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1、第六章 机械技术第一节 概述 机电一体化系统的机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说的机械系统，般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通常对机电一体化系统提出以下要求： (1) 高精度 精度直接影响产品的质量
2、，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，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操作。 (2) 快速响应性 即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使其准确地完成任务。 (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。 此外还要求机械系统具有较大的刚度，良好的耐磨、减摩性和可靠性，消震和低噪音，重量轻、体积小、寿命长。 本章将机电一体化机
3、械系统分成机械传动和支承部件两大部分，分别介绍较典型的传动部件、旋转和导向支承部件等的总体布局、机构选型、结构设计的优化等基本问题。第二节 机械传动一、 同步带传动 同步带传动早在1900年已有人研究并多次提出专利，但其实用化却是在二次世界大战以后。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件，随着二次大战后工业的发展而得到重视，于1940年由美国尤尼罗尔(Unirayal)橡胶公司首先加以开发。1946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，并被逐渐引用到其他机械传动上。同步带传动的开发和应用，至今仅60余年，但在各方面已取得迅速进展。 （一）分类 1按用途
4、分 (1) 一般工业用同步带传动 即梯形齿同步带传动（图6-1）。它主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。(2) 高转矩同步带传动 又称HTD带(High Torque Drive)或STPD带传动(Super Torque Positive Drive)。由于其齿形呈圆弧状(图6-2)，在我国通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)、石油机械和机床、发电机等的传动。图6-1 同步带传动 (3) 特种规格的同步带传动 这是根据某种机器特殊需要而采用的特种规格同步带传动，如工业缝纫机用的、汽车发动机用的同步带传动。
5、 (4) 特殊用途的同步带传动 即为适应特殊工作环境制造的同步带。 2. 按规格制度分 (1) 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。图6-2 同步带截面形状Pb节距 ht齿厚 hs带厚(2) 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位。 (3) DIN米制节距 DIN米制节距
6、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。随着人们对齿形应力分布的解析，开发出了传递功率更大的圆弧齿（图6-3b），紧接着人们根据渐开线的展成运动，又开发出了与渐开线相近似的多圆弧齿形，使带齿和带轮能更好的啮合（图6-3c），使得同步带传动啮合性能和传动性能得到进一步优化，且传动变得更平稳、精确、噪音更小。三种齿形传递能力、噪音水平、打滑扭矩的比较如图6-4。 a) b) c)图6-3 同步带齿形的变迁a梯形齿 b圆弧齿 c近似渐开线齿图6-4 三种齿形比较(
7、二) 同步带传动的优缺点1工作时无滑动，有准确的传动比同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。 2传动效率高，节能效果好 由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.98。它与三角带传动相比，有明显的节能效果。 3传动比范围大，结构紧凑 同步带传动的传动比一般可达到l0左右，而且在大传动比情况下，其结构比三角带传动紧凑。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使
8、带轮轴和轴承的尺寸都可减小。所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。 4维护保养方便，运转费用低 由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低得多。 5恶劣环境条件下仍能正常工作尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距要求等方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。 (三) 同步带的结构和尺寸规格1同步带结构如图6-5所示，同步带一般由承载绳、带齿、带背和包布层组成。 工业用
9、同步带带轮及截面形状如图6-6、图6-7所示。1243图6-5 同步带结构1带背 2承载绳 3带齿 4包布带 图6-6 常用同步带轮结构a)RPP同步带b)梯形齿同步带c)圆弧齿同步带 d)梯形齿双面同步带e)圆弧齿双面同步带f)交错双面齿同步带图6-7 常用同步带结构 2同步带规格型号 根据国标GB/T11616-1989、GB/T11362-1989,我国同步带型号及标记方法分别如表6-1和图6-8所示。 (四) 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：(1) 承载绳断裂 原因是带型号过小和小带轮直径过小等。表6-1 同步带型号型 号名 称节 距mminMXL(M
10、inima Extra Light)XXL(Extra Extra Light)XL(Extra Light)L(Light)H(Heavy)XH(Extra Heavy)XXH(Double Extra Heavy)最轻型超轻型特轻型轻 型重 型特重型最重型2.0323.1755.0809.52512.70022.22531.7500.080.125(1/8)0.200(1/4)0.375(3/8)0.5(1/2)0.875(7/8)1.25(a) (b)图6-8 同步带标记举例(a) 单面齿同步带标记 (b) 双面齿同步带标记 (2) 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
11、节距差值过大、带的初拉力过小等。 (3) 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。 (4) 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、带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏、同步带背的龟裂、承载绳抽出和包布层脱落等。 在正常的工作条件下，同步带传动的设计准则是在不打滑的条件下，保证同步带的抗拉强度。在灰尘杂质较多的条件下，则应保证带齿的一定耐磨性。 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；传动部件的用途、工作环境和安装位置等。根据以上条件，按以下步骤进行设计计算，详细设
12、计过程请参照相关手册。(1) 确定带的设计功率；(2) 选择带型和节距；(3) 确定带轮齿数和节圆直径；(4) 确定同步带的节线长度、齿数及传动中心距；(5) 校验同步带和小带轮的啮合齿数；(6) 确定实际所需同步带宽度；(7) 带的工作能力验算。二、齿轮传动 （一） 齿轮传动系统的总传动比及其分配 设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的动力学特性，从而获得高精度、高稳定性、高速性、高可靠性和低噪声的齿轮传动系统。 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： (1) 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。 (2) 均方根
13、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。 2总传动比分配 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。(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
14、，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。图6-9 二级减速传动设有一小功率电机驱动的二级齿轮减速系统，如图6-9所示。设其总传动比为。若先假设各主动小齿轮具有相同的转动惯量，各齿轮均近似看成实心圆柱体，齿宽、比重均相同，其转动惯量为，如不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原则，等效到电机轴上的等效转动惯量为：（6-1）因为 ，所以 ，即 ，（6-2） 令 ，则 ，得到 当时， 对于级齿轮传动系作同类分析可得： ，其中，(2) 重量最轻原则 对于小功率传动系统，使各级传动比，即可使传动装置的重量最轻。由于这个结论是在假定各主动小齿轮模数、齿数均相同的条件下导出的，故所有大齿轮的齿数、模数也相同，每级齿轮副的中心距离也相同。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“先大后小
