机电一体化第六章机械技术.

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1、机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 第六章 机械技术 6.1 概述 6.2 机械传动 6.3 支撑部件 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性， 机电一体化系统对机械系统提出以下要求： (1) 高精度 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体 化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通 的机械产品都有很大的提高，因此高精度是对 机电一体化机械系统的首要要求。如机械系统 的精度不满足要求，则无论机电一体化产品其 它系统精确再高，也无法完成预定的机械操作 。 6.1 概述 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (2) 快速响应性 即要求机械系统从接到指令到开

2、始执行指令 指定的任务的时间间隔短，控制系统根据机械 系统的运行状态信息所下达指令才能够及时准 确地被执行。 (3) 良好的稳定性 即要求机械系统的工作性能不受外界环境的 影响，抗干扰能力强。 6.1 概述 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 6.2 机械传动 6.2.1 同步带传动 6.2.2 齿轮传动 6.2.3 谐波齿轮传动 6.2.4 滚珠丝杠传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 因同步带是兼有链、齿轮、三角胶带优点的传 动零件，于40年由美国尤尼罗尔(Unirayal)橡胶公 司首先加以开发。46年辛加公司把同步带用于缝 纫机针和缠线管的同步传动上，取得显著效益， 并被逐

3、渐应用到其他机械传动上。 6.2.1 同步带传动 图6-1 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 1. 分类 (1)按用途分 (a) 一般工业用同步带传动 即梯形齿同步带传动（图6- 1）。主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、 计算机、轻工机械均采用这种同步带传动。 (b) 高转矩同步带传动 又称HTD带(High Torque Drive) 。其齿形呈圆弧状(图6-2)，我国称为圆弧齿同步带传动 。它主要用于重型机械的传动中，如运输机械(飞机、汽 车)、石油机械、机床、发电机等的传动。 (c) 特种规格同步带传动 根据机器特殊需要而采用的特 种规格同步带传动，如工业缝纫机、汽车发动

4、机用的同 步带传动。 (d) 特殊用途同步带传动 为适应特殊环境制造的同步带 。 6.2.1 同步带传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (2). 按规格制度分 (a) 模数制 同步带主要参数是模数m(与齿轮相同)， 根据不同的模数数值来确定带的型号及结构参数。在60 年代该种规格制度曾应用于日、意、苏等国，后随国际 交流的需要，各国同步带规格制度逐渐统一到节距制。 目前仅前苏联及东欧各国仍采用模数制。 (b) 节距制 即同步带的主要参数是带齿节距，按节距 大小不同，相应带、轮有不同的结构尺寸。该种规格制 度目前被列为国际标准。由于节距制来源于英、美，其 计量单位为英制或经换算的公制单

5、位。 (c) DIN米制节距 DIN米制节距是德国同步带传动国家 标准制定的规格制度。其主要参数为齿节距，但标准节 距数值不同于ISO节距制，计量单位为公制。在我国， 由于德国进口设备较多，故DIN米制节距同步带在我国 也有应用。 一、同步带传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 2. 同步带传动的优缺点 (1)工作时无滑动，有准确的传动比 (2)传动效率高，节能效果好 (3)传动比范围大，结构紧凑 (4)维护保养方便，运转费用低 (5)恶劣环境条件下仍能正常工作 6.2.1 同步带传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 3. 同步带的结构和尺寸规格 (1)同步带结构 如下左图所示

6、，同步带一 般由承载绳、带齿、带背和包布层组成。工业 用同步带带轮形状如下右图所示。 6.2.1 同步带传动 图6-2 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 4. 同步带的设计计算 (1) 失效形式和计算准则 同步带传动主要失效形式有： (a) 承载绳断裂 原因是带型号过小和小带轮直径过小 等。 (b) 爬齿和跳齿 原因是同步带传递的圆周力过大、带 与带轮间的节距差值过大、带的初拉力过小等。 (c) 带齿的磨损 原因是带齿与轮齿的啮合干涉、带的 张紧力过大等。 (d) 其他失效方式 带和带轮的制造安装误差引起的带 轮棱边磨损、啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏、同步 带背的龟裂、承载绳抽出和包布

7、层脱落等。 正常工作条件下，同步带传动的设计准则是:不打滑的 条件下，保证同步带的抗拉强度; 灰尘杂质较多的条件下 ，则应保证带齿的一定耐磨性。 6.2.1 同步带传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (2) 同步带传动的设计计算步骤 设计同步带传动的已知条件为：Pm 需要传 递的名义功率；n1、n2 主从动轮的转速或传动 比. (a) 确定带的设计功率； (b) 选择带型和节距； (c) 确定带轮齿数和节圆直径； (d) 确定同步带的节线长度、齿数及传动中心距； (e) 校验同步带和小带轮的啮合齿数； (f) 确定实际所需同步带宽度； (g) 带的工作能力验算。 6.2.1 同步带传

8、动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 1. 齿轮传动系统的总传动比及其分配 机电一体化的齿轮传动系统，主要考虑它的动力学特 性。 (1)最佳总传动比 首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载 综合为系统的总负载，方法有： (a) 峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载的 峰值取代数和。 (b) 均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载 的均方根。 负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效峰值综合 负载转矩或等效均方根综合负载转矩。使等效负载转矩 最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比 。 6.2.2 齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 2总传动比分配

9、 齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链 的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负 载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动 比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动， 需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比 。单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮 的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大 。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间 分配传动比。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (1) 最小等效转动惯量原则 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到 电机轴上的等效转动惯量为最小。 二、齿轮传动 如右图，若不计轴和轴承如右图，若不计轴和轴承 的转动惯量，则根据系统动的转动惯量

10、，则根据系统动 能不变的原则，等效到电机能不变的原则，等效到电机 轴上的等效转动惯量为：轴上的等效转动惯量为： 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 二、齿轮传动 假设：假设： 所以：所以： 即：即： 令令 可得可得 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (2) 重量最轻原则* 对于总传动比为i的n级小功率传动系统，使各级传动 比满足 即可使传动装置的重量最轻。 上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递 扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增 加的情况，此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之 要求进行综合考虑。各级传动比一般应以“前小后大”原 则处理。 二、齿轮传动 *李国

11、康,董玉民.齿轮传动等效转动惯量最小原则的研究.重型机械J，2004.1 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (3) 输出轴转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传 递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原 则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差 以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮 传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输 出轴上的总转角误差为 ，则 式中： 第个齿轮所具有的转角误差； 第个齿轮的转轴至第n级输出轴的传动比。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 如四级齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差（1， 2 ， 8）换算到末级输出轴上的总转角误

12、差为 总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传 动比的大小。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 3 齿轮传动间隙的调整方 法 (1) 圆柱齿轮传动 (a) 偏心套(轴)调整法 如右图所示，将相互啮合 的一对齿轮中的一个齿 轮4装在电机输出轴上， 并将电机2安装在偏心套 1(或偏心轴)上，通过 转动偏心套(偏心轴)的 转角，就可调节两啮合 齿轮的中心距，从而消 除圆柱齿轮正、反转时 的齿侧间隙。特点是结 构简单，但其侧隙不能 自动补偿。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (b) 轴向垫片调整法 如右图所示，齿轮1和2相 啮合，其分度圆弧齿厚沿轴 线方

13、向略有锥度，这样就可 以用轴向垫片3使齿轮2沿轴 向移动，从而消除两齿轮的 齿侧间隙。装配时轴向垫片3 的厚度应使得齿轮1和2之间 既齿侧间隙小，运转又灵活 。特点同偏心套(轴)调整法 。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (c) 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮， 另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左 齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的 左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (2) 斜齿轮传动 消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿 调整法基本相同

14、，也是用两个薄片齿轮与一个 宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔 开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (3) 锥齿轮传动 (a) 轴向压簧调整法 轴向压簧调整法原理 如图6-15，在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5 ，其轴向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧 5的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的 锥齿轮l之间的齿侧间隙。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 (b) 周向弹簧调整法 将与锥齿3啮合的齿 轮做成大小两片(1、2) ，在大片锥齿轮1上制 有三个周向圆弧槽8， 小片锥齿轮2的端面制 有三个可伸入槽8的

15、凸 爪7。弹簧5装在槽8中 ，一端顶在凸爪7上， 另一端顶在镶在槽8中 的镶块4上。止动螺钉 6装配时用，安装完毕 将其卸下，则大小片 锥齿轮1、2在弹簧力 作用下错齿，从而达 到消除间隙的目的。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 4 齿轮齿条传动机构 当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。通过预载装 置4向齿轮3上图6-17 齿轮齿条的双齿轮调隙机构。 预加负载，使大齿轮2、5同时向两个相反方何转动 ，从而带动小齿轮1、6转动，其齿面便分别紧贴在齿 条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。 二、齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十 几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、 传动平稳、承载能力强、效率高等优点，故在 工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中 日益得到广泛的应用。 1 谐波齿轮传动的工作原理 三、谐波齿轮传动 机电一体化 第 六 章 机 械 技 术 谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内