第十二章 机械系统设计

1、第十二章 机械系统设计第十二章 机械系统设计由若干个机械装置组成的一个特定系统，称为机械系统。如图12-1所示为小型甘蔗收割机是由若干装置、零件和部件组成的机械系统。它们是一个2由确定的质量、刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统 图12-1 小型甘蔗收割机 现代机械种类繁多，结构也愈来愈复杂，但从实现系统功能的角度看，主要由动力系统、传动系统、执行系统和控制系统组成。本章主要介绍动力系统、传动系统、执行系统的设计。 机械系统设计是一项复杂、细致和科学性很强的工作。随着科学技术的发展，对设计的理解在不断的深化，设计方法也在不断地发展。近年来发展起来的“优化设计”、“可靠性设计”、“有限元设

2、计”、“模块设计”、“计算机辅助设计”等现代设计方法已经在机械设计中得到了推广与应用。即使如此，常规设计方法仍然是工程技术人员进行机械设计的重要基础，必须很好的掌握。常规设计方法又可分为理论设计、经验设计和模型试验设计等。12.1 机械系统设计的原则12.1.1机械系统设计的基本要求机械设计包括以下两种设计：应用新技术、新方法开发创造新机械，在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原有性能。设计质量的高低直接关系到产品的性能、价格及经济效益。 1.机械设计的基本要求机械产品设计应该满足以下几方面的基本要求。 实现预定功能设计的机械能实现预定的功能，并在规定的工作条件下能正常运行

3、，并有一定的寿命。 满足可靠性要求。机器由许多零件及部件组成，其可靠度取决于零、部件的可靠度。机械系统的零、部件越多，其可靠度也就越低，因此在机械设计时应尽量减少零件的数目。但就目前而言，对机械产品的可靠度难以提出统一的考核指标。 满足经济性要求经济型指标是一项综合性指标，要求设计及制造成本低，生产效率高，能源和材料消耗少、维护及管理费用低。 操作方便、工作安全操作系统要简便可靠，有利于减轻操作人员的劳动强度。要有各种保险装置，以消除由于误操作而引起的危险，避免人身伤害及设备事故的发生。 造型美观、减少污染运用工业艺术造型设计方法对机械产品进行工业制造设计，使所设计的机器不仅使用性能好、尺寸小

4、、价格低廉，而且外形美观、富有时代特点。机械产品的制造直接影响到产品的销售和竞争力，当前在机械设计中是一个不容忽视的环节。此外，还必须尽可能地降低噪声，减轻对环境的污染。从某种意义上来说，噪声也是反应机械质量的一种综合指标。12.1.2 机械设计的内容与步骤机械设计过程通常可以分为以下几个阶段：（1）产品规划产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求，这是机械设计产品首先需要解决的问题。通常人们是根据市场需求提出设计任务，通过可靠性分析后才能进行产品规划。（2）方案设计在满足设计任务书中设计具体要求的前提下，由设计人员构思出多种可行性方案并进行分析论证，从中优选出一种能完成预定功能、工作性

5、能可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。（3）技术设计在既定设计方案的基础上，完成机械产品的总设计、部件设计、零件设计等，设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。（4）制造及试验经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用，将试验过程中发现的问题反馈给设计人员，经过修改完善，最后通过鉴定。与设计机器一样，设计机械零件也常需拟定出几种不同的方案，经过认真比较选用其中最好的一种。设计机械零件的一般步骤如下：根据机器的具体运转情况和简化的计算方案，确定零件的载荷。根据零件的工作情况分析，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则。进行主要参数选择，选定材料，根据计算准则求出零件的主要尺

6、寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。进行结构设计。绘制零件工作图，制定技术要求，编写计算机说明书及有关技术文件。此外在设计过程中这些步骤是相互交错、需要反复进行的。应当指出，在设计机械零件时往往将较复杂的实际工作情况 进行一定的简化，才能应用力学等理论解决机械零件的设计计算问题，因此，这种计算或多或少带有一定的条件性或假设性，称为条件性计算。机械零件设计基本上是按条件性计算进行的，如注意到公式的适用范围，一般计算结构具有一定的可靠性，并充分考虑了机械零件的安全性。为了使计算结构更符合实际情况，必要时可进行模型试验。本课程在介绍各种零件设计时，其内容的安排顺序基本上是按照上述设计步骤进行的。122

7、 动力系统及传动系统设计12.2.1 传动方案的确定为了满足某一工作机的性能要求，可采用不同的传动机构见表12-1、不同的组合布局，依据总传动比合理分配各级传动的传动比，从而得到多种传动方案以供分析、比较。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求。表12-1 常见传动机构表传动方案一般用机构简图表示，它反映运动机动力传递路线和各部件的组成和连接关系。如图12.2 为带式输送机传动装置简图。12.2带式输传动装置简图由图12.2可见，带式传输机是由电动机、V带传动、单级圆柱齿轮减速器、联轴器、滚筒和传送带组成的。将电动机的动力和运动传递到运输带。其传递线路如图12.3单级圆柱齿轮减速器电动机V带传

8、动联轴器滚筒输送带图12.3带式输送机传递线路传动方案的拟定：合理的传动方案，首先应满足工作机的功能要求，工作可靠，同时还应考虑使结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、传动效率高、便于使用和维护等。例如图12.4为在狭小矿井巷道中工作的带式运输机在满足运动要求时的3种传动方案。显然，图12.4 (a)的方案宽度和长度尺寸都较大，而且带传动也不适应繁重的丁作要求和恶劣的工作环境；图12.4 (b)的方案虽然结构紧凑，但在长期连续运转的条件下，由于蜗杆传动效率低，功率损失大，因此很不经济；图12.4c的方案则宽度尺寸较小，也适应在恶劣环境下长期连续工作。 图12.4传动方案的比较 当采用由几种传

9、动形式组成的多级传动时，要合理布置其传动顺序，通常应考虑以下几点： (1)带传动的承载能力较低，在传递相同扭矩时，其结构尺寸比其他传动型式大，但传动平稳，能缓冲吸振，有过载保护作用，因此尽量放在传动装置的高速级。 (2)链传动运转不均匀，有冲击，不适于高速传动，宜布置在传动装置的低速级。 (3)蜗杆传动可以实现较大的传动比、结构紧凑、传动平稳，但效率低，适合于中、小功率，间歇运动的场合；当与齿轮传动同时应用时，通常将蜗杆传动布置在高速级，使其传递的扭矩较小，以减小蜗轮尺寸，节省有色金属，同时由于齿面相对滑动速度较高，易于形成油膜，传动效率较高。 (4)圆锥齿轮的加工比较困难，特别是大模数圆锥齿

10、轮，因此只在需要改变轴的方向时才采用，且应尽量放在高速级，以减小其直径和模数。 (5)斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好，常用于高速级或要求传动平稳的场合。 (6)开式齿轮传动的工作环境一般较差，润滑条件不好，磨损较严重，应布置在低速级。12.2.2动力系统的选择动力系统包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源。动力机输出的运动通常为转动，而且速度较高。选择动力机时，应全面考虑执行系统的运动和工作载荷、机械系统的使用环境和工况以及工作载荷的机械特性，使系统既有良好的动态性能，又有良好的经济性。常用的动力机有电动机、内燃机、马达等。在机械系统设计时，选用何种形式的动力机，主要从以下几个方面考

11、虑：1.分析工作机的负载特性和要求，包括艹作机械的载荷特性、工作制度、结构布局和工作环境等。2.分析动力机的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性以及动力机所能适应的工作环境。使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。3.进行经济性。当1同时可用多种3类型的动力机驱动时经济性的分析是必不可少的。，电动机由于技术成熟驱动效率高，与被驱动的工作机械连接简便、具有良好的调速性能；便于远近距离的控制；同时价格低而在非移动的机械中得到广泛使用。电动机有交流电动机和直流电动机之分，一般工厂常用三相交流电动机，如图12.5所示。目前应用最广的是Y系列自扇冷式笼型三相异步电动机，其结构简单、工作可靠

12、、启动性能好、价格低廉、维护方便、适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体、无特殊要求的场合，如金属切削机床、运输机、风机、农业机械、食品机械等。电动机类型和结构要根据电源（交流或直流）、工作条件（温度、环境、空间尺寸等）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择。 图12.5电动机 一般选用交流电机，其中以三相鼠笼式异步电动机用的最多。表12.2所列Y系列电动机为我国推广采用的新设计产品，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体的场合，适于用在要求+具有较好启动性能的机械中。在经常启动、制动和反转的场合（如起重机），要求电动机的转动惯量小和过载能力大，则应选用启重及冶金用三相异步电动机YZ型（笼

13、型）或YZP型（绕线型）。 电动机结构有开启式、防护式、封闭式和防爆式等。可根据防护要求进行选择。同一类型的电机又具有几种安装形式，应根据安装条件确定。表12.2 Y系列三相异步电动机的技术数据电动机型号额定功率/kW满载转速/（r/min）堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩同步转速3000r/minY801-20.75 2825 2.2 2.2 Y802-21.1 2825 2.2 2.2 Y90S-21.5 2840 2.2 2.2 Y90L-22.2 2840 2.2 2.2 Y100L-23 2880 2.2 2.2 Y112M-24 2890 2.2 2.2 Y132S1-25.5

14、 2900 2.0 2.2 Y132S2-27.5 2900 2.0 2.2 Y160M1-211 2930 2.0 2.2 Y160M2-215 2930 2.0 2.2 Y160L-218.5 2930 2.0 2.2 Y180M-222 2940 2.0 2.2 Y200L-130 2950 2.0 2.2 同步转速1500r/minY801-40.551390 2.2 2.2 Y802-40.751390 2.2 2.2 Y90S-41.11400 2.2 2.2 Y90L-41.51400 2.2 2.2 Y100L-42.21420 2.2 2.2 Y100L2-431420 2.

15、2 2.2 Y112M-441440 2.2 2.2 Y132S-45.51440 2.2 2.2 Y132M-47.51440 2.2 2.2 Y160M-4111460 2.2 2.2 Y160L-4151460 2.2 2.2 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 Y180L-422 1470 2.0 2.2 Y200L-430 1470 2.0 2.2 同步转速1000r/minY90S-60.759102.0 2.0 Y90L-61.19102.0 2.0 Y100L-61.59402.0 2.0 Y112M-62.29402.0 2.0 Y132S-639602.0 2.0 Y1

16、32SM1-649602.0 2.0 Y132SM2-65.59602.0 2.0 Y160M-67.59702.0 2.0 Y160L-6119702.0 2.0 Y180L-6159701.8 2.0 Y200L1-618.59701.8 2.0 Y200L2-6229701.8 2.0 Y225M-6309801.7 2.0 同步转速750r/minY132S-82.2 710.0 2.0 2.0 Y132M-83.0 710.0 2.0 2.0 Y160M1-84.0 720.0 2.0 2.0 Y160M2-85.5 720.0 2.0 2.0 Y160L-87.5 720.0 2.

17、0 2.0 Y180L-811.0 730.0 1.7 2.0 Y200L-815.0 730.0 1.8 2.0 Y225S-818.5 730.0 1.7 2.0 Y225M-822.0 730.0 1.8 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 一、 选择电动机功率标准电动机的容量由额定功率表示。所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。若容量小于工作要求，则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载、发热大而过早损坏；若容量过大，则增加成本，并且由于效率和功率因数低而造成浪费。 电动机的容量主要由运行时发热条件限定，在不变或变化很小的载荷下长期连续运行的机械，只要其电动

18、机的负载荷不超过额定值，电动机便不会过热，通常不必校验发热和启动力矩。（12.1）若已知工作机主轴上的传动滚筒、链轮或其他零件上的圆周力（有效拉力）F（N）和圆周速度（线速度）v（m/s ）,则在稳定运转下工作机主轴上所需的功率Pw（kW）按下式计算，若已知工作机主轴上的传动滚筒、链轮或其他零件上的直径D(mm) 和转速n（r/min），则圆周速度v（m/s）按下式计算：（12.2）（12.3） 若已知工作机主轴上的转矩T（Nm）和转速n（r/min），则工作机主轴上所需的功率Pw（kW）按下式计算，电动机所需功率Pd（kW）按下式计算：（12.4） （12.5）式中：-电动机至工作机主轴之间

19、的效率。按下列式计算；其中，1，2，3，n分别为每一传动副（齿轮、蜗杆、带或链）、每对轴承、每个连轴器的效率，其值见表12.3。 w工作机效率 表12.3机械传动效率类别传动型式效率类别传动型式效率圆柱齿轮传动很好跑合的6级精度和7级精度齿轮0.980.99链传动焊接链0.938级精度的一般齿轮传动0.97片式关节链0.95加工齿的开式齿轮传动（干油润滑）0.940.96滚子链0.96铸造齿的开式齿轮传动0.900.93无声链0.97圆锥齿轮传动 很好跑合的6级精度和7级精度齿轮 0.970.98丝杠传动滑动丝杠0.30.6传动（稀油润滑）滚动丝杠0.850.958级精度的一般齿轮传动（稀油润

20、滑）0.940.97滑动轴承润滑不良0.94加工齿的开式齿轮传动（干油润滑）0.920.95润滑正常0.97铸造齿的开式齿轮传动 0.880.92润滑特好0.98蜗杆传动自锁蜗杆0.40.45滚动轴承球轴承0.99单头蜗杆0.70.75滚子轴承0.98双头蜗杆0.750.82联轴器浮动联轴器0.970.99三头和四头蜗杆0.80.92齿轮联轴器0.99圆弧面蜗杆传动0.850.95弹性联轴器0.990.995带传动平带无压紧轮的开式传动0.98万向联轴器（30.97-0.98平带有压紧轮的开式传动0.97 万向联轴器（3）0.95-0.97平带交叉传动0.9复滑轮组滑动轴承（i=2-6）0.9

21、8-0.90V带传动0.96滚动轴承（i=2-6）0.99-0.95同步齿型带传动0.96.98二 确定电动机转速同一功率的异步电动机有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min等几种同步转速。一般来说，电动机的同步转速越高，则磁极对数越少，外轮廓尺寸越小，价格越低；反之转速越低，外轮廓尺寸越大，价格越高。因此应全面分析比较其利弊以选定电动机转速。一般选用同步转速为1500r/min、1000r/min的电动机为宜。如无特殊需要，不宜选择低于750r/min的电动机。根据选定的电动机类型、功率及转速，根据表12.2查出电动机型号及外形尺寸，记录其型号、额定功率

22、、满载转速、外形尺寸、中心高、轴伸尺寸、键连接尺寸、地脚尺寸等参数备用。设计传动装置时一般按电动机实际所需的功率Pd计算，也可按电动机额定功率计算。转速则取满载转速。12.2.3计算总传动比和分配各级传动比一、 计算总传动比根据电动机的满载转速nm和工作机主轴的转速nw，传动装置的总传动比应为：(12.6) (12.7)总传动比为各级传动比的连乘积，即：式中，i1,i2in为各级传动机构的传动比。二、 各级传动比的分配 在已知总传动比时，如何合理选择和分配各级传动比，要考虑以下几点：（1）各级传动机构的传动比应尽量在表12.4推荐范围内选取。表12.4传动类型传动比的推荐值传动比的最大值一级圆

23、柱齿轮传动闭式直齿3410斜齿3610开式371520一级圆锥齿轮传动闭式直齿236斜齿346开式58蜗杆传动闭式74080开式1560120带传动开口平带246V带247链传动滚子链258 （2）传动比的分配应使整个传动装置的结构匀称、尺寸比例协调而又不相互干涉，避免干扰碰撞。在二级减速器中，两级大齿轮直径尽量相近，以利于浸油润滑。（3）一般二级圆柱齿轮减速器推荐高速转动比i1=（1.31.4）i2，锥齿轮传动比可取为i1=0.25i2。(4)传动装置的实际传动比要由选定的齿数或标准带轮直径准确计算，因而与要求传动比可能有误差。一般允许工作机实际转速与要求转速的相对误差为（3%5%）三、传动

24、装置动力和动力参数计算为了给传动件的设计计算提供依据，应计算各传动轴的转速、转矩或功率等有关参数，计算时，可将各轴由高速到低速依次编为0轴（电动机轴），轴、轴、，并按此顺序进行计算。1. 计算各轴输入功率 电动机的计算功率一般用电动机实际所需功率Pd作为计算依据，则其他各轴输入功率（kW）（12.8）P1=P001 P2=P112 P3=P223 式中, P0电动机输出功率, P1 、P2、P3各轴轴输入功率 01 、12、23相邻两轴之间的传动效率。其值见表12.3。2.计算各轴输入转矩电动机输出的转矩（Nm）（12.9）其他各轴输入转矩 （12.10）式中, Td电动机的输出转矩（Nm）

25、T1 、T2、T3各轴的输入转矩（Nm）2.计算各轴转速传动装置中，各轴转速(r/min)的计算公式为 （12.11）式中, nm电动机满载转速(r/min)；n1、n2、n3分别为I、 II、 III 轴转速( r/min)；i 01、i12、i23相邻两轴间的传动比四、V带的传动设计电动机输出的运动和动力，常通过V带传动传递到齿轮减速器。一般带传动选择在高速级。具体设计见第三章挠性体的传动。五、减速器的设计减速器是位于原动机和工作机之间的封闭式机械传动装置。它由封闭在箱体内的齿轮或蜗轮传动所组成，它在机器中常为一独立部件，主要用来降低转速、增大转矩或改变运动方向。由于其传递运动准确可靠、结

26、构紧凑、润滑条件良好，效率高、寿命长，且使用维护方便，所以得到了广泛的应用。常用的减速器已经标准化和规格化，如表12.4所示，设计人员可直接选用。具体设计见第2四3章龄3轮传动设计、第六章轴的设计及轴上零件简介表12.4 常用的减速器的简图及特点12.3 执行系统的设计执行系统是指直接完成系统预期工作任务的部份。也称为工作机。12.3.1执行系统的组成及功能组成执行系统由执行构件和与之相连的执行机构组成。一、执行构件和执行机构执行构件是执行系统中直接完成工作任务的零部件。它或是与作业对象直接接触并携带它完成完成一定的动作（如夹持、搬运、转位），或是在作业对象上完成一定的动作（如喷涂、洗刷、焊接

27、）。执行构件往往是执行机构中的一个或几个构件。 执行机构用来驱动执行构件为完成系统要求的作业动作的，不同的执行机构实现作业动作的效能可能不同。例如：工业机械手指是夹持工件的执行构件，驱动其实现夹持动作的执行机构可以是连杆机构、凸轮机构、齿轮轮机构、螺旋机构等，或是它们的组合机构，但它们将使机械手手指夹持工件时具有不同的运动和动力特性。二、执行系统的功能 执行系统的功能 归纳起来主要有：夹持搬运 搬运是指工件从一个工位到另一个工位但不限定移动路线的动作，常见于自动生产线或自动机械中。输送 输送是指将工件按给定的路线，从一个位置运送到另一个位置。有直线、环形和空间输送之分，也有连续和间歇输送之别。

28、分度与转位 有些零件如齿轮在加工时需要分度1，转塔1车床的刀架要能转位换刀等。检测 为了对工件1的尺寸形状及性能进行检验和测量，常需执行系统具有检测功能。施力 即对工作对象施加力或力矩。完成工艺性的复杂动作。三、执行系统的分类 执行系统可按其运动和动力的不同分为动作型、动力型和动作动力型；按行系统中执行机构数及相互间的联系情况分为单一型、相互独立型和相互联系型。12.3.2机构的选型及常用执行机构的主要性能特点怎样根据使用要求和工艺要求制定一个合理的运动规律，掌握执行机构的性能特点和用什么机构去完成所设计的运动规律是执行机构选型时首要考虑的问题。机构的选型影响机械系统的总体布局，机构系统的工作

29、质量，特别是执行机构是否合用常成为设计、制造的机械是否有效地用于生产实际的关键。 连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、摩擦机构等都是最简单的、最基本的机构，它们各自1有不同的运动特性和动力特性。由于机械的工作对象和工作条件千变万化，工艺动作要求亦纷杂各异，单个机构往往不能满足这些复杂多样的要求，可将单个机构通过倒置或改变运动副的形状或改变某些零件的结构来得到多种多样的运动特性。也可根据单个机构的特点，将它们组合在一起，形成组合机构，以完成预期的复杂运动要求。常用执行机构的性能特点一、连杆机构的特点优点:连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击:运动副元素的几何形状多为平面或圆柱

30、面，便于加工制造:在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律;连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求;构件多呈现杆的形状可扩大行程和实现远距离传动。缺点:由于运动积累误差较大，因而影响传动精度:运动中产生惯性力，不适于高速转动:设计方法比较复杂。最常看到的是发动机上的曲柄活塞连杆机构，空压机上也用的是这个。手动压水机，缝纫机踏板机构，港口用的货物吊，火车轮的联动机构，汽车车门开闭机构 ，碎石机，冲床，自卸汽车卸料机构等都用到连杆机构。二、凸轮机构的特点凸轮机构优点：组成凸轮机构的构件数较少，结构比较简单，只要合理地设计凸轮的轮廓曲线就可以使从动件获得各种

31、预期的运动规律，而且设计比较容易。缺点：凸轮与从动件之间组成了点或线接触的高副，在接触处由于相互作用力和相对运动的结果会产生较大的摩擦和磨损。 等速运动特点：速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲击刚性冲击.适应场合：低速轻载.等加速等减速运动特点：加速度曲线有突变，加速度的变化率(即跃度j)在这些位置为无穷大柔性冲击.适应场合：中速轻载.简谐运动特点：有柔性冲击.适用场合：中速轻载(当从动件作连续运动时，可用于高速).摆线运动特点：无刚性、柔性冲击.适用场合：适于高速. 五次多项式运动特点：无刚性冲击、柔性冲击.适用场合：高速、中载.赞同| 三、间

32、歇运动机构的性能特点间歇运动机构是将主动件的均匀转动转换为时动时停的周期性运动的机 间歇运动机构构。间歇运动机构可分为单向运动和往复运动两类。间歇运动满足了很多特定工作条件下的要求，有些运动只需要来回运动，有些只需要摆动运动就可以了，不需要完整的转动，所以需要间歇运动机构来完成这一要求。可以省去不需要的能量的浪费，充分利用了机械的功用。四、直线运运机构的性能特点直线运运机构主要是将回转运动变为直线运动。直线运运机构的性能特点：结构简单； 降速比大，可以实现微调和降速传动；省力，如千斤顶；在一定条件下实现逆行自锁，即能够将回转运动变为轴线方向的直线运动，而不能相反，即无论轴线方向的力多大，都不能

33、产生回转，当然也不可能实现轴向运动；工作连续、平稳，无噪声。 缺点：摩擦大，效率低（如果有自锁要求，效率低于50%）。 五、差动机构的性能特点差动机构可将两个运动合成为一个运动或将一个运动1分解为两个运动，以实现微调、增力、均衡或补偿等目的。六、增力机构的性能特点增力机构是借助长度效应、角度效应和面积效应使传递的力或力矩的增大，已达取省力的目的。12.3.3执行系统的设计一、执行系统的设计要求1.实现预期精度的运动和动作。执行系统的设计不仅要满足运动和动作的要求，还要满足精度的要求。但盲目的提高运动精度会增加成本，增加制造的难度，所以设计时应根据具体情况提出合理的精度2.有足够的强度、刚度。

34、系统中每个零件、部件都应有足够的足够的强度、刚度，尤其动力型执行系统更是不能忽视。因为强度不足会造成零部件的损坏，甚至出现人为事故。刚度不足造成的过大弹性变形，也会使系统不能正常工作。强度和刚度计算并非任何执行系统都是必要的，例如某些动作性执行系统（包糖机），主要功能是实现预期的动作，而受力很小，在这种场合的零、部件尺寸通常由工作和结构的需要而定。3.各执行系统间动作要协调配合。 系统间动作要协调配合可以防止由于运动不协而造成机件相互碰撞、干涉或工序倒置等事故。在设计时绘制工作图时将各个执行构件运动的先后顺序、起止时间和运动范围等都画在工作循环图上，以保证运动的协调配合。4.结构合理、造型美观

35、、便于制造和安装。设计时要充分注意零、部件的工艺性，使它们既满足强度、刚度和精度的要求，又便于制造与安装。与此同时，不要忽视其美观性。5.工作安全可靠，有足够的使用寿命。工作安全可靠是指在一定的使用期限内和在预期的环境下，能正常工作，不出或少出故障，且使用安金，便于维修和管理。 足够的使用寿命则指在给定的使用期限内能正常工作。执行系统的使用寿命与组成系统的零、部件的使用寿命有直接的关系，通常以最主要、最关键的零、部件的使用寿命来确定。二、执行系统的设计步骤。 进行执行系统的设计时，不存在固定的设计步骤，因为它和设计内容多少，难易程度及设计者的经验有关，但通常要经过如下步骤：1.拟定初步方案。

36、根据执行系统的工作任务，拟定实现该任务的运动方案，即确定实现工作任务的工艺原理、需要几个执行构件及运动形势。实现同一个工作任务可以采用不同的工艺原理和选择不同的运动方案。2.合理选择执行机构类型、拟定机构的组合方案。 运动方案确定后，要进行执行机构的类型及其组合选择。执行机构的作用是传递和变换运动的，而实现这种变换的机构并非唯一，需要进行分析比较与合理选择。3.绘制工作循环图。 在设计有多个需协同工作的执行机构时，道先需要按机械预期的功能和选定的工艺过程，把各机构的动作次序及时间用图形表示出来。这种表示各机构动作次序及时间的图形称为工作循环图。工作循环图是确定各执行机构运动参数及运动起止时间的

37、依据。绘制工作循环图时必须考虑各执行机构能按作业要求进行协调配合，不发生运动的失调。4.运动分析 运动分析的目的是求出执行系统中各构件指定点的位置、速度和加速度，必要时还应确定执行构件上指定点的轨迹，运动分析也是机械动力学分析及系统工艺质量分析的基础。运动分析常用用图解法和解析法。对精度要求较高的执行系统，作系统分析时应考虑机构误差的影响，即进行机构精精度分析与计算。5.动力学分析及承载能力的计算。 为保证执行系统工作是安全、可靠和准确实现规定的功能指标，应对执行系统中的构件进行动力学分析及承载能力的计算，包括强度、刚度、耐磨性和振动稳定性等，在高温下工作时，还应考虑材料的热疲劳和蠕变强度。对

38、于主要用于实现传递运动和实现一定动作的受力较小的执行系统，通常不作承载能力的计算。12.4 带式输送机实例设计例12.1：图12.6为带式输送机传动装置的运动简图, 已知工作条件：鼓轮直径 ：300mm，传送带运行速度 :0.7m/s，传送带从动轴所需扭矩 ： 900Nm，此减速器用于热处理车间两件清洗传送带的减速，此设备两班制工作，工作期限十年，户内使用。试设计该带式输送机。图12.6带式输送机结构简图一、 选择电动机 1、 电动机类型选择 由已知条件计算鼓轮的转速，即： 根据电源及工作机工作条件，选用卧式封闭型Y 系列三相交流异步电动机。2、电动机功率的选择 1）、工作机所需功率 2）、电

39、动机输出功率为传动装置的总效率式中为从动机至工作机之间的传动机构和轴承的效率。：V带传动效率=0.95，圆柱齿轮传动效率为=0.97，滚动轴承效率=0.98，弹性联轴器传动效率=0.99。则：故 根据电动机输出功率，查表选择电动机的额定功率3）、电动机转速的选择 为了便于选择电动机转速，先推算电动机转速的可选范围。V带的传动比范围为，高速齿轮传动比,低速齿轮传动比。则传动装置的总的传动比为故电动机转速范围为 可见同步转速为, 、的电动机均符合要求。通常取选同步转速为的电动机。由表中数据可知，选定电动机型号为Y132S-4，电机基本参数表12.5如下：表12.5 电机基本参数中心高（mm）外形尺

40、寸（mmmmmm）脚底安装尺寸（mmmm）地脚螺栓孔直径K（mm）轴伸尺寸（mmmm）装键部尺寸（mmmm）13212二、计算总传动比及分配各级的传动比1、传动装置总传动比2、分配各级传动比 取V带传动的传动比为，则两级减速器的传动比为两级圆柱齿轮减速器高速级齿轮传动比为，低速级齿轮传动比为，： 该系统电机型号及传动比如表12.6所示。表12.6电机型号及传动比方案电动机型号额定功率kw电动机转速r/min电动机质量kg传动装置的传动比同步满转总传动比V带二级减速器1Y132S-45.5150014408132.152.512.92三、计算传动装置的运动和动力参数1、各轴转速 电动机轴为0轴，

41、减速器高速轴为1轴，中速轴为2轴，低速轴为3轴，鼓轮主动轴为4，则各轴转速分别为：2、各轴输入功率 按电动机额定功率计算各轴输入功率3、各轴转矩4、各轴输入转速、功率、转矩如下表12.7所示：表12.7 各轴输入转速、功率、转矩项目电动机轴高速轴中间轴低速轴转速r/min1440576140.4944.59功率kW5.55.174.924.67转矩36.4885.71334.441000.19四、V带传动设计计算电动机转速，带轮所连减速器高速轴I轴转速为，传动装置输入功率为。1、 求计算功率由表3.5得工作情况系数，故计算功率为：2、选择V带型号 根据，查图3.8得坐标点位于A型界内，故初选普

42、通A型V带。2、 计算大、小带轮基准直径、由查表3.7可知，应不小于75mm，现取 由得 取 4、验算带速V带速在范围内，符合要求5、求V带基准长度和中心距a 初步选取中心距取，符合 查表3.3，对A型V带选用。由式得6、验算小带轮包角由得合适7.确定v带根数z因，带速，传动比,查课表3.8和表3.9得.查课本表3.3得=0.98由查课本表3.10得=1.01由公式得故选Z=5根带。8.计算作用在带轮轴上的压力单根普通带张紧后的初拉力为计算作用在轴上的压轴力V带的主要参数如表12.8所示：表12.8V带的主要参数名称结果 名称 结果 名称 结果 带型 传动比 根数带轮基准直径 基准长度 预紧力

43、中心距 压轴力9、带轮结构设计 小带轮设计制造成实心式带轮 大带轮设计制造成腹板式带轮由表3.4查得：；。则带轮轮缘宽度：。查表得B=80,毂长L=60，孔径，而电机的伸出端轴径为38，固在电动机与小带轮之间加一个联轴器，小带轮与联轴器的结合部分还要增加一根轴，大端直径为42，小端直径为38，大端接小带轮，小端接联轴器 在高速轴与大带轮结合处轴的直径最小有公式，轴的材料为45钢，查课本表6.4得，则，查表得安装带轮处直径，大带轮直径 大带轮主要参数如表12.9所示：表12.9大带轮主要参数L60mm245mmB80mm25mm五、直齿圆柱齿轮传动设计计算（一）高速级齿轮传动的设计计算选定高速级

44、齿轮类型、精度等级、材料及齿数： 齿轮材料，热处理及精度考虑此减速器的功率及现场安装的限制，故大小齿轮都选用软齿面渐开线圆柱直齿轮。齿轮材料及热处理材料：高速级小齿轮选用钢经过调质处理，齿面硬度为250HBS，接触疲劳极限为550620 弯曲疲劳强度为410480取高速级大齿轮选用钢经过调质处理，齿面硬度220HBS， ，取=500=483 =384 =368 2. 齿轮精度2）运输机为一般工作机械，速度不高，按GB/T100951998，选用8级精度3.初步设计齿轮传动的主要尺寸高速级传动比，高速轴转速，传动功率齿轮按8精度制造。取中等载荷系数齿宽系数，高速级小齿轮为非对称布置小齿轮上转矩弹

45、性系数取，对于标准齿轮取小齿轮齿数，则大齿轮齿数，取则实际传动比模数取，中心距齿宽取4.验算齿轮弯曲强度，因齿轮按接触疲劳强度计算，所以只验算弯曲强度齿形系数，齿根修正系数， 安全（二）低速级齿轮传动的设计计算1.齿轮材料，热处理及精度考虑此减速器的功率及现场安装的限制，故大小齿轮都选用软齿面渐开线圆柱直齿轮。齿轮材料及热处理材料小齿轮选用钢调质，齿面硬度为大齿轮 260HBS ，大齿轮选用钢调质，齿面硬度为大齿轮 240HBS， 安全系数取 =517 =500 =346 =3382. 齿轮精度按GB/T100951998，选择8级3.初步设计齿轮传动的主要尺寸低速级传动比，高速轴转速传动功率

46、，齿轮按8精度制造。取载荷系数齿宽系数弹性系数取，标准齿轮齿数，则，取则实际传动比模数取，中心距齿宽取4.低速级齿轮弯曲强度（省略）齿轮的主要尺寸如表12.10所示：表12.10齿轮的主要尺寸单位（mm）高速齿轮低速齿轮小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮齿数z218735111分度圆直径73.5304.5122.5388.5模数3.53.53.53.5齿顶高3.53.53.53.5齿根高4.3754.3754.3754.375齿顶圆直80.5311.5119.5395.5齿根圆直64.75195.75103.75397.75齿宽6560105100六、轴的结构设计计算（相关公式请参考第六章 轴的结构设计

47、及强度校核章节）1.轴的选材：选用材料为45钢，调质。查取碳素钢、查45钢取、2.轴的设计（1）高速度轴按纯扭转强度估算轴径（最小直径）， 因轴的最小端开有键槽，轴径增大5%，取高速轴齿轮由于尺寸原因把齿轮与轴做成一体。如图12.6所示。 图12.6 高速轴结构图（2）中间轴按纯扭转强度估算轴径（最小直径），取。 中间轴结构图如图12.7所示图12.7中间轴结构图（3）低速轴按纯扭转强度估算轴径（最小直径）最小端开有键槽，轴径增大5%，取，低速轴结构图如图12.8所示。 图12.8 低速轴结构图（4）中间轴的强度校核初步选定高速级小齿轮为右旋，高速级大齿轮为左旋；根据中间轴所受轴向力最小的要求，低速级小齿轮为左旋，低速级大齿轮为右旋。根据要求图12.9 中间轴的弯矩、扭矩图齿轮2： 齿轮3： （三）计算反支力：1 垂直面反支力（XZ平面）。 由绕支点B的力矩和，得： ，方向向