第二章机械传动与液压传动

第二章机械传动与液压传动本章内容丰富、直观，也比较重要，综合题很多，务求在理解的基础上掌握好本章内容。第一节机械传动传动部分的作用表现在以下三方面：1.传递动力（力和力矩）和运动（位移、速度和加速度）；综合起来就是传递功率和能量；2.改变速度大小和方向；3.改变运动形式。一、功率和效率功：力和物体沿作用力方向移动距离的乘积。W=FSCOSα功率：单位时间所作的功。P=FvCOSα当速度和作用力方向相同时，P=Fv功率的单位是瓦（W）1W=1Nm/s1Kw=1Kw=1kNm/s对于转动的物体，此公式非常重要,注意P的单位是千瓦（kW），转速n的单位是转数/分。例：电动机的输出转矩T=30Nm，转速n=1440r/min，所选的电机功率P应该不小于多少？表示电机的功率应大于或等于4.52千瓦，因为电机是系列化产品，看样本或设计手册中，转速要求n=1440r/min，功率应大于或等于4.52千瓦，或者功率小一点，但在误差范围内也可以。效率：输出功率与输入功率之比。机械效率恒小于1，即100%。常见机构和轴承的机械效率大致数值范围见教材第51页。一对齿轮传动0.94～0.99平型胶带传动0.92～0.98（包括轴承摩擦损失）三角带传动0.90～0.94（包括轴承摩擦损失）一对滑动轴承0.94～0.98一对滚动轴承0.99滑动丝杠0.30～0.60二、常用传动机构及其传动关系（一）螺旋传动：依靠牙齿之间的啮合，将回转运动变为轴线方向的直线运动。螺纹由螺旋线缠在圆柱体上得到。螺纹按照牙型剖面形状可以分为三角形、矩形、梯形和锯齿形。导程：同一条螺旋线相邻牙齿在中径线上对应两点的距离，用S表示上图表示了导程与螺旋线的关系。螺距：相邻牙齿在中径线上对应两点的距离，用P表示。S＝kp。其中，k为螺旋线的头数。左旋与右旋：最简单的判断办法，把他它竖直放在面前，同一条螺旋线上，那边高就是那边旋。轴线运动的线速度V与回转运动的转速n之间的关系是：v=ns轴线位移L与回转运动的转速n以及时间t之间的关系是：L=nst例：已知，某螺旋机构中，双线螺纹螺距p=4mm，螺杆转速为n=50r/min，试计算30秒钟内螺母的轴向位移量。L=nst=nkpt=50×2×4×30/60=200mm螺旋传动的特点：1.机构简单；2.降速比大，可以实现减速和微调，可以增力；3.在一定条件下实现逆行自锁；螺旋传动能够将回转运动变为轴线方向的直线运动，而不能相反，即无论轴线方向的力多大，都不能产生回转运动。这个现象就叫做自锁。4.工作平稳、无噪声。这种靠相对滑动传递运动和动力效率低，为提高效率把滑动变为滚动滚珠螺旋传动机构主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成。滚珠螺旋传动的特点是：1.机械效率高；2.启动转矩接近于运动转矩，动摩擦和静摩擦基本一样，传动灵敏；3.磨损小；4.通过预紧，消除滚珠、螺母、丝杆之间的间隙，提高传动精度和轴向刚度；5.不能逆向自锁；6.制造工艺复杂，成本较高。（二）带传动机构带传动与螺旋传动本质的区别在于前者依靠摩擦，后者依靠啮合。根据带截面的形状，可以分为平型带、三角带、圆形带和齿形带四种注意在螺旋传动中，根据牙截面分成的四种类型与此类的区别。平带传动有开口式、交叉式、半交叉式。开口式适应于两轴平行，从动轮与主动轮旋转方向相同。交叉式适应于两轴平行，从动轮与主动轮旋转方向相反，中间磨损厉害。半交叉式适应于两轴平行，从动轮与主动轮旋转方向相反。传动比：从动轮转速与主动轮转速之比，等于主动轮直径与从动轮直径之比，乘以滑动系数。ε≈0.98称为滑动系数。带传动具有吸收震振动和过载保护能力，使用转动比不恒定。（三）齿轮传动传动比等于主动轮齿数与从动轮齿数之比，转速之反比。强调以下两点:1.在任意瞬时都能保证准确传动比；2.它等于齿数的反比而不等于直径的反比。齿轮传动的特点主要是：1.瞬时传动比恒定；2.适用载荷和速度范围大；3.机械效率高；4.结构紧凑；5.寿命长，可在空间任意配置的两轴之间传动；6.加工复杂，成本高。轮系：一系列齿轮所组成的传动系统。根据轮系中各齿轮轴线在空间的位置是否固定，将轮系分为定轴轮系和周转轮系两类1.定轴轮系：轮系运转时，所有齿轮的轴线的位置都是固定不变的；2.周转轮系：轮系运转时，至少有一个齿轮的轴线是绕另一个齿轮的轴线旋转。下面看各种轮系的演示具有运动轴线的齿轮称为行星轮。支承行星轮能够围绕其他齿轮转动的就叫为转臂或系杆。在轮系运转中，轴线位置不变的齿轮称为中心轮或太阳轮。周转轮系由行星轮、太阳轮和转臂和机架组成。周转轮系分为行星轮系和差动轮系两类。前者只有一个主动件，后者有两个主动件。混合轮系：定轴轮系和周转轮系组合而成的轮系称为混合轮系。轮系的功用如下：（1）可以得到很大的传动比（2）可以变速（3）可以连接相距较远的两轴（4）能够实现运动的合成和分解（四）链传动链传动的传动比等于齿数的反比，它的组成有链轮、链条和机架。特点：1.与带传动比较，传递功率大，能保证准确的平均传动比2.与齿轮传动比较，中心距较大3.瞬时传动比不恒定,在高速运动带来很大的振动。4.振动和噪声较大、不适用于高速（五）蜗杆传动看演示图：传动比等于蜗杆线数与蜗轮齿数之比图2－15涡轮传动示意图其中，K为蜗杆的线数，而Z为蜗轮的齿数。特点：1.传动比大；2.蜗轮蜗杆轴在空间可以垂直；3.可逆行自锁（即蜗杆主动可以带动蜗轮，反之，蜗轮主动不能带动蜗杆）；4.但效率不高。（六）平面连杆机构平面连杆机构就是使用铰链和滑道将构件相互连接，而且各构件间的相对运动在同一平面或相互平行的平面内。1.铰链四杆机构：四根杆件由四个铰链连接而成。在上述四杆机构中，构件AD固定不动，称为静件或机架；杆件AB可绕A作整周转动，称为曲杆；杆件CD可绕轴D作往复摆动，称为摇杆；曲柄和摇杆统称为连架杆，连接两连架杆的杆件BC称为连杆。在曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，可将曲柄整周连续转动变为摇杆的往复摆动：如图2-18所示牛头刨床的进给运动，即曲柄AB转动时，连杆BC带动带有棘爪的摇杆CD绕D点往复摆动。与此同时，棘爪推动棘轮，使与棘轮连接在一起的丝杠作有规律的间歇运动。机架：相对静止的构件。连架杆：与机架直接相连的两根杆件。连杆：与机架相对、由两根连杆连接的杆件。曲柄：能够相对于机架作整周回转的连架杆。摇杆：不能作整周回转的连架杆。曲柄滑块机构是铰链四杆机构的演化得来的。曲柄滑块机构可以将曲柄的连续旋转变为滑块的往复直线运动，或反之。曲柄滑块机构的应用见下图：图2－20曲柄滑块机构对于图2-20所示的曲柄滑块机构，其滑块行程长度S等于曲柄长度r的两倍，即S=2r。（七）凸轮机构凸轮机构分盘形机构、移动机构、圆柱机构。凸轮机构由凸轮、从动杆及机架组成。凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件。作用：是将主动件凸轮的连续转动转变为从动杆的往复移动或往复摆动。按照从动杆的形状可以分为：尖顶、滚子和平底。特点：正确选择它的轮廓就可以实现预期的复杂规律而机构却比较简单、紧凑，所以凸轮机构广泛地应用于各种自动机械中。但由于凸轮与从动件是点或线接触，容易磨损，因此多用于传递动力不大的控制机构和调节机构中。（八）间歇运动机构主动件连续运转，从动件能够实现动作－停止－动作的运动,我们把这种机构称为间歇运动机构。1.棘轮机构：由棘爪、棘轮和机架组成。其作用是将棘爪的往复摆动转变为棘轮的单向间歇运动。为了防止棘轮自动反转，采用止退棘爪。2.槽轮机构：由拨盘、槽轮与机架组成。用于将拨盘的连续转动转变为从动件槽轮的间歇转动。(九)传动链的传动比及效率传动链:由多个运动副(如皮带、齿轮、蜗杆、螺杆等)连接而成的传递运动和动力的系统。重要内容：传动链的传动比、功率、效率、力和力距的计算。图2-29为一传动链示例。运动自轴I输入，转速为n1，经带轮d1、d2传至轴Ⅱ，经圆柱齿轮1、2传到轴Ⅲ，经圆锥齿轮3、4传至轴Ⅳ，经圆柱齿轮5、6传至轴Ⅴ，再经蜗杆K及蜗轮7传至轴Ⅵ，并把运动输出。注意：Z7、Z8应该是K，Z7由各种传动副，例如齿轮、带、链、螺旋等连接而成的传递运动和动力的系统，称为传动链。由机构串联而得到的传动链的传动比，即传动链末端转速与首端转速之比，等于链中各个运动副传动比的连乘积。对于齿轮组成的传动链，其传动比等于主动轮齿数连乘积与从动轮齿数连乘积之比。例：图2-30为一简易车床传动系统，数据如图中所示（齿轮的数字表示齿数），ε=0.98，试计算：（1）主轴转速是多少？（2）主轴转一转，螺母移动距离是多少？解：Ⅱ轴上的齿轮为两年双向滑动齿轮，如I轴传到Ⅱ轴可按图示正在啮合的齿轮进行传动；也可将双向滑动齿轮左移，使齿数25的齿轮与齿数为75的齿轮啮合，这时轴Ⅱ得到的是另一种转速。同样由轴Ⅱ传至主轴，可通过另一双向滑动齿轮滑动，使主轴得到不同的转速，因此，主轴共有四种转速。传动链的总效率等于组成传动链各个传动副效率的乘积。以上图为例，设P出为该转动系统的输入功率，为输出功率，为总效率，为一对齿轮的效率，为一对轴承的效率，则传动系统中常用符号,见表2-1重点：（1）各种传动机构的组成、特点、运动参数之间的计算；（2）传动链传动比、功率、效率、力和力距的计算。第二节液压传动一、液压传动工作原理图2－33油压千斤顶工作原理1.杠杆2.小活塞3.小油缸4.钢球5.钢球6.大油缸7.大活塞8.重物9.放油阀10.油池例:当手动杠杆1向上提时,小活塞2就会向上运动,于是小缸3形成负压，油池10中的油就在大气压力下顶开钢球4沿吸油管道进入小缸3，完成一次吸油动作，接着，压下杠杆1，小活塞下移，小缸3的工作容积减小，便把其中的油液挤出，推开钢球5，油液便经两缸之间的连通管道进入大缸6。根据密闭容器中液体的压强相等，在大油缸处由于面积大而产生较大的力，就把上面的重物提起，通过转动放油阀9就把油放回油池。通过分析油压千斤顶的工作过程，可知液压传动：1.是以液体作为工作介质；2.根据密封容积的变化完成吸油和排油；3.机械能和液体压力能的互相转换；4.系统内部的的压力取决于负载的大小。注意：以液体作为工作介质，依靠密封容积的变化传递运动，依靠由外界负载引起的液体内部压力来传递动力，系统压力取决于负载，实现机械能和液体压力能的互相转换。图2-34为一台机床工作台往复运动原理图，上面是磨床的工作台，工件放在台上，随着工作台的移动，上面有砂轮，就把工件磨平了。油泵3把油从油池中吸上来然后压出去，滤油器2过滤掉油中的杂质，节流阀8调整送出去的油量，换向阀7外面一个阀体，中间是空堂，阀体里有阀芯，阀芯是直径不同的几段圆柱体组成粗的地方起密封的作用，细的地方就和阀体内表面构成油的通道。二、液压传动系统的组成图2－35用职能符号表示的液压系统原理图1.油箱2.滤油器3.油泵4.压力表5.工作台6.油缸7.换向台8节流阀9.溢流阀液压传动系统主要由四个部分组成：1.动力部分。油泵，作用是把机械能转换成油液压力能。2.执行部分。把液体的压力能转换成机械能输出的装置，如在压力油推动下作直线运动的液压缸或作回转运动的液压马达。3.控制部分。对系统中流体压力、流量和流动方向进行控制或调节的装置。如上例中的溢流阀、节流阀、换向阀等。4.辅助部分。如油箱、过滤器、压力表等。三、液压传动特点1.在输出功率相同的条件下，体积小、重量轻；2.运动平稳，吸振能力强；3.易于实现快速启动、制动、频繁换向以及无级调速；4.布局安装比较灵活；液压元件易于实现系列化、标准化、通用化；5.对温度敏感；泄漏不可避免，因此不能实现严格的传动比，发生故障不易诊断。四、液压传动基本参数（一）压力：单位面积上的液体力。压力的单位是帕和兆帕。1pa=1N/m21Mpa=106pa（二）流量：单位时间内流过某一截面的液体体积。单位是单位是m3/s,1m3/s=60000L/min推力等于面积乘以压力。由于液体不可压缩，所以，同一时间里左面油缸压出的油必然等于右面油缸流进的油，即推力和面积成正比，运动速度和横截面积成反比。Advd＝ADvD（三）功和功率W=FS在液压传动中，功率等于