機(jī)械設(shè)計(jì)-學(xué)做一體化課件：傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)

傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)2.1傳動(dòng)方案的擬訂2.2-減速器的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用2.3電動(dòng)機(jī)的選擇2.4傳動(dòng)比的計(jì)算與分配2.5各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩2.6總體設(shè)計(jì)實(shí)例思考與練習(xí)

2.1傳動(dòng)方案的擬訂

1.傳動(dòng)方案確定原則

滿足工作機(jī)性能要求的傳動(dòng)方案,可以由不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型以不同的組合形式和布置順序構(gòu)成。合理的方案首先應(yīng)滿足工作機(jī)的性能要求,以保證工作可靠。此外,還應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、傳動(dòng)效率高和使用維護(hù)便利的特點(diǎn)。要同時(shí)滿足上述要求,往往比較困難,因此,應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計(jì)任務(wù)有所側(cè)重地保證主要設(shè)計(jì)要求,選用比較合理的方案。

圖2-1所示為帶式運(yùn)輸機(jī)的工作機(jī)部分,它由機(jī)架、前后兩個(gè)滾筒和輸送帶組成。工作機(jī)的輸送帶以一定的拉力、運(yùn)行速度運(yùn)動(dòng),將遠(yuǎn)距離的物料傳送到生產(chǎn)鏈的下游裝置中。圖2-1帶式運(yùn)輸機(jī)工作機(jī)

要保證帶式運(yùn)輸機(jī)工作機(jī)的正常工作,必須提供合適的原動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置,通常原動(dòng)機(jī)可選為電動(dòng)機(jī)。因電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,工作機(jī)的轉(zhuǎn)速較低,二者相差較大,故在電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間常采用不同種類的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組合成多級(jí)傳動(dòng)的大傳動(dòng)比,來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的減速。各類傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)和適用范圍如表2-1所示。

在多級(jí)傳動(dòng)中,各級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的排列順序?qū)鲃?dòng)的平穩(wěn)性、傳動(dòng)效率以及傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸的影響很大,下列幾點(diǎn)原則可供確定設(shè)計(jì)方案時(shí)參考。

(1)帶傳動(dòng)承載能力較低,但傳動(dòng)平穩(wěn),緩沖吸振能力強(qiáng),宜布置在高速級(jí)。

(2)鏈傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻,有沖擊,宜布置在低速級(jí)。

(3)蝸桿傳動(dòng)效率低,但傳動(dòng)平穩(wěn),當(dāng)與齒輪傳動(dòng)同時(shí)應(yīng)用時(shí),宜布置在高速級(jí)。

(4)當(dāng)傳動(dòng)中有圓柱齒輪和圓錐齒輪傳動(dòng)時(shí),圓錐齒輪傳動(dòng)宜布置在高速級(jí),以減小圓錐齒輪的尺寸。

(5)開(kāi)式齒輪傳動(dòng)由于工作環(huán)境較差,潤(rùn)滑不良,為減少磨損,宜布置在低速級(jí)。

(6)斜齒輪傳動(dòng)比較平穩(wěn),常布置在高速級(jí)。

2-.傳動(dòng)方案分析

有很多傳動(dòng)方案都可以保證帶式運(yùn)輸機(jī)工作機(jī)的正常工作,以如圖2-2所示的五種較為典型的方案進(jìn)行分析。

方案(一)選用V帶傳動(dòng)和閉式齒輪傳動(dòng),帶傳動(dòng)布置于高速級(jí),起到傳動(dòng)平穩(wěn)、緩沖吸振和過(guò)載保護(hù)的作用。但此方案結(jié)構(gòu)尺寸較大,帶傳動(dòng)也不適用于繁重的工作要求和惡劣的工作環(huán)境。

方案(二)采用一級(jí)蝸桿減速器傳動(dòng),結(jié)構(gòu)緊湊,傳動(dòng)比比較大,但是蝸桿傳動(dòng)效率較低,長(zhǎng)期連續(xù)工作不經(jīng)濟(jì)。

方案(三)采用二級(jí)閉式齒輪傳動(dòng),適應(yīng)在繁重及惡劣的條件下長(zhǎng)期工作,且使用維護(hù)方便。但要求大啟動(dòng)力矩時(shí),啟動(dòng)沖擊大。

方案(四)采用二級(jí)圓錐圓柱齒輪傳動(dòng),適合布置在狹窄的通道中工作,但加工圓錐齒輪比加工圓柱齒輪困難,成本也較高。

方案(五)采用V帶傳動(dòng)、閉式齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng),能滿足傳動(dòng)比要求,但鏈傳動(dòng)的抗沖擊性能差,噪音大,鏈磨損快,壽命短。圖2-2-帶式運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)方案

以上五種傳動(dòng)方案都可以滿足帶式輸送機(jī)的功能要求,但其結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)成本各不相同,一般應(yīng)根據(jù)具體工作條件選定較好的方案。

其中方案(五)中包含有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng),從機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)體系的完整性來(lái)說(shuō)較為典型,后面將以此方案作為設(shè)計(jì)案例重點(diǎn)講解。

2.2-減速器的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用

減速器在傳動(dòng)裝置中應(yīng)用最廣泛,為了便于合理選擇減速器的類型,表2-2列出了常用減速器的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用,供學(xué)生選型時(shí)參考。

2.3電動(dòng)機(jī)的選擇

1.選擇電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式電動(dòng)機(jī)有交、直流之分,一般工廠都采用三相交流電,因而選用交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)分異步、同步電動(dòng)機(jī),異步電動(dòng)機(jī)又分為籠型和繞線型兩種,其中以普通籠型異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多。目前應(yīng)用較廣的Y系列全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,啟動(dòng)性能好,工作可靠,價(jià)格低廉,維護(hù)方便,適用于不易燃、不易爆、無(wú)腐蝕性氣體、無(wú)特殊要求的場(chǎng)合,如運(yùn)輸機(jī)、機(jī)床、農(nóng)機(jī)、風(fēng)機(jī)和輕工機(jī)械等。

2.確定電動(dòng)機(jī)的功率

電動(dòng)機(jī)功率的選擇直接影響到電動(dòng)機(jī)工作性能和經(jīng)濟(jì)性能的好壞。若所選電動(dòng)機(jī)的功率小于工作要求,則不能保證工作機(jī)正常工作;若功率過(guò)大,則電動(dòng)機(jī)不能滿載運(yùn)行,功率因數(shù)和效率較低,從而增加電能消耗,造成能源浪費(fèi)。

確定電動(dòng)機(jī)的功率時(shí)要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過(guò)載能力和啟動(dòng)能力三方面因素,但一般情況下電動(dòng)機(jī)的容量主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱條件而定。對(duì)于載荷不變或變化不大,且在常溫下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī),只要電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不超過(guò)額定值,電動(dòng)機(jī)便不會(huì)過(guò)熱,通常不必校驗(yàn)發(fā)熱和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

確定電動(dòng)機(jī)功率的步驟如下:

(1)工作機(jī)所需功率Pw(kW)。若已知工作機(jī)的阻力F(N)和圓周速度v(m/s),則

若已知作用在工作機(jī)上的阻力矩T(N·m)及轉(zhuǎn)速nw(r/min),則

(2)電動(dòng)機(jī)的輸出功率Pd。

式中:η為從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的總效率。則總效率為

其中,η1、η2、…、ηn分別為傳動(dòng)系統(tǒng)中各傳動(dòng)副(齒輪、帶或鏈傳動(dòng)等)效率、一對(duì)軸承的效率和每個(gè)聯(lián)軸器的效率,其數(shù)值見(jiàn)表2-3。

在進(jìn)行效率計(jì)算時(shí),還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)軸承效率是針對(duì)一對(duì)軸承而言的,如一根軸上有三個(gè)軸承時(shí),應(yīng)按兩對(duì)計(jì)算。

(2)同類型的多對(duì)傳動(dòng)副,要分別計(jì)入各自的效率。

(3)表2-3內(nèi)所推薦的效率為一個(gè)范圍,工作條件差時(shí),效率取低值,反之則取高值。

(4)按電動(dòng)機(jī)的額定功率Ped≥Pd的條件選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。

3.確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

同一類型且相同額定功率的電動(dòng)機(jī)低速的級(jí)數(shù)多,外部尺寸較大,重量較重以及價(jià)格較高,但可使傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和尺寸減小;高速電動(dòng)機(jī)則與低速電動(dòng)機(jī)相反,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面因素,選取適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

三相異步電動(dòng)機(jī)常用的同步轉(zhuǎn)速有3000r/min、1500r/min、1000r/min和750r/min,實(shí)際應(yīng)用中常選用1500r/min或1000r/min的電動(dòng)機(jī)。

Y系列電動(dòng)機(jī)為全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī),用于空氣中不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的場(chǎng)合。常用在一般機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)中。其技術(shù)數(shù)據(jù)、安裝代號(hào)和安裝尺寸見(jiàn)表2-4和表2-5。

根據(jù)工作機(jī)的轉(zhuǎn)速要求和各級(jí)傳動(dòng)的合理傳動(dòng)比范圍,可按下式推算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍,即

式中:n為電動(dòng)機(jī)可選轉(zhuǎn)速范圍,單位為r/min;nw為工作機(jī)軸的轉(zhuǎn)速,單位為r/min;i1·i2·i3·…·in為各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比合理范圍。

設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置時(shí)一般按實(shí)際工作需要的電動(dòng)機(jī)輸出功率Pd計(jì)算,轉(zhuǎn)速則取滿載轉(zhuǎn)速。

2.4傳動(dòng)比的計(jì)算與分配

電動(dòng)機(jī)選定后,根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速nm和工作機(jī)的轉(zhuǎn)速nw,即可確定傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比i為總傳動(dòng)比為各級(jí)傳動(dòng)比的連乘積,即

合理分配傳動(dòng)比是傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要步驟,它將直接影響到傳動(dòng)系統(tǒng)的外廓尺寸、重量、潤(rùn)滑及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心距等問(wèn)題。分配傳動(dòng)比的基本原則是:

(1)各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比應(yīng)在合理的范圍內(nèi)(見(jiàn)表2-6),不超出容許的最大值,以利于發(fā)揮各級(jí)傳動(dòng)的性能,并使結(jié)構(gòu)緊湊。

(2)使各傳動(dòng)件尺寸協(xié)調(diào),結(jié)構(gòu)均勻合理。例如,電動(dòng)機(jī)至減速器間有帶傳動(dòng),一般應(yīng)使帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比小于齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比,以免大帶輪半徑大于減速器中心高,使帶輪與底架相碰,如圖2-3所示。圖2-3大帶輪半徑過(guò)大

(3)盡量使傳動(dòng)裝置的總體尺寸緊湊。如圖2-4所示,在中心距和總傳動(dòng)比相同時(shí),粗實(shí)線所示方案較細(xì)實(shí)線所示方案具有較小的外廓尺寸。圖2-4中心距和傳動(dòng)比

(4)使各級(jí)傳動(dòng)的大齒輪浸油深度合理,如圖2-5所示。圖2-5大齒輪浸油深度

2.5各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩

為了進(jìn)行傳動(dòng)零件和軸的設(shè)計(jì)計(jì)算,應(yīng)將傳動(dòng)裝置中各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來(lái)。計(jì)算時(shí)可先將各軸從高速軸至低速軸依次編號(hào),如Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸、…,再按順序逐步計(jì)算,并設(shè):i0、i1、…為相鄰兩軸之間的傳動(dòng)比;η01、η12、…為相鄰兩軸之間的傳動(dòng)效率;PⅠ

、PⅡ、…為各軸輸入功率,單位為kW;TⅠ

、TⅡ

、…為各軸輸入轉(zhuǎn)矩,單位為N·m。

(1)各軸的轉(zhuǎn)速。

式中:nⅠ為電動(dòng)機(jī)Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速,單位為r/min;nm為電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速,單位為r/min;i0為電動(dòng)機(jī)軸至Ⅰ軸的傳動(dòng)比。

依次序得

其余類推。

(2)各軸輸入功率。

式中:Pd為電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率,單位為kW;PⅠ為Ⅰ軸的實(shí)際輸入功率,單位為kW;η01為電動(dòng)機(jī)軸與Ⅰ軸間的傳動(dòng)效率。

依次序得

(3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩。

式中:Td為電動(dòng)機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)矩,單位為N·m。

同理

依次序得

2.6總體設(shè)計(jì)實(shí)例

圖2-6所示為帶式輸送機(jī)傳動(dòng)方案,已知運(yùn)輸機(jī)滾筒軸功率P=5kW;運(yùn)輸機(jī)滾筒軸轉(zhuǎn)速n=78r/min;滾筒輪中心高度H=600mm。工作條件:用于鍋爐房運(yùn)煤,兩班制工作,每班工作8小時(shí),空載啟動(dòng),單向、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),載荷平穩(wěn)。使用期限:工作期限為10年,每年工作300天。生產(chǎn)批量及加工條件:小批量生產(chǎn),無(wú)鑄造設(shè)備。試完成該方案的總體設(shè)計(jì)。圖2-6帶式輸送機(jī)傳動(dòng)方案

解(1)選擇電動(dòng)機(jī)。

①選擇電動(dòng)機(jī)的類型。按已知的工作要求和工作條件,選擇Y系列三相異步電動(dòng)機(jī),此系列電動(dòng)機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,價(jià)格低廉,維護(hù)方便,適用于不易燃、不易爆、無(wú)腐蝕性氣體和無(wú)特殊要求的機(jī)械。

②選擇電動(dòng)機(jī)的效率。按表2-3選取。V帶傳動(dòng)效率η1=0.96,每對(duì)軸承效率η2=0.99,齒輪效率η3=0.96,滾子鏈傳動(dòng)效率η4=0.98,滾筒效率η5=0.96。

傳動(dòng)裝置的總效率η為

已知運(yùn)輸機(jī)滾筒軸功率P=5kW,即工作機(jī)的功率Pw=5kW,則電動(dòng)機(jī)的輸出功率為

③確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因載荷平穩(wěn),故電動(dòng)機(jī)額定功率Ped略大于Pd即可。由表2-4中Y系列電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù),選電動(dòng)機(jī)的額定功率Ped為7.5kW。初選電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min,選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y132M-4,其滿載轉(zhuǎn)速nm=1440r/min。

(2)計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比,并分配各級(jí)傳動(dòng)比。

傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比為

根據(jù)表2-6中各級(jí)傳動(dòng)傳動(dòng)比的薦用值,初選V帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比i1=2,滾子鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比i3=2.5,則齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為

各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比均在推薦值范圍內(nèi),故設(shè)計(jì)合理。

(3)計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)。

式中,i0為電機(jī)到Ⅰ軸的傳動(dòng)比,i0=1。

②各軸輸入功率。

式中:η01為電機(jī)到Ⅰ軸的傳動(dòng)比,η01=1;η12為V帶傳動(dòng)的效率;η23為包括一對(duì)軸承的效率和齒輪傳動(dòng)的效率;η34為包括一對(duì)軸承的效率和滾子鏈傳動(dòng)的效率。

③各軸輸入轉(zhuǎn)矩。

總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是傳動(dòng)裝置進(jìn)一步設(shè)計(jì)的重要依據(jù),現(xiàn)將設(shè)計(jì)計(jì)算的主要參數(shù)列表,如表2-7所示。

思考與練習(xí)

1.對(duì)照實(shí)