机械设计基础与项目实践 课件 模块4 传动系统的总体设计

任务1拟定传动系统的传动方案任务2选择电动机任务3传动系统的总传动比及分配各级传动比任务4计算传动系统的运动和动力参数工作任务学习目标掌握常用传动及方案设计方法掌握电动机的选择方法掌握确定传动系统的总传动比及分配各级传动比掌握传动系统的运动和动力参数设计计算第四模块

传动系统的总体设计冲床的结构4.1任务1——拟定传动系统的传动方案4.1.1传动方案确定时应满足的要求4.1.2选择传动类型4.1.3确定传动顺序4.1.4拟定冲床传动系统的传动方案4.1.1传动方案确定时应满足的要求

传动系统一般包括传动件（齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动等）和支承件（轴、轴承、机体等）两部分。合理的传动方案主要满足以下要求：（1）机器的功能要求：应保证工作机的功率、转速和运动形式的要求。（2）工作条件的要求：例如工作环境、场地、工作制度等，（3）工作性能要求：应保证工作可靠、传动效率高（4）结构工艺性要求：如结构简单、尺寸紧凑、使用维护便利、工艺性和经济性合理等。4.1.2选择传动类型1．机械传动的常用类型及主要性能

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。2．机械传动类型选择原则（1）功率范围: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.（2）传动效率:传动功率越大，越要采用效率较高的传动类型。（3）传动比范围:采用多级传动时，应合理安排传动的顺序。（4）布局与结构尺寸:平行轴之间的传动，宜采用圆柱齿轮传动、带传动、链传动；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，带传动和摩擦传动的噪声较小。机械传动常用类型及主要特点类型特点普通V带传动传动平稳，噪声小，能缓冲吸振，过载打滑可起安全装置作用，结构简单，中心距变化范围较广，成本低。外廓尺寸大，传动比不恒定，寿命短链传动（滚子链）工作可靠，平均传动比恒定，中心距变化范围大，比带传动承载能力大，能适应恶劣环境。瞬时速度不准确，传动工作时动载荷及噪声较大，高速时运动不平稳多用于低速传动圆柱齿轮传动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。直齿圆柱齿轮可用作变速滑移齿轮；斜齿轮比直齿轮传动平稳，承载能力大圆锥齿轮传动蜗杆传动结构紧凑，传动比大，当传递运动时，传动比可达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，成本较高行星齿轮传动体积小，效率高，重量轻，传递功率范围大。要求载荷均衡机构，制造精度要求较高圆柱摩擦轮传动传动平稳，噪声小，有过载保护作用，传动比稳定，抗冲击能力低，轴和轴承均受力大4.1.3确定传动顺序合理布置其传动顺序，一般考虑以下几点：（1）带传动承载能力较低，结构尺寸较大，但传动平稳，能缓冲吸振和过载保护，应布置在高速级。（2）链传动运动不均匀，有冲击、振动，一般应将其布置在低速级。（3）蜗杆传动可以实现较大的传动比，尺寸紧凑，传动平稳，但效率较低，适用于中小功率的场合。与齿轮传动同时应用时，宜布置在高速级。（4）传递大功率时，一般采用圆柱齿轮。斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合。（5）圆锥齿轮加工较困难，特别是大直径、大模数的圆锥齿轮，所以只有在需改变轴的布置方向时采用，。（6）开式齿轮传动工作条件差，润滑不良、易磨损，一般布置在低速级。4.1.4拟定冲床传动系统的传动方案

传动系统采用水平布置的形式，选择合适的传动类型，并布置传动顺序，通过分析比较，从而确定冲床传动系统的传动方案。设计步骤如下：设计项目计算及说明1、选择传动系统所需的传动类型考虑以下因素：（1）带传动中带有弹性，能缓冲吸振，传动平稳，噪音小。结构简单，维护方便，成本低。有过载打滑，保护重要零件不受损坏。能传递较远距离的运动，改变带长可适应不同的中心距。（2）齿轮传动传动比恒定，传递运动准确可靠，传动平稳，承载能力较强，使用寿命长，适用的圆周速度和功率范围广。传动效率高，结构紧凑。选用带传动和齿轮传动（二级圆柱齿轮传动）的组合2、合理地确定传动顺序

带传动放在高速级，齿轮传动放在低速级。

传动顺序为：电动机——带传动——齿轮传动设计项目计算及说明3、确定齿轮传动的结构和布置形式考虑到减速器的装配工艺性，便于拆装，我们选择展开式二级圆柱齿轮减速器的结构4、拟定冲床传动系统的传动方案原动机——带传动——齿轮传动（二级展开式圆柱齿轮减速器）——联轴器——曲柄轴。传动简图如下：1—电动机

2—带传动

3—齿轮传动

4—联轴器

5—曲柄轴图中共有五根轴，按传动路线分别表示为：m—Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ—w4.2任务2——选择电动机4.2.1选择电动机的类型和结构型式4.2.2确定电动机的容量和转速4.2.3确定电动机的型号4.2.4冲床中电动机的选择4.2.1选择电动机的类型和结构型式

电动机分交流电动机和直流电动机两种。

直流电动机需要直流电源，结构较复杂，价格较高，维护较困难，无特殊要求时不宜采用。工业上一般用三相交流电源。

交流电动机有异步电动机和同步电动机两类。异步电动机有笼型和绕线型两种，采用新设计的Y系列三相鼠笼式异步电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其结构简单、工作可靠、价格低廉、维护方便，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体的场合。

根据不同防护要求，电动机结构还有开启式、防护式、封闭式和防爆式等，可根据防护要求选择。

电动机类型要根据电源种类（交流或直流），工作条件（温度、环境、空间位置尺寸等），载荷特性（变化性质、大小和过载情况），起动性能和起动、制动、反转的频繁程度，转速高低和调速性能要求等条件来确定。4.2.2确定电动机的容量和转速1.确定电动机的容量（额定功率）

对于长期连续运转的电动机，载荷不变或很少变化，且在常温下工作的电动机，选择电动机功率时，只需使电动机的额定功率P0等于或略大于电动机所需的工作功率Pm，电动机就不会过热。即：

P0≥Pm

电动机所需的工作功率为：

式中

Pm——电动机所需的工作功率；PG——执行机构所需的功率。

η——电动机至执行机构之间传动系统的总效率。应为组成传动系统

的各部分运动副效率之乘积，即：

η=η1·η2·η3···ηn

其中η1、η2、η3、ηn分别为传动系统中每一传动副（齿轮、蜗杆、

带或链）、每对轴承、每个联轴器的效率。2.确定电动机的同步转速

三相异步电动机常用的有四种同步转速，即3000、1500、1000、750r/min。通常多选用同步转速为1500r/min或1000r/min的电动机，如无特殊要求，一般不选用750r/min的电动机。根据执行机构主动轴转速nw和总传动比i范围，可以推算电动机同步转速的可选范围n′，即：n′=i·nw

式中

n′——电动机同步转速的可选范围；

nw——曲柄轴所需的转速；i——传动系统总传动比的合理范围，即：i=i0·i1·i2···in为各级传动副传动比的合理范围的乘积。

选定电动机类型、结构，对电动机可选得转速进行比较，选定电动机容量和转速后，即可在电动机产品目录中查出其型号、性能参数和主要尺寸。Y系列电动机（JB3074-82）的型号表示方法。例如Y100L2-4的电动机：表示异步电动机，机座中心高为100mm，长机座，功率序号为2（功率为3kW），4极。注：设计计算传动系统时，一般按实际电动机所需的工作功率Pm来计算，而转速则按电动机额定功率时的满载转速nm来计算。4.2.3确定电动机的型号

冲床中，曲柄轴转动一周，冲头工作一个周期，生产率为70件/min，也即曲柄轴转速为nw=70r/min。设计步骤如下：设计项目计算及说明结果1、选择电动机的类型和结构形式Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机。

2、确定电动机容量（额定功率）(1)计算执行机构所需功率PG

==2.10

PG＝2.10kW(2)计算传动系统总效率ηη=η1·η22·η33·η4·ηw

普通V带传动效率η1=0.96一对齿轮副效率(9级精度、油润滑)η2=0.96一对滚动轴承效率(球、脂润滑)η3=0.99联轴器效率(弹性)η4=0.99执行机构效率ηw=0.6

η=0.514.2.4冲床中电动机的选择(3)计算电动机所需的功率Pm

Pm＝4.12kW(4)确定电动机的额定功率P0P0≥Pm

查手册，取标准系列值P0=5.5kW3、确定电动机的同步转速(1)计算曲柄轴所需的转速nw

nw=70r/min（原始数据）(2)计算传动系统总传动比的范围ii=i0·i1·i2查表4-2得：普通V带传动i0=2~4两级圆柱齿轮传动i1·i2=8~40（i1为高速级齿轮传动传动比，i2为低速级齿轮传动传动比。）

i=16~160(3)计算电动机输出轴所需的转速范围n′n′=i·nw=(16~160)nwn′=1120~11200r/min(4)确定电动机的同步转速nd

查手册，比较二种方案，见下表方案比较nd=1500r/min4、确定电动机的型号查手册，比较二种方案，见下表方案比较Y132S-4电动机选择方案比较方案电动机型号额定功率(kW)电动机转速(r/min)电动机重量(kg)同步转速满载转速1Y132S1-25.530002900642Y132S-45.51500144068电动机有关安装及外形尺寸(mm)

中心高外形尺寸底脚安装尺寸地脚螺栓孔直径轴伸尺寸装键部位尺寸HL×（AC/2+AD）×HDA×BKD×EF×G132475×345×315216×1401238×8010×334.3任务3——确定传动系统的总传动比及分配各级传动比4.3.1确定传动系统的总传动比4.3.2分配各级传动比4.2.3冲床传动系统的总传动比及分配各级传动比冲床传动系统4.3.1选择电动机的类型和结构型式

电动机的满载转速nm及执行机构的转速nw就可确定传动系统的总传动比为：总传动比也等于各级传动比的乘积，即：

i=i0·i1·i2···in

4.3.2分配各级传动比1.传动比的分配原则分配传动比时，考虑以下原则：1）各级传动的传动比应在合理范围内，不超出允许的最大值，并使结构比较紧凑。2）注意使各级传动件尺寸协调，结构匀称合理以及便于安装。3）应使传动系统结构尺寸较小、重量较轻。例如：二级减速器中，高速级齿轮的传动比大于低速级齿轮传动比，会使低速级大齿轮直径减小而使减速器外廓尺寸较小。2.传动比的分配一般推荐：展开式二级圆柱齿轮减速器高速级传动比为i1=(1.3

~1.5)i2。一般允许执行机构实际转速与要求转速的相对误差为±（3~5）％。4）应使各传动件尺寸协调，结构匀称合理，避免干涉碰撞。例如：二级圆柱齿轮减速器由于高速级传动比过大，会造成高速级大齿轮与低速轴相碰。5）采用浸油润滑时，使各级齿轮副的大齿轮直径尽量相近。4.3.3冲床传动系统的总传动比及分配各级传动比（1）带传动的传动比合理范围为i0=2~4；（2）按展开式二级圆柱齿轮传动的传动比分配原则，取i1=(1.3~1.5)i2。设计步骤如下：设计项目计算及说明结果1.传动系统的总传动比i=20.57i=20.572.分配各级传动比i1、i2i=i0·i1·i2i0=2~4，i1＝（1.3~1.5）i2

取：

i0=2，i1＝1.4i2

则：20.57=2×1.4i2×i2

得：i1=3.80i2=2.71i0=2i1=3.80i2=2.713.校核实际传动比：i′=2×3.80×2.71=20.596×100%=0.1%<5%

满足要求4.4任务3——计算传动系统的运动和动力参数4.4.1运动和动力参数指标4.4.2计算传动系统的运动和动力参数4.4.3冲床冲床传动系统的运动和动力参数的计算4.4.1运动和动力参数指标

主要参数性能指标有两类：一是运动特性，通常用传动比、转速等参数来表示；二是动力特性，通常用功率、转矩、效率等参数来表示。1.传动比：

传动比反映了机械传动增速和减速的能力。一般情况下，传动系统均为减速传动。2.圆周速度和转速：

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。为了维持高的圆周速度，主要是提高转速。4.传动效率：机械传动效率的高低，是反映机械传动系统性能指标的重要参数之一。5.转矩：3.功率：或传动类型传递功率P（kW）圆周速度V（m/s）传动比i一般范围最大值普通V带传动≤100≤25~302~4≤7平带传动≤20≤252~4≤6链传动（滚子链）≤100≤202~6≤8圆柱齿轮传动一级开式直齿：≤750斜齿和人字齿：≤500007级精度：≤255级精度以上的斜齿轮：15~1303~7≤15~20一级减速器3~5≤12二级减速器8~40≤60圆锥齿轮传动一级开式直齿：≤1000曲线齿：≤15000直齿：＜5曲线齿：5~402~4≤8一级减速器2~3≤6蜗杆传动一级开式通常≤50最大达750滑动速度：≤15个别达3515~60≤120一级减速器10~40≤80二级减速器70~800≤3600

常见机械传动的主要性能表4.4.2计算传动系统的运动和动力参数传动系统各轴由高速到低速依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴，则：1．各轴转速(r/min)：、2．各轴功率(kW)：－依次为带传动、齿轮传动、轴承、联轴器的传动效率。－依次为由电动机轴至高速轴Ⅰ和Ⅰ、Ⅱ轴，Ⅱ、Ⅲ轴间的传动比。3.各轴转矩(N·mm):4.4.3冲床传动系统的运动和动力参数的计算设计步骤如下：设计项目计算及说明1、各轴转速（r/min）

2、各轴功率（kW）设计项目计算及说明3、各轴转矩（N·mm）

4.6拓展知识4.6.1轮系的分类4.6.2定轴轮系及其传动比的计算4.6.1轮系的分类1.轮系概念一系列互相啮合的齿轮组成的传动系统，称为齿轮系，简称轮系。

轮系可以用作变速、变向，获得大传动比、多传动比，也可以用来分解或合成运动，应用广泛。2.轮系类型（1）按齿轮轴线的位置是否固定分类：定轴轮系、行星轮系定轴轮系：各齿轮的轴线位置相对于机架都固定不动行星轮系：若轮系中至少有一个齿轮的轴线绕另一个齿轮的固定

轴线转动。（2）按齿轮轴线是否平行分类：平面轮系和空间轮系若组成轮系的所有齿轮的轴线都相互平行或重合，则该轮系为平面轮系，否则称为空间轮系。4.6.2定轴轮系及其传动比的