《機械原理》課件第11章

第11章機械傳動系統(tǒng)方案設計11.1

機械傳動系統(tǒng)方案設計的過程11.2

傳動類型的選擇11.3傳動鏈的方案設計11.4原動機的選擇思考題及習題11.1機械傳動系統(tǒng)方案設計的過程

機械傳動系統(tǒng)的設計是機械設計中極其重要的一環(huán)，設計得正確、合理與否，對提高機械的性能和質量、降低制造成本與維護費用等影響很大，故應認真對待。機械傳動系統(tǒng)方案的設計是一項創(chuàng)造性活動，要求設計者善于運用已有知識和實踐經驗，認真總結過去的有關工作，廣泛收集、了解國內外的有關信息，充分發(fā)揮創(chuàng)造思維和想象能力，靈活應用各種設計方法和技巧，以便設計出新穎、靈巧、高效的傳動系統(tǒng)。機械傳動系統(tǒng)設計過程如下：

(1)確定傳動系統(tǒng)的總傳動比。

(2)選擇傳動類型，即根據(jù)設計任務書中所規(guī)定的功能要求，執(zhí)行系統(tǒng)對動力、傳動比或速度變化的要求以及原動機的工作特性，選擇合適的傳動裝置。

(3)擬定傳動鏈布置方案，即根據(jù)空間位置、運動和動力傳遞路線及所選傳動裝置的傳動特點和適用條件，合理擬定傳動路線，安排各傳動機構的先后順序，以完成從原動機到各執(zhí)行機構之間的傳動系統(tǒng)的總體布置方案。

(4)分配傳動比，即根據(jù)傳動系統(tǒng)的組成方案，將總傳動比合理分配至各級傳動機構。

(5)確定各級傳動機構的基本參數(shù)和主要幾何尺寸，計算傳動系統(tǒng)的各項運動學和動力學參數(shù)，為各級傳動機構的結構設計、強度計算和傳動系統(tǒng)方案評價提供依據(jù)和指標。(6)繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖。11.2傳動類型的選擇傳動裝置的類型很多，選擇不同類型的傳動機構，將會得到不同形式的傳動系統(tǒng)。為了得到理想的傳動方案，需要合理選擇傳動類型。11.2.1傳動機構的類型及特點

1．按傳動的方式分

1)機械傳動利用機構所實現(xiàn)的傳動稱為機械傳動，其優(yōu)點是工作平穩(wěn)、可靠，對環(huán)境的干擾不敏感；缺點是響應速度較慢、控制欠靈活。機械傳動按傳動原理又可分為嚙合傳動和摩擦傳動兩大類（見表11-1）。嚙合傳動傳動比恒定、傳遞功率大、尺寸?。ǔ渹鲃油猓?、速度范圍廣、工作可靠、壽命長，但加工制造復雜、噪音大，需安裝過載保護裝置；摩擦傳動工作平穩(wěn)、嗓音小、結構簡單、容易制造、價格低、有吸收沖擊和過載保護的能力，但傳動比不穩(wěn)定、傳遞功率較小、速度范圍小、軸與軸承承載大、壽命較短。

2)液壓、液力傳動利用液壓泵、閥、執(zhí)行器等液壓元器件實現(xiàn)的傳動稱為液壓傳動；液力傳動則是利用葉輪通過液體的動能變化來傳遞能量的。液壓、液力傳動的主要優(yōu)點是速度、扭矩和功率均可連續(xù)調節(jié)；調速范圍大，能迅速換向和變速；傳遞功率大；結構簡單，易實現(xiàn)系列化、標準化，使用壽命長；易實現(xiàn)遠距離控制，動作快速；能實現(xiàn)過載保護。它的缺點主要是傳動效率低，不如機械傳動準確；制造、安裝精度要求高；對油液質量和密封性要求高。

3)氣壓傳動以壓縮空氣為工作介質的傳動稱為氣壓傳動。氣壓傳動的優(yōu)點是易快速實現(xiàn)往復移動、擺動和高速轉動，調速方便；氣壓元件結構簡單，適合標準化、系列化，易制造，易操縱；響應速度快，可直接用氣壓信號實現(xiàn)系統(tǒng)控制，完成復雜動作；管路壓力損失小，適于遠距離輸送；與液壓傳動相比，經濟且不易污染環(huán)境，安全能適應惡劣的工作環(huán)境。它的缺點是傳動效率低；因壓力不能太高，故不能傳遞大功率；因空氣的可壓縮性，故載荷變化時，傳遞運動不太平穩(wěn)；排氣噪音大。

4)電氣傳動利用電動機和電氣裝置實現(xiàn)的傳動稱為電氣傳動。電氣傳動的特點是傳動效率高、控制靈活、易于實現(xiàn)自動化。由于電氣傳動的顯著優(yōu)點和計算機技術的應用，傳動系統(tǒng)也正在發(fā)生著深刻變化。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中作為動力源的電動機雖仍在大量應用，但已出現(xiàn)了具有驅動、變速與執(zhí)行等多重功能的伺服電機，從而使原動機、傳動機構、執(zhí)行機構朝著一體化的最小系統(tǒng)發(fā)展。目前，電氣傳動已在一些系統(tǒng)中取代了傳動機構，而且這種趨勢還會增強。

2．按傳動比和輸出速度的變化情況分按傳動比和輸出速度的變化情況對傳動類型分類，如表11-2所示。

1）定傳動比傳動定傳動比傳動的輸入與輸出轉速對應，適應于執(zhí)行機構的工況固定或其工況與原動機對應變化的場合。

2）變傳動比有級變速傳動變傳動比有級變速傳動的一個輸入轉速可對應于若干個輸出轉速，適用于原動機工況固定而執(zhí)行機構有若干種工況的場合，或用于擴大原動機的調速范圍。

3）變傳動比無級變速傳動變傳動比無級變速傳動的一個輸入轉速對應于某一范圍內無限多個輸出轉速，適用于執(zhí)行機構工況很多或最佳工況不明確的情況。

4）變傳動比周期性變速傳動變傳動比周期性變速傳動的輸出角速度是輸入角速度的周期性函數(shù)，以實現(xiàn)函數(shù)傳動或改善動力特性。11.2.2傳動類型的選擇原則機械傳動類型的選擇關系到整個機械系統(tǒng)的方案設計，機器的工作性能、可靠性、尺寸、質量和成本，只有通過多種方案的分析比較，才能較合理地選用傳動類型。選擇傳動類型的依據(jù)主要有：（1）工作機的性能和工況。（2）原動機的機械特性和調速性能。（3）對機械傳動系統(tǒng)的尺寸、質量和布置上的要求。（4）工作環(huán)境，如對多塵、高溫、低溫、潮濕、腐蝕、易燃、易爆等惡劣環(huán)境的適應性與噪聲的限制等。（5）經濟性，如傳動效率、制造費用、運行費用、維護費用等。（6）操作和控制方式，以及制造能力和環(huán)境保護等。在選擇傳動類型時，應遵循下列原則：（1）對于小功率傳動，應在滿足工作性能的需要下，選用結構簡單的傳動裝置，盡可能降低制造成本。（2）對于大功率傳動，應優(yōu)先考慮傳動效率，節(jié)約能源，降低運行成本和維護費用。（3）當執(zhí)行機構要求變速時，若能與動力機調速比相適應，則可直接連接或采用定傳動比的傳動裝置；若執(zhí)行機構要求變速范圍大，用動力機調速不能滿足機械特性和經濟性要求，則應采用變傳動比傳動；除執(zhí)行機構要求連續(xù)變速外，盡量采用有級變速。（4）當執(zhí)行系統(tǒng)載荷頻繁變化且有可能過載時，為保證安全運轉，應考慮選用有過載保護性能的傳動類型，或在傳動系統(tǒng)中增設過載保護裝置；當執(zhí)行系統(tǒng)轉動慣量較大或有緊急停車要求時，應考慮安裝制動裝置。（5）主、從動軸要求同步時，應采用無滑動的傳動裝置。（6）傳動裝置的選用必須與制造水平相適應，盡可能選用專業(yè)廠家生產的標準傳動裝置，如減速器、變速器和無級變速器等。11.3傳動鏈的方案設計選擇了傳動類型后，相同的傳動機構按不同的傳動路線及不同的順序布置，就會產生出不同效果的傳動方案。只有合理地安排傳動路線，恰當布置傳動機構，才能使整個傳動系統(tǒng)獲得理想的性能。11.3.1傳動鏈的選擇根據(jù)運動和動力的傳遞路線，傳動鏈?？煞譃橄铝兴姆N：（1）串聯(lián)式單路傳動。其傳動路線如圖11-1所示。這種傳動路線結構簡單，但傳動機構數(shù)目越多，傳動系統(tǒng)的效率越低，因此，應盡量減少機構數(shù)目。當系統(tǒng)中只有一個執(zhí)行機構和一個原動機時，宜采用此傳動路線。

圖11-1串聯(lián)式單路傳動

(2)并聯(lián)式分路傳動。其傳動路線如圖11-2所示。當系統(tǒng)有多個執(zhí)行機構，而只有一個原動機時，可采用圖11-2所示的傳動路線。牛頭刨床中就采用了這種傳動路線，由一個電動機同時驅動工作臺橫向進給機構和刨刀架縱向移動。

圖11-2并聯(lián)式分路傳動（3）并聯(lián)式多路聯(lián)合傳動。其傳動路線如圖11-3所示。當系統(tǒng)只有一個執(zhí)行機構，但需要多個運動且每個運動傳遞的功率都較大時，宜采用這種傳動路線。圖11-3并聯(lián)式多路聯(lián)合傳動軋鋼機、球磨機中常采用這種傳動路線。（4）混合式傳動?；旌鲜絺鲃邮巧鲜鰩追N路線的組合，常用的形式如圖11-4所示。齒輪加工機床中刀具和工作的傳動系統(tǒng)就采用這種傳動路線。傳動路線的選擇主要是根據(jù)執(zhí)行機構的工作特性、執(zhí)行機構和原動機的數(shù)目以及傳動系統(tǒng)性能的要求來決定的，以傳動系統(tǒng)結構簡單、尺寸緊湊、傳動鏈短、傳動精度高、效率高、成本低為原則。11.3.2傳動鏈順序的布置布置傳動機構的順序時，一般應考慮以下幾點：（1）機械運轉平穩(wěn)，減小振動。一般將傳動平穩(wěn)、動載荷小的機構放在高速級。如帶傳動傳動平穩(wěn)，能緩沖吸振，且有過載保護，故一般布置在高速級；而鏈傳動運轉不均勻，有沖擊，應布置在低速級。又如斜齒輪傳動平穩(wěn)性比直齒輪傳動好，故常用在高速級或要求傳動平穩(wěn)的場合。（2）提高傳動系統(tǒng)的效率。蝸桿蝸輪機構傳動平穩(wěn)，但效率低，一般用于中、小功率間隙運動的場合。對于采用錫青銅為蝸輪材料的蝸桿傳動，應布置在高速級，以利于形成潤滑油膜，提高承載能力和傳動效率。（3）結構簡單緊湊，易于加工制造。帶傳動布置在高速級不僅可使傳動平穩(wěn)，而且可減小傳動裝置的尺寸。一般將改變運動形式的機構（如螺旋傳動、連桿機構、凸輪機構等）布置在傳動系統(tǒng)的最后一級（靠近執(zhí)行機構或作為執(zhí)行機構），可使結構緊湊。大尺寸、大模數(shù)的圓錐齒輪加工較困難，因此應盡量放在高速級并限制其傳動比，以減少其直徑和模數(shù)。（4）承載能力大，壽命長。開式齒輪傳動的工作環(huán)境較差，潤滑條件不好，磨損嚴重，壽命較短，應布置在低速級。對于采用鋁鐵青銅或鑄鐵作為蝸輪材料的蝸桿傳動，常布置在低速級，使齒面滑動速度較低，以防止產生膠合或嚴重磨損。11.3.3各級傳動比的分配將傳動系統(tǒng)的總傳動比合理地分配到各級傳動機構，可以使各級傳動機構尺寸協(xié)調，減小零件尺寸和機構重量，并得到較好的潤滑條件和傳動性能。分配傳動比時通常需考慮以下原則：（1）各級傳動比應在合理的范圍內選?。ㄒ姳?1-3），在特殊情況下也不要超過所允許的最大值。（2）注意各級傳動零件尺寸協(xié)調，結構勻稱合理，不會干涉碰撞。如帶傳動和單級圓柱齒輪減速器組成的傳動裝置中，一般應使帶傳動的傳動比小于齒輪傳動的傳動比，否則，有可能出現(xiàn)大帶輪半徑大于減速器的中心高，使帶輪與機座碰撞。（3）盡量減小外廓尺寸和整體重量。在分配傳動比時，若為減速傳動裝置，則一般應按傳動比逐級增大的原則分配；反之，傳動比應逐級減小。（4）設計減速器時，盡量使各級大齒輪浸油深度大致相同（低速級大齒輪浸油稍深），若各級大齒輪直徑相接近，則應使高速級的傳動比大于低速級的傳動比。11.3.4傳動系統(tǒng)方案設計分析實例

1.C1325自動車床刀架機械傳動系統(tǒng)的分析

1）刀架機械傳動系統(tǒng)的功能分析系統(tǒng)功能要求：自動換刀和軸向進給。刀架機械傳動系統(tǒng)的功能又可分為如下幾個分功能或元功能：（1）轉位。為了完成工件若干個工序的加工，在轉塔刀架上固定著若干組刀具。為使各組刀具能依次參加工作，轉塔刀架需相應轉位(每次繞轉塔刀架軸線轉過60°)。（2）讓刀。為了在轉塔刀架轉位時，刀具和工件不至相碰而損壞，轉塔刀架應先向右退出一段距離后再轉位。（3）定位。為保證加工精度，在加工時轉塔刀架應精確定位，而在轉位時應先將定位銷拔出。（4）進、退刀。轉塔刀架在非轉位期間，應在進刀凸輪的控制下，精確地實現(xiàn)所預定的進、退刀運動。

2）刀架機械傳動系統(tǒng)的工作過程分析刀架機械傳動系統(tǒng)的工作過程如下：如圖11-5所示，在一組刀具加工完畢后，在壓簧12的作用下，進刀凸輪機構的推桿13回程，通過其扇形齒輪6與齒條7的嚙合傳動，使整個活動支架8(連同轉塔刀架9)向右退回進行退刀。而與此同時，齒輪1的離合器接合并開始轉動，通過寬齒輪2、圓錐齒輪傳動3、圓柱凸輪機構4，將定位銷10拔出；同時，曲柄5回轉，使活動支架8向右快速后退一段距離，進行讓刀。在此后退行程將結束時，槽輪機構11開始使轉塔刀架轉位。在其轉位的后半周，繼續(xù)回轉著的曲柄5使整個活動支架8(連同轉塔刀架9)開始向左復位。在轉位結束時，圓柱凸輪機構4的推桿使定位銷10重新插入轉塔刀架的定位孔中進行定位。在轉塔刀架定位后，齒輪1的離合器脫開并停止轉動?；顒又Ъ?(連同轉塔刀架9)在進刀凸輪機構、扇形齒輪和齒條的作用下，向左作進刀運動。在進刀完畢后，又重復上述的退刀、讓刀、轉位、復位、定位運動。

圖11-5自動車床刀架傳動系統(tǒng)

3）刀架系統(tǒng)的工作循環(huán)圖刀架系統(tǒng)的工作循環(huán)圖如圖11-6所示。圖11-6刀架系統(tǒng)的工作循環(huán)圖

4）刀架系統(tǒng)的傳動路線分析刀架系統(tǒng)的傳動主要以串聯(lián)方式為主，但在Ⅰ、Ⅱ處采用了特殊的并聯(lián)方式，如圖11-7所示。

圖11-7刀架系統(tǒng)的機構組合方式

5）各機構的功能分析進刀凸輪機構：控制整個工件的加工過程，不同的工件需要更換不同的凸輪。齒輪齒條機構：用于轉換運動形式并將運動放大。曲柄滑塊機構：用于增大讓刀距離。圓柱齒輪和圓錐齒輪機構：用于改變運動方向。槽輪機構：用于實現(xiàn)轉位。并聯(lián)曲柄滑塊機構：用于實現(xiàn)讓位。并聯(lián)圓柱凸輪機構與串聯(lián)連桿機構：用于實現(xiàn)定位，且容易滿足時序要求。

2.肥皂壓花機的傳動路線分析及傳動比的分配

肥皂壓花機是在肥皂塊上利用模具壓制花紋和字樣的自動機械，其機械傳動系統(tǒng)的機構簡圖如圖11-8所示。按一定尺寸切制好的肥皂塊12由推桿11送至壓模工位，下模具7上移，將皂塊推至固定的上模具8下方，靠壓力在皂塊上、下兩面同時壓制出圖案，下模具返回時，凸輪機構13的頂桿將皂塊推出，完成一個運動循環(huán)。圖11-8肥皂壓花機傳動系統(tǒng)機構簡圖

1）傳動路線分析該機的工作部分包括三套執(zhí)行機構，分別完成規(guī)定的動作。曲柄滑塊機構11完成皂塊送進運動，六桿機構6完成模具的往復運動，凸輪機構13完成成品移位運動。三個運動相互協(xié)調，連續(xù)工作。因整機功率不大，故公用一個電動機。考慮執(zhí)行機構的工作頻率較低，故需采用減速傳動裝置。減速裝置為三套執(zhí)行機構公用，由一級Ⅴ帶傳動和兩級齒輪傳動組成。帶傳動兼有安全保護功能，適宜在高速級工作，故安排在第一級。當機器要求具有調速功能時，可將帶傳動改為帶式無級變速傳動。傳動系統(tǒng)中，鏈傳動9是為實現(xiàn)較大距離的傳動而設置的，錐齒輪傳動5和10用于改變傳動方向。該機的傳動系統(tǒng)為三路并聯(lián)分流傳動，其中模具的往復運動路線為主傳動鏈，皂塊送進運動和成品移位運動路線為輔助傳動鏈，具體傳動路線如圖11-9所示。

2）傳動比分配該機的工作條件是：電動機轉速為1450r／min，每分鐘壓制50塊肥皂，要求傳動比誤差為±2％。現(xiàn)進行傳動比分配并確定相關參數(shù)。（1）主傳動鏈(電動機—下模具往復移動)。錐齒輪傳動5的作用主要是改變傳動方向，可暫定其傳動比為1。這時，每壓制一塊肥皂，六桿機構帶動下模具完成一個運動循環(huán)，相應分配軸Ⅰ應轉動一周，故軸Ⅰ的轉速為n1=50r／min。因已知電動機轉速nd=1450r/min，由此可知，該傳動鏈總傳動比的預定值為設帶傳動及二級齒輪減速器中高速級和低速級齒輪傳動的傳動比分別為i1、i2、i3，根據(jù)多級傳動的傳動比分配時“前小后大”及相鄰兩級之差不宜過大的原則，取i1＝2.5，則減速器的總傳動比為29/2.5=11.6，兩級齒輪傳動平均傳動比為3.4。圖11-9肥皂壓花機傳動路線圖從有利于實現(xiàn)兩級傳動等強度及保證較好的潤滑條件出發(fā)，按二級展開式圓柱齒輪減速器傳動比分配原則，一般取i2′=1.2i3′，則由i2′i3′=11.6可求得i2′=3.7，i3′=3.11。選取各輪齒數(shù)為za=23,zb=86,zc=21,zd=65

實際傳動比為主傳動鏈的實際總傳動比為則傳動比誤差為按傳動比誤差小于2％的要求，且各傳動比均在常用范圍之內，故該傳動鏈傳動比分配方案可用。（2）輔助傳動鏈。皂塊送進和成品移位運動的工作頻率應與模具往復運動的頻率相同，即在一個運動周期內，三套執(zhí)行機構各完成一次運動循環(huán)，送進—壓花—移位。因此分配軸Ⅱ必須與分配軸Ⅰ同步，即nⅡ=nⅠ，故鏈傳動9和錐齒輪傳動10的傳動比均應為1。11.4原動機的選擇原動機的類型很多，特性各異。在進行機械系統(tǒng)總體方案設計時，原動機的機械特性及各項性能與機械執(zhí)行系統(tǒng)的負載特性和工作要求是否相匹配，將在很大程度上決定著整個機械系統(tǒng)的工作性能和構造特性。因此，合理選擇原動機的類型是機械系統(tǒng)方案設計中的一個重要問題。11.4.1原動機的類型及特點原動機的動力源主要有電、液及氣三種，原動機有電動機、液壓馬達、氣馬達和直線油缸、氣缸等，設計過程中應對各種原動機的性能、價格以及應用現(xiàn)場有哪些動力源等問題進行了解。原動機的運動形式主要是回轉運動、往復擺動和往復直線運動等。當采用電動機、液壓馬達、氣動馬達和內燃機等原動機時，原動件作連續(xù)回轉運動；液壓馬達和氣動馬達也可作往復擺動；當采用油缸、氣缸或直線電動機等原動機時，原動件作往復直線運動。有時也用重錘、發(fā)條、電磁鐵等作原動機。常用原動機的類型和主要特點見表11-4。11.4.2原動機的選擇

1.原動機的選擇原則在進行機械系統(tǒng)方案設計時，主要根據(jù)以下原則選擇原動機：（1）應滿足工作環(huán)境對原動機的要求，如能源供應、降低噪聲和環(huán)境保護等要求。（2）原動機的機械特性和工作制度應與機械系統(tǒng)的負載特性（包括功率、轉矩、轉速等）相匹配，以保證機械系統(tǒng)有穩(wěn)定的運行狀態(tài)。（3）原動機應滿足工作機的啟動、制動、過載能力和發(fā)熱的要求。（4）應滿足機械系統(tǒng)整體布置的需要。（5）在滿足工作機要求的前提下，原動機應具有較高的性能價格比，運行可靠，經濟性指標（原始購置費用、運行費用和維修費用）合理。

2.原動機的選擇步驟

1）確定機械系統(tǒng)的負載特性機械系統(tǒng)的負載由工作負載和非工作負載組成。工作負載可根據(jù)機械系統(tǒng)的功能由執(zhí)行機構或構件的運動和受力求得。非工作負載指機械系統(tǒng)所有額外消耗，如機械內部的摩擦消耗，可用效率加以考慮；輔助裝置的消耗，如潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的消耗等。

2）確定工作機的工作制度工作機的工作制度是指工作負載隨執(zhí)行系統(tǒng)的工藝要求而變化的規(guī)律，包括長期工作制、短期工作制和斷續(xù)工作制三大類，常用載荷—時間曲線表示，有恒載和變載、斷續(xù)和連續(xù)運行、長期和短期運行等形式，可由此來選擇相應工作制度的原動機。原動機實際工作制度和工作機是相同的，但在各種不同的工作制度下，原動機的允許功率是完全不同的，如國家標準對內燃機的標稱功率分為四級，分別為15分鐘功率、1小時功率、12小時功率和長期運行功率，其中15分鐘輸出功率最大。

3)選擇原動機的類型影響原動機類型選擇的因素較多，首先應考慮能源供應及環(huán)境要求，選擇確定原動機的種類，再根據(jù)驅動效率、運動精度、負載大小、過載能力、調速要求、外形尺寸等因素，綜合考慮工作機的工況和原動機的特點，具體分析，以選得合適的類型。需要指出的是，電動機有較高的驅動效率和運動精度，其類型和型號繁多，能滿足不同類型工作機的要求