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机械传动系统设计
第一节 概述
一台机器是由原动机、传动系统、工作机构和操纵控制四个部分组成，在这里只讲传动系统设计。它是将电动机的运动和动力传递给工作机构的中间传动装置，用来实现减速（或增速）、变速、转换运动形式等。
机械传动系统设计的一般程序是：
1． 机构选型：根据机器的功能要求，工作机构对动力、传动比或速度变化的要求，以及原动机的工作特性，选择机械传动系统所需的机构类型。
2． 拟定传动系统总体布置方案：根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动机构的特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，以完成原动机到工作机构之间的传动系统的总体布置方案。
3． 选择电动机，确定传动系统的总传动比。
4． 总传动比分配：根据传动系统的组成方案，将总传动比合理分配到各级传动机构。
5． 传动系统的运动和动力参数计算：机械传动系统的运动和动力参数主要指各级传动比、各轴的转速、转矩、功率等。
6． 确定机械传动系统的主要参数和几何尺寸：通过各级传动机构的承载能力计算，确定主要参数。在此基础上，进行传动零件及传动系统主要几何尺寸计算，最后绘制出传动系统运动简图及总装配图。

第二节 机械传动系统方案设计
机械传动系统的方案设计是机械设计工作中的一个重要组成部分，是最具创造性的设计环节。正确合理地设计机械传动系统，对提高机械的性能和质量、降低机械的制造成本和使用费用等都是至关重要的。任何机械其传动系统设计方案都不是唯一的，在相同设计条件下，可以有不同的传动系统方案，最后确定的应是其中最佳方案。
传动系统方案设计首先应满足工作机的工作要求（如功率及转速），另外结构简单紧凑、加工方便、成本低、传动效率高、使用维护方便等特点。见图表2－1和2－2 减速器类型和传动系统方案。
在做课程设计时，如果设计任务书已给定传动方案，表中传动方案设计就不必做了，只要按设计任务书要求选电动机，计算有关参数。
第三节 选择电动机
1． 选择电动机的类型和结构
电动机的类型很多，常用的Y系列电动机属于一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机。由于三相异步电动机具有结构简单、工作可靠、价格便宜、效率高、使用方便等特点，所以现代机器中应用最广泛。
2． 选择电动机的容量（功率）
电动机的功率选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。功率小于工作要求则不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期超载运行而过早损坏；功率选得过大，电动机价格过高，传动能力又不能充分利用，造成能源浪费。 对于载荷比较稳定，长期运转的机械，通常按照电动机的额定功率选择，保证电动机的额定功率Ped大于等于工作机所需的电动机功率Pd即 Ped≥Pd
工作机所需电动机功率为
Pd = Pw /η kw
式中 Pd 工作机所需电动机功率，kw；
Pw 工作机所需功率， kw；
η 由电动机至工作机的总效率。
工作机所需功率Pw应由工作机的工作阻力和线速度（或转速）求得。在课程设计中，可由设计任务书给定的工作机参数求：
PW = FV / 1000 kw
或 PW = T nw / 9550 kw
nw=60×1000v/πd
F 工作机的工作阻力, N
V 工作机的线速度,如运输机输送带的线速度，m/s
T 工作机的阻力矩，N.m
nw 工作机的转速,如运输机滚筒的转速, r / min
传动系统的总效率η为各效率连乘积即
η＝η1η2η3… …ηn
各效率值见表2-3
3.确定电动机的转速
功率相同的同类型电动机有几种不同的转速,比如三相异步电动机的同步转速一般有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min四种，电动机的同步转速越高、重量越轻、外廓尺寸越小、价格越低。但是电动机转速与工作机转速相差过多，将使总传动比加大，致使外廓尺寸和重量增加。而选用低转速的电动机时，情况正相反，虽然外廓尺寸和重量小，但电动机的尺寸重量增大，价格提高。因此在确定电动机转速时，应进行分析比较，选择最优方案。
设计中常选用同步转速1500r/min或1000r/min两种电动机，没有特殊要求一般不选用750r/min、3000r/min电动机。

第四节 计算总传动比和分配各级传动比

由选定的电动机满载转速nm和工作机轴的转速nw可得到总传动比为
i = nm / nw
总传动比为各级传动比的连乘积即:i = i1i2i3…in
nm 电动机的满载转速，r/min；P185页表16-1
nw 工作机输入轴的转速，r/min。
如何合理分配各级传动比是传动系统设计中的又一重要问题。传动比分配的合理，可以减少传动系统的外廓尺寸、重量，达到结构紧凑、降低成本的目的。分配传动比要注意以下几点：
1． 各级传动比应在推荐范围内选取，不能超过最大值，见P8表2－1表2－2。
2． 各级传动零件应做到尺寸协调，避免相互发生碰撞。
3． 尽量使传动系统外廓尺寸紧凑或重量较小。
4． 对两级圆柱齿轮减速器，传动比可按下式分配：

i1 －两级圆柱齿轮减速器的高速级传动比；
i －两级圆柱齿轮减速器的总传动比，P8表2－2。
注意：以上传动比分配只是初选。传动系统的实际传动比必须在各级传动零件的参数确定后才能计算出来。
第五节 计算传动系统的运动和动力参数
在选定电动机型号及分配传动比之后，下面应计算传动系统各轴的功率、转速、转矩，以及相邻两轴间的传动比和传动效率，为后续传动零件的设计计算和轴的设计计算提供依据。
各轴的转速可根据电动机的满载转速nm及传动比进行计算。除电动机轴以外其余各轴的功率和转矩均按输入值进行计算。
在计算时先将各轴从高速轴到低速轴依次编号：0轴（电动机轴）、1轴、2轴… ；
相邻两轴的传动比为：i01、i12、i23… ；
相邻两轴的传动效率为：η01、η12、η23…；
各轴输入功率为：P0、P1、P2、P3…；
各轴转速为：n0、n1、n2、n3… ；
各轴输入转矩为：T0、T1、T2、T3… 。
电动机轴的输出功率、转速、和转矩分别为：
P0 ＝ Pd kw n0 ＝ nm r/min T0 ＝ 9550 × P0 ／n0 N.m
传动系统中各轴的输入功率、转速和转矩分别为:
P1 = P0η01 kw n1 = n0/ i01 r/min T1 =9550× P1 / n1= T0 i01η01 N.m
P2 = P1η12 kw n2 = n1 / i12 r/min T2 =9550× P2 / n2= T1 i12η12 N.m
… … … … … …
这里要注意：因为有轴承功率损耗，同一根轴的输入功率或转矩与输出功率或转矩数值不同，即要计入轴承的效率。另外因为有传动零件的功率损耗，一根轴的输出功率或转矩与相邻下一根轴的输入功率或转矩数值不同，即要计入传动零件的传动效率。
机械传动系统设计暂时告一段落。下面举例计算：带式运输机传动系统设计。

例题： 已知输送带的有效拉力F=2600N,带的速度V=1.6m/s,滚筒直径D=450mm,工作条件：单向运转，连续工作，载荷平稳。三相交流电源，电压380V。试按传动方案选择电动机，计算总传动比，并分配各级传动比；计算传动系统运动和动力参数。

解：因为设计任务中设计方案已给定，我们只要从选电动机开始设计。
1． 选择电动机的类型
按工作要求选Y系列三相异步电动机，电压380V。
2． 选择电动机容量
电动机输出功率： Pd = Pw /η kw
工作机所需功率： PW = FV / 1000 kw
式中总效率：η＝η1η32η3η4η5
按表2－3确定各部分效率：V带传动效率η1 ＝0.94；滚动轴承效率η2＝0.99(一对轴承)；齿轮传动效率η3 ＝0.97；联轴器效率η4 ＝0.99；滚筒效率η5＝0.96代入上式得：
η＝0.94×0.993×0.97×0.99×0.96=0.841
Pd＝FV/1000η=2600×1.6/1000×0.841=4.946 kw
因载荷平稳，电动机额定功率ped略大于Pd即可。P185页由表16－1，Y系列电动机技术数据选电动机的额定功率ped为 5.5 kw。
3．确定电动机转速
工作机输入轴的转速 nw ＝60×1000V/πD=60×1000×1.6/π450＝67.91 r/min
由表2－1V带传动的传动比常用范围 i1=2～4,圆柱齿轮传动比i2=3～5,则总传动比范围i =6～20，可见电动机转速可选范围为：P13页
nd ＝i×nw =(6～20)×67.91=407.46～1358.2 r/min。符合这一范围的同步转速有750 r/min、1000 r/min。P185页由表16－1，查得：选常用的同步转速为1000 r/min的Y系列电动机型号为Y132M2－6，满载转速nm＝960 r/min。电动机的中心高、外形尺寸、轴伸长度等均有表16－3查的。最好设计两种方案进行比较优选一种方案。
4．传动系统总传动比和分配各级传动比
（1）总传动比
i＝nm ／nw ＝960／67.91＝14.14
(2)分配各级传动比
由表2－1取V带传动比i01 ＝3 ，则齿轮传动比为：i12 ＝i／i01 =14.14/3=4.71
i23 =1
5．计算传动系统的运动和动力参数
（1） 各轴转速
电动机轴 n0 ＝nm ＝960 r/min
1轴（高速轴） n1 ＝n0 ／i01 ＝960／3＝320 r/min
2轴（低速轴） n2 ＝n1 ／i12 ＝320／4.71=67.94 r/min
滚筒轴 nw ＝n2 ＝67.94 r/min
(2) 各轴功率
电动机轴 P0 ＝Pr＝4.946 kw
1轴（高速轴） P1 ＝P0η1 ＝4.946×0.94 =4.649 kw
2轴（低速轴） P2 = P1η2η3 =4.649×0.99×0.97 =4.46 kw
滚筒轴 PW = P2η2η4 ＝4.46×0.99×0.99＝4.37 kw
(3)各轴扭矩
电动机轴 T0 = 9550 ×P0 ／n0 =9550×4.946/960=49.202 N.m
1轴（高速轴） T1 = T1 =9550× P1 / n1=9550×4.649/320=138.74 N.m
2轴（低速轴） T2 =9550× P2 / n2=9550×4.46/67.94=626.92 N.m
滚筒轴 T3=9550×PW/nw=9550×4.37/67.94=614.27 N.m

轴号
电动机
圆柱齿轮减速器
工作机
0轴
1轴
2轴
滚筒轴
转速n (r/min)
960
320
67.94
67.94
功率 P (kw)
4.946
4.649
4.46
4.37
转矩 T(N.m)
49.202
138.74
626.92
614.27
两轴联接件和传动件
带传动
圆柱齿轮
联轴器
传动比 i
i01
i12
i23
传动效率η
η01
η12
η23
传动系统的运动和动力参数列表如下：
误差分析:
1. 效率取值不同有误差。
2. 小数点后面取值有误差。

接下面就是传动零件设计步骤包括:
1. 减速器外部传动零件设计(带传动、链传动、开式齿轮传动)。
2. 减速器内部传动零件设计(圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗杆传动)。估算轴径，进行轴的结构设计，轴的强度校核。滚动轴承选择计算。键和联轴器选择。
3. 减速器箱体结构设计（包括附件），画减速器装配草图。
4. 画减速器装配图（尺寸标注、公差配合、明细栏、标题栏、零件序号等不可缺少)。图纸表达正确、清晰、图面整洁，
图纸幅面格式参考p72页。
5. 画零件工作图。（尺寸标注，公差）
6. 编写设计计算说明书。参考p69页。要求说明书设计完整，计算正确、书写工整。最后要有设计小结、参考资料。