机械执行系统的方案设计讲解

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1、第二十九章 机械传动系统的方案设计 传动系统的功能和分类 机械传动系统的组成及常用部件 机械传动系统方案设计 机械传动系统特性及其参数计算 机械传动系统方案设计实例分析 原动机的选择 传动系统的功能 机械传动的分类和特点 29.1 传动系统的功能和分类 传动系统是连接原动机和执行系统的中间装置。其根 本任务是将原动机的运动和动力按执行系统的需要进行转 换并传递给执行系统。传动系统的具体功能通常包括以下 几个方面： （1）减速或增速； （2）变速； （3）增大转矩； （4）改变运动形式； （5）分配运动和动力； （6）实现某些操纵和控制功能。 传动系统的功能和分类 传动系统的功能 一、机械传动的

2、分类 1. 按传动的工作原理分类 机械 传动 啮合 传动 摩擦 传动 有中 间挠 性件 齿轮传动 蜗杆传动 螺旋传动 齿轮系传动 定轴轮系传动 周转轮系传动 链传动 同步带传动 普通带传动 绳传动 摩擦轮传动 传动系统的功能和分类 传动系统的分类和特点 2. 按传动比的可变性分类 机械 传动 定传 动比 传动 齿轮传动 蜗杆传动 螺旋传动 链传动 带传动 有级变 速传动 变传 动比 传动 无级变 速传动 摩擦轮无级变速传动 带式无级变速传动 链式无级变速传动 传动系统的功能和分类 二、机械传动的特点 啮合传动的主要特点为： 优点：工作可靠、寿命长，传动比准确、传递功率大， 效率高（蜗杆传动除外

3、），速度范围广。 缺点：对加工制造安装的精度要求较高。 摩擦传动的主要特点为： 优点：工作平稳、噪声低、结构简单、造价低，具有过 载保护能力 缺点：外廓尺寸较大、传动比不准确、传动效率较低、 元件寿命较短 传动系统的功能和分类 传动系统的组成 常用机械传动部件 29. 机械传动系统的组成及常用部件 1. 减速或变速装置 2. 起停换向装置 3. 制动装置 4. 安全保护装置 常用机械传动部件 1. 减速器 减速器是用于减速传动的独立部件，它由刚性箱体、齿轮 和蜗杆等传动副及若干附件组成。 传动系统的组成及常用部件 传动系统的组成 类型 传动简图传动比 特点及应用 圆 柱 齿 轮 减 速 器 单

4、 级 图1 调质齿轮： i7.1 淬硬齿轮： i6.3 （较佳： i5.6） 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 两 级 展 开 式 图2 调质齿轮： i=7.150 淬硬齿轮： i=7.131.5 （较佳： i=7.120） 应用广泛、结构简单，高 速级常用斜齿。齿轮相对轴 承不对称，齿向载荷分布不 均，故要求高速级小齿轮远 离输入端，轴应有较大刚性 两 级 同 轴 式 图3 调质齿轮： i=7.150 淬硬齿轮： i=7.131.5 （较佳： i=7.120） 箱体长度较小，但轴向尺 寸较大。输入输出轴同轴线 ，布置较合理。中间轴较长 ，

5、刚性差，齿向载荷分布不 均，且高速级齿轮承载能力 难于充分利用 两 级 分 流 式 图4 调质齿轮： i=7.150 淬硬齿轮： i=7.131.5 （较佳： i=7.120） 高速级常用斜齿，一侧左 旋，一侧右旋。齿轮对称布 置，齿向载荷分布均匀，两 轴承受载均匀。结构复杂， 常用于大功率变载荷场合 类型传动简图传动比特点及应用 锥齿轮减 速器 图5 直齿：i5 斜齿、曲线 齿：i8 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 圆锥圆柱 齿轮减速 器 图6 直齿： i=6.331.5 斜齿、曲线

6、齿：i=840 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 蜗杆减速 器 图7 i=880 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（ v5m/s），搅油损失大。上 置蜗杆式轴承润滑不便 蜗杆齿 轮减速器 图8 i=15480 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 类型传动简图传动比特点及应用 行星齿轮 减速器 图5 i=2.812.5 传动型式有多种，NGW型体积小 ，重量轻，承载能力大，效率高 （单

7、级可达0.970.99），工作 平稳。比普通圆柱齿轮减速器体 积和重量减少50%，效率提高30% 。但制造精度要求高，结构复杂 摆线针轮 行星减速 器 图6 直齿： 单级： i=1187 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 谐波减速 器 图7 单级： i=50500 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0.650.9，传动平稳 ，噪音小。制造工艺复杂 2. 有级变速装置 （1）有级变速装置 （2）交换齿轮变速装置 （3）离合器变速装置 （4）塔形带轮变速装置 传动系统的组

8、成及常用部件 3. 无级变速装置 机械传动系统方案设计的过程和基本要求 机械传动类型的选择 传动系统的总体布置 传动比的分配 29. 机械传动系统方案设计 1.方案设计的一般步骤 机器的执行系统方案设计和原动机的预选型完成后，即可 进行传动系统的方案设计。设计的一般步骤如下： 确定传动系统的总传动比。 选择传动的类型、拟定总体布置方案并绘制传动系统的运动 简图。 分配传动比。即根据传动布置方案，将总传动比向各级传动 进行合理分配。 计算传动系统的性能参数，包括各级传动的功率、转速、效 率、转矩等性能参数。 通过强度设计和几何计算，确定各级传动的基本参数和主要 几何尺寸，如齿轮传动的中心距、齿数

9、、模数、齿宽等。 机械传动系统方案设计 机械传动系统方案设计的过程和基本要求 2.方案设计的基本要求 传动方案的设计是一项复杂的工作，需要综合运用多种 知识和实践经验，进行多方案分析比较，才能设计出较为合 理的方案。通常设计方案应满足以下基本要求： 1）传动系统应满足机器的功能要求，而且性能优良； 2）传动效率高； 3）结构简单紧凑、占用空间小； 4）便于操作、安全可靠； 5）可制造性好、加工成本低； 6）维修性好； 7）不污染环境。 机械传动系统方案设计 选择机械传动类型时，可参考以下原则： 1. 与原动机和工作机相互匹配； 2. 满足功率和速度的范围要求； 3. 考虑传动比的准确性及合理范

10、围； 4. 考虑结构布置和外廓尺寸的要求； 5. 考虑机器质量； 6. 经济性因素。 机械传动类型的选择 机械传动系统方案设计 传动系统的总体布置 1. 传动路线的确定 传动路线的型式 串联单流传动并联分流传动并联汇流传动混合传动 注：原动机；传动；执行机构。 机械传动系统方案设计 2. 传动顺序的安排 传动顺序通常按以下原则考虑。 1）斜齿轮与直齿轮传动斜齿轮传动应放在高速级； 2）圆锥齿轮与圆柱齿轮传动圆锥齿轮应放在高速级； 3）闭式和开式齿轮传动闭式齿轮传动应放在高速级。 4）链传动应放在传动系统的低速级； 5）带传动应放在传动系统的高速级； 6）适宜放在传动系统的低速级的传动或机构对改

11、变运动形 式的传动或机构，如齿轮齿条传动、螺旋传动、连杆机构及凸 轮机构等一般布置在传动链的末端，使其靠近执行机构。 7）有级变速传动与定传动比传动有级变速传动应放在高速 级； 机械传动系统方案设计 8）蜗杆传动与齿轮传动若蜗轮材料为锡青铜，为提高 传动效率，则应将蜗杆传动置于高速级； 当蜗轮材料为无锡青铜或铸铁等材料时，因其允许 的齿面滑动速度较低，为防止齿面胶合或严重磨损，蜗杆传 动应置于低速级。 此外，在布置各传动的顺序时，还应考虑传动件的寿命 、维护的方便程度、操作人员的安全性以及传动件对产品的 污染等因素。 机械传动系统方案设计 传动比的分配 分配传动比时应注意以下几点： 1）通常不

12、应超过各种传动的推荐传动比； 2）分配传动比应注意使各传动件尺寸协调、结构匀称 ，避免发生相互干涉。 机械传动系统方案设计 3）对于多级减速传动，可按照“前小后大”（即由高速级 向低速级逐渐增大）的原则分配传动比，且相邻两级差值不 要过大。 4）在多级齿轮减速传动中，低速级传动比小些，有利于减 小外廓尺寸和质量； 5）在采用溅油润滑方式时，分配传动比要考虑传动件的浸 油条件。 展开式或分流式二级圆柱齿轮减速器，其高速级传动 比i1和低速级传动比i2的关系通常取 i1 = (1.21.3) i2 分配圆锥圆柱齿轮减速器的传动比时，通常取锥齿轮传 动比i10.25i（i为总传动比），一般i13.5

13、5。 6）在蜗杆齿轮传动中，将齿轮传动放在高速级时，可得 到较高的传动精度。 7）对于要求传动平稳、频繁起停和动态性能较好的多级齿 轮传动，可按照转动惯量最小的原则设计。 机械传动系统方案设计 机械传动系统的特性包括运动特性和动力特性。运动特性如转 速、传动比和变速范围等；动力特性如功率、转矩、效率及变矩系 数等。 1. 传动比 对于串联式单流传动系统，当传递回转运动时，其总传动比i为 nr为原动机的转速或传动系统的输入 转速（r/min）； i1时为减速传动，i1时为增速传动。 29. 机械传动系统的特性及其参数计算 i1、i2ik为系统中各级传动的 传动比。 nc为传动系统的输出转速（r/

14、min ）； 在各级传动的设计计算完成后，由于多种因素的影响，系 统的实际总传动比i常与预定值i不完全相符，其相对误差i 可表示为 机械传动系统的特性及其参数设计 系统的传动比相对误差 传动系统中，任一传动轴的转速ni可由下式计算： 2. 转速和变速范围 从系统的输入轴到该轴之间各级传 动比的连乘积。 有级变速传动装置中，当输入轴的转速nr一定时，经变速传 动后，若输出轴可得到z种转速，并由小到大依次为n1、n2、 、nz，则z称为变速级数，最高转速与最低转速之比称为变 速范围，用Rn表示，即 机械传动系统的特性及其参数设计 输出转速常采用等比数列分布，且任意两相邻转速之比为 一常数，称为转速

15、公比，用符号表示，即 公比一般按标准值选取，常用值为1.06、1.12、1.36 、1.41、1.58、1.78、2.00。 变速范围Rn、变速级数z和公比之间的关系为： 变速级数越多，变速装置的功能越强，但结构也越复杂 。在齿轮变速器中，常用的滑移齿轮是双联或三联，所以通 常变速级数取为2或3的倍数。 机械传动系统的特性及其参数设计 各种机械传动及传动部件的效率值可在设计手册中查到 。在一个传动系统中，设各传动及传动部件的效率分别为1 、2、n，串联式单流传动系统的总效率为 = 1 2 n 3. 机械效率 机械传动系统的特性及其参数设计 机器执行机构的输出功率P可由负载参数（力或力矩） 及运

16、动参数（线速度或转速）求出，设执行机构的效率为 ，则传动系统的输入功率或原动机的所需功率为 原动机的额定功率Pe应满足PePr， 由此可确定Pe值。 4. 功率 设计各级传动时，常以传动件所在轴的输入功率Pi为计 算依据，若从原动机至该轴之前各传动及传动部件的效率 分别为1、2、i，则有 Pi = P 1 2 i 机械传动系统的特性及其参数设计 设计功率 对于批量生产的通用产品，为充分发挥原动机的工作能 力，应以原动机的额定功率为设计功率，即取PPe； 对于专用的单台产品，为减小传动件的尺寸，降低成本 ，常以原动机的所需功率为计算功率，即取PPr。 5. 转矩和变矩系数 传动系统中任一传动轴的输入转矩Ti（Nmm）可由下式求出： 机械传动系统的特性及其参数设计 该轴的输入功率（kW） 该轴的转速（r