第14章機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

第十四章機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)14.2機(jī)械傳動(dòng)的類型14.1概述14.3機(jī)械傳動(dòng)的特性和參數(shù)14.4機(jī)械傳動(dòng)的方案設(shè)計(jì)14.5機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)程序14.1概述1、機(jī)器的組成定義一臺(tái)機(jī)器從運(yùn)動(dòng)的角度來分析，通常由下列三部分組成：（1）原動(dòng)機(jī)提供運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的裝置，使工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力來源。原動(dòng)機(jī)有汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)等，現(xiàn)代機(jī)械中通常都采用三相異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。（2）傳動(dòng)裝置傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的裝置，通過它把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳給工作機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)裝置有液壓傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)等，其中機(jī)械傳動(dòng)是應(yīng)用最廣的一種，本章介紹此類傳動(dòng)。（3）工作機(jī)構(gòu)是執(zhí)行工作的機(jī)構(gòu)。此外，為保證機(jī)器的正常工作，還需裝設(shè)一些操縱裝置和控制系統(tǒng)等。2、機(jī)械傳動(dòng)的功用機(jī)械傳動(dòng)（裝置或系統(tǒng)）---利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。（1）將原動(dòng)機(jī)的輸出速度降低或增高，以適合工作機(jī)的需要；（2）實(shí)現(xiàn)變速傳動(dòng)，以滿足工作機(jī)的經(jīng)常變速要求；（3）將原動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，變換為工作機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩或力；（4）將原動(dòng)機(jī)輸出的等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳈C(jī)所需要的、速度按某種規(guī)律變化的旋轉(zhuǎn)或其他類型的運(yùn)動(dòng)；（5）實(shí)現(xiàn)由一個(gè)或多個(gè)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)若干個(gè)相同或不同速度的工作機(jī)；（6）受機(jī)體外形、尺寸限制，為了安全與操作方便，工作機(jī)不宜與原動(dòng)機(jī)直接連接時(shí)，也需要用傳動(dòng)裝置來連接。3、機(jī)械傳動(dòng)的組成由傳動(dòng)裝置、操縱和控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。機(jī)械傳動(dòng)是機(jī)器的重要組成部分之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，對(duì)于提高機(jī)器的工作性能、工作可靠性和效率、縮小外形尺寸、減輕重量、降低制造成本等具有較大的影響。14.2機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的類型1、實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式的變換

原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式都是勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而工作機(jī)構(gòu)所要求的運(yùn)動(dòng)形式卻是多種多樣的。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以將勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)、擺動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)和平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等各種各樣的運(yùn)動(dòng)形式。下表為各種運(yùn)動(dòng)形式變換的常用機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)形式變換基本機(jī)構(gòu)其他機(jī)構(gòu)原動(dòng)運(yùn)動(dòng)從動(dòng)運(yùn)動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn)連續(xù)回轉(zhuǎn)變向平行軸同向圓柱齒輪機(jī)構(gòu)（內(nèi)嚙合）帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)反向圓柱齒輪機(jī)構(gòu)（外嚙合）圓柱摩擦輪機(jī)構(gòu)交叉帶（或繩、線）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反平行四桿機(jī)構(gòu)（兩長(zhǎng)桿交叉）相交軸錐齒輪機(jī)構(gòu)圓錐摩擦輪機(jī)構(gòu)交錯(cuò)軸蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)雙曲柱面摩擦輪機(jī)構(gòu)半交叉帶（或繩、線）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變速減速增速齒輪機(jī)構(gòu)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦輪機(jī)構(gòu)繩、線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變速齒輪機(jī)構(gòu)無級(jí)變速機(jī)構(gòu)塔輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)塔輪鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間歇回轉(zhuǎn)槽輪機(jī)構(gòu)非完全齒輪機(jī)構(gòu)擺動(dòng)無急回性質(zhì)擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（行程速度變化系數(shù)K=1）有急回性質(zhì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)移動(dòng)連續(xù)移動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶、繩、線及鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中撓性件的運(yùn)動(dòng)往復(fù)移動(dòng)無急回對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)正弦機(jī)構(gòu)不完全齒輪（上下）齒條機(jī)構(gòu)有急回偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)間歇移動(dòng)不完全齒輪與齒條機(jī)構(gòu)移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特定運(yùn)動(dòng)軌跡連桿機(jī)構(gòu)（連桿運(yùn)動(dòng)連桿上特定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡）運(yùn)動(dòng)形式變換基本機(jī)構(gòu)其他機(jī)構(gòu)原動(dòng)運(yùn)動(dòng)從動(dòng)運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)擺動(dòng)雙搖桿機(jī)構(gòu)摩擦輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)移動(dòng)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)搖塊機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)間歇回轉(zhuǎn)棘輪機(jī)構(gòu)2、實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速（或速度）的變化當(dāng)需要獲得較大的定傳動(dòng)比時(shí)，可將多級(jí)齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)等組合來滿足速度變化的需要。3、實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解采用各種差動(dòng)輪系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的合成與分解。4、獲得較大的機(jī)械效益根據(jù)一定功率下減速增矩的原理，通過減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)用較小驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩，即獲得較大的機(jī)械效益。14.3機(jī)械傳動(dòng)的特性和參數(shù)機(jī)械傳動(dòng)的性能指標(biāo)有兩類：反映運(yùn)動(dòng)特性的參數(shù)：

轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比、變速范圍等；反映動(dòng)力特性的參數(shù)：

功率、轉(zhuǎn)矩、效率等；1、功率——傳遞功率P，反映傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)能力。其中：F-傳遞的圓周力，單位為N；

V-圓周速度，單位為m/s;P-傳遞的功率，單位為KW。當(dāng)功率P一定時(shí)，圓周力F與圓周速度V成反比；在各種運(yùn)動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)允許的圓周力范圍最大，傳遞的轉(zhuǎn)矩T也最大。2、圓周速度和轉(zhuǎn)速其中：V-圓周速度，單位為m/s;n-轉(zhuǎn)速，單位為r/min;d-輪的參考圓直徑，單位為mm.

在其他條件相同的情況下，提高圓周速度可以減小外廓尺寸。因此的較高的速度下進(jìn)行傳動(dòng)是有利的。

對(duì)于撓性傳動(dòng)，限制速度的因素是離心力作用，它在撓性件中會(huì)引起附加載荷，并且減小其有效拉力。對(duì)于嚙合傳動(dòng)，限制速度的主要因素是嚙合元件進(jìn)入嚙合和退出嚙合時(shí)產(chǎn)生的附加作用力，它的增大會(huì)使所傳遞的有效力減小。

為了獲得大的圓周速度，需要提高主動(dòng)件的轉(zhuǎn)速或增大其直徑。但是直徑增大會(huì)使傳動(dòng)的外廓尺寸變大。因此，為了維持高的圓周速度，主要是提高轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)速度的最大值受到嚙合元件進(jìn)入和退出嚙合時(shí)允許沖擊力、振動(dòng)及摩擦功的大小等因素的限制。傳遞的功率與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：其中：T-傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m;P-傳遞的功率，單位為KW；

n-轉(zhuǎn)速，單位為r/min.3、傳動(dòng)比i＞1為減速傳動(dòng)；i＜1為增速傳動(dòng)。一般情況下，傳動(dòng)裝置均為減速傳動(dòng)；

在摩擦傳動(dòng)中，V帶傳動(dòng)可達(dá)到的傳動(dòng)比最大，平帶傳動(dòng)次之，然后是摩擦輪傳動(dòng)；在嚙合傳動(dòng)中，就一對(duì)嚙合傳動(dòng)而言，蝸桿傳動(dòng)可達(dá)到的傳動(dòng)比最大，其次是齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)。4、功率損耗和傳動(dòng)效率

機(jī)械傳動(dòng)效率的高低表明機(jī)械驅(qū)動(dòng)功率的有效利用程度，是反映機(jī)械傳動(dòng)裝置性能指標(biāo)的重要參數(shù)之一。機(jī)械傳動(dòng)效率低，不僅功率損失大，而且損耗的功率產(chǎn)生大量的熱量，必須采用散熱措施。傳動(dòng)裝置的功率損耗主要是由于摩擦引起的。因此，為了提高效率就必須采取措施設(shè)法減少傳動(dòng)中的摩擦：1）縮短傳動(dòng)路線，減少運(yùn)動(dòng)副和虛約束，盡量選用高效率的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；2）選擇合適的運(yùn)動(dòng)副形式；3）盡量減少運(yùn)動(dòng)副中的摩擦；4）選用合適的潤(rùn)滑方式與潤(rùn)滑劑。5、外廓尺寸和重量傳動(dòng)裝置的尺寸與

中心距a

傳動(dòng)比i

輪直徑d

輪寬b

有關(guān)。其中影響最大的參數(shù)是中心距a.

傳動(dòng)裝置的外廓尺寸及重量的大小，通常以單位傳動(dòng)功率所占用的體積(m3/kW)及重量（kg/kW）來衡量。常用機(jī)械傳動(dòng)裝置的主要指標(biāo)及特點(diǎn)

類型傳遞功率（kW）速度（m/s）特點(diǎn)圓柱齒輪傳動(dòng)≤3000≤50承載能力和速度范圍大，傳動(dòng)比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高，壽命長(zhǎng)。制造安裝精度要求高，噪聲較大，成本較高。直齒圓柱齒輪可用做變速滑移齒輪；斜齒輪比直齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力大。錐齒輪傳動(dòng)直齒≤1000曲齒≤15000≤40蝸桿傳動(dòng)開式≤750常用≤50滑動(dòng)速度≤15～50結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，當(dāng)傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比可達(dá)到1000，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，可作自鎖傳動(dòng)。制造精度要求較高，效率較低，蝸桿材料常用青銅，成本較高。閉式單級(jí)NGW行星齒輪傳動(dòng)≤6500高低速均可體積小，效率高，重量輕，傳遞功率范圍大。要求載荷均衡機(jī)構(gòu)，制造精度要求較高。普通V帶傳動(dòng)≤100≤25～30傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，能緩沖吸振；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸間距大，成本低。外廓尺寸大，傳動(dòng)比不恒定，壽命短。鏈傳動(dòng)（滾子鏈）≤200≤20工作可靠，平均傳動(dòng)比恒定，軸間距大，能適應(yīng)惡劣環(huán)境。瞬時(shí)速度不穩(wěn)定，高速是運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，多用于低速傳動(dòng)。摩擦輪傳動(dòng)≤200通?！?0≤25～50傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，有過載保護(hù)作用，傳動(dòng)比不恒定，抗沖擊能力低，軸和軸承均受力大。14.4機(jī)械傳動(dòng)的方案設(shè)計(jì)

合理的傳動(dòng)方案首先要滿足機(jī)器的功能要求，例如傳遞功率的大小，轉(zhuǎn)速與運(yùn)動(dòng)形式。此外還要適應(yīng)工作條件，滿足工作可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便、成本低廉、使用維護(hù)便利等要求。要同時(shí)滿足這些要求是比較困難的，通過分析選擇較好傳動(dòng)方案。一、傳動(dòng)類型的選擇

傳動(dòng)類型很多，各種傳動(dòng)形式均有其優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇傳動(dòng)類型時(shí)，首先要熟悉常用的不同類型機(jī)構(gòu)及其特性，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)選擇幾個(gè)不同的方案進(jìn)行比較，最后選擇較合理的傳動(dòng)類型。常用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性

機(jī)構(gòu)類型運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性連桿機(jī)構(gòu)可以輸出多種運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一定軌跡、位置要求。運(yùn)動(dòng)副為面接觸，故承載能力大，但動(dòng)平衡困難，不宜用于高速凸輪機(jī)構(gòu)可以輸出任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律的移動(dòng)、擺動(dòng)，但行程不大。運(yùn)動(dòng)副為滾動(dòng)兼滑動(dòng)的高副，故不適用于重載齒輪機(jī)構(gòu)圓形齒輪實(shí)現(xiàn)定傳動(dòng)比傳動(dòng)，非圓形齒輪實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比傳動(dòng)。功率和轉(zhuǎn)速范圍都很大，傳動(dòng)比準(zhǔn)確可靠螺旋機(jī)構(gòu)輸出移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)、增力、定位等功能。工作平穩(wěn)，精度高，但效率低了，易磨損棘輪機(jī)構(gòu)輸出間歇運(yùn)動(dòng)，并且動(dòng)程可調(diào)；但工作時(shí)沖擊、噪聲較大，只適用于低速輕載槽輪機(jī)構(gòu)輸出間歇運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)位平穩(wěn)；有柔性沖擊，不適用于高速帶傳動(dòng)中心距變化范圍較廣。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有吸振特點(diǎn)，無噪聲，傳動(dòng)平穩(wěn)。過載打滑，可起安全裝置作用鏈傳動(dòng)中心距變化范圍較廣。平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，瞬時(shí)傳動(dòng)比不準(zhǔn)確，比帶傳動(dòng)承載能力大，傳動(dòng)工作時(shí)動(dòng)載荷及噪聲較大，在沖擊振動(dòng)情況下工作時(shí)壽命較短

定傳動(dòng)比傳動(dòng)的類型選擇原則①功率范圍

當(dāng)傳遞功率小于100kW時(shí)，各種傳動(dòng)類型都可以采用。但功率較大時(shí)，宜采用齒輪傳動(dòng)，以降低傳動(dòng)功率的損耗。對(duì)于傳遞中小功率，宜采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而可靠的傳動(dòng)類型，以降低成本，如帶傳動(dòng)。此時(shí)傳遞效率是次要的。②傳動(dòng)效率

對(duì)于大功率傳動(dòng)，傳動(dòng)效率很重要。傳動(dòng)功率越大，越要采用效率高的傳動(dòng)類型。③傳動(dòng)比范圍不同類型的傳動(dòng)裝置，最大單級(jí)傳動(dòng)比差別較大。當(dāng)采用多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)合理安排傳動(dòng)的次序。④布局與結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于平行軸之間的傳動(dòng)，宜采用圓柱齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)；對(duì)于相交軸之間的傳動(dòng)，可采用錐齒輪或圓錐摩擦輪傳動(dòng)；對(duì)于交錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)，可采用蝸桿傳動(dòng)或交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)。兩軸相距較遠(yuǎn)時(shí)可采用帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)；反之，可采用齒輪傳動(dòng)。⑤其他要求例如噪聲要求，鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的噪聲較大，帶傳動(dòng)和摩擦輪傳動(dòng)的噪聲較小。二、傳動(dòng)順序的布置原則如下：

⑴承載能力較小的帶傳動(dòng)應(yīng)布置在高速級(jí)，使之與原動(dòng)機(jī)相連，齒輪或其他傳動(dòng)布置在帶傳動(dòng)之后，這樣既有利于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、勻稱，又有利于發(fā)揮帶傳動(dòng)的傳動(dòng)平穩(wěn)、緩沖減振和過載保護(hù)的特點(diǎn)。

⑵鏈傳動(dòng)平穩(wěn)性差，且有沖擊、振動(dòng)，不適用于高速傳動(dòng)，一般應(yīng)將其布置在低速級(jí)。

⑶根據(jù)工作條件選用開式或閉式齒輪傳動(dòng)。閉式齒輪傳動(dòng)一般布置在高速級(jí)，以減小閉式傳動(dòng)的外廓尺寸、降低成本。開式齒輪傳動(dòng)制造精度較低、潤(rùn)滑不良、工作條件差，磨損嚴(yán)重，一般應(yīng)布置在低速級(jí)。

⑷傳遞大功率時(shí)，一般應(yīng)采用圓柱齒輪。

⑸圓柱直齒輪與斜齒輪相比，一般斜齒輪的強(qiáng)度比直齒輪高，且傳動(dòng)平穩(wěn)，所以斜齒輪適用于高速傳動(dòng)的場(chǎng)合。

⑹直齒圓錐齒輪近用于v<5m/s的場(chǎng)合，高速時(shí)可采用曲面齒等。

⑺蝸桿減速器主要有上置式和下置式，圓周速度小時(shí)采用下置式。

⑻在傳動(dòng)系統(tǒng)中，若有改變運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)構(gòu)，如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，一般將其設(shè)置在傳動(dòng)系統(tǒng)的最后一級(jí)。⑼還應(yīng)考慮各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命和裝拆維修的難易程度。三、總傳動(dòng)比的分配

合理地將總傳動(dòng)比分配到傳動(dòng)系統(tǒng)的各種傳動(dòng)中，是傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要問題。它直接影響傳動(dòng)裝置的外廓尺寸、總重量、潤(rùn)滑狀態(tài)及工作能力。在多級(jí)傳動(dòng)中，總傳動(dòng)比與各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比之間的關(guān)系為

合理地分配各級(jí)傳動(dòng)比可以減小傳動(dòng)裝置的外廓尺寸和重量，改善潤(rùn)滑條件，降低成本等。具體分配各級(jí)傳動(dòng)比時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：1、下表列出了常用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單級(jí)傳動(dòng)比推薦值。各級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比應(yīng)盡量在推薦的范圍內(nèi)選取。

類型平帶傳動(dòng)V帶傳動(dòng)鏈傳動(dòng)圓柱齒輪傳動(dòng)錐