机电一体化第2章 机械系统设计(3齿轮、挠性、间歇性部件)

1、 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件作用：作用：是转矩、转速和转向的变换器。是转矩、转速和转向的变换器。优点：优点：1 1、瞬时传动比恒定，传动精确度高；、瞬时传动比恒定，传动精确度高； 2 2、强度大能承受重载，结构较紧凑；、强度大能承受重载，结构较紧凑； 3 3、满足主轴进给速度要求，增大主轴转矩。、满足主轴进给速度要求，增大主轴转矩。缺点：缺点：1 1、齿侧间隙对传动精度影响；、齿侧间隙对传动精度影响； 2 2、齿轮的磨损引起反转误差的逐渐扩大。、齿轮的磨损引起反转误差的逐渐扩大。常用的齿轮传动部件：常用的齿轮传动部件： 定

2、轴传动轮系定轴传动轮系、行星齿轮传动轮系行星齿轮传动轮系、 谐波齿轮传动轮谐波齿轮传动轮。四、齿轮传动部件四、齿轮传动部件 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件 使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比传动比，即为最佳总传动比。1.1.齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择配置传动比配置传动比 i 的目的的目的：齿轮传动比齿轮传动比i应满足驱动部件与应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速、传动精度（误差）的匹负载之间的位移及转矩、转速、

3、传动精度（误差）的匹配要求。配要求。 要求齿轮传动系统传递转矩时，要有足够的刚度，还要要求齿轮传动系统传递转矩时，要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应为最大。矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应为最大。 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件 此外，齿轮的啮合间隙会造成传动死区此外，齿轮的啮合间隙会造成传动死区( (失动失动量量) )，若该死区是在闭环系统中，则可能造成系，若该死区是在闭环系统中，则可能造成系统不稳定

4、，常会使系统产生以统不稳定，常会使系统产生以1 15 5倍的间隙而进倍的间隙而进行的低频振荡。行的低频振荡。 为此尽量采用齿侧间隙较小、精度较高的齿为此尽量采用齿侧间隙较小、精度较高的齿轮传动副。轮传动副。但为了降低制造成本，则多采用各种但为了降低制造成本，则多采用各种调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，以调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，以提高传动精度和系统的稳定性。提高传动精度和系统的稳定性。 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件总原则总原则：尽量采用较大传动比的单级传动尽量采用较大传动比的单级传动 齿轮系统的总传动比

5、确定后，根据对传动链的技术要齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮配传动比。单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。述

6、三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。2 2 各级传动比的最佳分配原则各级传动比的最佳分配原则 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件(1) (1) 重量最轻原则重量最轻原则 小功率传动时，小功率传动时， i 的分配各级相等；的分配各级相等； 大功率传动时，大功率传动时， i 的分配先大后小。的分配先大后小。n 对于小功率传动系统，使各级传动比满足，对于小功率传动系统，使各级传动比满足， 即可使传动装置的重量最轻。即可使传动装置的重量最轻。 上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因

7、其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求进行况，此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求进行综合考虑。各级传动比一般应以综合考虑。各级传动比一般应以“先大后小先大后小”原则处理。原则处理。 niiii321 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件(2) (2) 输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，的精度，各级传动比

8、应按各级传动比应按“先小后大先小后大”原则分配原则分配，以，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响，使输出轴转角误差最小。出转角精度的影响，使输出轴转角误差最小。 设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为输出轴上的总转角误差为 ，则，则 式中：式中： 第个齿轮所具有的转角误差；第个齿轮所具有的转角误差； 第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比。第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比。max)/(1maxnkknkikkni 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装

9、置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件(3) (3) 最小等效转动惯量原则最小等效转动惯量原则 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。效转动惯量为最小。 传动比传动比 i 的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。JJ23i电动机1J4i12J 如右图，若不计轴和轴承的转如右图，若不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原动惯量，则根据系统动

10、能不变的原则，等效到电机轴上的等效转动惯则，等效到电机轴上的等效转动惯量为：量为：2221421321iiJiJJJJme 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件具体来讲有以下几点：具体来讲有以下几点：对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。轻原则。对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的

11、差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。降低噪声和振动。 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件对于提高传动精度和减小回程误差为于的传动齿轮系，对于提高传动精度和减小回程误差为于的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增度，并且要求每级增速比最好大于就增度，并且要求

12、每级增速比最好大于1 1：3 3，以有利，以有利于增加轮系刚度、减小传动误差。于增加轮系刚度、减小传动误差。对较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和对较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混合轮系。对于相当大的传动比、行星轮系巧妙结合为混合轮系。对于相当大的传动比、并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时可选用新型的谐波齿轮传动。重量轻时可选用新型的谐波齿轮传动。 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件3 3 谐波齿轮传动谐波齿轮传动基本组成构件

13、：基本组成构件：波发生器、柔轮、刚轮波发生器、柔轮、刚轮选用选用 ：广泛应用于机电一体化产品中，如机器人、机器广泛应用于机电一体化产品中，如机器人、机器仪表、雷达中用作运动传递；在冶金、化工、起重运输设仪表、雷达中用作运动传递；在冶金、化工、起重运输设备中传递运动和转矩。有标准系列规格可供选择。备中传递运动和转矩。有标准系列规格可供选择。 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件原理：原理：利用行星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔性利用行星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔性齿轮产生可控制的变形波（近似谐波），并和刚轮作用引齿轮产生可

14、控制的变形波（近似谐波），并和刚轮作用引起齿间相对位移，传递运动和动力。起齿间相对位移，传递运动和动力。波发生器是行星轮系的转臂波发生器是行星轮系的转臂刚轮是中心轮刚轮是中心轮柔轮是行星轮柔轮是行星轮 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件优点：优点：1 1、传动比大：、传动比大：1.0021.0021.02 1.02 或或5050500500；2 2、承载能力高；、承载能力高；3 3、传动平稳，精度高；、传动平稳，精度高；4 4、体积小，噪声低、体积小，噪声低缺点：缺点：1 1、柔轮周期性变形，易疲劳破坏、柔轮周期性变形，易疲劳破坏

15、；2 2、转动惯量和启动力矩大，不适宜于小功率传动；、转动惯量和启动力矩大，不适宜于小功率传动；3 3、不能用于传动比较小场合（、不能用于传动比较小场合（i 小于小于3535）；）；4 4、散热差、散热差 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件谐波齿轮传动的传动比计算谐波齿轮传动的传动比计算 式中：式中： 、 、 分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度；速度； 、 分别为刚轮和柔轮的齿数。分别为刚轮和柔轮的齿数。 (1) 当柔轮固定时，当柔轮固定时， ，则，则 rgHgHrHrgzzigrHgzrz0rr

16、gHgHHrgzzi0grggrHgzzzzz1rgggHHgzzzi 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件(2) 当刚轮固定时，当刚轮固定时， ，则，则设设 、 当柔轮固定时当柔轮固定时 当柔轮固定时当柔轮固定时0grgHHrHrgzzi0rgrrgHrzzzzz1grrrHHrzzzi200rz202gz101Hgi100Hri 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件谐波齿轮减速器产品及选用谐波齿轮减速器产品及选用谐波齿轮减速机选用说明谐波齿轮减速机选用说明 样本中的图

17、表参数为标准产品，用户选型时需确定以下三样本中的图表参数为标准产品，用户选型时需确定以下三项参数：项参数： （a）传动比或输出转速（）传动比或输出转速（r/min) （b）减速机输入功率（）减速机输入功率（kw) （c）额定输入转速（）额定输入转速（r/min)最大回差减速比机型（指柔轮内径，单位为mm)单级、卧式安装通用谐波减器 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件 (a) (a) 偏心套偏心套( (轴轴) )调整法调整法 将相互啮合的一对齿轮中的一个齿将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮轮4 4装在电机输出轴上，并将电机装在电机输出

18、轴上，并将电机2 2安装在偏心套安装在偏心套1(1(或偏心轴或偏心轴) )上，通上，通过转动偏心套过转动偏心套( (偏心轴偏心轴) )的转角，就的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。能自动补偿。4 4 齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法 (1) 圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动齿轮传动间隙的齿轮传动间隙的调整目的：调整目的： 提高齿轮传动的精度和消除齿轮传动的正反转误差。提高齿轮传动的精度和消除齿轮传动的正反转误差。2 1435

19、2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件 装配时轴向垫片装配时轴向垫片3的的厚度应使得齿轮厚度应使得齿轮1和和2之间既齿侧间隙小，之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同运转又灵活。特点同偏心套偏心套(轴轴)调整法。调整法。 (b) 轴向垫片调整法轴向垫片调整法 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件12341233 4 5 6 7(c) 双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成

20、宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件 与错齿调整法基本相同，只是在两个薄片斜齿轮的中与错齿调整法基本相同，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。(2) 斜齿轮传动斜齿轮传动 2 机械系

21、统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件(a)(a)轴向压簧调整法轴向压簧调整法 轴向压簧调整法原理如图，在锥齿轮轴向压簧调整法原理如图，在锥齿轮4 4的传动轴的传动轴7 7上装有上装有压簧压簧5 5，其轴向力大小由螺母，其轴向力大小由螺母6 6调节。锥齿轮调节。锥齿轮4 4在压簧在压簧5 5的作用的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮l l之间的齿侧之间的齿侧间隙。间隙。(3) 锥齿轮传动锥齿轮传动 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件

22、五、挠性传动部件五、挠性传动部件 在机电一体化系统中在机电一体化系统中 ，除滚珠丝杠副、齿轮传动副外，同，除滚珠丝杠副、齿轮传动副外，同步齿形带传动、纲带传动、链条传动、钢丝绳步齿形带传动、纲带传动、链条传动、钢丝绳/ /尼龙绳传动等。尼龙绳传动等。 特点：特点：结构简单、可实现高速传动、传动功率较低、传动结构简单、可实现高速传动、传动功率较低、传动效率高、传动平稳、吸振且噪音低、维修使用方便，但安装效率高、传动平稳、吸振且噪音低、维修使用方便，但安装精度要求高。精度要求高。 应用：应用：主要应用在高速、低载、运转平稳、低噪的环境中。主要应用在高速、低载、运转平稳、低噪的环境中。 2 机械系统

23、设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件兼有链、齿轮、三角胶兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件，带优点的传动零件， 于于19401940年由美国尤尼罗尔年由美国尤尼罗尔(Unirayal)(Unirayal)橡胶公司首橡胶公司首先加以开发。先加以开发。19461946年辛年辛加公司把同步带用于缝加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步纫机针和缠线管的同步传动上，取得显著效益，传动上，取得显著效益，并被逐渐引用到其他机并被逐渐引用到其他机械传动上。械传动上。1、同步带传动、同步带传动 2 机械系统设计机械系统设计机械传动装置机械传动装置 齿轮、挠性、间歇性部件齿轮、挠性、间歇性部件 (1) 工作时无滑动，有准确的传动比工作时无滑动，有准确的传动比 (2) 传动效率高，节能效果好传动效率高，节能效果好 (3) 传动比范围大，结构紧凑传动比范围大，结构紧凑