第14章机械传动设计

第十四章机械传动设计14.2机械传动的类型14.1概述14.3机械传动的特性和参数14.4机械传动的方案设计14.5机械传动的设计程序14.1概述1、机器的组成定义一台机器从运动的角度来分析，通常由下列三部分组成：（1）原动机提供运动与动力的装置，使工作机构的运动和动力来源。原动机有汽轮机、内燃机、电动机等，现代机械中通常都采用三相异步电动机作为原动机。（2）传动装置传递运动与动力的装置，通过它把原动机的运动与动力传给工作机构。传动装置有液压传动、电气传动、机械传动等，其中机械传动是应用最广的一种，本章介绍此类传动。（3）工作机构是执行工作的机构。此外，为保证机器的正常工作，还需装设一些操纵装置和控制系统等。2、机械传动的功用机械传动（装置或系统）---利用机械运动方式传递运动和动力的机构。（1）将原动机的输出速度降低或增高，以适合工作机的需要；（2）实现变速传动，以满足工作机的经常变速要求；（3）将原动机输出的转矩，变换为工作机所需要的转矩或力；（4）将原动机输出的等速旋转运动，转变为工作机所需要的、速度按某种规律变化的旋转或其他类型的运动；（5）实现由一个或多个原动机驱动若干个相同或不同速度的工作机；（6）受机体外形、尺寸限制，为了安全与操作方便，工作机不宜与原动机直接连接时，也需要用传动装置来连接。3、机械传动的组成由传动装置、操纵和控制系统、辅助系统等组成。机械传动是机器的重要组成部分之一，其设计的优劣，对于提高机器的工作性能、工作可靠性和效率、缩小外形尺寸、减轻重量、降低制造成本等具有较大的影响。14.2机械转动的类型1、实现运动形式的变换

原动件的运动形式都是匀速回转运动，而工作机构所要求的运动形式却是多种多样的。传动机构可以将匀速回转运动转变为移动、摆动、间歇运动和平面复杂运动等各种各样的运动形式。下表为各种运动形式变换的常用机构。运动形式变换基本机构其他机构原动运动从动运动连续回转连续回转变向平行轴同向圆柱齿轮机构（内啮合）带传动机构链传动机构双曲柄机构回转导杆机构反向圆柱齿轮机构（外啮合）圆柱摩擦轮机构交叉带（或绳、线）传动机构反平行四杆机构（两长杆交叉）相交轴锥齿轮机构圆锥摩擦轮机构交错轴蜗杆传动机构交错轴斜齿轮机构双曲柱面摩擦轮机构半交叉带（或绳、线）传动机构变速减速增速齿轮机构蜗杆传动机构带传动机构链传动机构摩擦轮机构绳、线传动机构变速齿轮机构无级变速机构塔轮传动机构塔轮链传动机构间歇回转槽轮机构非完全齿轮机构摆动无急回性质摆动从动件凸轮机构曲柄摇杆机构（行程速度变化系数K=1）有急回性质曲柄摇杆机构摆动导杆机构摆动从动件凸轮机构移动连续移动螺旋机构齿轮齿条机构带、绳、线及链传动机构中挠性件的运动往复移动无急回对心曲柄滑块机构移动从动件凸轮机构正弦机构不完全齿轮（上下）齿条机构有急回偏置曲柄滑块机构移动从动件凸轮机构间歇移动不完全齿轮与齿条机构移动从动件凸轮机构平面复杂运动特定运动轨迹连杆机构（连杆运动连杆上特定点的运动轨迹）运动形式变换基本机构其他机构原动运动从动运动摆动摆动双摇杆机构摩擦轮机构齿轮机构移动摇杆滑块机构摇块机构齿轮齿条机构间歇回转棘轮机构2、实现运动转速（或速度）的变化当需要获得较大的定传动比时，可将多级齿轮传动、带传动、蜗杆传动和链传动等组合来满足速度变化的需要。3、实现运动的合成与分解采用各种差动轮系进行运动的合成与分解。4、获得较大的机械效益根据一定功率下减速增矩的原理，通过减速传动机构可以实现用较小驱动转矩产生较大的输出转矩，即获得较大的机械效益。14.3机械传动的特性和参数机械传动的性能指标有两类：反映运动特性的参数：

转速、传动比、变速范围等；反映动力特性的参数：

功率、转矩、效率等；1、功率——传递功率P，反映传动系统的传动能力。其中：F-传递的圆周力，单位为N；

V-圆周速度，单位为m/s;P-传递的功率，单位为KW。当功率P一定时，圆周力F与圆周速度V成反比；在各种运动中，齿轮传动允许的圆周力范围最大，传递的转矩T也最大。2、圆周速度和转速其中：V-圆周速度，单位为m/s;n-转速，单位为r/min;d-轮的参考圆直径，单位为mm.

在其他条件相同的情况下，提高圆周速度可以减小外廓尺寸。因此的较高的速度下进行传动是有利的。

对于挠性传动，限制速度的因素是离心力作用，它在挠性件中会引起附加载荷，并且减小其有效拉力。对于啮合传动，限制速度的主要因素是啮合元件进入啮合和退出啮合时产生的附加作用力，它的增大会使所传递的有效力减小。

为了获得大的圆周速度，需要提高主动件的转速或增大其直径。但是直径增大会使传动的外廓尺寸变大。因此，为了维持高的圆周速度，主要是提高转速。旋转速度的最大值受到啮合元件进入和退出啮合时允许冲击力、振动及摩擦功的大小等因素的限制。传递的功率与转矩、转速的关系为：其中：T-传递的转矩，单位为N·m;P-传递的功率，单位为KW；

n-转速，单位为r/min.3、传动比i＞1为减速传动；i＜1为增速传动。一般情况下，传动装置均为减速传动；

在摩擦传动中，V带传动可达到的传动比最大，平带传动次之，然后是摩擦轮传动；在啮合传动中，就一对啮合传动而言，蜗杆传动可达到的传动比最大，其次是齿轮传动和链传动。4、功率损耗和传动效率

机械传动效率的高低表明机械驱动功率的有效利用程度，是反映机械传动装置性能指标的重要参数之一。机械传动效率低，不仅功率损失大，而且损耗的功率产生大量的热量，必须采用散热措施。传动装置的功率损耗主要是由于摩擦引起的。因此，为了提高效率就必须采取措施设法减少传动中的摩擦：1）缩短传动路线，减少运动副和虚约束，尽量选用高效率的传动机构；2）选择合适的运动副形式；3）尽量减少运动副中的摩擦；4）选用合适的润滑方式与润滑剂。5、外廓尺寸和重量传动装置的尺寸与

中心距a

传动比i

轮直径d

轮宽b

有关。其中影响最大的参数是中心距a.

传动装置的外廓尺寸及重量的大小，通常以单位传动功率所占用的体积(m3/kW)及重量（kg/kW）来衡量。常用机械传动装置的主要指标及特点

类型传递功率（kW）速度（m/s）特点圆柱齿轮传动≤3000≤50承载能力和速度范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高，寿命长。制造安装精度要求高，噪声较大，成本较高。直齿圆柱齿轮可用做变速滑移齿轮；斜齿轮比直齿轮传动平稳，承载能力大。锥齿轮传动直齿≤1000曲齿≤15000≤40蜗杆传动开式≤750常用≤50滑动速度≤15～50结构紧凑，传动比大，当传递运动时，传动比可达到1000，传动平稳，噪声小，可作自锁传动。制造精度要求较高，效率较低，蜗杆材料常用青铜，成本较高。闭式单级NGW行星齿轮传动≤6500高低速均可体积小，效率高，重量轻，传递功率范围大。要求载荷均衡机构，制造精度要求较高。普通V带传动≤100≤25～30传动平稳，噪声小，能缓冲吸振；结构简单，轴间距大，成本低。外廓尺寸大，传动比不恒定，寿命短。链传动（滚子链）≤200≤20工作可靠，平均传动比恒定，轴间距大，能适应恶劣环境。瞬时速度不稳定，高速是运动不平稳，多用于低速传动。摩擦轮传动≤200通常≤20≤25～50传动平稳，噪声小，有过载保护作用，传动比不恒定，抗冲击能力低，轴和轴承均受力大。14.4机械传动的方案设计

合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传递功率的大小，转速与运动形式。此外还要适应工作条件，满足工作可靠性、结构紧凑、加工方便、成本低廉、使用维护便利等要求。要同时满足这些要求是比较困难的，通过分析选择较好传动方案。一、传动类型的选择

传动类型很多，各种传动形式均有其优缺点，在选择传动类型时，首先要熟悉常用的不同类型机构及其特性，在此基础上，根据运动形式和运动特点选择几个不同的方案进行比较，最后选择较合理的传动类型。常用机械传动机构的运动及动力特性

机构类型运动及动力特性连杆机构可以输出多种运动，实现一定轨迹、位置要求。运动副为面接触，故承载能力大，但动平衡困难，不宜用于高速凸轮机构可以输出任意运动规律的移动、摆动，但行程不大。运动副为滚动兼滑动的高副，故不适用于重载齿轮机构圆形齿轮实现定传动比传动，非圆形齿轮实现变传动比传动。功率和转速范围都很大，传动比准确可靠螺旋机构输出移动或转动，实现微动、增力、定位等功能。工作平稳，精度高，但效率低了，易磨损棘轮机构输出间歇运动，并且动程可调；但工作时冲击、噪声较大，只适用于低速轻载槽轮机构输出间歇运动，转位平稳；有柔性冲击，不适用于高速带传动中心距变化范围较广。结构简单，具有吸振特点，无噪声，传动平稳。过载打滑，可起安全装置作用链传动中心距变化范围较广。平均传动比准确，瞬时传动比不准确，比带传动承载能力大，传动工作时动载荷及噪声较大，在冲击振动情况下工作时寿命较短

定传动比传动的类型选择原则①功率范围

当传递功率小于100kW时，各种传动类型都可以采用。但功率较大时，宜采用齿轮传动，以降低传动功率的损耗。对于传递中小功率，宜采用结构简单而可靠的传动类型，以降低成本，如带传动。此时传递效率是次要的。②传动效率

对于大功率传动，传动效率很重要。传动功率越大，越要采用效率高的传动类型。③传动比范围不同类型的传动装置，最大单级传动比差别较大。当采用多级传动时，应合理安排传动的次序。④布局与结构尺寸对于平行轴之间的传动，宜采用圆柱齿轮传动、带传动、链传动；对于相交轴之间的传动，可采用锥齿轮或圆锥摩擦轮传动；对于交错轴之间的传动，可采用蜗杆传动或交错轴斜齿轮传动。两轴相距较远时可采用带传动、链传动；反之，可采用齿轮传动。⑤其他要求例如噪声要求，链传动和齿轮传动的噪声较大，带传动和摩擦轮传动的噪声较小。二、传动顺序的布置原则如下：

⑴承载能力较小的带传动应布置在高速级，使之与原动机相连，齿轮或其他传动布置在带传动之后，这样既有利于整个传动系统的结构尺寸紧凑、匀称，又有利于发挥带传动的传动平稳、缓冲减振和过载保护的特点。

⑵链传动平稳性差，且有冲击、振动，不适用于高速传动，一般应将其布置在低速级。

⑶根据工作条件选用开式或闭式齿轮传动。闭式齿轮传动一般布置在高速级，以减小闭式传动的外廓尺寸、降低成本。开式齿轮传动制造精度较低、润滑不良、工作条件差，磨损严重，一般应布置在低速级。

⑷传递大功率时，一般应采用圆柱齿轮。

⑸圆柱直齿轮与斜齿轮相比，一般斜齿轮的强度比直齿轮高，且传动平稳，所以斜齿轮适用于高速传动的场合。

⑹直齿圆锥齿轮近用于v<5m/s的场合，高速时可采用曲面齿等。

⑺蜗杆减速器主要有上置式和下置式，圆周速度小时采用下置式。

⑻在传动系统中，若有改变运动形式的机构，如连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构等，一般将其设置在传动系统的最后一级。⑼还应考虑各种传动机构的寿命和装拆维修的难易程度。三、总传动比的分配

合理地将总传动比分配到传动系统的各种传动中，是传动系统设计的另一个重要问题。它直接影响传动装置的外廓尺寸、总重量、润滑状态及工作能力。在多级传动中，总传动比与各级传动的传动比之间的关系为

合理地分配各级传动比可以减小传动装置的外廓尺寸和重量，改善润滑条件，降低成本等。具体分配各级传动比时主要考虑以下几点：1、下表列出了常用机械传动机构的单级传动比推荐值。各级传动机构的传动比应尽量在推荐的范围内选取。

类型平带传动V带传动链传动圆柱齿轮传动锥