《机械设计基础 第4版》 教案 第15章 机械传动系统设计

PAGEPAGE7第15章机械传动系统设计基本要求：了解机械传动系统传动方案的设计以及运动和动力计算。重点：机械传动系统传动方案的设计以及运动和动力计算。难点：机械传动系统传动方案的设计。学时：课堂教学：3学时。教学方法：多媒体结合板书。15.1机械传动系统设计15.1.1现代机械系统的组成任何现代机械系统，尽管构造和用途繁多，但是其结构组成均包括：原动机、传动系统和工作机构三个部分。此外，为保证机械系统的正常工作，还应有操作装置或控制系统。15.1.2机械系统的传动方案传动装置是将动力机的动力和运动传递给执行装置的中间装置。设计机械传动系统时，首先应根据生产工作需要提出的动作要求，拟定产品的传动方案。一般以传动动力为主的传动称为动力传动，以传动运动为主的传动称为运动传动。机器中采用不同的传动方式构成的传动装置可以起到以下作用：1）改变运动规律，如减速、增速、间歇运动等。2）改变运动形式，将连续的匀速旋转运动变为按某种规律变化的旋转、非旋转的其它运动，如曲柄滑块机构、齿轮齿条机构等。3）实现由一个动力机驱动若干个运动形式和速度各异的驱动机构，如弯曲成型机等。4）传递动力，即将动力机的动力传递给执行机构。5）物料输送，如生产线上的物料输送装置。传动方案是否合适，对机械产品的设计质量具有决定性影响，所以拟定产品的传动系统是设计中至关重要的一环。传动方案与机械产品的工作原理密切相关，而机械产品的工作原理又是多种多样的，即使是完成同一任务，也可以有多种不同的工作原理来完成。例如，加工齿轮可以采用仿形法或展成法。工作原理不同，传动方案不同，即使工作原理相同也可以拟定几种不同方案。因此，在设计机械产品时，应综合考虑各方面因素，对各种传动方案加以比较，选择其中的最佳方案。15.1.3机械传动型式与选择根据传动比能否改变，机械传动可分为固定传动比传动、可调传动比传动和变传动比传动三类。可调传动比又分为有级变速和无级变速。1、选择机械传动类型的依据工作机的性能参数和工况；原动机的机械特性和调速性能；对机械传动系统的性能、尺寸、重量和安装布置上的要求；工作环境要求；制造工艺性和经济性要求等。2、选择传动系统的原则（1）简化传动环节a）当原动机的功率、转速和运动形式完全符合工作机构的工况要求时，可将原动机的输出轴与工作机构的输入轴用联轴器直接联接。这种方式结构最简单、传动效率也最高。但是当原动机的输出轴与工作机构的输入轴不在同一轴线上时，如两轴平行、相交或交错，就需要采用一定类型的机械传动装置；b）若原动机可调速而工作机构的载荷又变化不大，或者工作机构有调速要求并与原动机调速范围相适应，可采用固定传动比的机械传动装置。c）当工作机构要求的调速范围比较大，而原动机调速的机械特性不能满足要求时，可采用可调传动比的机械传动装置。在满足工作要求的前提下应尽量采用有级变速传动，尽量不用结构复杂、造价较高的无级变速传动。（2）提供机械传动效率a）高速、大功率、长期工作的工况，应选用承载能力高、传动平稳、效率高的传动类型；b）速度降低，中、小功率，要求传动比比较大的工况，可采用单级蜗杆传动多级齿轮传动、带传动－齿轮传动、带－齿轮－链传动等多种方案，并进行分析比较，从中选择效率较高的方案；c）传动比较大时，应优先选用结构紧凑的蜗杆传动和行星齿轮传动。原动机输出轴和工作机构输入轴平行时，可采用圆柱齿轮传动，若中心距较大时可采用带传动或链传动。两轴平面相交时可用圆锥齿轮传动，两轴空间相交可用蜗杆传动，两轴同轴布置时可用二级同轴式圆柱齿轮传动或行星齿轮传动。（3）合理安排传动机械的顺序多种传动协同使用时，带传动应用在高速级以降低所传动的转矩；斜齿轮传动常用在高速级和要求传动平稳的场合；圆锥齿轮传动宜用在高速级以减小尺寸；链传动因运转不均匀宜用在低速级；开式齿轮传动因工作环境差应用在低速级；蜗杆传动与齿轮传动同时使用时，宜用在高速级以节约有色金属。（4）确保机械系统安全运转工作环境恶劣，粉尘较多时，尽量采用闭式传动以延长传动零件寿命。工作环境温度较高或易燃易爆场合不宜采用带传动等。（5）合理分配传动系统的传动比在进行传动系统方案分析比较中，为确定出最佳方案，可用采用最优化设计的方法，把设计问题转换为数学问题，建立数学模型，借助于计算机求解得到最优方案。也可以采用技术经济评价法。具体可以参考有关资料。15.2机械传动的运动和动力计算15.2.1传动系统的效率效率是机器的一项重要指标，也是选择动力机的依据之一。一般在设计传动系统时，应该进行效率计算。传动系统的效率与基本机构的传动副性质以及基本机构的组合方式有关。设k个机构依次串联，各个机构的效率分别为。则传动系统总的效率为各个的乘积。15.2.2传动系统的功率功率是选择动力机以及进行传动系统设计计算的主要依据之一。由于，所以其中：Pd为传动系统的输入功率（kW），由动力机提供。Pw为传动系统的输出功率（kW），即工作机构的工作功率。工作机构所需的工作功率应根据机器的工作阻力和运动参数计算得到。在静载荷作用时工作机影响平稳的情况下，工作功率可按下式计算：其中：F为工作机阻力（N）；v为工作机的线速度（m/s）；工作机的效率。15.2.3传动系统的转矩已知轴的输入功率P以及转速n时，则转矩为其中：P为轴的输入功率（kW）；n为轴的转速（r/min）；T为作用于轴上的转矩（Nm）。可知：轴的转矩T与转速n成反比。减速运动时，转矩增大，增速运动时转矩减小。传动系统常采用减速传动获得较大的转矩。15.2.4串联联接的传动比的分配当电动机选定之后，电动机的转速与工作机的转速之比即为传动系统的总传动比，串联联接系统的总传动比等于各子结构的传动比的乘积，分配传动比时应该考虑以下几点：1）各传动机构的尺寸协调，结构匀称合理。如由带传动和齿轮减速器组成的传动装置中，一般应使带传动比控制在一定范围，避免大带轮尺寸过大，影响传动质量和安装。2）通过调节各级传动比，应使传动装置的总体尺寸紧凑、重量最轻。3）闭式齿轮传动，应使各级大齿轮有合理的浸油深度，以利于各级齿轮传动得到良好润滑，以及避免某级大齿轮浸油过深而增加搅油损失。因此高速级的传动比应比低速级传动比略大。15.2.5机械传动系统的评价标准评价标准有五个方面：1）运动精确性；2）工作可靠性；3）运动平稳性；4）制造经济性；5）结构紧凑性。本章小结1.机械传动系统设计应采用系统性思想，对各种传动机构的性能特点、机器的工作要求、工作环境、生产条件、用户使用和市场需求情况、技术发展等进行综合考虑；2.方案设计是机械传动系统设计的核心，需要进行传动路线选择、传动机构类型选择和布置顺序安排。设计时应拟定多个方案，进行综合分析比较，从中选出最合理的方案；3.传动系统的运动和动力参数计算中，总传动比的合理分配最为关键，直接影响到各