒輪副的效率。 凍鈹鋨勞臘錯癇婦脛糴。、各軸的轉(zhuǎn)速各軸轉(zhuǎn)速分別為山=nm r / m ini0ni nm/ .nnr / m

21、ini11 0 i1nmnnnmr / m ini2i0 i1 i2(212)(213)(214)式中，nm為電動機的滿載轉(zhuǎn)速，r / min ； n】、叫、九為I軸、H軸、m軸的轉(zhuǎn)速,r / min ； i0、i1、i2為電動機軸至I軸、I軸至H軸、H軸至m軸之間的傳動比。恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。、各軸的輸入轉(zhuǎn)矩各軸輸入轉(zhuǎn)矩分別為RT 二 9550N m(215)nPhTh =9550N m(216)nH（217）本章第六節(jié)中T皿二 9550 巴N mn皿將運動和動力參數(shù)的計算結(jié)果整理后列表備查，具體格式可見總體設計示例。第六節(jié)機械傳動系統(tǒng)的總體設計示例如圖25所示帶式輸送機減速傳動系統(tǒng)方案，

22、已知卷筒直徑D = 250mm,輸送帶的有效拉力F = 9800N,輸送帶速度v = 0.5m/ s,在室內(nèi)常溫下長期連續(xù)工作， 環(huán)境有灰塵，電源為三相交流，電壓為 380V，要求對該帶式輸送機減速傳動系統(tǒng) 進行總體設計。鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。解：1.電動機的選擇（1）選擇電動機類型和結(jié)構形式本減速器在常溫下連續(xù)工作，載荷平穩(wěn)，對起動無特殊要求，但工作環(huán)境灰塵較多，故選用丫型全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，電源電壓為380V。結(jié)構形式為臥式電動機。 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。（2）確定電動機的功率工作機所需功率FW =- =0k5 = 4.9k W1000 1000電動機的工作功率電動機到輸送帶

23、的總效率為由表137查得：V帶傳動效率0.96 ;滾子軸承效率 0.98 （三對齒輪 軸軸承和一對卷筒軸軸承）；齒輪副效率口3 = 0.97 （齒輪精度為8級）；齒輪聯(lián)軸器效率4=0.99 ;卷筒效率 5=0.96，代入得：閿擻輳嬪諫遷擇植秘騖。= 0.96 0.984 0.972 0.99 0.96 = 0.79巳二也 kW =6.2kW0.79查表11 1,選電動機額定功率為7. 5kW。(3) 確定電動機的轉(zhuǎn)速卷筒軸工作轉(zhuǎn)速為：6 0漢 1000601 0 000. 5nWr/min 38.2r/m in二 D3.1 425 0按表136推薦的傳動比合理范圍，取 V帶傳動的傳動比n =

24、24 ;由表21知，二級圓柱齒輪減速器傳動比i2=840 ,則總傳動比合理范圍為ia =16-160，電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍為 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈濾頷澩。nd =ianW =(16160) 38.2r/min =611 6112r/min符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速有 750r/min、1000 r/min、1500 r/min和3000r/min四種，可查得四種方案，見表 22。釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。表22可選電動機參數(shù)比較方案電動機型號額定功率/ (kW)電動機轉(zhuǎn)速/ (r min1)同步轉(zhuǎn)速滿載轉(zhuǎn)速1Y132S227.5300029002Y132M 47.5150014403Y160M 67.510

25、009704Y160L87.5750720綜合考慮減輕電動機及傳動系統(tǒng)的重量和節(jié)約資金，選用第二方案。因此選 定電動機型號為Y132M 4,其主要性能參數(shù)如表 2 3。慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。表2 3 Y132M 4電動機主要性能參數(shù)電動機型號額定功率/ (kW)同步轉(zhuǎn)速/ (r min1)滿載轉(zhuǎn)速/ (r min1)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩Y132M 47.5150014402.22.2丫132M 4電動機主要外形和安裝尺寸見表24表24 Y132M 4電動機主要外形和安裝尺寸(單位：mm)中心高外形尺寸安裝尺寸軸伸尺寸平鍵尺寸HL X( AC/2 + AD) X HDAX BDX EF X G132515X 345X 315216X 17838 X 8010X 332 計算傳動系統(tǒng)的總傳動比和分配各級傳動比nmnW(1)傳動系統(tǒng)的總傳動比144037.738.2(2)分配傳動系統(tǒng)傳動比ia = 0 i式中，io、i為帶傳動和減速器的傳動比。為使V帶傳動外廓尺寸不致過大，初步取i0=2.8，則減速器傳動比3 7. 72. 8所得減速器傳動比值符合一般二級展開式圓柱齒輪減速器傳動比的常用范圍3)分配減