第二章機械傳動系統(tǒng)的總體設計

第二章機械傳動系統(tǒng)的總體設計機械傳動系統(tǒng)的總體設計，主要包括分析和擬定傳動方案、選擇原動機、確定總傳動比和分配各級傳動比以及計算傳動系統(tǒng)的運動和動力參數(shù)。第一節(jié)分析和擬定傳動系統(tǒng)方案一、傳動系統(tǒng)方案應滿足的要求機器通常由原動機（電動機、內(nèi)燃機等）、傳動系統(tǒng)和工作機三部分組成。根據(jù)工作機的要求，傳動系統(tǒng)將原動機的運動和動力傳遞給工作機。實踐表明，傳動系統(tǒng)設計的合理性，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸都有很大影響。因此，合理地設計傳動系統(tǒng)是整部機器設計工作中的重要一環(huán)，而合理地擬定傳動方案又是保證傳動系統(tǒng)設計質(zhì)量的基礎。傳動方案一般由運動簡圖表示，它直接地反映了工作機、傳動系統(tǒng)和原動機三者間運動和動力的傳遞關系。在課程設計中，學生應根據(jù)設計任務書擬定傳動方案。如果設計任務書中已給出傳動方案，學生則應分析和了解所給方案的優(yōu)缺點。傳動方案首先應結構簡單、尺寸緊湊、成本低、傳動效率高和操作維護方便等。要同時滿足上述要求往往比較困難，一般應根據(jù)具體的設計任務有側重地保證主要設計要求，應滿足工作機的性能要求，適應工作條件、工作可靠，此外還選用比較合理的方案。圖2—l所示為礦井輸送用帶式輸送機的三種傳動方案。由于工作機在狹小的礦井巷道中連續(xù)工作，因此對傳動系統(tǒng)的主要要求是尺寸緊湊、傳動效率高。圖2—1（a）方案寬度尺寸較大，帶傳動也不適應繁重的工作要求和惡劣的工作環(huán)境；圖2—l（b）方案雖然結構緊湊，但蝸桿傳動效率低，長期連續(xù)工作，不經(jīng)濟；圖2—l（c）方案寬度尺寸較小，傳動效率較高，也適于惡劣環(huán)境下長期工作，是較為合理的。-20-

圖2—l帶式輸送機傳動方案比較二、擬定傳動系統(tǒng)方案時的一般原則由上例方案分析可知，在選定原動機的條件下，根據(jù)工作機的工作條件擬定合理的傳動方案，主要是合理地確定傳動系統(tǒng)，即合理地確定傳動機構的類型和多級傳動中各傳動機構的合理布置。下面給出傳動機構選型和各類傳動機構布置及原動機選擇的一般原則。1．傳動機構類型的選擇原則合理地選擇傳動類型是擬定傳動方案時的重要環(huán)節(jié)。常用傳動機構的類型、性能和適用范圍可參閱機械設計基礎教材。表13—6中列出了常用機械傳動的單級傳動比推薦值，可參考選用。在機械傳動系統(tǒng)中，各種減速器應用很多，常用減速器的類型、特點和應用可見表2—1。在選擇傳動機構類型時依據(jù)的一般原則為：（1）小功率傳動，宜選用結構簡單、價格便宜、標準化程度高的傳動機構，以降低制造成本。（2）大功率傳動，應優(yōu)先選用傳動效率高的傳動機構，如齒輪傳動，以降低能耗。（3）工作中可能出現(xiàn)過載的工作機，應選用具有過載保護作用的傳動機構，如帶傳動。但在易爆、易燃場合，不能選用帶傳動，以防止摩擦靜電引起火災。-21-（4）載荷變化較大，換向頻繁的工作機，應選用具有緩沖吸振能力的傳動機構，如帶傳動。（5）工作溫度較高、潮濕、多粉塵、易爆、易燃場合，宜選用鏈、閉式齒輪或蝸桿傳動。（6）要求兩軸保持準確的傳動比時，應選用齒輪或蝸桿傳動。2．各類傳動機構在多級傳動中的布置原則在多級傳動中，各類傳動機構的布置順序不僅影響傳動的平穩(wěn)性和傳動效率，而且對整個傳動系統(tǒng)的結構尺寸也有很大影響。因此，應根據(jù)各類傳動機構的特點合理布置，使各類傳動機構得以充分發(fā)揮其優(yōu)點。常用傳動機構的一般布置原則是：（1）帶傳動承載能力較低，但傳動平穩(wěn)，緩沖吸振能力強，宜布置在高速級。（2）鏈傳動運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，有沖擊，宜布置在低速級。（3）蝸桿傳動效率低，但傳動平穩(wěn)，當其與齒輪傳動同時應用時，宜布置在高速級。（4）當傳動中有圓柱齒輪和錐齒輪傳動時，錐齒輪傳動宜布置在高速級，以減小錐齒輪的尺寸。（5）對于開式齒輪傳動，由于其工作環(huán)境較差，潤滑不良，為減少磨損，宜布置在低速級。（6）斜齒輪傳動比較平穩(wěn)，常布置在高速級。第二節(jié)常用減速器的類型、特點和應用常用減速器的類型、特點和應用見表2—1。-22-

表2—1常用減速器的類型、特點和應用-23-第三節(jié)原動機類型和參數(shù)的選擇一、原動機類型及選擇原則根據(jù)動力源的不同，常用原動機可分為四大類型，即電動機、內(nèi)燃機、液壓馬達和氣壓馬達等。在選擇原動機的類型時，主要應從以下三個方面進行考慮：（1）執(zhí)行構件的載荷特性、運動特性，機械的結構布局、工作環(huán)境、環(huán)保要求等。（2）原動機的機械特性、適應的工作環(huán)境、輸出參數(shù)可控制性、能源供應情況等。（3）機械的經(jīng)濟性、效率、重量、尺寸等。由于電力供應的普遍性，且電動機具有結構簡單、價格便宜、效率高、控制和使用方便等優(yōu)點，目前，大部分固定機械均優(yōu)先選用電動機作為原動機。下面簡單介紹電動機的類型與參數(shù)的選擇。二、電動機的種類和結構形式的選擇電動機是一種標準系列產(chǎn)品，使用時只需合理選擇機的類型有交流電動機、直流電動機、步進電動機和伺服電動機等。直流電動機和伺服電動機造價高，多用于一些有特殊需求的場合；步進電動機常用于數(shù)控設備中。由于交流異步電動機結構簡單、成本低、工作穩(wěn)定可靠、容易維護，且交流電源易于獲得，故是機械設備最常用的原動機般工程上常用三其類型和參數(shù)即可。電動。一相異步交流電動機，其中Y系列為全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，電源電壓380V，用于非易燃、易爆、腐蝕性工作環(huán)境，無特殊要求的機械設備，如機床、農(nóng)用機械、輸送機等，也適用于某些起動轉(zhuǎn)矩有較高要求的機械，如壓縮機等。YZ系列和YZR系列分別為籠型轉(zhuǎn)子和繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機，具有較小轉(zhuǎn)動慣量和較大過載能力，可適用于頻繁起制動和正反轉(zhuǎn)工作狀況，如冶金、起重設備等。對有特殊要求的工作場合，應按特殊要求選擇，如井下設備防爆要求嚴格，可選用防爆電動機等。最常用的結構形式為封閉型臥式電動機。常用的Y系列、YZ系列和YZR系列電動機的技術數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸見-24-

本書第十一章。三、電動機容量的選擇選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關。對于載荷不變或變化不大，且在常溫下長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機，只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進行發(fā)熱計算。電動機容量可按下述步驟確定：1．工作機所需功率PW工作機所需功率P應由機器工作阻力和運動參數(shù)計算確定。課程設計時可按W設計任務書給定的工作機參數(shù)計算求得。當已知工作機主動軸的輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）和轉(zhuǎn)速n（r／min）時，則工作TW機主動軸所需功率TnW9550PWkW（2—1）如果給出帶式輸送機驅(qū)動卷的筒圓周力（度v（m／s），則卷軸筒所需功率即卷筒牽引力）（N）和輸送帶速FFvPWkW（2—2）（2—3）1000輸送帶速度v與卷筒直徑（mm）、卷筒軸轉(zhuǎn)速n的關系為DWDnv601000m/sW2．電動機的輸出功率Pd考慮傳動系統(tǒng)的功率損耗，電動機輸出功率為PWPd（2—4）（2—5）式中，為從電動機至工作機主動軸之間的總效率，即12n-25-其中、、、分別為傳動系統(tǒng)中各傳動副、聯(lián)軸器及各對軸承的效率，其數(shù)12n值見第十三章中表13—7。3．確定電動機額定功率Ped根據(jù)計算出的功率dP可選定電動機的額定功率edP，應使P等于或稍大于P。edd四、電動機轉(zhuǎn)速的選擇同一類型、同一功率的三相異步交流電動機，有幾種不同的同步轉(zhuǎn)速（即磁場轉(zhuǎn)速），一般常用電動機同步轉(zhuǎn)速有3000r／min、1500r／min、1000r／min、750r／min等幾種。同步轉(zhuǎn)速低的電動機，磁極數(shù)多，其外廓尺寸及重量大，價格高；而同步轉(zhuǎn)速高的電動機，磁極數(shù)少，尺寸和重量小，價格低。因此，確定電動機轉(zhuǎn)速時，應從電動機和傳動系統(tǒng)的總費用、傳動系統(tǒng)的復雜程度及其機械效率等各個方面綜合考慮。當執(zhí)行構件的轉(zhuǎn)速較高時，選用高轉(zhuǎn)速電動機能縮短運動鏈，簡化傳動環(huán)節(jié)，提高傳動效率則選用高轉(zhuǎn)速電動會使減速裝置增大，機械傳動率也會降低很多。因此，電動機的轉(zhuǎn)速選擇，必須從整機的。但如果執(zhí)行構件的速度很低，部分的成本會大幅度增加，且機器的機械效設計要求出發(fā)，綜合機時，考慮，為能較好地保證方案的合理性，應試選2～3種型號電動機，經(jīng)初步計算后擇優(yōu)選用。選擇電動機轉(zhuǎn)速時，可先根據(jù)工作機主動軸轉(zhuǎn)速n和傳動系統(tǒng)中各級傳動的W常用傳動比范圍，推算出電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍，以供參照比較，即n(iii)nW（2—6）d12n式中，n為電動機轉(zhuǎn)速可選范圍；i、i、…、i為各級傳動的傳動比范圍，見表d12n13—6。根據(jù)選定的電動機類型、應將其型號、額定功率、滿載轉(zhuǎn)速、電動機中下來備用，具體格式可見本章第六節(jié)中總體設計示例。結構、功率和轉(zhuǎn)速，從標準中查出電動機型號后，心高、軸伸尺寸、鍵槽尺寸等記錄-26-第四節(jié)機械傳動系統(tǒng)的總傳動比和各級傳動比的分配一、總傳動比的計算由選定電動機的滿載轉(zhuǎn)速n和工作機主動軸的轉(zhuǎn)速n，可確定傳動系統(tǒng)的總mW傳動比為nni（2—7）mW由于傳動系統(tǒng)是由多級傳動串聯(lián)而成，因此總傳動比是各級傳動比的連乘積，即iiii(2—8)12n二、各級傳動比的合理分配設計多級傳動系統(tǒng)時，需將總傳動比分配到各級傳動機構。分配傳動比時通常應考慮以下幾方面：（1）各級傳動機構的傳動比應在推薦值的范圍內(nèi)（見表13—6），不應超過最大值，以利發(fā)揮其性能，并使結構緊湊。（2）應使各級傳動的結構尺寸協(xié)調(diào)、勻稱。例如，由V帶傳動和齒輪傳動組成的傳動系統(tǒng)（如圖2—2），V帶傳動的傳動比不能過大，否則會使大帶輪半徑超過減速器的中心高，造成尺寸不協(xié)調(diào)，并給機座設計和安裝帶來困難。-27-圖2—2大帶輪直徑過大（3）應使傳動裝置外廓尺寸緊湊，重量輕。如圖2—3所示二級圓柱齒輪減速器，在相同的總中心距和總傳動比情況下，方案（b）具有較小的外廓尺寸。（4）在減速器設計中常使各級大齒輪直徑相近，以使大齒輪有相接近的浸油深度。如圖2—3（b）所示，高、低速兩級大齒輪直徑相近，且低速級大齒輪直徑稍大，其浸油深度也稍深一些，有利于浸油潤滑。（5）應避免傳動零件之間發(fā)生干涉碰撞。如圖2—4所示，當高速級傳動比過大時就可能發(fā)生高速級大齒輪與低速軸發(fā)生干涉的情況。圖2—3傳動比分配對結構尺寸影響-28-圖2—4傳動比分配不合理使傳動零件干涉設計二級以上的減速器時，合理分配各級傳動比是很重要的?？紤]到上述問題，這里推薦一些傳動比的分配方法，供設計減速器時參考。（1）對于二級臥式圓柱齒輪減速器，為使兩級的大齒輪有相近的浸油深度，高速級傳動比i和低速級傳動比i可按下列方法分配：12展開式和分流式減速器i(1.1～1.5)i12同軸式減速器ii12（2）對于圓錐—圓柱齒輪減速器，為使大錐齒輪直徑不致過大，高速級錐齒輪傳動比可取i0.25i，且i≤3，此處i為減速器總傳動比。但當要齒輪浸油深11度大致相等時，也可取i3.5～4。1（3）對于蝸桿—齒輪減速器，常取低速級圓柱齒輪傳動比i(0.03～0.06)i，2i為減速器總傳動比。（4）對于齒輪—蝸桿減速器，齒輪傳動在高速級，分配傳動比時，為了使箱體緊湊和便于潤滑，通常取齒輪傳動的傳動比i≤2～2.5。1傳動比分配時要考慮各方面要求和限制條件，可以有不同分配方法，常需擬定多種分配方案進行比較。以上分配的各級傳動比只是初始值，待有關傳動零件參數(shù)確動系統(tǒng)實際傳動比是否符合設計任務書的要求。如果設計要求中沒有特別規(guī)作機轉(zhuǎn)速的誤差范圍，則一般傳動系統(tǒng)的傳動比允許誤差可按±(3～5)％考慮。定后，再驗算傳定工-29-第五節(jié)機械傳動系統(tǒng)運動和動力參數(shù)的計算進行傳動零件的設計計算時，需計算各軸的輸入功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。為便于計算，將各軸從高速軸至低速軸依次定為Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸……，電動機軸定為Ⅰ軸。0以圖2—5所示帶式輸送機減速傳動系統(tǒng)為例，當已知電動機額定功率P、滿ed載轉(zhuǎn)速n、各級傳動比及傳動效率后，即可計算各軸的輸入功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。m圖2—5帶式輸送機減速傳動系統(tǒng)一、各軸的輸入功率各軸輸入功率分別為PPkW（2—9）（2—10）（2—11）Ⅰed01ed0112PPPkWⅡⅠ12PPⅢⅡ23Ped23kW0112式中，P為電動機額定功率，kW；P、P、P為Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸的輸入功率，edⅠⅡⅢ12kW；為電動機軸與Ⅰ軸之間帶傳動的效率；為Ⅰ軸和Ⅱ軸之間高速級傳動01的效率，包括I軸上的一對軸承和高速級齒輪副的效率；為Ⅱ軸和Ⅲ軸之間低23速級傳動的效率，包括Ⅱ軸上的一對軸承和低速級齒輪副的效率。-30-二、各軸的轉(zhuǎn)速各軸轉(zhuǎn)速分別為nmi0nⅠr/min（2—12）（2—13）（2—14）nnniir/minⅠmⅡi101nnⅡmnr/minⅢiiii0122式中，n為電動機的滿載轉(zhuǎn)速，r/min；n、n、n為Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸的轉(zhuǎn)速，mⅠⅡⅢr/min；i、i、i為電動機軸至Ⅰ軸、Ⅰ軸至Ⅱ軸、Ⅱ軸至Ⅲ軸之間的傳動比。012三、各軸的輸入轉(zhuǎn)矩各軸輸入轉(zhuǎn)矩分別為PT9550ⅠN·m（2—15）（2—16）（2—17）ⅠnⅠPT9550ⅡN·mⅡnⅡPT9550ⅢN·mⅢnⅢ將運動和動力參數(shù)的計算結果整理后列表備查，具體格式可見本章第六節(jié)中總體設計示例。第六節(jié)機械傳動系統(tǒng)的總體設計示例如圖2—5所示帶式輸送機減速傳動系統(tǒng)方案，已知卷筒直徑D＝250mm，輸送帶的有效拉力F＝9800N，輸送帶速度v＝0.5m／s，在室內(nèi)常溫下長期連續(xù)工作，環(huán)境有灰塵，電源為三相交流，電壓為380V，要求對該帶式輸送機減速傳動系統(tǒng)進行總體設計。-31-解：1．電動機的選擇（1）選擇電動機類型和結構形式本減速器在常溫下連續(xù)工作，載荷平穩(wěn)，對起動無特殊要求，但工作環(huán)境灰塵較多，故選用Y型全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，電源電壓為380V。結構形式為臥式電動機。（2）確定電動機的功率工作機所需功率Fv98000k.W5=4.9kWPW10001000電動機的工作功率PWPd電動機到輸送帶的總效率為424512313—7查得：V帶傳動效率0.96；滾子軸承效率0.98（三對齒輪1；齒輪副效率0.97（齒輪精度為由表23軸軸承和一對卷筒軸軸承）8級）；齒輪聯(lián)軸器效率0.99；卷筒效率0.96，代入得：450.960.9840.9720.990.960.79PW4.9kW6.2kWP0.79d查表11—1，選電動機額定功率為7．5kW。（3）確定電動機的轉(zhuǎn)速卷筒軸工作轉(zhuǎn)速為：60100v060100r0/m0.i5n38.2r/minnWD3.14250比i2～4；由表按表13—6推薦的傳動比合理范圍，取V帶傳動的傳動21—1知，二級圓柱齒輪減速器傳動比i8～40，則總傳動比合理范圍為2-32-i16～160，電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍為anin(16～160)38.2r/min611～611r/2mindaW符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速有750r／min、1000r／min、1500r／min和3000r／min四種，可查得四種方案，見表2—2。表2—2可選電動機參數(shù)比較額定功率電動機轉(zhuǎn)速/（r·min）1—方案電動機型號/（kW）同步轉(zhuǎn)速滿載轉(zhuǎn)速1234Y132S2—2Y132M—4Y160M—6Y160L—87.57.57.57.530001500100075029001440970720綜合考慮減輕電動機及傳動系統(tǒng)的重量和節(jié)約資金，選用第二方案。因此選定電動機型號為Y132M—4，其主要性能參數(shù)如表2—3。表2—3Y132M—4電動機主要性能參數(shù)額定功率同步轉(zhuǎn)速滿載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩電動機型號/（kW）/（r·min—1）/（r·min—1）額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩Y132M—47.5150014402.22.2Y132M—4電動機主要外形和安裝尺寸見表2—4。表2—4Y132M—4電動機主要外形和安裝尺寸(單位：mm)中心高外形尺寸安裝尺寸軸伸尺寸平鍵尺寸HL×（AC/2＋AD）×HD515×345×315A×BD×EF×G132216×17838×8010×332．計算傳動系統(tǒng)的總傳動比和分配各級傳動比(1）傳動系統(tǒng)的總傳動比-33-n1440i37.738.2mnWa(2）分配傳動系統(tǒng)傳動比iiia0式中，i、i為帶傳動和減速器的傳動比。0為使V帶傳動外廓尺寸不致過大，初步取i2.8，則減速器傳動比0iia37.72.813.46i0所得減速器傳動比值符合一般二級展開式圓柱齒輪減速器傳動比的常用范圍。3）分配減速器的各級傳動比按浸油潤滑條件考慮，取高速級傳動比i1.3i，而iii1.3i2，所以12122i13.463.221.3i21.3i13.464.18i3.221i23．機械傳動系統(tǒng)運動和動力參數(shù)的計算（1）各軸的輸入功率電動機軸PP7.5kW0edPPP7.50.96kW=7.2kWⅠed011Ⅰ軸Ⅱ軸Ⅲ軸卷筒軸ed7.20.980.97kW6.84kWPPPⅡⅠ12Ⅰ23