第14章机械传动系统方案设计

第十四章机械系统方案的设计§14－1概述§14－2机械工作原理的方案拟定§14－4机构的选型和变异

§14－7机械传动系统设计举例§14－3执行构件的运动设计和原动机的选择§14－5机构的组合§14－6机械传动系统方案的拟定山西理工学院专用作者：潘存云教授机械传动系统的组成：由若干种不同机构组合而成，能实现机械工艺过程所需运动的系统。作用：1.实现预期运动减速(或增速)、变速、转换运动形式和使执行构件协调配合工作等运动要求。2.传递动力把原动机输出的功率或转矩传递到执行构件上去，以克服生产阻力。§14－1概述3.运动操纵与控制指现代机械将光、机、电、液有机结合，借助于微机控制，自动实现机械所需的完整的工作过程。山西理工学院专用作者：潘存云教授提高机械的性能与质量正确、合理的设计减少维护费用故应予以高度重视降低制造成本机械传动系统设计的特点——

创造性的思维活动。要求：1)注重多学科知识的综合应用；2)注重总结与实践经验的积累；3)充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设计方法与技巧。以便设计出新颖、灵活、高效的机械传动系统山西理工学院专用作者：潘存云教授3)机构选型、变异与组合;4)机构的尺寸综合;5)方案分析;1)拟定机械的工作原理;2)执行机构的运动设计和原动机的选择;6)方案评审。1)拟定机械的工作原理——根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作。2)执行机构的运动设计和原动机的选择——根据功能和工艺动作，确定各执行构件的数目、运动形式、运动参数以及运动协调配合关系，生产阻力等，确原动机的类型和功率。设计步骤山西理工学院专用作者：潘存云教授3)机构选型、变异与组合;4)机构的尺寸综合;5)方案分析;1)拟定机械的工作原理;2)执行机构的运动设计和原动机的选择;6)方案评审。设计步骤3)机构选型、变异与组合——根据机械的动力与功能要求，合理选择机构类型，拟定机构的组合方案，形成能满足运动和动力要求的机械传动系统方案。绘制机械传动系统的示意图。4)机构的尺寸综合——根据执行构件和原动件的运动参数，以及各执行构件运动的协调配合的要求，确定各构件的运动尺寸，绘制机构运动简图。山西理工学院专用作者：潘存云教授3)机构选型、变异与组合;4)机构的尺寸综合;5)方案分析;1)拟定机械的工作原理;2)执行机构的运动设计和原动机的选择;6)方案评审。设计步骤5)方案分析——根据机械的生产阻力或原动机的额定转矩，进行机械中力的计算，作为下一步零件强度计算的依据。6)方案评审——通过对众多方案的评比，选择最佳方案。山西理工学院专用作者：潘存云教授设计机械产品时，首先应根据使用要求、技术条件及工作环境等情况，明确提出机械所要达到总功能，然后拟定实现这些功能工作原理及技术手段；最后设计出机械系统传动方案。§14－2机械工作原理的方案拟定产品的功能——用途、性能使用价值等，它是根据人们生产或生活需要提出来的。可行性经济性确定功能指标应考虑先进性工作质量传动方案结构形式制造成本实现产品功能的工作原理决定了技术水平确定工作原理应利用各种创造技法，借鉴同类产品的成功的经验和最新科技成果。山西理工学院专用作者：潘存云教授应根据机械的功能要求，根据不同的工作原理拟定出多种运动方案，进行综合评价，从中选择一个最佳方案。实现同一种功能可以采用多种工作原理。套丝搓丝如螺纹加工车削插齿剃齿如齿轮加工滚齿工作原理不同，运动方案也不同。即使工作原理相同，也可以有不同的运动方案。加工刀具不同，运动方案也不同。为了便于设计，应将机械的功能进行分解。山西理工学院专用作者：潘存云教授设计一台彩色电视机阴极盘用的金属片的冲裁机器，圆片直径φ10mm，厚度0.8mm。功能分解：送料冲制退回确定方案时应注意两点：1）用最简单的方法实现同一功能。φ100.8图示按摩椅中的按摩轮利用一个偏心空间凸轮同时实现三维方向的按摩作用：径向振动挤压、向下推拉、和横向推拉，构思巧妙，结构非常简单。B∆r按摩轮山西理工学院专用作者：潘存云教授活动游标光源透镜读数窗2）注意光、机、电、流体等知识的综合运用。确定方案时应注意两点：1）用最简单的方法实现同一功能。指针玛瑙支撑K向刀口活动游标图示分析天平，要求精度达到0.01g,但靠目力读指针的微小偏角已不可能。增加了一级光学杠杆，将读数放大。山西理工学院专用作者：潘存云教授一个执行构件两个执行构件机械传动系统的作用就是将原动机的运动和动力传递到执行构件，故原动机的类型和执行构件的运动形式、运动参数、运动方位等都决定了传动系统的方案。执行构件的运动设计和原动机的选择,就是根据拟定的工作原理和工艺动作过程，确定执行构件的数目、运动形式、运动参数、运动协调关系，并选择适当的原动机的类型和运动参数与之相配。一、执行构件的运动设计1)执行构件的数目§14－3执行构件的运动设计和原动机的选择根据工作原理工艺动作过程执行构件的数目运动形式运动参数运动协调关系原动机的类型和运动参数——取决于机械分功能或分动作的多少，两者不一定相等，要具体分析确定。如立式钻有两种方案:山西理工学院专用作者：潘存云教授2)执行构件的运动形式和运动参数直线运动曲线运动复合运动往复摆动执行构件运动形式回转运动每分钟转数rpm——由两个以上单一运动合成间歇回转停歇往复直线停歇单向直线沿可变曲线运动连续回转沿固定曲线运动往复直线每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速比系数每分钟行程数目、大小、行程速比系数每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度。——每次进给量的大小。山西理工学院专用作者：潘存云教授往复摆动电动机气缸原动件运动形式连续回转往复直线二、原动件的类型及其运动参数的选择液压马达气动马达内燃机液压马达气动马达直线电机油缸柴油机燃气轮机汽油机直流电动机交流变频变速电动机伺服电动机步进电动机力矩电动机交流异步电动机交流异步电动机的运动参数——同步转数：

3000，1500，1000，750，600rpm山西理工学院专用作者：潘存云教授砂轮工件砂轮架三、各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图1）各执行构件间运动的协调配合关系a)运动彼此独立无需协调配合：外圆磨床的砂轮和工件的四个运动彼此独立。故应为每个运动单独设计各自的运动链。山西理工学院专用作者：潘存云教授b)动作协调配合：图示冲床的两个执行构件中，要求：▲送料构件将原料送入模孔上方后，冲头才可进入模孔进行冲压；图示折叠包装机构的两个执行构件中，要求：饼干1342饼干2右折边构件43包装纸左折边构件1饼干1342饼干1342饼干1342左折边构件右折边构件饼干1342包装纸MBA两个构件不能同时位于区域M把MAB中，以免干涉。▲当冲头上移一段距离后，才能进行下次送料动作。山西理工学院专用作者：潘存云教授c)各执行构件运动速度的协调配合：范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。作者：潘存云教授作者：潘存云教授ωω0ωω0齿轮插刀加工i=ω0/ω=z/z0共轭齿廓互为包络线切削运动ωω0范成运动让刀运动对于有运动协调配合要求的构件，往往采用以一台原动机，通过传动系统分配运动，实现协调动作。山西理工学院专用作者：潘存云教授2）机械的工作（运动）循环图定义：设计机械时，用以表示机械在一个工作循环过程中，各执行构件之间运动配合关系的图形。定标件：用其运动位置（转角或位移）作为确定其它执行构件运动先后次序的基准。形式：直线式、圆周式、直角坐标式三种。▲直线式工作循环图退回停止冲制进给冲头送料器曲柄转角φ

0˚90˚180˚270˚360˚此例中主轴作为定标件。山西理工学院专用作者：潘存云教授▲圆周式工作循环图图示为单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为定标件，转2圈为一个工作循环。启排气门开启进气门开进气排气压缩膨胀闭进气门关火点曲轴0˚540˚360˚180˚排门闭关气山西理工学院专用作者：潘存云教授进退静止静止静止进退MM左执行机构1右执行机构4分配轴转角φ0˚90˚180˚270˚360˚▲直角坐标式工作循环图饼干包装机工作循环图中，横轴表示定标件的转角，纵轴表示执行构件的转角。饼干1342饼干2右折边构件43包装纸左折边构件1饼干1342饼干1342饼干1342左折边构件右折边构件饼干1342包装纸MBA两个构件不能同时位于区域M把MAB中，以免干涉。山西理工学院专用作者：潘存云教授§14－4机构的选型和变异一、机构的选型——选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。1）传递连续回转运动的机构啮合传动机构连杆机构传递连续回转运动的机构:摩擦传动机构摩擦轮传动带传动蜗杆传动链传动齿轮传动平行四边形机构双曲柄机构摩擦传动机构的优缺点：优点：结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。缺点：传动比不准确、传递功率小、效率低。山西理工学院专用作者：潘存云教授12摩擦轮传动123平板式无级变速器123圆锥式无级变速器2）实现单向间歇回转运动的机构棘轮机构齿轮--连杆机构单向间歇回转运动槽轮机构不完全齿轮机构凸轮式间歇运动机构——适用于转角固定的转位运动。——每次转角小，或转角大小可调的低速场合。——大转角而速度不高的场合——运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高速场合。——特殊要求的输送机构。山西理工学院专用作者：潘存云教授3）实现往复移动往复摆动运动的机构凸轮机构组合机构往复运动连杆机构螺旋机构齿轮齿条机构液压缸、气缸正弦机构正切机构六连杆机构曲柄滑块机构连杆机构的特点：制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于无严格运动规律的场合。凸轮机构的特点：能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载能力不大。山西理工学院专用作者：潘存云教授3）实现往复移动往复摆动运动的机构凸轮机构组合机构往复运动连杆机构螺旋机构齿轮齿条机构液压缸、气缸正弦机构正切机构六连杆机构曲柄滑块机构螺旋机构的特点：可获得大的减速比和较高的运动精度，常用作低速进给和精密微调机构。齿轮齿条机构的特点：适用于移动速度较高的场合，精密齿条制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。山西理工学院专用作者：潘存云教授凸轮机构的推杆行程一般较小，否则会使压力角过大或尺寸过大。连杆机构可以获得较大行程，但不能太大，否则机构尺寸会过于庞大。齿轮齿条机构或螺旋机构可满足大行程的要求。4）再现轨迹的机构齿轮——连杆组合机构联动凸轮机构再现轨迹连杆机构凸轮——连杆组合机构一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。山西理工学院专用作者：潘存云教授齿轮——连杆组合机构作者：潘存云教授搅拌机构CBADE凸轮——连杆组合机构联动凸轮机构山西理工学院专用作者：潘存云教授二、机构的变异当所选机构不能满足机械提出的运动和动力要求时，或者为了改善所选机构的性能或结构时，可以通过改变机构中某些构件结构形状、运动尺寸、更换机架或原动件、增加辅助构件等方法获得新的机构或特性。此称为机构的变异构件结构形状运动尺寸更换机架或原动件增加辅助构件目的：获得新的机构或特性，已满足使用要求。机构的变异1）改变构件结构形状若将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，运动到左侧时，可获得较长时间的停歇。山西理工学院专用作者：潘存云教授2）改变构件运动尺寸槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时,槽条机构3）选不同的构件作为机架

——机构的倒置摆动凸轮机构123123连杆--凸轮机构A1BCO234罐头封口机构要求C点沿接合缝运动。山西理工学院专用作者：潘存云教授4）选不同的构件作为原动件作者：潘存云教授ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆双摇杆机构中，选连杆作为原动件，可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动。5）增加辅助构件作为原动件图示手动插秧机分秧、插秧机构中增加了一个辅助构件—活舌3，从而使M点实现预定轨迹。123B654M3山西理工学院专用作者：潘存云教授231453’a’a”6）用最小阻力原理简化机构最小阻力定律——在自由状态下，刚体总是沿阻力最小的方向运动。当原动件数目小于机构自由度数目时，机构遵循最小阻力定律，用此可以简化机构。虽然理论上机构运动仍不确定工作原理：送料机构的自由度为2，推程时因转动摩擦力比滑动摩擦力小而构件3先逆时针转动，碰到下挡销时止。这一过程使推爪向下运动，并插入工件的凹槽中。此后推杆、工件、滑块三者为一体，向左推送工件。回程时，推杆先顺时针转动，推杆与工件脱离，碰到上挡销时，推杆与滑块一起返回。自由度：F=2送料机构机构简单，但运动不是强制性的，故存在以外干扰的可能。山西理工学院专用作者：潘存云教授一、机构的串联组合§14－5机构的组合为了实现执行机构的运动形式、运动参数以及运动协调关系，或者为了改善机械的动力特性，需要将选定的各种机构组合在一起。前一个机构的输出，作为下一个机构的输入，依次串联。一般串联组合：后一级机构的主动件固连在前一级机构的一个连架杆上。51234ω1IIIω1s3s4III特殊串联组合：后一级机构的主动件串接在前一级机构的一个连杆上。123A54DCBFEM山西理工学院专用作者：潘存云教授123A54DCBM123A4DCBE织布机开口机构。M点通过直线段时，从动导杆作较长时间的停歇。III齿轮机构与连杆机构的串联组合。行星轮上各不同点的轨迹是各种内摆线，故选择不同点C可使从动杆4获得不同的运动规律。特殊串联组合的表示符号：山西理工学院专用作者：潘存云教授二、机构的并联组合一个机构产生若干个分支后续机构，或若干个分支机构汇合后于一个后续机构的组合方式。1)一般并联组合：各分支机构间无任何严格的运动协调配合关系。各分支部分可独立设计。表示框图某航空发动机附件传动系统主动轴VIⅡⅥⅢⅣ山西理工学院专用作者：潘存云教授2)特殊并联组合：各分支机构间有严格的运动协调配合关系。(1)有速比要求各分支部分常共用一台原动机（或集中数控），各部分严格按速比设计。(2)有轨迹配合要求图示联动凸轮机构中，两个分支凸轮共同驱动一个从动件，实现矩形轨迹完成送料。圆珠笔芯自动送料机构154326ω11山西理工学院专用作者：潘存云教授(3)有时序要求各分支机构在动作的先后次序上有严格的要求。如自动车床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求。凸轮I凸轮II凸轮III凸轮转角090˚180˚270˚360˚放松(送料)车外圆道角挡料切断夹紧工件（铆钉）外圆车刀棒料切断刀倒角刀凸轮轴挡板IIIIII主轴山西理工学院专用作者：潘存云教授(4)有运动形式配合要求左图所示搅拌机除了E点按曲线运动外，还要求搅拌釜作自旋运动，但两者无速比要求。砂轮工件砂轮架作者：潘存云教授搅拌机构如右图磨床中的主轴回转、砂轮回转、工件进给也属于运动形式上的配合。CBADE山西理工学院专用作者：潘存云教授3)汇集式并联组合：若干分支机构汇集一道共同驱动一后续机构。常用于重型机械传动。直线电机禁翼直线电机某型飞机的禁翼操纵机构大型船舶主传动机构汇集式并联组合的符号框图：一个直线电机失灵后，另外一个仍能工作山西理工学院专用作者：潘存云教授三、机构的封闭式组合将一个多自由度机构（称基础机构）中的某两个构件的运动用另外一机构（称约束机构）将其联系起来，使其成为一个单自由度机构的组合。1)一般封闭`式组合cdIabIIIabcdII1234AB6BDC5GF将基础机构的两个主动构件或两个从动构件用约束机构封闭起来。ωIωaωbωIIω1ω1ω4C(x,y)ωaω1ωbωII山西理工学院专用作者：潘存云教授2)反馈封闭`式组合通过约束机构使从动件的运动反馈到基础机构。校正原理：蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构K使蜗杆得到一附加转动，以校正误差。机床校正机构ω14ω1ω42’13K2ω1ω1ω4组合示意框图山西理工学院专用作者：潘存云教授III四、机构的装载式组合将一个机构装在另一个机构的活动构件上。1）单自由度的装载式组合作者：潘存云教授ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆电动木马机构中的摇块机构装在一个双杆机构上。2）双自由度的装载式组合风扇转子（双杆机构）装在曲柄摇杆机构上。III山西理工学院专用作者：潘存云教授在确定了机械的工作原理，并完成了执行机构构件和原动机的运动设计之后，通过进行机构的选型、变异及组合，即可形成机械传动系统方案。最后通过分析与评价，从众多的方案中选出最佳方案。§14－6机械传动系统方案的拟定一、拟定机械传动方案的一般原则1）采用尽可能短的运动链理由：降低重量和制造成本、提高效率、减少累计误差。方法：在无严格速比要求时，各分支选用独立原动机。2）优先选用基本机构理由：基本机构结构简单、设计方便、技术成熟。在不满足要求时，才考虑变异或组合。3）应使机械有较高的机械效率4）合理安排不同类型传动机构的顺序▲转变运动形式的机构（如凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等）通常安排运动链的末端，与执行机构靠近。山西理工学院专用作者：潘存云教授▲带传动和摩擦传动一般应安排转速较高的运动链的起始端，以减小传动的扭矩，并减小外形尺寸。5）合理分配传动比（1）每一级传动比应在合理范围内选取；（2）减速传动时，按前小后大的原则分配，有利于减小尺寸；传动机构种类平带V带摩擦轮齿轮蜗杆链圆周速度m/s5~255~3015~2515~12015~3515~40减速比≤5≤8~15≤7~10≤4~8≤80≤6~10最大功率kw2000750~1200150~250500005503750常用传动机构的合理取值范围山西理工学院专用作者：潘存云教授6）保证机械的安全运转为防止倒转可采用自锁装置或制动器，防止过载损坏可采用摩擦传动或安全联轴器。二、拟定机械传动方案的方法1）功能分解组合法基本思路：▲将总功能分解成若干分功能，再细分解成元功能；▲为每一个元功能选择一个完成此功能的机构；▲将各种机构加以适当组合或变异得到一个运动方案；由于实现元功能的机构是多样的，根据排列组合原理可得到若干种运动方案。山西理工学院专用作者：潘存云教授φ100.8冲床功能分解：送料冲制退回冲头功能细分：往复运动、