第五章机械系统设计_传动系统设计

1、v第五章 传动系统设计五、带传动设计五、带传动设计一、传动系统综述一、传动系统综述六、链传动设计六、链传动设计二、传动系统的组成二、传动系统的组成三、齿轮传动设计三、齿轮传动设计四、螺旋传动系统设计四、螺旋传动系统设计 机械系统的传动系统是将动力源或某个执机械系统的传动系统是将动力源或某个执行系统（执行件）的速度、力矩传递给执行件，行系统（执行件）的速度、力矩传递给执行件，使该执行件具有某种运动和出力的功能。使该执行件具有某种运动和出力的功能。动动力力系系统统执执行行系系统统第一节第一节 传动系统综述传动系统综述一、传动系统的作用一、传动系统的作用3 将动力机的动力传递给执行机构，以满足执行机

2、构对转矩和转将动力机的动力传递给执行机构，以满足执行机构对转矩和转速的要求。速的要求。 1）把动力机输出的速度降低或增高，以适应执行机构的需要。）把动力机输出的速度降低或增高，以适应执行机构的需要。2）实现变速传动以满足执行机构的经常变速要求。）实现变速传动以满足执行机构的经常变速要求。3）把动力机输出的转矩，变换为执行机构所需要的转矩或力。）把动力机输出的转矩，变换为执行机构所需要的转矩或力。4）把动力机输出的等速运动，转变为执行机构所要求的、其速）把动力机输出的等速运动，转变为执行机构所要求的、其速度按某种规律变化的旋转或其他类型的运动。度按某种规律变化的旋转或其他类型的运动。5）实现由一

3、个或多个动力机驱动若干个相同或不同速度的执行）实现由一个或多个动力机驱动若干个相同或不同速度的执行机构。机构。6）受机体外形尺寸限制或为了安全和操作方便，执行机构不宜）受机体外形尺寸限制或为了安全和操作方便，执行机构不宜与动力机直接联接时，也需要用传动装置来联接与动力机直接联接时，也需要用传动装置来联接二、传动系统的类型二、传动系统的类型4 a a、按驱动机械系统的动力源按驱动机械系统的动力源分为：分为：、等，等，而电动机驱动又有交流异步电动机而电动机驱动又有交流异步电动机( (单、多速单、多速) )驱动，直流并激电动驱动，直流并激电动机、交流调速主轴电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动，步进电

4、机、交流调速主轴电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动，步进电动机驱动等。动机驱动等。 b b、按动力源驱动执行件的数目按动力源驱动执行件的数目分为：分为：、和和等。等。 c c、按传动装置按传动装置分为分为： 机械传动装置机械传动装置、液压传动装置液压传动装置、电气传动装电气传动装置置以及上述装置的组合。以及上述装置的组合。 机械传动装置：机械传动装置：和和两类。两类。 输出速度可变：输出速度可变：分为分为和和。 二、传动系统的类型二、传动系统的类型5 d d、按能量的流动路线按能量的流动路线分为分为二、传动系统设计要求二、传动系统设计要求6三、传动类型选择依据三、传动类型选择依据7（一）有级与

5、无级变速传动系统（一）有级与无级变速传动系统8指执行件的指执行件的( (或速度或速度) )在一定的在一定的范围内范围内这样可以使执行件获得最有利的速度，能在这样可以使执行件获得最有利的速度，能在系统运转中变速，也便于实现自动化等。系统运转中变速，也便于实现自动化等。u 依靠摩擦力来传递转矩；依靠摩擦力来传递转矩；u 存在转速损失，故不能用于调速精度高的场合；存在转速损失，故不能用于调速精度高的场合；u 变速范围小，通常为变速范围小，通常为4 46 6，少数可达，少数可达10101515。 传动平稳传动平稳 运动换向冲击小运动换向冲击小 易于实现直线运动易于实现直线运动 （一）有级与无级变速传动

6、系统（一）有级与无级变速传动系统9在变速范围内不能连续地变换，属在变速范围内不能连续地变换，属于有级变速。于有级变速。u传递的功率大传递的功率大u变速范围宽变速范围宽u传动比准确传动比准确u工作可靠工作可靠u有转速损失有转速损失（一）有级与无级变速传动系统（一）有级与无级变速传动系统103.3.固定传动比的传动系统固定传动比的传动系统 机械系统执行件要求机械系统执行件要求以某一固定的转速以某一固定的转速( (速度速度) )工作，则连接动力源与执工作，则连接动力源与执行件的传动系统属于固定行件的传动系统属于固定传动比的传动系统，即该传动比的传动系统，即该系统是由若干个固定传动系统是由若干个固定传

7、动比串联组成。比串联组成。 起重机传动系统简图起重机传动系统简图 （二）独立和联合驱动传动系统（二）独立和联合驱动传动系统111.1.独立驱动传动系统独立驱动传动系统 (a) (a) 只有一个执行件；只有一个执行件；(b) (b) 有多个运动不相关的执行件；有多个运动不相关的执行件； (c) (c) 数控机械系统。数控机械系统。 由电动机由电动机9 9通过一对齿轮副通过一对齿轮副8 8、7 7及离及离合器合器6 6带动曲轴带动曲轴4 4旋转，再通过连杆旋转，再通过连杆3 3使滑使滑块块2 2在机身在机身1010的导轨中作往复运动。操纵的导轨中作往复运动。操纵杆杆1 1使离合器接合或脱开。制动器

8、使离合器接合或脱开。制动器5 5与离合与离合器器6 6的动作要协调配合，工作前，制动器的动作要协调配合，工作前，制动器先放松，离合器后结合，停车时，离合器先放松，离合器后结合，停车时，离合器先脱开，制动器后结合。先脱开，制动器后结合。 曲柄压力机曲柄压力机（二）独立和联合驱动传动系统（二）独立和联合驱动传动系统12(b) (b) 机械系统的多个执行件均由一个动力源驱动。机械系统的多个执行件均由一个动力源驱动。(1)(1)执行件间有严格的传动比要求；执行件间有严格的传动比要求；(2)(2)各执行件间运动有顺序或协调的要求；各执行件间运动有顺序或协调的要求； (3)(3)各执行件的运动相互独立。各

9、执行件的运动相互独立。 龙门起重机有三个主要龙门起重机有三个主要运动：大车运行、小车运运动：大车运行、小车运行和重物升降，这三个运行和重物升降，这三个运动互不相关，都是独立的，动互不相关，都是独立的，执行机构分别由各自的电执行机构分别由各自的电动机单独驱动。动机单独驱动。 (c）数字控制式机械）数字控制式机械 各种数控机械，一般都有多个执行机构，它们的运动必须保证严格的动作顺各种数控机械，一般都有多个执行机构，它们的运动必须保证严格的动作顺序和协调。每个执行机构都是由各自的动力机单独驱动。序和协调。每个执行机构都是由各自的动力机单独驱动。（二）独立和联合驱动传动系统（二）独立和联合驱动传动系统

10、132 2 集中驱动传动系统集中驱动传动系统 由一个动力机集中由一个动力机集中驱动多个执行机构驱动多个执行机构。 a）执行机构或执行构件之间有一定的传动比要求）执行机构或执行构件之间有一定的传动比要求 图图5-3 SG8630高精度丝杠车床的传动系统图。高精度丝杠车床的传动系统图。 机床主轴和刀架必须保持十分准确的传动比，是由一个机床主轴和刀架必须保持十分准确的传动比，是由一个无级变速电机集中驱动。无级变速电机集中驱动。主轴经交换挂轮主轴经交换挂轮A、B、C、D（齿轮）及丝杠螺母驱动刀架（齿轮）及丝杠螺母驱动刀架，传动比稳定的传动。，传动比稳定的传动。 PZ工件的导程工件的导程 (主轴转一转，

11、刀架移动的距离主轴转一转，刀架移动的距离)； P机床丝杠的螺距；机床丝杠的螺距； ZA、ZB、ZC、ZD交换齿轮的齿数。交换齿轮的齿数。ZDCBAPPZZZZ1 b b）执行机构或构件之间在动作上有顺序要求）执行机构或构件之间在动作上有顺序要求 如自动装帽机，送料、夹紧、送压帽在时间上有如自动装帽机，送料、夹紧、送压帽在时间上有顺序要求。顺序要求。 c c）各执行机构或构件的运动相互独立）各执行机构或构件的运动相互独立 SPJ300SPJ300地质钻机钻孔作业，由一个动力机集中驱动地质钻机钻孔作业，由一个动力机集中驱动4 4条条各自独立的执行机构工作各自独立的执行机构工作 ( (无严格的传动比

12、要求无严格的传动比要求) )。（二）独立和联合驱动传动系统（二）独立和联合驱动传动系统15 由两个或多个动力源经各自的传动链联合驱动一个由两个或多个动力源经各自的传动链联合驱动一个执行件的传动系统，主要用于低速、重载、大功率、执执行件的传动系统，主要用于低速、重载、大功率、执行件少而惯性大的机械。行件少而惯性大的机械。 l l）执行机构间有一定的传动比要求）执行机构间有一定的传动比要求 2 2）各执行机构之间有顺序或协调动作要求）各执行机构之间有顺序或协调动作要求 3 3 联合驱动传动系统联合驱动传动系统 第二节第二节 传动系统的组成传动系统的组成16一、变速装置一、变速装置 二、起停和换向装

13、置二、起停和换向装置 要求省力、可靠、结构简单、有足够的动力要求省力、可靠、结构简单、有足够的动力三、制动装置三、制动装置 要求可靠、方便、平稳、结构简单、尺寸小、磨损小、散热好要求可靠、方便、平稳、结构简单、尺寸小、磨损小、散热好四、安全保护装置四、安全保护装置 销钉安全联轴器，钢珠安全离合器，摩擦安全离合器销钉安全联轴器，钢珠安全离合器，摩擦安全离合器 1、变速装置、变速装置 改变动力机输出转速和转矩，适应执行机构的需要。改变动力机输出转速和转矩，适应执行机构的需要。 如采煤机在不同工作条件和不同的煤层厚度时如采煤机在不同工作条件和不同的煤层厚度时-改改变牵引速度；推土机在不同工况下变牵引

14、速度；推土机在不同工况下-改变行驶速度。改变行驶速度。 如果如果执行机构的转速较低执行机构的转速较低，应将，应将变速装置在前变速装置在前 （接近（接近动力机处），动力机处），降速机构在后降速机构在后（接近执行机构处）。（接近执行机构处）。机械式汽车传动系一般组成及布置示意图机械式汽车传动系一般组成及布置示意图 5 发动机发出的动力经离合器、变速器、万向传动装发动机发出的动力经离合器、变速器、万向传动装置传到驱动桥。在驱动桥处，动力经过主减速器、差速置传到驱动桥。在驱动桥处，动力经过主减速器、差速器和半轴传给驱动车轮。器和半轴传给驱动车轮。 变速装置转速不宜过高，以免噪声过大。变速装置转速不宜过

15、高，以免噪声过大。 变速装置有以下几种：变速装置有以下几种： 1）交换齿轮变速机构）交换齿轮变速机构 高精度丝杠车床中的高精度丝杠车床中的A、B、C、D齿轮。齿轮。 适适用于不经常变速的机械设备用于不经常变速的机械设备，如各种自动或半自，如各种自动或半自动机械（专用机械）。动机械（专用机械）。 2）滑移齿轮变速机构）滑移齿轮变速机构 在某一轴上安装双联或三联可滑移齿轮，通过在某一轴上安装双联或三联可滑移齿轮，通过改变改变齿轮的啮合位置齿轮的啮合位置，获得不同的各级转速。，获得不同的各级转速。 3）离合器变速机构）离合器变速机构 牙嵌式、齿式、摩擦片式离合器、电磁离合器变速牙嵌式、齿式、摩擦片式

16、离合器、电磁离合器变速机构。机构。 1 1）起停和换向情况分为：）起停和换向情况分为： 不需要换向且起动不频繁不需要换向且起动不频繁 许多自动机属于这种情况，如自动压帽机。许多自动机属于这种情况，如自动压帽机。 需要换向但不频繁需要换向但不频繁 龙门起重机属于这种情况，有正、反向运动，工龙门起重机属于这种情况，有正、反向运动，工作行程较长，故换向不频繁。作行程较长，故换向不频繁。 起停和换向频繁起停和换向频繁 如：普通车床车削螺纹时，主轴和刀架频繁地正、如：普通车床车削螺纹时，主轴和刀架频繁地正、反向运行。反向运行。2、起停和换向装置、起停和换向装置 控制执行机构的起动、停车及改变运动方向。控

17、制执行机构的起动、停车及改变运动方向。 2) 2) 起停和换向装置方案选择起停和换向装置方案选择通过通过按钮或操纵杆直接控制按钮或操纵杆直接控制动力机实现；用动力机实现；用离合器离合器实现。实现。常用的起停和换向装置有：常用的起停和换向装置有： 动力机为动力机为电动机电动机 电动机允许在负载下起动，可正、反转，但起动电动机允许在负载下起动，可正、反转，但起动电流远大于额定电流，在功率大、起停换向频繁情电流远大于额定电流，在功率大、起停换向频繁情况下，发热大容易烧坏线圈，起动电流过大影响车况下，发热大容易烧坏线圈，起动电流过大影响车间电网供电。间电网供电。 （1 1）用）用电动机电动机起停和换向

18、起停和换向 电动机功率较小时，可直接用电动机，操作方便、结电动机功率较小时，可直接用电动机，操作方便、结构简单、应用广泛。构简单、应用广泛。（2 2）用）用离合器离合器起停和换向起停和换向 中等功率以上且起停和换向频繁时，常用离合器。中等功率以上且起停和换向频繁时，常用离合器。 动力机为动力机为内燃机内燃机 （1 1）起停机构）起停机构 用离合器时，应将其放置在用离合器时，应将其放置在转速较高的传动轴转速较高的传动轴上。上。 内燃机不能在负载下起动内燃机不能在负载下起动，必须用摩擦离合器或液，必须用摩擦离合器或液力耦合器实现起停。力耦合器实现起停。 内燃机不能反转运行内燃机不能反转运行，执行机

19、构需要反转时，应在，执行机构需要反转时，应在传动链中设置反向机构。传动链中设置反向机构。 （2 2）换向机构）换向机构 对于传动件少、惯性小的传动链，宜将对于传动件少、惯性小的传动链，宜将换向机构放换向机构放在靠近动力机处在靠近动力机处。反之，宜放在靠近执行机构处。反之，宜放在靠近执行机构处。 右图右图齿轮齿轮摩擦离合器换摩擦离合器换向机构传动原理图，向机构传动原理图，可实现可实现轴轴起停和换向。起停和换向。 齿轮齿轮z1 1、z3 3空套在轴空套在轴上。上。 A A）摩擦离合器）摩擦离合器向左接合向左接合时，通过时，通过z2 2带动轴带动轴旋转。旋转。 B B）向右接合向右接合时，通过时，通

20、过z3 3、z0 0、z4 4带动轴带动轴实现反转。实现反转。 C C）摩擦离合器处于）摩擦离合器处于中间位置中间位置时，轴时，轴不转。不转。摩擦离合器在汽车上的应用摩擦离合器在汽车上的应用3）起停和换向装置的结构起停和换向装置的结构 齿轮齿轮摩擦离合器换向机构摩擦离合器换向机构 改变齿轮机构中外啮合齿轮的对数，可以改变从动改变齿轮机构中外啮合齿轮的对数，可以改变从动轮的转向。换向机构惰轮轴的布置在两轮内侧，所受轮的转向。换向机构惰轮轴的布置在两轮内侧，所受载荷小。载荷小。齿轮换向机构齿轮换向机构 如图所示为惰性轮轴如图所示为惰性轮轴的布置方案。图的布置方案。图a)所示所示为外侧布置，惰轮轴为

21、外侧布置，惰轮轴O3上的载荷上的载荷F较大；而较大；而图图b)所示为内侧布置，所示为内侧布置，惰轮轴惰轮轴O3上的载荷上的载荷F较较小小。外侧布置外侧布置 b) 内侧布置内侧布置 惰性轮轴的布置方案惰性轮轴的布置方案3、制动装置（刹车装置）制动装置（刹车装置） 执行机构或构件需执行机构或构件需频繁换向频繁换向时，必须时，必须先制动后换向先制动后换向。 制动器和离合器的操纵机构必须互锁：制动器和离合器的操纵机构必须互锁：当离合器脱当离合器脱开时，制动器应制动。接通离合器之前，制动器必须开时，制动器应制动。接通离合器之前，制动器必须可靠地放松。可靠地放松。 1) 用用电动机起停和换向电动机起停和换

22、向时，常时，常采用电动机反接制动采用电动机反接制动。 适用于制动不频繁、传动系统惯性小或电机功率小。适用于制动不频繁、传动系统惯性小或电机功率小。 2) 用用离合器起停和换向离合器起停和换向时，必须在传动链中时，必须在传动链中安装制安装制动装置。动装置。 常用制动器种类常用制动器种类： 1）摩擦式制动器：）摩擦式制动器： 外抱块式、内胀蹄式、带式、盘式等。外抱块式、内胀蹄式、带式、盘式等。 2）非摩擦式制动器：）非摩擦式制动器： 磁粉式、磁涡流式、水涡流式。磁粉式、磁涡流式、水涡流式。 设计带式制动器时，应分析制动轮的转动方向及制动带的受力状态。设计带式制动器时，应分析制动轮的转动方向及制动带

23、的受力状态。如图如图a a 所示，操纵力作用在制动带的松边，制动时，制动轮作用于制动带上的摩擦所示，操纵力作用在制动带的松边，制动时，制动轮作用于制动带上的摩擦力方向与力方向与F F 一致，有助于制动，在同样大小的一致，有助于制动，在同样大小的F F 时可获得较大的制动力矩。而时可获得较大的制动力矩。而b b 所所示的操纵力作用于制动带的紧边，摩擦力方向与示的操纵力作用于制动带的紧边，摩擦力方向与F F 相反相反, ,若要求产生相同的制动力矩，若要求产生相同的制动力矩，则制动带的拉紧力则制动带的拉紧力F F 必须加大，所需要的操纵力必须加大，所需要的操纵力F F 也增大，所以设计时应使拉紧力也

24、增大，所以设计时应使拉紧力F F 作用于制动带的松边。带式制动器的结构简单，轴向尺寸小，操纵方便，但制动时作用于制动带的松边。带式制动器的结构简单，轴向尺寸小，操纵方便，但制动时制动轮和传动轴受单向压力，制动带的压强及磨损不均匀，制动力矩受摩擦因数变制动轮和传动轴受单向压力，制动带的压强及磨损不均匀，制动力矩受摩擦因数变化的影响大，散热性差，因此只适用于中小型机械的制动。化的影响大，散热性差，因此只适用于中小型机械的制动。 外抱块式制动，是靠外抱块式制动，是靠制动块在制动轮上压紧来制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。块式制动是实现刹车的。块式制动是早期设计的制动系统，其早期设计的制动系统，其刹车

25、鼓的设计刹车鼓的设计19021902年就已年就已经使用在马车上了，直到经使用在马车上了，直到19201920年左右才开始在汽车年左右才开始在汽车工业广泛应用。工业广泛应用。 3) 3) 摩擦式安全离合器摩擦式安全离合器4、安全保护装置安全保护装置 1）销钉安全联轴器）销钉安全联轴器 2）钢珠安全离合器）钢珠安全离合器 摩擦面由内摩擦面由内圆锥摩擦盘圆锥摩擦盘1和外圆锥面摩擦盘和外圆锥面摩擦盘2组成，组成，在弹簧在弹簧3的作用下使两个锥面压紧，产生的摩擦力矩的作用下使两个锥面压紧，产生的摩擦力矩为该离合器允许的输出转矩。为该离合器允许的输出转矩。 单圆锥摩擦离合器结构简单，多用于传递转矩不大单圆

26、锥摩擦离合器结构简单，多用于传递转矩不大的场合。传递转矩较大时，可采用双圆锥摩擦离合器的场合。传递转矩较大时，可采用双圆锥摩擦离合器或摩擦片安全离合器。或摩擦片安全离合器。 3) 3) 摩擦式安全离合器摩擦式安全离合器 单圆锥摩擦安全离合器单圆锥摩擦安全离合器1 1、2-2-摩擦盘；摩擦盘；3-3-弹簧；弹簧；4-4-套环；套环；5-5-螺母；螺母；6-6-调节螺套调节螺套5-3齿轮传动设计齿轮传动设计 小功率随动系统精密齿轮小功率随动系统精密齿轮传动设计。传动设计。 是一种反馈控制系统。在是一种反馈控制系统。在这种系统中这种系统中,输出量是机械位输出量是机械位移、速度或者移、速度或者加速度。

27、因此。因此随动系统这一术语随动系统这一术语,与位置或与位置或速度速度,或加速度控制系统是同或加速度控制系统是同义语。义语。 一、按运动精度最佳选择各级传动比一、按运动精度最佳选择各级传动比 零件制成后不可避免地存在零件制成后不可避免地存在误差误差，组成部件的零件，组成部件的零件越多，积累的误差越大。越多，积累的误差越大。 虽然虽然级数少传动精度高级数少传动精度高，但零件的尺寸、强度也对，但零件的尺寸、强度也对传动有影响。单级齿轮的传动比不宜过大。传动有影响。单级齿轮的传动比不宜过大。 下图下图(a)单级齿轮传动单级齿轮传动 i=10，尺寸大，小齿轮参与啮，尺寸大，小齿轮参与啮合次数多，磨损快，

28、寿命低；合次数多，磨损快，寿命低； 图图(b)两级传动两级传动 i=10 。 如果总传动比较大，需采用多级齿轮传动，为提高传动如果总传动比较大，需采用多级齿轮传动，为提高传动精度，如何分配各级传动比？精度，如何分配各级传动比？ 1、单级齿轮传动、单级齿轮传动 （左图），齿轮（左图），齿轮1、2误差折合到输出轴误差折合到输出轴上为上为，输出轴，输出轴上的误差：上的误差：= 2、两级齿轮传动、两级齿轮传动 （右图）（右图） 齿轮齿轮1、2传动误差传动误差1，齿轮，齿轮2 、3传动误差为传动误差为2。 输出轴的总误差：输出轴的总误差： = 2+ 1 / i2 3 当当 i2 3 1 减速传动，减速传

29、动，1作用减小。作用减小。 1 1）欲使总误差值减小，欲使总误差值减小，应使末级齿轮传动应使末级齿轮传动误差尽量小些，即误差尽量小些，即末级末级齿轮精度要高齿轮精度要高。 3、多级齿轮传动、多级齿轮传动 （下图）（下图） 各对齿轮对应的传动误差分别为：各对齿轮对应的传动误差分别为：1、2、3、 4。输。输出轴出轴上总误差：上总误差： = 4+3/ i4 5+2/（i3 4 i4 5）+1/（i2 3 i3 4i4 5） 一般机械设备中由电机一般机械设备中由电机带动传动系统，多采用减带动传动系统，多采用减速机构，有以下特点：速机构，有以下特点： 2 2）当总传动比及各级齿轮传动误差一定时，各级齿

30、轮传）当总传动比及各级齿轮传动误差一定时，各级齿轮传动比分配原则：由输入轴开始，动比分配原则：由输入轴开始，传动比应传动比应“先小后大先小后大”。 3 3）当总传动比一定时，）当总传动比一定时，齿轮传动级数愈少精度愈高齿轮传动级数愈少精度愈高。二、按最小转动惯量分配各级传动比二、按最小转动惯量分配各级传动比 在传动系统中，经常需要在传动系统中，经常需要齿轮正、反转运动，要求起动齿轮正、反转运动，要求起动快、停止快，即齿轮运转灵活。快、停止快，即齿轮运转灵活。如转动惯量为如转动惯量为J J回转件，受力矩回转件，受力矩M M时，角加速度时，角加速度=M/J=M/J。 M M一定，一定，J J越小，

31、越小，越大，运越大，运转灵敏。转灵敏。电机至负载的运动简图电机至负载的运动简图= 4+3/ i4 5+2/（i3 4 i4 5）+1/（i2 3 i3 4i4 5） 1、计算等效转动惯量、计算等效转动惯量 根据动能守恒定律，等效转动惯量的动能根据动能守恒定律，等效转动惯量的动能 =各轴上各轴上齿轮的动能之和。齿轮的动能之和。 J等效等效 12/2=J112/2+J222/2+ J332/2+ J442/2 J等效等效=J1 + J2/i122 + J3/(i122 i2 32 ) + J4 /( i122 i2 32 i3 42 ) 可将整个齿轮传动系统的运动问题简化为具有等可将整个齿轮传动系

32、统的运动问题简化为具有等效转动惯量的单一构件运动。效转动惯量的单一构件运动。 J1、J2、J3、J4是轴是轴1、轴、轴2、轴、轴3、轴、轴4上齿轮上齿轮1，齿轮齿轮2、2 ，齿轮，齿轮3、3 及齿轮及齿轮4的转动惯量。的转动惯量。 2、选择传动级数、选择传动级数 2) 采用两级齿轮传动，假设：采用两级齿轮传动，假设：齿轮材料、宽度相同，两主齿轮材料、宽度相同，两主动轮具有相同的直径，轴的转动惯量忽略不计，动轮具有相同的直径，轴的转动惯量忽略不计，i12=2.5、i23=4，则该系统等效转动惯量：则该系统等效转动惯量： Jp=9.97J1 前面介绍了系统中的总传动比为前面介绍了系统中的总传动比为

33、10。 1) 采用单级齿轮传动，则该系统等效转动惯量：采用单级齿轮传动，则该系统等效转动惯量： Jp=J1+J2/ i2=m1(D1/2)2+ m2(D2/2)2/i2=D14b/16+ +D24b/(16i2) = J1(1+i2) =101J1 结论：齿轮传动的结论：齿轮传动的级数越多，等效转动惯量就越小级数越多，等效转动惯量就越小。 3) 三级齿轮传动，三级齿轮传动，Jp=6.5J1。4) 四级齿轮传动，四级齿轮传动， Jp=6.2J1，三级与四级的非常接近。，三级与四级的非常接近。但传动级数过多，收效甚微，且零件增多，结构复杂。但传动级数过多，收效甚微，且零件增多，结构复杂。 3、传动

34、比的分配、传动比的分配 当传动比及传动级数确定后，如何分配各级的传动比当传动比及传动级数确定后，如何分配各级的传动比才能使齿轮系统的等效转动惯量为最小？才能使齿轮系统的等效转动惯量为最小？ 1）两级齿轮传动的传动比分配）两级齿轮传动的传动比分配 设两级齿轮传动均为减速传动设两级齿轮传动均为减速传动 (i1)；齿轮材料相同；齿轮宽度；齿轮材料相同；齿轮宽度相同；两个主动轮相同；两个主动轮1、2 直径相同；各轴的转动惯量忽略不计。直径相同；各轴的转动惯量忽略不计。23,222, 1322, 1221iiJiJJpJJ 上式中的上式中的J2、J2分别为齿轮分别为齿轮2、2的转动惯量。的转动惯量。 系

35、统的等效转动惯量：系统的等效转动惯量：43 ,2143 ,22342, 11212iJiJJiJJJJ所以所以)11 (22, 123 ,222, 122, 11iiiiJJp将将i1,2=2.5， i2,3=4 代入上式后，则等效转动惯量为代入上式后，则等效转动惯量为11222211097. 9)5 . 245 . 215 . 21 (JJJJp令令dJp/di12=0，d2Jp/di1220，存在最小，存在最小，当当i1221时时,系统最小等效转动惯量的传动比：系统最小等效转动惯量的传动比：)11 (22, 123 ,222, 122, 11iiiiJJp2/22, 13 ,2ii由于由于

36、 2）多级齿轮传动）多级齿轮传动 可假设一个可假设一个i12值，可计算出下一级值，可计算出下一级 2/22, 13 ,2ii 再按上述方法计算下再按上述方法计算下一级传动，可以看出一级传动，可以看出减速减速传动中传动中，后一级传动比要后一级传动比要大一些大一些。分配传动比也可。分配传动比也可查下图，不同传动级数下查下图，不同传动级数下的各级传动比与总传动比的各级传动比与总传动比之间的关系曲线。之间的关系曲线。2三、按最小体积分配各级传动比三、按最小体积分配各级传动比 按最小转动惯量分配各级传动比，按最小转动惯量分配各级传动比，后面的传动比往往越来后面的传动比往往越来越大越大，齿轮直径过大，结构

37、上不够合理，实际要重新分配和适，齿轮直径过大，结构上不够合理，实际要重新分配和适当调整。当调整。 假设同前，对整个齿轮传动系统所占体积求导，得假设同前，对整个齿轮传动系统所占体积求导，得两级齿轮传动的传动比关系：两级齿轮传动的传动比关系：i12= i2 3 结论：按最小体积分配传动比时，结论：按最小体积分配传动比时，两主动轮两主动轮1、2 直直径相同，两从动轮径相同，两从动轮2、3直径相同，两中心距也相同直径相同，两中心距也相同。 讨论：当总传动比给定后，如何确定各级传动比大小？讨论：当总传动比给定后，如何确定各级传动比大小？ 1）从）从提高精度提高精度考虑，希望考虑，希望传动级数越少越好传动

38、级数越少越好，传动比，传动比“先先小后大小后大”（末级齿轮精度要高）。（末级齿轮精度要高）。 缺点：系统的转动惯量增大，体积增大。缺点：系统的转动惯量增大，体积增大。 2）从）从减小体积减小体积考虑，希望考虑，希望各级传动比基本上相同各级传动比基本上相同。 缺点：传动精度下降，系统灵敏度不好。缺点：传动精度下降，系统灵敏度不好。 三方面分配传动比矛盾，不可能都满足。应根据系三方面分配传动比矛盾，不可能都满足。应根据系统要求，抓主要矛盾，合理选择各级传动比。统要求，抓主要矛盾，合理选择各级传动比。 例例 某随动系统结构设计中，已知电动机转速为某随动系统结构设计中，已知电动机转速为3500r/mi

39、n,3500r/min,输出轴转速为输出轴转速为10r/min10r/min，试按：，试按： 1 1）最高传动精度；）最高传动精度； 2 2）最小转动惯量；）最小转动惯量； 3 3）最小体积；）最小体积； 分别确定该减速装置的级数及最佳传动比的分配。分别确定该减速装置的级数及最佳传动比的分配。 解：按不同的要求分别设计：解：按不同的要求分别设计： 1 1）按）按传动精度最高传动精度最高的要求分别设计的要求分别设计 系统总传动比：系统总传动比：i=3500/10=350i=3500/10=350。 直齿圆柱齿轮最易制造，精度最高，故选用直齿圆直齿圆柱齿轮最易制造，精度最高，故选用直齿圆柱齿轮传动

40、，其单级传动比不宜大于柱齿轮传动，其单级传动比不宜大于8 8。 从提高传动精度来看，各级传动比应遵循从提高传动精度来看，各级传动比应遵循“先小后大先小后大”的原则，初步确定的原则，初步确定4 4 5 5级传动。级传动。 级数愈少，积累的误差愈少，传动精度愈高，最后确定为级数愈少，积累的误差愈少，传动精度愈高，最后确定为4 4级级传动传动。传动比的分配可定为：。传动比的分配可定为： 2.52.54 45 57 7 齿轮的模数可按传递的功率和强度的要求求得。齿轮的模数可按传递的功率和强度的要求求得。 2 2）按）按最小转动惯量最小转动惯量的要求设计的要求设计 传动级数的过多或过少都会引起齿轮系统转

41、动惯量的改变，传动级数的过多或过少都会引起齿轮系统转动惯量的改变，传动级数愈多，系统的等效转动惯量愈小传动级数愈多，系统的等效转动惯量愈小。按四级考虑传动比。按四级考虑传动比的分配原则及计算如下：的分配原则及计算如下： （1 1）高速级第一级的传动比初步拟定）高速级第一级的传动比初步拟定i i1212=1.9=1.9。 （2 2）其它三级的传动比）其它三级的传动比 i i2 2 3 3=i=i12122 2/1.414=1.9/1.414=1.92 2/1.414=2.55/1.414=2.55 i i3 3 4 4=i=i2 2 3 32 2/1.414=2.55/1.414=2.552 2

42、/1.414=4.61/1.414=4.61 i i4 4 5 5=i=i3 3 4 42 2/1.414=4.61/1.414=4.612 2/1.414=15.01/1.414=15.01 （3 3）用总传动比）用总传动比i i值对值对i i4 4 5 5值进行校正值进行校正 i i4 4 5 5=i/(i=i/(i1212i i2 2 3 3 i i3 3 4 4)=350/(1.9)=350/(1.92.552.554.61)4.61) =15.7 =15.7 校对值校对值15.715.7与计算值与计算值i i4 4 5 5=15.01=15.01比较，比较，相对误差相对误差2/22,

43、 13 ,2ii%5044. 001.15/ )01.157 .15(15.7-15.01)/15.7=0.044=(15.7-15.01)/15.7=0.044=4.4%5%,4.4%1时，输出响应太慢，一直处于滞后状态；时，输出响应太慢，一直处于滞后状态； 只有当只有当0tt1 1) )，同为右旋。，同为右旋。 主动件螺杆主动件螺杆1 1的向左的向左与从动螺母与从动螺母2 2的向右直进，的向右直进，形成差动。当螺杆转动形成差动。当螺杆转动一周后，螺母一周后，螺母2 2的实际位的实际位移量移量t=tt=t2 2tt1 1 。 螺杆转动任意角度下，螺母螺杆转动任意角度下，螺母2 2的微位移量：

44、的微位移量： S=S=(t(t2 2-t-t1 1)/(360)/(3600 0)=)=t/(360t/(3600 0) ) 若：若：t t1 1=1mm=1mm，t t2 2=1.2mm,=1.2mm,手轮一周刻度分为手轮一周刻度分为100100格，格，即即3.63.60 0/ /格，手轮转格，手轮转1 1格后，螺母格后，螺母2 2的位移量的位移量S=S=0.002mm0.002mm。当人手的灵敏度为当人手的灵敏度为0.250.250 0时，时，S=S=0.00014mm0.00014mm。 2 2）凸轮式微量进给装置）凸轮式微量进给装置 砂轮架砂轮架3 3的进给量是由凸轮的进给量是由凸轮1

45、 1的廓线使砂轮架绕支点的廓线使砂轮架绕支点2 2摆动，摆动，实现微动的。实现微动的。1-1-凸轮；凸轮；2-2-支点；支点；3-3-砂轮架砂轮架 利用凸轮实现微量进给具有利用凸轮实现微量进给具有传动链短、刚性好传动链短、刚性好，由于砂轮架，由于砂轮架只作摆动，微量进给的精确性与只作摆动，微量进给的精确性与导轨副的摩擦力无关，这种进给导轨副的摩擦力无关，这种进给范围较小。范围较小。11固定套筒；固定套筒；22固定支架；固定支架；33螺杆；螺杆；44手轮；手轮；55套筒；套筒；66螺螺母；母；77滑动套筒；滑动套筒；88弹簧弹簧 已知杠杆臂长已知杠杆臂长L=103mmL=103mm，螺距螺距t=

46、0.3mmt=0.3mm，螺杆，螺杆3 3转动一周，摆杆偏转转动一周，摆杆偏转tg=0.3/103=0.00291tg=0.3/103=0.00291，=10=10 。读数套筒。读数套筒5 5上一格上一格为为0.3mm(0.3mm(或或1010 ) )，而手轮，而手轮4 4的圆周有的圆周有6060格，则格，则每格摆杆每格摆杆摆角为摆角为1010 /60=10/60=10 。 （1 1）测角仪上应用的螺旋）测角仪上应用的螺旋摆杆微动装置。摆杆微动装置。 转动手轮转动手轮4 4，螺杆，螺杆3 3在固定螺母在固定螺母6 6作用下移作用下移动，杠杆臂便绕其中心动，杠杆臂便绕其中心（仪器回转中心）偏转，

47、（仪器回转中心）偏转，仪器回转部分也随之微仪器回转部分也随之微量转动。量转动。3 3）组合式微量进给装置）组合式微量进给装置 当转动手轮时，与蜗杆当转动手轮时，与蜗杆1 1相啮相啮合的蜗轮合的蜗轮3 3带动凸轮带动凸轮4 4一起转动，一起转动，推动滑轮推动滑轮6 6，使，使滑板滑板7 7实现微量进实现微量进给。给。11蜗杆；蜗杆；22轴；轴；33蜗轮蜗轮44凸轮；凸轮；55螺栓；螺栓；66滑轮；滑轮；77滑板滑板（2 2）蜗轮）蜗轮凸轮微动装置凸轮微动装置 蜗轮蜗轮3 3空套在轴空套在轴2 2上，轴上，轴2 2通通过螺钉与设备的支臂固定，滑过螺钉与设备的支臂固定，滑板板7 7与显微镜体相联接，

48、蜗杆与显微镜体相联接，蜗杆1 1的末端固定着微动手轮。的末端固定着微动手轮。（3 3）生物显微镜工作台采）生物显微镜工作台采用的齿轮用的齿轮杠杆微动装置。杠杆微动装置。 转动手柄时，通过两级齿转动手柄时，通过两级齿轮减速（轮减速（Z Z2 2/Z/Z1 1，Z Z4 4/Z/Z3 3）带动扇形齿轮摆动带动扇形齿轮摆动扇形齿扇形齿轮另一端通过中间连动杆，轮另一端通过中间连动杆，带动带动显微镜工作台在导轨内显微镜工作台在导轨内作微量的升、降运动。作微量的升、降运动。 机械传动式缺点：机械传动式缺点：很难精确实现很难精确实现1m1m以下的微以下的微量进给；量进给；接触变形大；接触变形大；间隙不易消除

49、，积累误差大；间隙不易消除，积累误差大；刚度低，易产生爬行。刚度低，易产生爬行。 下图是热变形传动原理，其伸长量：下图是热变形传动原理，其伸长量：L=L(tL=L(t1 1-t-t0 0) )。理想情。理想情况：传动件的伸长量等于运动件的位移量，由于摩擦力的影响、况：传动件的伸长量等于运动件的位移量，由于摩擦力的影响、运动件的质量大小、系统内阻尼大小等，运动件的位移有误差。运动件的质量大小、系统内阻尼大小等，运动件的位移有误差。实际上，当传动件伸长实际上，当传动件伸长L L时，传动件的位移量为时，传动件的位移量为 S=S=L+C/K=L+C/K=L+CL/EAL+CL/EA传动杆材料的线膨胀系

50、数；传动杆材料的线膨胀系数；LL传动杆的长度；传动杆的长度；t t1 1加热时的温度；加热时的温度；t t0 0加热前的温度；加热前的温度；CC考虑到摩擦阻力、位移、速度考虑到摩擦阻力、位移、速度和系统中的阻尼有关的和系统中的阻尼有关的系数系数。KK与传动件材料的弹性模量、单位与传动件材料的弹性模量、单位长度面积有关的长度面积有关的系数系数，K=EA/LK=EA/L。 2 2、热变形传动式微动装置、热变形传动式微动装置位移后的相对误差为位移后的相对误差为 为减少微量位移的相对误差，应选择为减少微量位移的相对误差，应选择线膨胀系数大和弹性模量高的材料线膨胀系数大和弹性模量高的材料制作传动件。制作

51、传动件。tAECLLS1-1-传动杆；传动杆；2-2-线圈线圈3-3-微量位移元件（运动件）微量位移元件（运动件）11磁致伸缩棒；磁致伸缩棒；22运动件运动件3 3、磁致伸缩式微动装置、磁致伸缩式微动装置 磁致伸缩棒磁致伸缩棒1 1的左端固定在机座上，右端与运动件的左端固定在机座上，右端与运动件2 2相联。相联。绕在伸缩棒外的线圈通电激磁后，在磁场作用下，伸缩棒产生绕在伸缩棒外的线圈通电激磁后，在磁场作用下，伸缩棒产生变形使运动件产生微量位移。变形使运动件产生微量位移。 伸缩棒的伸缩棒的伸长伸长变形变形正磁致伸缩正磁致伸缩；伸缩棒；伸缩棒缩短缩短变形变形负磁负磁致伸缩致伸缩。 材料的伸缩性质与

52、合金材料材料的伸缩性质与合金材料的成分、伸缩棒的温度变化和外的成分、伸缩棒的温度变化和外载荷的变化有关。载荷的变化有关。 l= l 材料的相对磁致伸缩系数；材料的相对磁致伸缩系数；l伸缩棒被磁化部分的长度。伸缩棒被磁化部分的长度。 当当伸缩棒变形伸缩棒变形时产生的伸缩力时产生的伸缩力大于大于运动件运动件导轨副的静摩擦导轨副的静摩擦力力时，运动件才产生位移。时，运动件才产生位移。 由于磁致伸缩量有限，该装置由于磁致伸缩量有限，该装置适用于精确位移调整适用于精确位移调整，切削刀，切削刀具磨损后的补偿，温度变形补偿及自动调节系统等。具磨损后的补偿，温度变形补偿及自动调节系统等。11传动箱；传动箱；2

53、2伸缩棒；工作台伸缩棒；工作台 下图为磁致伸缩式微动装置的结构示意图。下图为磁致伸缩式微动装置的结构示意图。 粗位移粗位移由传动箱由传动箱1 1经丝杠、螺母副传动；经丝杠、螺母副传动；微量位移微量位移由装在螺母由装在螺母与工作台与工作台3 3之间的磁致伸缩棒之间的磁致伸缩棒2 2来实现。来实现。54 54 螺旋传动系统设计螺旋传动系统设计 螺旋传动主要用于变回转运动为直线运动，同时螺旋传动主要用于变回转运动为直线运动，同时传递能量和动力，也可调整零件的相互位置。传递能量和动力，也可调整零件的相互位置。一、微动装置一、微动装置 微量进给或微量移动装置微量进给或微量移动装置 1 1、机械传动式微动

54、装置、机械传动式微动装置 2 2、热变形传动式微动装置、热变形传动式微动装置3 3、磁致伸缩式微动装置、磁致伸缩式微动装置53 53 齿轮传动设计齿轮传动设计 利用利用推动机构使弹性元件推动机构使弹性元件或运动件本身产生的或运动件本身产生的弹性变形弹性变形来实来实现微动位移。现微动位移。11砂轮架；砂轮架；22床身；床身；3 3、44支点支点4 4、弹性变形传动式微动装置、弹性变形传动式微动装置 图图(a)(a)砂轮架砂轮架1 1受活塞杆的推力；图受活塞杆的推力；图(b)(b)在砂轮架支点在砂轮架支点3 3、4 4之间之间加力加力P P产生弹性变形，实现微量位移。产生弹性变形，实现微量位移。

55、弹性元件弹性元件1、2的刚度不同，原始长度分别为的刚度不同，原始长度分别为X1、X2，在，在p力力作用下，板作用下，板B位移量为位移量为X X2 2 ；板；板A A位移量为位移量为X1，两位移量的，两位移量的关系为：关系为： X1 = X2 K2 /（K1+K2） 下图为采用下图为采用弹性元件产生微量位移弹性元件产生微量位移进给装置的原理图。进给装置的原理图。 设已知设已知K1 =1000kN/m，K2 =10kN/m， X2=5m，则则X10.05 m 。 钛酸铅钛酸铅和和锆酸铅锆酸铅组成的多晶固溶体组成的多晶固溶体锆钛酸铅锆钛酸铅压电陶瓷压电陶瓷（简称压电陶瓷，代号（简称压电陶瓷，代号PZ

56、TPZT）。）。5 5、压电式微量进给装置、压电式微量进给装置 正压电效应正压电效应压电陶瓷经极化处理后，在压电陶瓷经极化处理后，在外力作用外力作用下发生下发生机械变形，在表面上机械变形，在表面上产生电荷产生电荷，即机械能转变成电能，即机械能转变成电能。 逆压电效应逆压电效应在压电陶瓷上在压电陶瓷上通入直流电场通入直流电场，改变了陶瓷体，改变了陶瓷体的极化强度，其的极化强度，其形状、尺寸发生变化形状、尺寸发生变化，即电能转变成机械能，即电能转变成机械能。 利用压电陶瓷的利用压电陶瓷的逆压电效应可实现微量位移逆压电效应可实现微量位移，不必通过传，不必通过传动机构进行传递，避免了机械传动引起的误差

57、。动机构进行传递，避免了机械传动引起的误差。 特点：位移分辨力极高，可达千分之几微米，结构简单、特点：位移分辨力极高，可达千分之几微米，结构简单、尺寸小，发热少，便于控制。尺寸小，发热少，便于控制。 压电式微动装置可按压电陶瓷压电式微动装置可按压电陶瓷结构形式结构形式的不同可分为：的不同可分为： 圆管式、叠片式、尺蠖式和蚯蚓式。圆管式、叠片式、尺蠖式和蚯蚓式。 制动盘制动盘8 8受到的锁紧力对正中心。受到的锁紧力对正中心。11手柄手柄22螺母螺母33套筒套筒44定位环定位环55螺杆螺杆66销子销子77外套筒外套筒88制动盘制动盘1 1、径向受力锁紧装置、径向受力锁紧装置 1 1）光学分度头固紧

58、主轴）光学分度头固紧主轴的锁紧装置的锁紧装置 主轴上的制动盘主轴上的制动盘8(8(被锁件被锁件) )的外缘的外缘位于套筒位于套筒3 3的勾板和销子的勾板和销子6 6之间。之间。 转动手柄转动手柄1 1时，螺杆时，螺杆5 5旋入套筒旋入套筒3 3内，推动销子内，推动销子6 6下移。同时，套筒下移。同时，套筒3 3由于螺纹作用随之上移，两种上、由于螺纹作用随之上移，两种上、下移动的结果将制动盘下移动的结果将制动盘8 8在销子在销子6 6和和勾板勾板3 3之间牢牢地锁紧。之间牢牢地锁紧。 设备使用时，有时把某一部件调节到合适位置后加以设备使用时，有时把某一部件调节到合适位置后加以固定固定，即锁紧。，

59、即锁紧。二、锁紧装置二、锁紧装置 锁紧装置是利用摩擦力紧固的，既可锁紧装置是利用摩擦力紧固的，既可锁紧直线位移锁紧直线位移也可也可锁紧旋转运动锁紧旋转运动；既可；既可径径向受力锁紧向受力锁紧，也可，也可轴向受力锁紧轴向受力锁紧。 旋转锁紧手轮旋转锁紧手轮5 5，通过螺钉，通过螺钉4 4顶顶紧锁紧块紧锁紧块1 1，由于锁紧环圈是浮动，由于锁紧环圈是浮动的，的，带动另外两块同时均匀地压带动另外两块同时均匀地压向薄壁套向薄壁套，使其产生径向收缩，使其产生径向收缩，将将主轴锁紧主轴锁紧。 11锁紧块；锁紧块；22外套；外套；33薄壁套薄壁套44螺钉；螺钉；55手轮手轮2 2）光栅分度头采用）光栅分度头

60、采用的的径向受力径向受力锁紧装置锁紧装置“三点自位均匀收三点自位均匀收缩薄壁套缩薄壁套” 锁紧装置锁紧装置 薄壁套薄壁套3 3内孔套在分内孔套在分度头的度头的主轴主轴上，配合上，配合间隙间隙很小很小。 另一只锁紧环另一只锁紧环2 2的内孔的内孔有三条等分槽，槽内各嵌有三条等分槽，槽内各嵌有一块锁紧块有一块锁紧块1 1与薄壁套与薄壁套3 3外圆接触，其中有一块由外圆接触，其中有一块由螺钉螺钉4 4顶住。顶住。 1 1）光学经纬仪上的轴向）光学经纬仪上的轴向受力锁紧装置受力锁紧装置11横轴；横轴；22胀圈；胀圈；33摩擦板摩擦板3 344轴柄；轴柄；55固定微动板；固定微动板；66螺母螺母77手轮