第9讲 轴系及其他零部件

1、第第9 9讲讲 轴系及其他零部件轴系及其他零部件 轴系零件设计轴系零件设计 联轴器联轴器/ /离合器离合器/ /制动器制动器 机械机械传动系统的方案设计机械机械传动系统的方案设计 2/135 9.1 概述概述 轴的功用轴的功用:支承旋转的机械零件，并传递转矩和运动。支承旋转的机械零件，并传递转矩和运动。 按所受载荷性质不同轴可以分为三种类型：按所受载荷性质不同轴可以分为三种类型： 心轴心轴：只承受弯矩，不传递转矩的轴：只承受弯矩，不传递转矩的轴 转轴转轴：既承受弯矩，又传递转矩的轴：既承受弯矩，又传递转矩的轴 传动轴传动轴：工作时只传递转矩，不承受弯矩或弯矩很小的轴：工作时只传递转矩，不承受弯

2、矩或弯矩很小的轴 3/135 按轴几何形状还可分为：直轴和曲轴 在通用机械中，常见的是刚性实心阶梯轴。随着弹性环等在通用机械中，常见的是刚性实心阶梯轴。随着弹性环等 新的轴毂联接方式的采用，直的光轴在某些机器中也得到新的轴毂联接方式的采用，直的光轴在某些机器中也得到 了应用。了应用。 4/135 钢丝软轴 5/135 设计轴的一般步骤 轴的设计一般应解决轴的结构和承载能 力两方面的问题。具体的说，轴的设计 步骤有： （1）选择轴的材料； （2）初步估算轴的直径； （3）进行轴的结构设计； （4）精确校核（强度、刚度、振动等）； （5）绘制零件的工作图。 6/135 9.2 轴的材料轴的材料 轴

3、主要失效形式是疲劳失效。 对轴材料的基本要求： 有一定的疲劳强度； 且对应力集中的敏感性较低； 考虑工艺性和经济性等要求。 轴的常用材料有：碳素钢和合金钢。 7/135 材料及 热处理 毛坯直 径 1/mm 硬度 1/HBS 强度 极限 1/MPa 屈服极限 1/MPa 弯曲疲劳极 限1/MPa 应用说明 Q235 440240200用于不重要或载荷不大的轴 35正火100149187520270250 有好的塑性和适当的强度， 可做一般曲轴和转轴等 45正火100170217600300275 用于较重要的轴， 应用最为广泛 45调质200217255650360300 40Cr调质 25

4、1000800500 用于载荷较大 而无重大冲击的重要轴 100241286750550350 100300 241266700550340 40MnB 调质 25 1000800485 性能接近于40Cr， 用于重要的轴 200241286750500335 35CrMo调质100207269750550390用于重载荷的轴 20Cr渗碳 淬火回火 15 表面 HRC 5662 850550375 用于要求强度、韧性 及耐磨性均较高的轴 60650400280 8/135 钢材 碳钢：碳钢：价廉，对应力集中的敏感性较低，最常用的是价廉，对应力集中的敏感性较低，最常用的是45号钢。号钢。 合金

5、钢：合金钢：在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的 耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常用合金钢。耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常用合金钢。 需特别强调的是：需特别强调的是： 在一般工作温度下，各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，在一般工作温度下，各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多， 因此用因此用合金钢代替碳钢并不能提高轴的刚度合金钢代替碳钢并不能提高轴的刚度。 提高轴的刚度的方法只能是提高轴的刚度的方法只能是增大轴的截面尺寸或改变轴的截面增大轴的截面尺寸或改变轴的截面 形状形状。 当轴的刚度为主要问题时，可选择强度

6、较低的碳钢，而用增大当轴的刚度为主要问题时，可选择强度较低的碳钢，而用增大 轴的截面尺寸的办法来提高轴的刚度。轴的截面尺寸的办法来提高轴的刚度。 各种热处理和表面强化处理，提高轴的抗疲劳强度。各种热处理和表面强化处理，提高轴的抗疲劳强度。 9/135 铸铁 球墨铸铁和高强度铸铁： 容易作成复杂的形状； 具有良好的吸振性和耐磨性、价格低廉、 对应力集中的敏感性较低等优点； 但铸件品质不易控制，可靠性较差。 10/135 9.3 轴的结构轴的结构 轴各部分名称 轴结构设计的基本要求 轴向定位 轴上零件的固定 改善轴的受力情况 轴的直径与长度 轴上零件的装配和轴的结构工艺 11/135 轴各部分名称

7、 12/135 轴结构设计的基本要求 定位要求：轴和轴上零件要有准确的工作位置；定位要求：轴和轴上零件要有准确的工作位置； 固定要求：各零件要牢固而可靠地相对固定；固定要求：各零件要牢固而可靠地相对固定； 工艺要求：轴应便于加工，轴上的零件要易于装拆；工艺要求：轴应便于加工，轴上的零件要易于装拆； 疲劳强度要求：尽量减少应力集中；疲劳强度要求：尽量减少应力集中； 尺寸要求：轴的各部份的直径和长度的尺寸要合理。尺寸要求：轴的各部份的直径和长度的尺寸要合理。 13/135 轴向定位 主要方法有：轴肩定位、套筒定位、圆螺 母定位、轴端挡圈定位和轴承端盖定位 。 轴肩定位：轴肩定位： 多用于轴向力较大

8、的场合。定位轴肩的高度多用于轴向力较大的场合。定位轴肩的高度h=(0.070.1)d 14/135 轴上零件的固定 轴上零件有轴向固定和周向固定的要求。轴上零件有轴向固定和周向固定的要求。 常用的固定方法有：常用的固定方法有： 轴肩、圆螺母、套筒、轴端挡圈等：可承受较大的轴向轴肩、圆螺母、套筒、轴端挡圈等：可承受较大的轴向 力。轴向力较小时，可采用弹性挡圈、紧定螺钉力。轴向力较小时，可采用弹性挡圈、紧定螺钉、销、销 钉等钉等。 15/135 轴端挡圈固定 16/135 弹性挡圈 轴用弹性挡圈 孔用弹性挡圈 17/135 紧定螺钉与销钉固定 图 1414 销钉固定 18/135 轴上零件的周向固

9、定 目的：防止零件与轴发生相对转动。目的：防止零件与轴发生相对转动。 常用的固定方式有：常用的固定方式有： 键联接、花键联接和轴与轴上零件的过盈配合键联接、花键联接和轴与轴上零件的过盈配合等。等。 普通平键联接和过盈配合一起作为轴上零件的周向固定普通平键联接和过盈配合一起作为轴上零件的周向固定 方式，以传递更大的转矩。方式，以传递更大的转矩。 当传递的转矩较小时，也可采用紧定螺钉或销钉同时作当传递的转矩较小时，也可采用紧定螺钉或销钉同时作 为轴向固定和周向固定。为轴向固定和周向固定。 19/135 轴上零件的装配和轴的结构工艺性 为了便于零件的装配和固定，常将轴设计成阶梯形。为了便于零件的装配

10、和固定，常将轴设计成阶梯形。 轴的两端和轴肩处应做出倒角，使零件易于安装，同轴的两端和轴肩处应做出倒角，使零件易于安装，同 时避免划伤人手。时避免划伤人手。 轴上螺纹尾部退刀槽、砂轮越程槽和轴两端的中心孔轴上螺纹尾部退刀槽、砂轮越程槽和轴两端的中心孔 等，轴的这些局部尺寸，查阅有关手册。等，轴的这些局部尺寸，查阅有关手册。 20/135 改善轴的受力情况 为了减小轴所受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并为了减小轴所受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并 尽可能不用悬臂支承，尽量缩短支承跨距和悬臂长度。尽可能不用悬臂支承，尽量缩短支承跨距和悬臂长度。 当传矩由一个传动件输入，而由几个传动件输出时，当传

11、矩由一个传动件输入，而由几个传动件输出时， 为了减小轴上的传矩，应将输入件放在中间。为了减小轴上的传矩，应将输入件放在中间。 21/135 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 22/135 减小应力集中的措施 采用圆角过渡。采用圆角过渡。 在重要的结构在重要的结构 中：中： 过渡环；过渡环； 凹切圆角；凹切圆角； 在轴上切制卸在轴上切制卸 载槽；载槽； 在轴上零件上在轴上零件上 开卸载槽等措开卸载槽等措 施。施。 23/135 改进轴的结构以减小应力集中的影响 24/135 轴的表面质量对疲劳强度也有很大的影响 实践表明疲劳裂纹常发生在表面粗糙的 地方，因此应降低轴的表面粗糙度，即 使非配合表面

12、也不应忽视。采用辗压、 喷丸等强化处理，也可提高轴的疲劳强 度。 25/135 轴的直径 轴的直径应满足强度和刚度的要求。此外，还要根据下面具体情轴的直径应满足强度和刚度的要求。此外，还要根据下面具体情 况确定轴的实际直径：况确定轴的实际直径： 与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴承内径的标准系与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴承内径的标准系 列；列； 安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径系列相适应；安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径系列相适应； 轴上切制螺纹部分的直径，必须符合外螺纹大径的标准系列。轴上切制螺纹部分的直径，必须符合外螺纹大径的标准系列。 与零件相配合的轴头直径，应

13、尽量采用标准直径；与零件相配合的轴头直径，应尽量采用标准直径； 1012141618202224252628 3032343638404245485053 56606367717580859095100 26/135 轴的各段长度 主要决定于轴上零件和轴承的宽度以及 它们的相互配置。此外，还要根据下面 的具体情况来确定轴的长度： 装有紧固件的轴段，其长度应保证 紧固件有一定的轴向调整余地； 轴上的旋转零件与固定零件之间应 留有适当的距离，以免旋转时相碰。 27/135 轴的结构工艺性 倒角倒角 退刀槽退刀槽 装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端

14、有砂轮越程槽， 螺纹轴端应有退刀槽。螺纹轴端应有退刀槽。 29/135 装配方案 对比 32/135 9.4 滚动轴承的组合结构设计滚动轴承的组合结构设计 一、轴系支点轴向固定的结构形式一、轴系支点轴向固定的结构形式 1. 两端单向固定结构两端单向固定结构 2. 一端固定，一端游动结构一端固定，一端游动结构 3. 两端游动结构两端游动结构 二、滚动轴承组合结构的调整二、滚动轴承组合结构的调整 1. 轴系轴向位置的调整轴系轴向位置的调整 34/135 支承部分的刚性 用加强肋增强轴承座孔刚性用加强肋增强轴承座孔刚性 非金属支架、铝合金支架：非金属支架、铝合金支架： 使用钢衬筒的轴承座孔使用钢衬筒

15、的轴承座孔 35/135 支承部分的同心度 对于一根轴上两个支承的座孔，必须尽可能地保持同对于一根轴上两个支承的座孔，必须尽可能地保持同 心，以免轴承内外圈间产生过大的偏斜。心，以免轴承内外圈间产生过大的偏斜。 采用整体结构的外壳，并把安装轴承的两个孔一次镗采用整体结构的外壳，并把安装轴承的两个孔一次镗 出出; 当两个轴承孔分在两个外壳上时，则应把两个外壳组当两个轴承孔分在两个外壳上时，则应把两个外壳组 合在一起进行镗孔。合在一起进行镗孔。 36/135 轴承的配置 合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正 确的位置、防止轴向窜动以及轴受热后 不致将轴承卡死等因素。常用的轴承配 置方法有以下三种。

16、双支点单向固定 单支点双向固定 两端游动支承 37/135 双 支 点 单 向 固 定 正装正装 反装反装 L11时为减速传动，时为减速传动，i1时为增速传动。时为增速传动。 9.8. 机械传动系统的特性及其参数计算机械传动系统的特性及其参数计算 i1、i2ik为系统中各级传动的为系统中各级传动的 传动比。传动比。 n c 为 传 动 系 统 的 输 出 转 速为 传 动 系 统 的 输 出 转 速 （r/min）； 104/135 在各级传动的设计计算完成后，由于多种因素的影响，系在各级传动的设计计算完成后，由于多种因素的影响，系 统的实际总传动比统的实际总传动比i i常与预定值常与预定值i

17、不完全相符，其相对误差不完全相符，其相对误差i 可表示为可表示为 % i ii r i 机械传动系统的特性及其参数设计机械传动系统的特性及其参数设计 系统的传动比相对误差系统的传动比相对误差 传动系统中，任一传动轴的转速传动系统中，任一传动轴的转速n ni i可由下式计算：可由下式计算： 21i i n n r i 2. 2. 转速和变速范围转速和变速范围 从系统的输入轴到该轴之间各级传从系统的输入轴到该轴之间各级传 动比的连乘积。动比的连乘积。 105/135 有级变速传动装置中，当输入轴的转速有级变速传动装置中，当输入轴的转速nr一定时，经变速一定时，经变速 传动后，若输出轴可得到传动后，

18、若输出轴可得到z种转速，并由小到大依次为种转速，并由小到大依次为n1、 n2、nz，则则z称为称为变速级数变速级数，最高转速与最低转速之比称，最高转速与最低转速之比称 为为变速范围变速范围，用，用Rn表示，即表示，即 min max 1 i i n n R z n z rr n n i n n i min 1 max , 机械传动系统的特性及其参数设计机械传动系统的特性及其参数设计 输出转速常采用等比数列分布，且任意两相邻转速之比输出转速常采用等比数列分布，且任意两相邻转速之比 为一常数，称为为一常数，称为转速公比转速公比，用符号，用符号表示，即表示，即 12 3 1 2 z z n n n

19、n n n 106/135 公比公比一般按标准值选取，一般按标准值选取，常用值为常用值为1.061.06、1.121.12、1.361.36、 1.411.41、1.581.58、1.781.78、2.002.00。 变速范围变速范围Rn、变速级数变速级数z和公比和公比之间的关系为：之间的关系为： 变速级数越多，变速装置的功能越强，但结构也越复杂。变速级数越多，变速装置的功能越强，但结构也越复杂。 在齿轮变速器中，常用的滑移齿轮是双联或三联，所以通在齿轮变速器中，常用的滑移齿轮是双联或三联，所以通 常常变速级数取为变速级数取为2 2或或3 3的倍数的倍数。 1 12 3 1 2 1 z z z

20、z n n n n n n n n n R 机械传动系统的特性及其参数设计机械传动系统的特性及其参数设计 107/135 各种机械传动及传动部件的效率值可在设计手册中查到。各种机械传动及传动部件的效率值可在设计手册中查到。 在一个传动系统中，设各传动及传动部件的效率分别为在一个传动系统中，设各传动及传动部件的效率分别为1、 2、n，串联式单流传动系统的总效率，串联式单流传动系统的总效率为为 = 1 2 n 3. 3. 机械效率机械效率 机械传动系统的特性及其参数设计机械传动系统的特性及其参数设计 机器执行机构的输出功率机器执行机构的输出功率P可由负载参数（力或力矩）可由负载参数（力或力矩） 及

21、运动参数（线速度或转速）求出，设执行机构的效率为及运动参数（线速度或转速）求出，设执行机构的效率为 ，则传动系统的输入功率或原动机的所需功率为则传动系统的输入功率或原动机的所需功率为 P Pr原动机的额定功率原动机的额定功率Pe应满足应满足PePr， ， 由此可确定由此可确定Pe值。值。 4. 4. 功率功率 108/135 设计各级传动时，常以传动件所在轴的输入功率设计各级传动时，常以传动件所在轴的输入功率Pi为计为计 算依据，若从原动机至该轴之前各传动及传动部件的效率算依据，若从原动机至该轴之前各传动及传动部件的效率 分别为分别为1、2、i，则有，则有 Pi= P 1 2 i 机械传动系统

22、的特性及其参数设计机械传动系统的特性及其参数设计 设计功率设计功率 对于批量生产的通用产品，为充分发挥原动机的工作能对于批量生产的通用产品，为充分发挥原动机的工作能 力，应以原动机的额定功率为设计功率，即取力，应以原动机的额定功率为设计功率，即取PPe； 对于专用的单台产品，为减小传动件的尺寸，降低成本，对于专用的单台产品，为减小传动件的尺寸，降低成本， 常以原动机的所需功率为计算功率，即取常以原动机的所需功率为计算功率，即取PPr。 109/135 5. 5. 转矩和变矩系数转矩和变矩系数 传动系统中任一传动轴的输入转矩传动系统中任一传动轴的输入转矩Ti（Nmm）可由下式求出：可由下式求出：

23、 i i i n P T 6 1055. 9 机械传动系统的特性及其参数设计机械传动系统的特性及其参数设计 该轴的输入功率该轴的输入功率（kW） 该轴的转速该轴的转速（r/min）。 传动系统的输出转矩传动系统的输出转矩Tc与输入转矩与输入转矩Tr之比称为变矩系数，之比称为变矩系数， 用用K表示，由上式可得：表示，由上式可得： i nP nP T T K cr rc r c 传动系统的输出功率传动系统的输出功率 110/135 水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择 9.8.5 机械传动系统方案设计实例机械传动系统方案设计实例 111/135 机械传动系统方案

24、设计实例分析机械传动系统方案设计实例分析 水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择 水泥管磨机属于连续运转的低速大功率设备，主传动系统水泥管磨机属于连续运转的低速大功率设备，主传动系统 应尽量减少传动级数、提高效率和降低运行费用。应尽量减少传动级数、提高效率和降低运行费用。 主要特点是主要特点是： 1 1）转速低，转速）转速低，转速：1040 r/min 2 2）功率：）功率：10103 kW 3 3）起动力矩大，连续运转，载荷平稳，露天工作）起动力矩大，连续运转，载荷平稳，露天工作 方案选择原则：方案选择原则： 1 1）总传动比不宜过大，可选用同步转速为）总传

25、动比不宜过大，可选用同步转速为750r/min的的 电动机，这样，系统的总传动比约为电动机，这样，系统的总传动比约为7518，故安排，故安排23 级传动较为合理。级传动较为合理。 112/135 3 3）对于小型磨机，耗电量不大，应主要考虑降低初始费）对于小型磨机，耗电量不大，应主要考虑降低初始费 用，中型磨机应兼顾初始费用和运行费用。用，中型磨机应兼顾初始费用和运行费用。 2 2）选用机械效率较高的传动类型，如齿轮传动等。蜗）选用机械效率较高的传动类型，如齿轮传动等。蜗 杆传动虽可实现大传动比，但效率较低，不适合于连续运杆传动虽可实现大传动比，但效率较低，不适合于连续运 转的大功率机械；由于

26、露天工作，环境多尘，采用链传动转的大功率机械；由于露天工作，环境多尘，采用链传动 必须很好地密封与润滑，否则会加速磨损、降低传动效率；必须很好地密封与润滑，否则会加速磨损、降低传动效率； 摆线针轮传动、谐波传动的效率较齿轮低；不应优先考虑。摆线针轮传动、谐波传动的效率较齿轮低；不应优先考虑。 机械传动系统方案设计实例分析机械传动系统方案设计实例分析 几种管磨机主要传动系统方案的特点几种管磨机主要传动系统方案的特点。 113/135 特点：特点： 1 1）结构简单、初始费用低。）结构简单、初始费用低。 2 2）带传动和开式齿轮传动效）带传动和开式齿轮传动效 率不高，而且带传动的承载率不高，而且带

27、传动的承载 能力也受带型和根数的限制。能力也受带型和根数的限制。 适用于小功率、要求初始适用于小功率、要求初始 费用低的磨机。费用低的磨机。 1. 1. 带传动带传动- -齿轮传动串联式单流传动系统方案齿轮传动串联式单流传动系统方案 机械传动系统方案设计实例分析机械传动系统方案设计实例分析 114/135 2. 2. 齿轮传动齿轮传动齿轮传动串联式单流传动系统方案齿轮传动串联式单流传动系统方案 特点：特点： 1 1）效率高、寿命长、外廓尺寸小）效率高、寿命长、外廓尺寸小 2 2）初始费用较高）初始费用较高 该方案适用于中型磨机。该方案适用于中型磨机。 机械传动系统方案设计实例分析机械传动系统方

28、案设计实例分析 3. 3. 并联式汇流传动系统方案并联式汇流传动系统方案 特点：特点： 1 1）因齿轮啮合时产生的切向力和径）因齿轮啮合时产生的切向力和径 向力分别平衡而降低了磨筒轴承的载向力分别平衡而降低了磨筒轴承的载 荷。荷。 2 2）初始费用比第）初始费用比第2 2方案低。方案低。 该方案适用于中型磨机。该方案适用于中型磨机。 115/135 特点：特点： 1 1）闭式传动，齿轮和轴承受力状态较好，效率高）闭式传动，齿轮和轴承受力状态较好，效率高 2 2）齿轮加工精度要求高，结构较复杂。）齿轮加工精度要求高，结构较复杂。 该方案适用于大型磨机。该方案适用于大型磨机。 4. 4. 中心驱动

29、式单流传动系统方案中心驱动式单流传动系统方案 机械传动系统方案设计实例分析机械传动系统方案设计实例分析 116/135 特点：特点： 1 1）传动系统为双路驱动，具备第）传动系统为双路驱动，具备第3 3和第和第4 4方案传动功率大、方案传动功率大、 尺寸小、质量轻以及效率高的优点；尺寸小、质量轻以及效率高的优点； 2 2）齿轮加工精度要求高，结构较复杂。大型或超大型磨）齿轮加工精度要求高，结构较复杂。大型或超大型磨 机采用的中心驱动，多路并联方式，为保证各路传动的同机采用的中心驱动，多路并联方式，为保证各路传动的同 步和均载，需增加辅助设备。步和均载，需增加辅助设备。 该方案适用于大型和超大型

30、磨机。该方案适用于大型和超大型磨机。 5. 5. 中心驱动式并联汇流传动系统方案中心驱动式并联汇流传动系统方案 机械传动系统方案设计实例分析机械传动系统方案设计实例分析 117/135 特点：特点： 1 1）该方案占地面积小，维护简单）该方案占地面积小，维护简单 2 2）但电机等电器装置的初始费用很）但电机等电器装置的初始费用很 高。同等功率时，单位产量所需总高。同等功率时，单位产量所需总 费用比机械传动方费用比机械传动方 案约高案约高 （2950）%。 6. 6. 低速电动机直接驱动方案低速电动机直接驱动方案 机械传动系统方案设计实例分析机械传动系统方案设计实例分析 118/135 原动机的

31、机械特性和工作机的负载特性原动机的机械特性和工作机的负载特性 原动机的选择原动机的选择 9.8.6原动机的选择原动机的选择 原动机的种类很多，按使用能源的形式，可分为一次原原动机的种类很多，按使用能源的形式，可分为一次原 动机和二次原动机两大类。动机和二次原动机两大类。 一次原动机使用自然界能源，直接将自然界能源转变为一次原动机使用自然界能源，直接将自然界能源转变为 机械能，如内燃机、风力机、水轮机等；机械能，如内燃机、风力机、水轮机等； 二次原动机将电能、介质动力、压力能转变为机械能，二次原动机将电能、介质动力、压力能转变为机械能， 如电动机、液压马达等。如电动机、液压马达等。 119/13

32、5 原动机的选择原动机的选择 原动机的机械特性和工作机的负载特性原动机的机械特性和工作机的负载特性 一、原动机的机械特性一、原动机的机械特性 原动机的机械特性一般用输出转矩原动机的机械特性一般用输出转矩T（或功率（或功率P）与转速）与转速n 的关系曲线，即的关系曲线，即T = f(n)或或P = f(n)曲线表示。曲线表示。 120/135 一次原动机的机械特性、特点和应用 类别类别工业汽轮机工业汽轮机汽油机汽油机柴油机柴油机燃气轮机燃气轮机 机械特性机械特性图图图图 功率范围功率范围 /kW 小型小型 1001000 大型大型 100005000 四冲程四冲程 1.0260 二冲程二冲程 0

33、.6110 3.5380003525000 特点特点 启动转矩大，转速启动转矩大，转速 高，变速范围较大，高，变速范围较大， 运转平稳，寿命长运转平稳，寿命长 设备复杂，制造技设备复杂，制造技 术要求高，初始成本术要求高，初始成本 高高 中型汽轮机的效率中型汽轮机的效率 在大型和小型之间在大型和小型之间 结构紧凑，质量轻，结构紧凑，质量轻， 便 于 移 动 ， 转 速 高便 于 移 动 ， 转 速 高 （四冲程达（四冲程达 5000r/min5000r/min，二冲程，二冲程 可可8000r/min8000r/min），能），能 很快启动达到满载运很快启动达到满载运 转转 燃料价高、易燃，燃料

34、价高、易燃， 废气会造成大气污染废气会造成大气污染 工作可靠，工作可靠， 寿 命 长 ， 维寿 命 长 ， 维 护 简 便 ， 运护 简 便 ， 运 转 费 用 低 ，转 费 用 低 ， 燃料较安全燃料较安全 初始成本较初始成本较 高 ， 废 气 会高 ， 废 气 会 造 成 大 气 污造 成 大 气 污 染染 结构紧凑，质量结构紧凑，质量 轻，启动快而转轻，启动快而转 矩大，运转平稳，矩大，运转平稳， 用水少，可用廉用水少，可用廉 价燃油，维护简价燃油，维护简 便便 设备较复杂，制设备较复杂，制 造技术要求高，造技术要求高， 初始成本高，燃初始成本高，燃 料消耗较大，小料消耗较大，小 尺寸燃

35、气轮机尤尺寸燃气轮机尤 甚甚 应用应用 适用于大功率高速适用于大功率高速 驱动，如压缩机、泵驱动，如压缩机、泵 和风机和风机 多用于汽车多用于汽车 应用很广，如应用很广，如 各种车辆、船各种车辆、船 舶、农业机械、舶、农业机械、 挖掘机、压缩挖掘机、压缩 机机 用于大功率高用于大功率高 速驱动，如机速驱动，如机 车、飞机、原车、飞机、原 油输送、发电油输送、发电 121/135 各类电动机主要性能的比较 电动机类别 交交 流流 电电 动动 机机直直 流流 电电 动动 机机 异异 步步同同 步步并并 励励串串 励励 机械特性 图图图图 功率范围/kW 0.35000200100000.35500

36、1.37650 转速范围 /rmm1 5003000150300025030003702400 特点 笼型笼型绕线型绕线型恒转速，功率恒转速，功率 因数可调节；因数可调节； 需供励磁的直需供励磁的直 流电机，价格流电机，价格 贵。可采用变贵。可采用变 频电源进行无频电源进行无 级调速级调速 调速性能好，调速性能好， 能适应各种能适应各种 载荷特性；载荷特性； 价格较贵，价格较贵， 维护复杂，维护复杂， 并需要直流并需要直流 电源电源 启动转矩大，启动转矩大， 自适应性好，自适应性好， 过载能力强；过载能力强； 价格贵，维价格贵，维 护复杂，需护复杂，需 有直流电源有直流电源 结构简单，工作结构

37、简单，工作 可靠，维护容易，可靠，维护容易， 价格低廉；满载时价格低廉；满载时 效率和功率因数高；效率和功率因数高； 但启动和调速性能但启动和调速性能 差，轻载时，功率差，轻载时，功率 因数低因数低 变极数可以多级变极数可以多级 变速；有变频电源变速；有变频电源 时，可以无级高速时，可以无级高速 启动转矩大，启动启动转矩大，启动 时功率因数高；在时功率因数高；在 转子回路中增减外转子回路中增减外 电阻可改变其滑差电阻可改变其滑差 率，可在最大转矩率，可在最大转矩 时调速但调节器范时调速但调节器范 围小，维护较麻烦，围小，维护较麻烦， 价格稍贵价格稍贵 应用 通常用于载荷平稳、通常用于载荷平稳、

38、 不调速、长期工作不调速、长期工作 的机器，如水泵、的机器，如水泵、 金属切削机床、起金属切削机床、起 重运输机械、矿山重运输机械、矿山 机械机械 载荷周期变化、启载荷周期变化、启 制动次数较多、小制动次数较多、小 范围调速的机器，范围调速的机器， 如轧钢机主传动、如轧钢机主传动、 提升机提升机 通常用于不调速通常用于不调速 的低速、重载和的低速、重载和 大功率机器，特大功率机器，特 别是需要功率因别是需要功率因 数补偿的场合，数补偿的场合， 如水泥磨机，鼓如水泥磨机，鼓 风机风机 用于要求调速用于要求调速 范围大、交流范围大、交流 电动机调速不电动机调速不 能满足要求时，能满足要求时， 如重

39、型机床如重型机床 需要启动转矩需要启动转矩 大、恒功率调大、恒功率调 速的机器，如速的机器，如 电力机车、电电力机车、电 车、起重机车、起重机 122/135 利用变频器对交流电动机进行调速，变频器可以看作一个利用变频器对交流电动机进行调速，变频器可以看作一个 频率可调的交流电源，因此频率可调的交流电源，因此 对于现有的作恒转速运转的异对于现有的作恒转速运转的异 步电动机，只需要在电源和电动机之间接入变频器和相应设步电动机，只需要在电源和电动机之间接入变频器和相应设 备，就可以实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行备，就可以实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行 大的改造。大的改造。

40、通用型变频器的调速范围可达通用型变频器的调速范围可达1:101:10以上；高性能的矢量以上；高性能的矢量 控制变频器的调速范围可达控制变频器的调速范围可达1:10001:1000。 变频调速异步电动机变频调速异步电动机既保持了异步电动机械特性硬的特既保持了异步电动机械特性硬的特 点，并具有高精度的调速性能点，并具有高精度的调速性能。 原动机的选择原动机的选择 123/135 二、工作机的负载特性二、工作机的负载特性 代表工作机工况最重要的特性是载荷（包括功率代表工作机工况最重要的特性是载荷（包括功率P P，转矩，转矩T T 和力和力F F）与速度（包括转速）与速度（包括转速n和线速度和线速度v

41、）之间的关系）之间的关系nT 特性，这也是讨论原动机、传动装置与工作机匹配的基本依特性，这也是讨论原动机、传动装置与工作机匹配的基本依 据。据。 工作机的转速工作机的转速转矩（转速转矩（转速功率）特性，主要有四种，功率）特性，主要有四种， 即即恒转矩载荷、恒功率载荷、平方降转矩载荷和恒转速载荷。恒转矩载荷、恒功率载荷、平方降转矩载荷和恒转速载荷。 原动机的选择原动机的选择 124/135 1 1 恒转矩载荷恒转矩载荷 恒转矩载荷的恒转矩载荷的nT特性特性 工作机的速度无论如何变化，工作机的速度无论如何变化， 其稳定状态下的载荷转矩大体上是其稳定状态下的载荷转矩大体上是 一个定值如下图所示。一个

42、定值如下图所示。 恒转矩特性的载荷消耗的能量恒转矩特性的载荷消耗的能量 与转速与转速n n成正比。例如：传送带、成正比。例如：传送带、 搅拌机、挤压成型机和起重机等。搅拌机、挤压成型机和起重机等。 原动机的选择原动机的选择 2 2 恒功率载荷恒功率载荷 某些机械，其工作功率为定值而与转速某些机械，其工作功率为定值而与转速 无关，其机械性如图所示。例如：机床的无关，其机械性如图所示。例如：机床的 端面切削，纺织机械和轧钢设备中的卷取端面切削，纺织机械和轧钢设备中的卷取 机构。机构。 恒功率载荷的恒功率载荷的nT特性特性 125/135 3 3 平方降转矩载荷平方降转矩载荷 风扇、通风机、离心式水

43、泵和风扇、通风机、离心式水泵和 船舶螺旋浆等流体机械，在低速船舶螺旋浆等流体机械，在低速 时由于流体的流速低，所以载荷时由于流体的流速低，所以载荷 （阻力矩）较小。当转速增高时，（阻力矩）较小。当转速增高时， 载荷迅速增大，其载荷（转矩）载荷迅速增大，其载荷（转矩） 与转速的平方成正比，其机械特与转速的平方成正比，其机械特 性如图所示。具有这种机械特性性如图所示。具有这种机械特性 的机器，其消耗的功率正比于转的机器，其消耗的功率正比于转 速的三次方。速的三次方。 平方降转矩载荷的平方降转矩载荷的nT特性特性 原动机的选择原动机的选择 4 4 恒转速载荷恒转速载荷 对于交流发电机一类的机器，对于

44、交流发电机一类的机器， 尽管载荷发生变化，但其转速基尽管载荷发生变化，但其转速基 本保持不变，这就是恒转速载荷本保持不变，这就是恒转速载荷 特性，如图所示。特性，如图所示。 恒转速载荷的恒转速载荷的nT特性特性 126/135 此外，在带有连杆机构的工作机中，如曲柄压力机、活塞此外，在带有连杆机构的工作机中，如曲柄压力机、活塞 式空气压缩机等，其载荷转矩式空气压缩机等，其载荷转矩T T与转角与转角或行程或行程S S之间存在一之间存在一 定的函数关系，可表示成定的函数关系，可表示成T T = = f()或或T=f(s)。 原动机的选择原动机的选择 三、机械系统稳定运行的条件三、机械系统稳定运行的

45、条件 工作机运行时，原动机的机械特性和工作机的负载转矩工作机运行时，原动机的机械特性和工作机的负载转矩 特性是同时存在的，为了分析机械系统的运行情况，可把特性是同时存在的，为了分析机械系统的运行情况，可把 原动机的机械特性与工作机的负载转矩特性画在同一坐标原动机的机械特性与工作机的负载转矩特性画在同一坐标 图上，进行分析。图上，进行分析。 1. 1. 原动机和工作机的工作点原动机和工作机的工作点 在设计传动系统时，为求出原动机和工作机的工作点，在设计传动系统时，为求出原动机和工作机的工作点， 需知原动机的机械特性和工作机的负载特性。需知原动机的机械特性和工作机的负载特性。 127/135 曲线

46、曲线2 2：工作机的负载特性曲工作机的负载特性曲 线线 曲线曲线1 1：原动机（例如柴油机）原动机（例如柴油机） 的机械特性曲线，的机械特性曲线， 曲线曲线3 3：根据原动机的机械特根据原动机的机械特 性曲线和传动装置的参数绘性曲线和传动装置的参数绘 制的原动机与传动装置共同制的原动机与传动装置共同 的工作特性曲线。的工作特性曲线。 原动机的选择原动机的选择 A A点点工作机的最佳工作点；工作机的最佳工作点； N N点点原动机的额定工作点；原动机的额定工作点； N N 点点传动装置的传动比；传动装置的传动比； B B点点曲线曲线3 3与曲线与曲线2 2之交点，在这种匹配条件下工作机之交点，在这

47、种匹配条件下工作机 的实际工作点。其实际转速将为的实际工作点。其实际转速将为n2，转矩为转矩为T2。 原动机与工作机的工作点 将将B点换算到曲线点换算到曲线1 1上的点上的点C，便是原动机实际工作点，便是原动机实际工作点 （n1=in2，T1 = T2/i）。 128/135 2 2工作点的稳定性工作点的稳定性 原动机和工作机工作点的稳定性，是指原动机或工作机受原动机和工作机工作点的稳定性，是指原动机或工作机受 到微小干扰时，能在原工作点的邻近建立新的工作点而不产生到微小干扰时，能在原工作点的邻近建立新的工作点而不产生 过大的偏移。过大的偏移。 原动机的选择原动机的选择 129/135 工作点

48、的稳定性工作点的稳定性 曲线曲线3 3是柴油机和传动装置是柴油机和传动装置 的共同工作特征曲线，的共同工作特征曲线， 曲线曲线2 2是起重机（恒转矩）是起重机（恒转矩） 的载荷特征曲线。的载荷特征曲线。 在最大转矩点在最大转矩点A A右侧的工作右侧的工作 点（如点（如B B）是稳定的，而左）是稳定的，而左 侧的（如侧的（如C C）是不稳定的。）是不稳定的。 负载特性曲线负载特性曲线2 2和和2 2 是抛是抛 物线型的，这时物线型的，这时工作点无工作点无 论在最大转矩点论在最大转矩点A A的左侧的左侧 （点（点C C）还是右侧（点）还是右侧（点B B），）， 都将是稳定的。都将是稳定的。 原动机

49、的选择原动机的选择 130/135 一、选择原则一、选择原则 原动机的选择原动机的选择 1. 1. 满足工作环境对原动机的要求。如能源供应，降低噪声满足工作环境对原动机的要求。如能源供应，降低噪声 和环境保护等要求。和环境保护等要求。 2. 2. 原动机的机械特性和工作制度应与机械系统的负载特性原动机的机械特性和工作制度应与机械系统的负载特性 （包括功率、转矩、转速等）相匹配，以保证机械系统（包括功率、转矩、转速等）相匹配，以保证机械系统 有稳定的运行状态。有稳定的运行状态。 3. 3. 满足工作机启动、制动、过载能力和发热的要求。满足工作机启动、制动、过载能力和发热的要求。 4.4.满足机械系统整体布置的需要。满足机械系统整体布置的需要。 5. 5. 具有较高的性能价格比，运行可靠、经济性指标合理。具有较高的性能价格比，运行可靠、经济性指标合理。 原动机的选择原动机的选择 131/135 二、选择步骤二、选择步骤 1. 1. 确定机械系统的负载特性确定机械系统的负载特性 机械系统的负载由工作负载和非工作负载组成。机械系统的负载由工作负载和非工作负载组成。 工作负载工作负载可根据机械系统的功能由执行机构或构件的可根据机械系统的功能由执行机构或构件的 运动和受力求得；运动和