過程機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)：第七章 機(jī)械傳動系統(tǒng)

第七章機(jī)械傳動系統(tǒng)一、機(jī)械傳動系統(tǒng)的概念

將若干種機(jī)構(gòu)根據(jù)需要組合起來，構(gòu)成一個機(jī)械傳動系統(tǒng)，其作用不僅是實現(xiàn)減速（或增速）、變速以及運動形式的轉(zhuǎn)變，使執(zhí)行構(gòu)件能完成預(yù)定的運動，同時它還把原動機(jī)輸出的功率和扭矩傳遞到執(zhí)行構(gòu)件上去，使它能夠克服生產(chǎn)阻力而做功。因此，實現(xiàn)預(yù)期的運動和傳遞動力是機(jī)械傳動系統(tǒng)的兩個基本任務(wù)。第一節(jié)機(jī)械傳動系統(tǒng)的概念及其設(shè)計步驟2二、機(jī)械傳動系統(tǒng)的設(shè)計步驟

1、根據(jù)機(jī)器的生產(chǎn)任務(wù)擬定實現(xiàn)工作過程的運動方案。

2、確定各執(zhí)行構(gòu)件的運動參數(shù)和生產(chǎn)阻力，并選擇電動機(jī)，確定其類型、轉(zhuǎn)速和功率。

3、合理選擇機(jī)構(gòu)類型、擬定機(jī)構(gòu)的組合方案，繪制機(jī)械傳動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運動簡圖。

4、根據(jù)執(zhí)行構(gòu)件和原動機(jī)的運動參數(shù)以及各執(zhí)行構(gòu)件的運動協(xié)調(diào)要求，確定各機(jī)構(gòu)的運動參數(shù)。

5、根據(jù)機(jī)器的生產(chǎn)阻力或原動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩計算各零件承受的載荷（包括軸所傳遞的扭矩）。3機(jī)器的工作原理多種多樣，同一工作原理又可以擬定出幾種不同運動方案。設(shè)計時從多方面綜合比較，合理選擇。執(zhí)行構(gòu)件的運動形式常見的有回轉(zhuǎn)運動和直線運動兩種，回轉(zhuǎn)運動又分為連續(xù)回轉(zhuǎn)和間歇回轉(zhuǎn)；直線運動又分為往復(fù)直線和帶間歇的往復(fù)直線等運動。

原動機(jī)：電動機(jī)、油馬達(dá)或油缸（液動機(jī)）、氣馬達(dá)或氣缸（氣動機(jī)）、內(nèi)燃機(jī)等，其運動形式有連續(xù)回轉(zhuǎn)、往復(fù)直線運動和往復(fù)擺動等。電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速分為3000、1500、1000、750、600r/min等五種，相應(yīng)的極數(shù)為2、4、6、8、10極。當(dāng)功率相同時，轉(zhuǎn)速越高，極數(shù)就越少，體積和重量也越小，價格也越低。當(dāng)執(zhí)行構(gòu)件的速度較高時，宜選用較高轉(zhuǎn)速電動機(jī)，不僅便宜，還能縮短運動鏈、提高機(jī)械效率。當(dāng)執(zhí)行構(gòu)件的速度較低時，宜選用較低轉(zhuǎn)速電動機(jī)。否則，雖然電動機(jī)費用減少了，但運動鏈會加長，機(jī)械效率會降低，使總的成本增加。第二節(jié)機(jī)器的工作原理、運動方案和原始運動參數(shù)4摩擦傳動機(jī)構(gòu)，包括皮帶傳動、摩擦輪傳動等；嚙合傳動機(jī)構(gòu)，包括齒輪傳動、蝸桿傳動、鏈傳動等。摩擦傳動比較平穩(wěn)，噪音小，過載時可以打滑而避免機(jī)件損壞；并且構(gòu)造比較簡單，容易制造維修。但是由于彈性滑動或短暫打滑將使傳動比不能保持恒定，并且在傳動時構(gòu)件之間需要一定的壓緊力，因而使軸上所受的壓力較大。第三節(jié)常用機(jī)構(gòu)的分析比較與機(jī)構(gòu)組合方案的擬定一、傳遞回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)5表7-1 各種傳動機(jī)構(gòu)常用的圓周速度、單級傳動比和傳遞功率的概值表7-2 各種傳動機(jī)構(gòu)的尺寸和重量對比6二、實現(xiàn)單向間歇運動的機(jī)構(gòu)（自學(xué)）三、實現(xiàn)往復(fù)移動和往復(fù)擺動的機(jī)構(gòu)（自學(xué)）四、機(jī)構(gòu)組合方案的擬定

1、應(yīng)盡量簡化和縮短運動鏈2、應(yīng)使機(jī)器有較高的機(jī)械效率3、合理安排傳動機(jī)構(gòu)的順序4、合理分配傳動比5、保證機(jī)器的安全運轉(zhuǎn)7一、電動機(jī)功率的確定

對于連續(xù)工作的一般旋轉(zhuǎn)運動的機(jī)器或直線運動的機(jī)器，當(dāng)載荷恒定時，可按下式確定電動機(jī)的功率。當(dāng)載荷周期性變動時，須計算出相應(yīng)于時間變量平均的等效載荷，具體過程參閱有關(guān)書籍。式中：Pn—電動機(jī)的額定功率，kW，參見電動機(jī)樣本；

T—作用在執(zhí)行構(gòu)件上的生產(chǎn)阻力矩，N·m，由計算得到；

F—作用在執(zhí)行構(gòu)件上的生產(chǎn)阻力，N，由計算得到；

n—執(zhí)行構(gòu)件的轉(zhuǎn)速，r/min，已知量；

v—執(zhí)行構(gòu)件上F力作用點沿F力方向的速度，m/s；η—機(jī)器的總效率，%，由傳動系統(tǒng)和有關(guān)表格計算得到。第四節(jié)機(jī)器的功率計算與轉(zhuǎn)矩校核8二、電動機(jī)過載能力校核

電動機(jī)都有一定的過載能力。但是當(dāng)機(jī)器的載荷（生產(chǎn)阻力矩）變化時，在按（7-1）式粗略的確定電動機(jī)功率后，還應(yīng)較核電動機(jī)的過載能力，即在機(jī)器過載時，電動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于電動機(jī)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即滿足（7-3）式。否則，電動機(jī)會發(fā)生悶車現(xiàn)象，電流增大6～7倍，電動機(jī)過熱甚至燒壞。式中：Pn—初選電動機(jī)的額定功率，kW，已知量；nn—初選電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min，由電動機(jī)樣本查到；i—從電動機(jī)軸到機(jī)器的執(zhí)行構(gòu)件軸的總傳動比，已知量；T2—過載時，作用在執(zhí)行構(gòu)件軸上的最大生產(chǎn)阻力矩，Nm，由計算得到；λ—初選電動機(jī)的過載系數(shù)，由電動機(jī)樣本查到。λ是電動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（簡稱最大轉(zhuǎn)矩）與電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的比值，因電動機(jī)都有一定的過載能力，故λ>1。9當(dāng)機(jī)器的轉(zhuǎn)動慣量較大；或滿載起動；或頻繁起動；或雖然空載起動，但是要求起動時間短時，還應(yīng)校核電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩。特別是鼠籠式電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩較小，該項校核就更加必要。校核起動力矩就是讓電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于機(jī)器在規(guī)定時間內(nèi)完成起動所需要的轉(zhuǎn)矩。否則，過大的啟動電流會使線路電壓急劇下降，使鄰近電動機(jī)出力不足，甚至被迫停機(jī)。三、電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩校核10電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩校核式：式中：系數(shù)0.45～0.5，快速起動的場合取大值，反之取小值。

起動系數(shù)λq可由初選電動機(jī)從產(chǎn)品樣本中查到，y系列電動機(jī)λq=1.4～2.2不等。

t—起動時間；

J—等效轉(zhuǎn)動慣量，它是由機(jī)器傳動系統(tǒng)中各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)化到電動機(jī)軸上的，由具體的傳動系統(tǒng)計算得到，參見有關(guān)書籍。11對于沖床、剪床、壓力機(jī)、破碎機(jī)等機(jī)器，載荷變化十分劇烈，如果按恒定載荷穩(wěn)定運行條件確定電動機(jī)的功率，當(dāng)尖峰載荷來臨時，電動機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩不足以克服此載荷，電動機(jī)就會停下來，造成生產(chǎn)事故。如果按尖峰載荷選擇一個很大的電動機(jī)，當(dāng)尖峰載荷過去后，電動機(jī)就接近空載運行，造成嚴(yán)重浪費。

解決該矛盾的方法是：仍按恒定載荷穩(wěn)定運行條件計算電動機(jī)的功率并適當(dāng)增大，同時在機(jī)器的高速軸上安裝飛輪。飛輪的轉(zhuǎn)動慣量很大，高速轉(zhuǎn)動時儲存大量動能，當(dāng)尖峰載荷來臨時，儲存的動能釋放出來，幫助電動機(jī)闖過尖峰載荷。飛輪的作用不僅如此，還能調(diào)節(jié)機(jī)器運轉(zhuǎn)時的速度波動。即當(dāng)載荷沉重時，運轉(zhuǎn)速度會加快一些，不致于因載荷沉重而使速度減慢很多；而當(dāng)載荷輕便時，運轉(zhuǎn)速度會減慢一些，不致于因載荷輕便而使速度加快很多。飛輪的設(shè)計方法參見機(jī)械設(shè)計手冊。四、機(jī)器載荷劇變時電動機(jī)功率的確定方法12五、機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)外力：重力、摩擦力、驅(qū)動力、工作阻力…工作阻力：機(jī)械工作時需克服的生產(chǎn)阻力驅(qū)動力：驅(qū)動原動件運動的力機(jī)器動能方程式：

W=Wd–(Wr+Wf)=Wd-Wc=

E2–E1=E

外力功=驅(qū)動功--阻力功=系統(tǒng)動能的增量盈功：驅(qū)動力作的功大于阻力作的功虧功：驅(qū)動力作的功小于阻力作的功131起動階段(0m)

特點：Wd>Wr=m2穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段(m)

特點：Wd=Wr=m勻速穩(wěn)定運轉(zhuǎn):m=C變速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)：周期性的速度波動,mC非周期性波動:mC3停車階段(m0)特點：

Wd<Wrm=0總之,只要wdwc，則E0變化（速度波動）TT起動穩(wěn)定運轉(zhuǎn)mt制動停車五、機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)14速度波動的分類穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段的速度變化：勻速的、周期性波動、非周期性波動影響：速度波動動壓力振動，噪音,工作質(zhì)量降低分類：1周期性速度波動及其調(diào)節(jié)2非周期性速度波動及其調(diào)節(jié)五、機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)151周期性速度波動及其調(diào)節(jié)特點:(1)在一個周期T內(nèi):Wd-Wc=E=0(2)機(jī)器的位置、速度、加速度和受力等呈周期性的變化調(diào)節(jié)方法：飛輪——轉(zhuǎn)動慣量很大的回轉(zhuǎn)構(gòu)件(能量儲存器)飛輪作用：調(diào)速飛輪調(diào)速原理：Wd＞W(wǎng)r

盈功動能飛輪儲存能量，使；Wd＜Wr

虧功動能飛輪釋放能量，使；J越大，調(diào)速作用越好瞬時過載時，利用飛輪釋放的能量克服，減小原動機(jī)功率j(T)j(T)五、機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)162非周期性速度波動及其調(diào)節(jié)特點:工作阻力或驅(qū)動力發(fā)生突變——發(fā)生“停車”或“飛車”Wd＞W(wǎng)r

盈功動能“飛車“Wd＜Wr

虧功動能“悶車“調(diào)節(jié)方法：自調(diào)節(jié)——原動機(jī)的驅(qū)動力矩是速度的函數(shù)，且具有下降的趨勢調(diào)速器——調(diào)節(jié)驅(qū)動力w五、機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)調(diào)速器工作原理圖油箱供油發(fā)動機(jī)燃燒室發(fā)動機(jī)用油油箱供油油箱供油發(fā)動機(jī)用油油箱供油進(jìn)油減少轉(zhuǎn)速降低開口增大回油增加3、周期性速度波動的衡量指標(biāo)1）絕對不均勻度許用不均勻系數(shù)[]得3）速度不均勻系數(shù)(相對不均勻度）2）平均角速度mj(T)j(T)minmax4、飛輪的設(shè)計1飛輪設(shè)計的基本原理2最大盈虧功Amax的確定3飛輪主要尺寸的確定關(guān)鍵：根據(jù)wm、[]確定飛輪的JF.最大盈虧功Amax與動能的增量的關(guān)系：JF[]分析：(1)Amax、ωm=const.→JF-δ成反比

-----不宜選取過小的[δ]-----不能完全消除系統(tǒng)周期性速度波動

(2)JF

、ωm=const.→Amax

-δ成正比

-----Amax

愈大機(jī)器速度波動愈嚴(yán)重

(3)Amax

、δ=const.→JF-ω2m成反比

-----為減少JF,飛輪宜安裝在轉(zhuǎn)速較高的軸上飛輪設(shè)計的基本原理d設(shè)在T內(nèi)，Md與Mr變化規(guī)律如圖示，Je為常數(shù)當(dāng)Md>Mr

時外力對系統(tǒng)作正功，(盈功)動能，速度

Md<Mr時外力對系統(tǒng)作負(fù)功，(虧功)動能，速度

Md=Mr時=0，出現(xiàn)min

和max(如圖示)minmin(b)maxmax(e)

在b到e區(qū)間外力對系統(tǒng)作的功稱為最大盈虧功AmaxminmaxMdMr+–––+MabcdeaT能量指示圖abcea最大盈虧功Amax的確定minmaxMvdMvr+–––+MabcdeaTW1W2W3W4W5假設(shè)：W1=-100，W2=350，W3=-80，

W4=330，W5=-500或機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡例題：1700-1002505000飛輪主要尺寸的確定根據(jù)飛輪的轉(zhuǎn)動慣量確定飛輪的具體結(jié)構(gòu)尺寸25

關(guān)于飛輪調(diào)速的幾個重要的結(jié)論：

1)如果過分追求機(jī)械運轉(zhuǎn)速度的均勻性，即[δ]取值很小，則飛輪的轉(zhuǎn)動慣量就需很大，將會使飛輪過于笨重。

2)安裝飛輪后機(jī)械運轉(zhuǎn)的速度仍有周期波動，即其速度波動不可能達(dá)到消除，而只是波動的幅度減小了而已。

3)為減小飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，最好將飛輪安裝在機(jī)械的高速軸上。

飛輪的作用及其應(yīng)用飛輪實質(zhì)上是一個能量儲存器，它可以用動能的形式把能量儲存或釋放出來。有如下應(yīng)用：

1)利用飛輪能量儲存作用可用作動力；

2)利用飛輪在機(jī)械非工作時間所儲存的能量來幫助克服其尖峰載荷，從而可以選用較小功率的原動機(jī)來拖動。

3)用飛輪在汽車制動時吸收能量和在汽車起動時釋放能量以節(jié)能

4)為太陽能及風(fēng)能發(fā)電裝置充當(dāng)能量平衡器(儲能器)等等。

(3)飛輪尺寸的確定求得飛輪的轉(zhuǎn)動慣量以后，就可以進(jìn)而確定其尺寸。

26機(jī)器在起動、制動或加載等運轉(zhuǎn)過程中，各構(gòu)件上將受到慣性力的作用。如果這種慣性力較大，或者在機(jī)器滿載起動的場合進(jìn)行力的分析時，必須考慮這種慣性力。但是在多數(shù)情況下，都是根據(jù)機(jī)器穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的受力情況來計算各軸轉(zhuǎn)矩的。這樣計算轉(zhuǎn)矩有兩種方法：

一是根據(jù)機(jī)器的生產(chǎn)阻力，從執(zhí)行構(gòu)件開始依次算出各級傳動軸的轉(zhuǎn)矩；

二是根據(jù)電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，從電動機(jī)軸開始依次計算。由于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩通常大于機(jī)器在恒載、穩(wěn)轉(zhuǎn)時實際需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，故用前一種方法算出的轉(zhuǎn)矩略大一些，相應(yīng)確定的軸徑也粗一些，也偏于安全，因而常用。五、機(jī)器傳動軸上轉(zhuǎn)矩的計算27

從電動機(jī)軸按運動鏈傳動順序，設(shè)各軸轉(zhuǎn)矩依次為T1、T2、T3…Tn，相應(yīng)各級傳動效率依次為η1、η2、…η（n-1）各級傳動比依次為i12、i23、i34……i（n-1）n則一般可用下式計算任意軸j（1<j<n）的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)運動鏈復(fù)雜時，還應(yīng)做具體分析。

Tj=T1

ijηj

（7-18）

式中：ij—從電動機(jī)軸1至軸j的傳動比，ij=i12·i23·i34……i（j-1）j

；ηj—從電動機(jī)軸1至軸j的傳動效率，

ηj=η1·η2·η3……η（j-1）。28軸系轉(zhuǎn)速達(dá)到某一特定值時，會出現(xiàn)劇烈不穩(wěn)定的橫向共振，這時的轉(zhuǎn)速與軸系的橫向固有頻率相等或相近，稱為軸系的臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速與具體軸系的材料、質(zhì)量、尺寸、幾何、形狀、結(jié)構(gòu)形式、支承情況和工作環(huán)境等因素有關(guān)，研究軸系臨界轉(zhuǎn)速的目的，是在設(shè)計軸系時，使其臨界轉(zhuǎn)速避開要求的工作轉(zhuǎn)速，工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速的軸系稱為剛性軸系，工作轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速的軸系稱為撓性軸系。第五節(jié)軸系的臨界轉(zhuǎn)速一、臨界轉(zhuǎn)速的概念29若不考慮陀螺效應(yīng)和工作環(huán)境等因素，軸系的臨界轉(zhuǎn)速在數(shù)值上等于軸系不轉(zhuǎn)動而僅作橫向彎曲振動的固有頻率：式中：n

c—臨界轉(zhuǎn)速，r/min；

f

n—固有頻率，Hz；

ωn—固有圓頻率（角速度），rad/s。參見有關(guān)書籍。二、臨界轉(zhuǎn)速的基本算式及其應(yīng)避開工作轉(zhuǎn)速的范圍30由于軸系轉(zhuǎn)子是彈性體，理論上應(yīng)有無窮多階固有頻率和相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，按數(shù)值從小到大排列為nc1、nc2……nck……，分別稱為一階、二階……k階臨界轉(zhuǎn)速。在工程中有實際意義的只是前幾階，特別是一階臨界轉(zhuǎn)速。軸系工作轉(zhuǎn)速避開其臨界轉(zhuǎn)速多少適宜呢？一般設(shè)計要求是：

剛性軸：n<0.75nc1；

撓性軸：1.4nck<n<0.7nc(k+1)

。311、支承剛度的影響：支承剛度越小，臨界轉(zhuǎn)速越低；2、回轉(zhuǎn)力矩的影響：回轉(zhuǎn)力矩使軸線傾角減小，增加軸的剛度，提高臨界轉(zhuǎn)速；3、聯(lián)軸器的影響：聯(lián)軸器使軸臨界轉(zhuǎn)速降低；4、其它影響因素：可忽略不計。影響軸系臨界轉(zhuǎn)速的因素眾多，全部考慮準(zhǔn)確計算是很困難的，也是不必要的。實際中常按不同設(shè)計要求，只計主要因素，簡化計算模型，求得臨界轉(zhuǎn)速的近似值。即使這樣也很復(fù)雜，具體過程參見有關(guān)書籍。三、影響軸系臨界轉(zhuǎn)速的因素32機(jī)器中的回轉(zhuǎn)體（如齒輪、凸輪、曲軸及電機(jī)轉(zhuǎn)子、離心機(jī)轉(zhuǎn)子等），由于零件結(jié)構(gòu)形狀不對稱，材質(zhì)不均勻或由于加工制造、安裝誤差等原因，使其重心與回轉(zhuǎn)中心不重合，偏心重量在機(jī)器運動過程中將產(chǎn)生慣性力，這種慣性力的方向呈周期性變化，它將引起機(jī)器的振動，在運動副中產(chǎn)生附加的壓力、加劇運動副中的摩擦和磨損、降低機(jī)械的效率和使用壽命。因此，設(shè)法調(diào)整回轉(zhuǎn)體的質(zhì)量分布，消除回轉(zhuǎn)體的慣性力是十分重要的。第六節(jié) 軸系的平衡33長徑比(L/D<1/5)的回轉(zhuǎn)體，可以近似地認(rèn)為回轉(zhuǎn)體質(zhì)量分布于同一個平面內(nèi)。如有一不平衡回轉(zhuǎn)體，欲使回轉(zhuǎn)體達(dá)到平衡，需在此回轉(zhuǎn)體內(nèi)，加上一個重量Gb，使其產(chǎn)生的離