机械原理第章-机械传动系统方案设计.ppt

第11章机械传动系统方案设计,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 11 章机械传动系统方案设计,11.1机械传动系统方案设计的过程,11.2传动类型的选择,11.3传动链的方案设计,11.4原动机的选择,思考题及习题,11.1机械传动系统方案设计的过程,机械传动系统的设计是机械设计中极其重要的一环，设计得正确、合理与否，对提高机械的性能和质量、降低制造成本与维护费用等影响很大，故应认真对待。机械传动系统方案的设计是一项创造性活动，要求设计者善于运用已有知识和实践经验，认真总结过去的有关工作，广泛收集、了解国内外的有关信息，充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设计方法和技巧，以便设计出新颖、灵巧、高效的传动系统。,机械传动系统设计过程如下：,(1)确定传动系统的总传动比。,(2)选择传动类型，即根据设计任务书中所规定的功能要求，执行系统对动力、传动比或速度变化的要求以及原动机的工作特性，选择合适的传动装置。,(3)拟定传动链布置方案，即根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置的传动特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，以完成从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。,(4)分配传动比，即根据传动系统的组成方案，将总传动比合理分配至各级传动机构。,(5)确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数，为各级传动机构的结构设计、强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标。(6)绘制传动系统运动简图。,11.2传动类型的选择,传动装置的类型很多，选择不同类型的传动机构，将会得到不同形式的传动系统。为了得到理想的传动方案，需要合理选择传动类型。,11.2.1传动机构的类型及特点,1 按传动的方式分,1)机械传动 ,利用机构所实现的传动称为机械传动，其优点是工作平稳、可靠，对环境的干扰不敏感；缺点是响应速度较慢、控制欠灵活。,机械传动按传动原理又可分为啮合传动和摩擦传动两大类（见表11-1）。啮合传动传动比恒定、传递功率大、尺寸小（除链传动外）、速度范围广、工作可靠、寿命长，但加工制造复杂、噪音大，需安装过载保护装置；摩擦传动工作平稳、嗓音小、结构简单、容易制造、价格低、有吸收冲击和过载保护的能力，但传动比不稳定、传递功率较小、速度范围小、轴与轴承承载大、寿命较短。,2)液压、液力传动,利用液压泵、阀、执行器等液压元器件实现的传动称为液压传动；液力传动则是利用叶轮通过液体的动能变化来传递能量的。,液压、液力传动的主要优点是速度、扭矩和功率均可连续调节；调速范围大，能迅速换向和变速；传递功率大；结构简单，易实现系列化、标准化，使用寿命长；易实现远距离控制，动作快速；能实现过载保护。它的缺点主要是传动效率低，不如机械传动准确；制造、安装精度要求高；对油液质量和密封性要求高。,3)气压传动 ,以压缩空气为工作介质的传动称为气压传动。,气压传动的优点是易快速实现往复移动、摆动和高速转动，调速方便；气压元件结构简单，适合标准化、系列化，易制造，易操纵；响应速度快，可直接用气压信号实现系统控制，完成复杂动作；管路压力损失小，适于远距离输送；与液压传动相比，经济且不易污染环境，安全能适应恶劣的工作环境。它的缺点是传动效率低；因压力不能太高，故不能传递大功率；因空气的可压缩性，故载荷变化时，传递运动不太平稳；排气噪音大。,4)电气传动,利用电动机和电气装置实现的传动称为电气传动。,电气传动的特点是传动效率高、控制灵活、易于实现自动化。,由于电气传动的显著优点和计算机技术的应用，传动系统也正在发生着深刻变化。在传统系统中作为动力源的电动机虽仍在大量应用，但已出现了具有驱动、变速与执行等多重功能的伺服电机，从而使原动机、传动机构、执行机构朝着一体化的最小系统发展。目前，电气传动已在一些系统中取代了传动机构，而且这种趋势还会增强。,2 按传动比和输出速度的变化情况分,按传动比和输出速度的变化情况对传动类型分类，如表11-2所示。,1）定传动比传动,定传动比传动的输入与输出转速对应，适应于执行机构的工况固定或其工况与原动机对应变化的场合。,2）变传动比有级变速传动,变传动比有级变速传动的一个输入转速可对应于若干个输出转速，适用于原动机工况固定而执行机构有若干种工况的场合，或用于扩大原动机的调速范围。,3）变传动比无级变速传动,变传动比无级变速传动的一个输入转速对应于某一范围内无限多个输出转速，适用于执行机构工况很多或最佳工况不明确的情况。,4）变传动比周期性变速传动,变传动比周期性变速传动的输出角速度是输入角速度的周期性函数，以实现函数传动或改善动力特性。,11.2.2传动类型的选择原则,机械传动类型的选择关系到整个机械系统的方案设计，机器的工作性能、可靠性、尺寸、质量和成本，只有通过多种方案的分析比较，才能较合理地选用传动类型。选择传动类型的依据主要有：,（1）工作机的性能和工况。,（2）原动机的机械特性和调速性能。,（3）对机械传动系统的尺寸、质量和布置上的要求。（4）工作环境，如对多尘、高温、低温、潮湿、腐蚀、易燃、易爆等恶劣环境的适应性与噪声的限制等。,（5）经济性，如传动效率、制造费用、运行费用、维护费用等。,（6）操作和控制方式，以及制造能力和环境保护等。在选择传动类型时，应遵循下列原则：,（1）对于小功率传动，应在满足工作性能的需要下，选用结构简单的传动装置，尽可能降低制造成本。,（2）对于大功率传动，应优先考虑传动效率，节约能源，降低运行成本和维护费用。,（3）当执行机构要求变速时，若能与动力机调速比相适应，则可直接连接或采用定传动比的传动装置；若执行机构要求变速范围大，用动力机调速不能满足机械特性和经济性要求，则应采用变传动比传动；除执行机构要求连续变速外，尽量采用有级变速。,1）定传动比传动,原动机的选择步骤,机械传动系统方案的设计是一项创造性活动，要求设计者善于运用已有知识和实践经验，认真总结过去的有关工作，广泛收集、了解国内外的有关信息，充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设计方法和技巧，以便设计出新颖、灵巧、高效的传动系统。,系统功能要求：自动换刀和轴向进给。,一般将改变运动形式的机构（如螺旋传动、连杆机构、凸轮机构等）布置在传动系统的最后一级（靠近执行机构或作为执行机构），可使结构紧凑。,2 按传动比和输出速度的变化情况分,因此，合理选择原动机的类型是机械系统方案设计中的一个重要问题。,对油液质量和密封性要求高。,（5）在满足工作机要求的前提下，原动机应具有较高的性能价格比，运行可靠，经济性指标（原始购置费用、运行费用和维修费用）合理。,因此分配轴必须与分配轴同步，即n=n，故链传动9和锥齿轮传动10的传动比均应 为1。,又如斜齿轮传动平稳性比直齿轮传动好，故常用在高速级或要求传动平稳的场合。,（3）并联式多路联合传动。,按传动比误差小于2的要求，且各传动比均在常用范围之内，故该传动链传动比分配方案可用。,在转塔刀架定位后，齿轮1的离合器脱开并停止转动。,在转塔刀架定位后，齿轮1的离合器脱开并停止转动。,（4）当执行系统载荷频繁变化且有可能过载时，为保证安全运转，应考虑选用有过载保护性能的传动类型，或在传动系统中增设过载保护装置；当执行系统转动惯量较大或有紧急停车要求时，应考虑安装制动装置。,（5）主、从动轴要求同步时，应采用无滑动的传动装置。,（6）传动装置的选用必须与制造水平相适应，尽可能选用专业厂家生产的标准传动装置，如减速器、变速器和无级变速器等。,只有合理地安排传动路线，恰当布置传动机构，才能使整个传动系统获得理想的性能。,当系统中只有一个执行机构和一个原动机时，宜采用此传动路线。,反之，传动比应逐级减小。,除执行机构要求连续变速外，尽量采用有级变速。,2传动类型的选择原则,蜗杆蜗轮机构传动平稳，但效率低，一般用于中、小功率间隙运动的场合。,（3）结构简单紧凑，易于加工制造。,图 11-3并联式多路联合传动,又如斜齿轮传动平稳性比直齿轮传动好，故常用在高速级或要求传动平稳的场合。,槽轮机构：用于实现转位。,调速范围大，能迅速换向和变速；,气压传动的优点是易快速实现往复移动、摆动和高速转动，调速方便；,（4）承载能力大，寿命长。,（4）混合式传动。,（1）主传动链(电动机下模具往复移动)。,在确定了原动机的转速后，可由工作机的负载功率（或转矩）和工作制来确定原动机的额定功率。,变传动比有级变速传动的一个输入转速可对应于若干个输出转速，适用于原动机工况固定而执行机构有若干种工况的场合，或用于扩大原动机的调速范围。,11.3传动链的方案设计,选择了传动类型后，相同的传动机构按不同的传动路线及不同的顺序布置，就会产生出不同效果的传动方案。只有合理地安排传动路线，恰当布置传动机构，才能使整个传动系统获得理想的性能。,11.3.1传动链的选择,根据运动和动力的传递路线，传动链常可分为下列四种：（1）串联式单路传动。其传动路线如图11-1所示。这种传动路线结构简单，但传动机构数目越多，传动系统的效率越低，因此，应尽量减少机构数目。当系统中只有一个执行机构和一个原动机时，宜采用此传动路线。,图 11-1串联式单路传动,(2)并联式分路传动。其传动路线如图11-2所示。当系统有多个执行机构，而只有一个原动机时，可采用图11-2所示的传动路线。,牛头刨床中就采用了这种传动路线，由一个电动机同时驱动工作台横向进给机构和刨刀架纵向移动。,图11-2并联式分路传动,（3）并联式多路联合传动。其传动路线如图11-3所示。当系统只有一个执行机构，但需要多个运动且每个运动传递的功率都较大时，宜采用这种传动路线。,图 11-3并联式多路联合传动,轧钢机、球磨机中常采用这种传动路线。,（4）混合式传动。混合式传动是上述几种路线的组合，常用的形式如图11-4所示。,齿轮加工机床中刀具和工作的传动系统就采用这种传动路线。,传动路线的选择主要是根据执行机构的工作特性、执行机构和原动机的数目以及传动系统性能的要求来决定的，以传动系统结构简单、尺寸紧凑、传动链短、传动精度高、效率高、成本低为原则。,11.3.2传动链顺序的布置,布置传动机构的顺序时，一般应考虑以下几点：,（1）机械运转平稳，减小振动。一般将传动平稳、动载荷小的机构放在高速级。如带传动传动平稳，能缓冲吸振，且有过载保护，故一般布置在高速级；而链传动运转不均匀，有冲击，应布置在低速级。又如斜齿轮传动平稳性比直齿轮传动好，故常用在高速级或要求传动平稳的场合。,（2）提高传动系统的效率。蜗杆蜗轮机构传动平稳，但效率低，一般用于中、小功率间隙运动的场合。对于采用锡青铜为蜗轮材料的蜗杆传动，应布置在高速级，以利于形成润滑油膜，提高承载能力和传动效率。,（3）结构简单紧凑，易于加工制造。带传动布置在高速级不仅可使传动平稳，而且可减小传动装置的尺寸。一般将改变运动形式的机构（如螺旋传动、连杆机构、凸轮机构等）布置在传动系统的最后一级（靠近执行机构或作为执行机构），可使结构紧凑。大尺寸、大模数的圆锥齿轮加工较困难，因此应尽量放在高速级并限制其传动比，以减少其直径和模数。,（4）承载能力大，寿命长。开式齿轮传动的工作环境较差，润滑条件不好，磨损严重，寿命较短，应布置在低速级。对于采用铝铁青铜或铸铁作为蜗轮材料的蜗杆传动，常布置在低速级，使齿面滑动速度较低，以防止产生胶合或严重磨损。,11.3.3各级传动比的分配,将传动系统的总传动比合理地分配到各级传动机构，可以使各级传动机构尺寸协调，减小零件尺寸和机构重量，并得到较好的润滑条件和传动性能。分配传动比时通常需考虑以下原则：,（1）各级传动比应在合理的范围内选取（见表11-3），在特殊情况下也不要超过所允许的最大值。,（2）注意各级传动零件尺寸协调，结构匀称合理，不会干涉碰撞。如带传动和单级圆柱齿轮减速器组成的传动装置中，一般应使带传动的传动比小于齿轮传动的传动比，否则，有可能出现大带轮半径大于减速器的中心高，使带轮与机座碰撞。,（3）尽量减小外廓尺寸和整体重量。在分配传动比时，若为减速传动装置，则一般应按传动比逐级增大的原则分配；反之，传动比应逐级减小。,（4）设计减速器时，尽量使各级大齿轮浸油深度大致相同（低速级大齿轮浸油稍深），若各级大齿轮直径相接近，则应使高速级的传动比大于低速级的传动比。,11.3.4传动系统方案设计分析实例,1.C1325自动车床刀架机械传动系统的分析 ,1）刀架机械传动系统的功能分析,系统功能要求：自动换刀和轴向进给。,刀架机械传动系统的功能又可分为如下几个分功能或元功能：,（1）转位。为了完成工件若干个工序的加工，在转塔刀架上固定着若干组刀具。为使各组刀具能依次参加工作，转塔刀架需相应转位(每次绕转塔刀架轴线转过60)。,（2）让刀。为了在转塔刀架转位时，刀具和工件不至相碰而损坏，转塔刀架应先向右退出一段距离后再转位。（3）定位。为保证加工精度，在加工时转塔刀架应精确定位，而在转位时应先将定位销拔出。,（4）进、退刀。转塔刀架在非转位期间，应在进刀凸轮的控制下，精确地实现所预定的进、退刀运动。,2）刀架机械传动系统的工作过程分析,刀架机械传动系统的工作过程如下：如图11-5所示，在一组刀具加工完毕后，在压簧12的作用下，进刀凸轮机构的推杆13回程，通过其扇形齿轮6与齿条7的啮合传动，使整个活动支架8(连同转塔刀架9)向右退回进行退刀。,而与此同时，齿轮1的离合器接合并开始转动，通过宽齿轮2、圆锥齿轮传动3、圆柱凸轮机构4，将定位销10拔出；同时，曲柄5回转，使活动支架8向右快速后退一段距离，进行让刀。在此后退行程将结束时，槽轮机构11开始使转塔刀架转位。在其转位的后半周，继续回转着的曲柄5使整个活动支架8(连同转塔刀架9)开始向左复位。在转位结束时，圆柱凸轮机构4的推杆使定位销10重新插入转塔刀架的定位孔中进行定位。在转塔刀架定位后，齿轮1的离合器脱开并停止转动。活动支架8(连同转塔刀架9)在进刀凸轮机构、扇形齿轮和齿条的作用下，向左作进刀运动。在进刀完毕后，又重复上述的退刀、让刀、转位、复位、定位运动。,图11-5 自动车床刀架传动系统,3）刀架系统的工作循环图,刀架系统的工作循环图如图11-6所示。,图11-6刀架系统的工作循环图,4）刀架系统的传动路线分析,刀架系统的传动主要以串联方式为主，但在、处采用了特殊的并联方式，如图 11-7 所示。,图11-7刀架系统的机构组合方式,5）各机构的功能分析,进刀凸轮机构：控制整个工件的加工过程，不同的工件需要更换不同的凸轮。,齿轮齿条机构：用于转换运动形式并将运动放大。,曲柄滑块机构：用于增大让刀距离。,圆柱齿轮和圆锥齿轮机构：用于改变运动方向。,槽轮机构：用于实现转位。,并联曲柄滑块机构：用于实现让位。,并联圆柱凸轮机构与串联连杆机构：用于实现定位，且容易满足时序要求。,2.肥皂压花机的传动路线分析及传动比的分配,肥皂压花机是在肥皂块上利用模具压制花纹和字样的自动机械，其机械传动系统的机构简图如图11-8所示。按一定尺寸切制好的肥皂块12由推杆11送至压模工位，下模具7上移，将皂块推至固定的上模具8下方，靠压力在皂块上、下两面同时压制出图案，下模具返回时，凸轮机构13的顶杆将皂块推出，完成一个运动循环。,图11-8肥皂压花机传动系统机构简图,1）传动路线分析,该机的工作部分包括三套执行机构，分别完成规定的动作。曲柄滑块机构11完成皂块送进运动，六杆机构6完成模具的往复运动，凸轮机构13完成成品移位运动。三个运动相互协调，连续工作。因整机功率不大，故公用一个电动机。考虑执行机构的工作频率较低，故需采用减速传动装置。减速装置为三套执行机构公用，由一级带传动和两级齿轮传动组成。带传动兼有安全保护功能，适宜在高速级工作，故安排在第一级。当机器要求具有调速功能时，可将带传动改为带式无级变速传动。传动系统中，链传动9是为实现较大距离的传动而设置的，锥齿轮传动5和10用于改变传动方向。,该机的传动系统为三路并联分流传动，其中模具的往复运动路线为主传动链，皂块送进运动和成品移位运动路线为辅助传动链，具体传动路线如图11-9所示。,2）传动比分配,该机的工作条件是：电动机转速为1450 rmin，每分钟压制50块肥皂，要求传动比误差为2。现进行传动比分配并确定相关参数。,（1）主传动链(电动机下模具往复移动)。锥齿轮传动5的作用主要是改变传动方向，可暂定其传动比为1。,这时，每压制一块肥皂，六杆机构带动下模具完成一个运动循环，相应分配轴 应转动一周，故轴 的转速为,n,1,=50 rmin。因已知电动机转速,n,d,=1450 r/min，由此可知，该传动链总传动比的预定值为,设带传动及二级齿轮减速器中高速级和低速级齿轮传动的传动比分别为,i,1,、,i,2,、,i,3,，根据多级传动的传动比分配时“前小后大”及相邻两级之差不宜过大的原则，取,i,1,2.5，则减速器的总传动比为29/2.5=11.6，两级齿轮传动平均传动比为3.4。,图11-9肥皂压花机传动路线图,从有利于实现两级传动等强度及保证较好的润滑条件出发，按二级展开式圆柱齿轮减速器传动比分配原则，一般取,i,2,i,3,，则由,i,2,i,3,i,2,=3.7，,i,3,=3.11。选取各轮齿数为,z,a,=23,z,b,=86,z,c,=21,z,d,=65,实际传动比为,主传动链的实际总传动比为,则传动比误差为,按传动比误差小于2的要求，且各传动比均在常用范围之内，故该传动链传动比分配方案可用。,（2）辅助传动链。皂块送进和成品移位运动的工作频率应与模具往复运动的频率相同，即在一个运动周期内，三套执行机构各完成一次运动循环，送进压花移位。因此分配轴必须与分配轴同步，即,n,=,n,，故链传动9和锥齿轮传动10的传动比均应 为1。,11.4原动机的选择,原动机的类型很多，特性各异。在进行机械系统总体方案设计时，原动机的机械特性及各项性能与机械执行系统的负载特性和工作要求是否相匹配，将在很大程度上决定着整个机械系统的工作性能和构造特性。因此，合理选择原动机的类型是机械系统方案设计中的一个重要问题。,11.4.1原动机的类型及特点,原动机的动力源主要有电、液及气三种，原动机有电动机、液压马达、气马达和直线油缸、气缸等，设计过程中应对各种原动机的性能、价格以及应用现场有哪些动力源等问题进行了解。,原动机的运动形式主要是回转运动、往复摆动和往复直线运动等。当采用电动机、液压马达、气动马达和内燃机等原动机时，原动件作连续回转运动；液压马达和气动马达也可作往复摆动；当采用油缸、气缸或直线电动机等原动机时，原动件作往复直线运动。有时也用重锤、发条、电磁铁等作原动机。,常用原动机的类型和主要特点见表11-4。,11.4.2原动机的选择,1.原动机的选择原则,在进行机械系统方案设计时，主要根据以下原则选择原动机：,（1）应满足工作环境对原动机的要求，如能源供应、降低噪声和环境保护等要求。,（2）原动机的机械特性和工作制度应与机械系统的负载特性（包括功率、转矩、转速等）相匹配，以保证机械系统有稳定的运行状态。,（3）原动机应满足工作机的启动、制动、过载能力和发热的要求。,（4）应满足机械系统整体布置的需要。,（5）在满足工作机要求的前提下，原动机应具有较高的性能价格比，运行可靠，经济性指标（原始购置费用、运行费用和维修费用）合理。,2.原动机的选择步骤,1）确定机械系统的负载特性,机械系统的负载由工作负载和非工作负载组成。工作负载可根据机械系统的功能由执行机构或构件的运动和受力求得。非工作负载指机械系统所有额外消耗，如机械内部的摩擦消耗，可用效率加以考虑；辅助装置的消耗，如润滑系统、冷却系统的消耗等。,2）确定工作机的工作制度,工作机的工作制度是指工作负载随执行系统的工艺要求而变化的规律，包括长期工作制、短期工作制和断续工作制三大类，常用载荷时间曲线表示，有恒载和变载、断续和连续运行、长期和短期运行等形式，可由此来选择相应工作制度的原动机。原动机实际工作制度和工作机是相同的，但在各种不同的工作制度下，原动机的允许功率是完全不同的，如国家标准对内燃机的标称功率分为四级，分别为15分钟功率、1小时功率、12小时功率和长期运行功率，其中15分钟输出功率最大。,3)选择原动机的类型,影响原动机类型选择的因素较多，首先应考虑能源供应及环境要求，选择确定原动机的种类，再根据驱动效率、运动精度、负载大小、过载能力、调速要求、外形尺寸等因素，综合考虑工作机的工况和原动机的特点，具体分析，以选得合适的类型。,需要指出的是，电动机有较高的驱动效率和运动精度，其类型和型号繁多，能满足不同类型工作机的要求，而且还具有良好的调速、启动和反向功能，因此可作为首选类型。当然对于野外作业和移动作业时，宜选用内燃机。,4)选择原动机的转速,原动机的转速可根据工作机的调速范围和传动系统的结构和性能要求来选择。转速选择过高，导致传动系统传动比增大，结构复杂，效率降低；转速选择过低，则原动机本身结构增大，价格较高。,一般原动机的转速范围可由工作机的转速乘以传动系统的常见总传动比得出。,5)确定原动机的容量,原动机的容量通常用功率表示。在确定了原动机的转速后，可由工作机的负载功率（或转矩）和工作制来确定原动机的额定功率。机械系统所需原动机功率,P,d,可表示为,式中：,P,g,为工作机所需功率；,P,f,为各辅助系统所需的功率；,i,为从工作机经传动系统到原动机的效率；,j,为从各辅助装置经传动系统到原动机的效率；,K,为考虑过载或功耗波动的余量因数，一般取1.11.3。,需要指出的是，所确定的功率,P,d,是工作机的工作制度与原动机工作制度相同前提下所需的原动机额定功率。,根据系统所需原动机功率、转速和确定的原动机的类型，可查阅有关手册选择原动机的型号。,思考题及习题,11-1机械传动系统方案设计时应考虑哪些基本要求？设计的步骤如何？,11-2如何合理选用机构？在机构选型时应考虑哪些问题？,11-3工作循环图在机械传动系统方案设计中有何作用？如何编制工作循环图？,11-4为什么在许多机械传动系统设计中，第一级多采用带传动，而末级则采用大减速比的传动机构？,11-5欲设计一机构，其原动件连续回转，输出件往复摆动，且在一极限位置的角速度和角加速度同时为零，现初拟下列两种方案：,方案1，采用凸轮机构，试问应选何种从动件运动规律。方案2，采用连杆机构，绘出一种能满足上述要求的机构运动简图。,11-6若主动件作等速转动，其转速,n,=100 r/min，从动件作往复移动，行程为100 mm，从动件工作行程为近似等速运动，回程为急回运动，行程速比系数,K,1.4。试列出能实现这一运动要求的可能方案。,