机电一体化技术与系统项目2任务1齿轮传动

项目二机械部件选型设计及调整电气工程学院机电一体化教学团队任务1齿轮传动的结构、原理与实践新课导入•提问1:机电一体化系统应包括的基本要素有哪些？•问题2：机电一体化系统中机械部件的作用？齿轮传动主体讲解:机械部件分析方法分析实例小组选择设计内容机械部件作用：传递运动和负载、匹配转矩和转速隔离环境温度和振动支承和防护等特殊的作用和功能齿轮传动主体讲解:机械传动分析方法分析实例小组选择设计内容齿轮传动主体讲解:机械传动分析方法分析实例小组选择设计内容机械部件组成1、传动机构作用：转速、转矩和方向的变换器，伺服系统重要组成部分。要求：高传动精度，轻量、高速、低噪声和高可靠性。2、支承导向机构提供支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障一般指导轨、轴承、机座等。齿轮传动主体讲解:机械传动分析方法分析实例小组选择设计内容1.2机械传动部件系统对机械传动部件要求•响应特性•传动精度•稳定性问题：实现的方法是什么？齿轮传动主体讲解:机械传动分析方法分析实例小组选择设计内容①采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件②缩短传动链，提高传动和支承刚度。③选择最佳传动比，以达到提高系统分辨率，减小等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，提高加速能力。④缩小反向死区误差⑤改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪音。齿轮传动主体讲解:机械传动分析方法分析实例小组选择设计内容机械传动系统应用及优点分析齿轮传动主体讲解:机械传动分析方法分析实例小组选择设计内容机械传动系统应用及优点分析传动类型传动形式摩擦传动摩擦轮传动带传动啮合传动普通齿轮传动行星齿轮传动谐波齿轮传动蜗杆副传动普通螺旋传动（丝杠螺母机构）滚珠丝杠螺母副传动链传动齿带传动推压传动凸轮机构棘轮机构连杆机构液压传动，气压传动i=n1/n2=z2/z1总结：齿轮传动优点瞬时传动比恒定、传动精度高、可以做到零侧隙无回差，强度高承载能力大、传动效率高、结构成熟等，故在机电一体化产品中占据着重要的地位齿轮传动主体讲解:机械传动分析方法分析实例小组选择设计内容1.3齿轮传动的有关计算•伺服系统减速增距，往往由数对啮合齿轮组成减速箱。•要求？1、转动惯量尽可能小—实现驱动负载的高加速度2、传动比匹配选择及各级传动比的合理分配--使机电系统获得较好的动态性能齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例机械传动设计中知识点•等效转动惯量•总传动比•传动比分配齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例2．转动惯量及传动比•物体转动时惯性的度量，转动惯量越大，物体的转动状态越不容易改变。转动惯量和质量一样，是保持匀速运动或静止的特性，用字母J表示。同样的行驶速度，刹车距离和质量有关吗？齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例2.1转动惯量计算常用公式圆柱体转动惯量（kg·m2）式中，m—一质量，单位kg；R—一圆柱体半径，单位m221mRJ齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例2.2等效转动惯量利用能量守恒定理，将传动系统的各个运动运动部件的转动惯量折算到特定轴（一般是电机轴）上，获得整个传动系统在特定轴上的转动惯量之和，称为等效转动惯量。相邻两轴，后轴向前轴转动惯量的折算：21iJJ齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例2.2等效转动惯量•直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量计算：导程为L的丝杠，驱动质量为m（含工件质量）的工作台往复移动，其传动比：i=2π/L则：工作台折算到丝杠上的转动惯量为L——为丝杠导程，单位m；m——工作台及工件的质量，单位kg。22LmJ齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例2.2等效转动惯量•机械传动系统转动惯量过大会导致机械负载增加，功率消耗加大；系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统固有频率下降，容易产生谐振等不利影响。因此，在不影响系统刚性的前提下，系统的等效转动惯量应尽可能小。•一般情况下，负载等效转动惯量JL≤电机转动惯量JM、电机的可控性好、系统的动态特性好。齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例•【例】一工作台传动系统如图1所示，已知，丝杠的螺距L为5mm，工作台的质量m为400kg，齿轮Z1、Z2、Z3、Z4及丝杠的转动惯量J分别为：0.01kg·m2、0.15kg·m2、0.02kg·m2、0.33kg·m2、0.012kg·m2，电动机的转动惯量为0.22kg·m2，求折算到电动机轴上的总等效转动惯量。2.2等效转动惯量齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例转动惯量测量•问题：•转动惯量匹配原则？齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例惯量匹配问题•查询资料，回答：转动惯量在中小电动机选择中有作用吗？课下自主阅读相关内容，必读文献推荐：惯量匹配在改善数控龙门镗铣床性能中的作用.pdf齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例2.3传动比分配原则•总传动比：在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。JiJML电机负载齿轮系电机、传动装置和负载的传动模型齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例结论:•齿轮系总传动比i的最佳值时，换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。MLJJi齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配工作条件要求可选用的设计原则传动精度要求高输出轴转角误差最小的原则动态性能好、运转平稳等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小的原则启停频繁质量尽可能小质量最小原则设计2.3传动比分配原则齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配41244113iJJiJJ，厚度相同，则：设各齿轮的材料相同，①小功率传动装置2.4等效转动惯量最小原则分配传动比齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配等效到电机轴上的总转动惯量为：2210210J)11(1)(21412222114121212111212221112112122432121iiiiiiiiiiJJJiiiJJiJiiJJiJJJ可解得：令2.4等效转动惯量最小原则分配传动比齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配•对于n级齿轮系同类分析可得：•按照此原则计算的各传动比按“前小后大”次序分配，以确保结构的紧凑，降低传动误差。121)12(21212nnniin2.4等效转动惯量最小原则分配传动比齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配•以上是已知传动级数进行各级传动比的确定。•若以传动级数为参变量，齿轮系中折算到电动机轴上的等效转动惯量Je与第一级主动齿轮的转动惯量J1之比为Je/J1，其变化与总传动比i的关系如图4-1.4所示。2.4等效转动惯量最小原则分配传动比齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配图1小功率传动装置确定传动级数曲线图2大功率传动装置确定传动级数曲线齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配等效转动惯量最小原则：②大功率传动装置大功率传动装置传递的扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加，各级齿轮的转动惯量差别很大。齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配例2设有i=256的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。•解：查图4-1.5，得n=3时，Je/J1=70；n=4时，Je/J1=35；n=5时，Je/J1=26。为兼顾到Je/J1值的大小和传动装置结构紧凑，选n＝4。•查图4-1.6，得i1＝3.3。•查图4-1.7，在横坐标ik－1上3.3处作垂直线与A线交于第一点，在纵坐标ik轴上查得：i2＝3.7。通过该点作水平线与B曲线相交得第二点i3＝4.24。由第二点作垂线与A曲线相交得第三点i4＝4.95。•验算i1i2i3i4＝256.26。满足设计要求。齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配3、齿轮副间隙的调整3.1刚性调整法调整中心距法、选择装配法、带锥度齿轮法和斜齿轮法。调整中心距法结构齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配带锥度齿轮法结构斜齿轮法结构齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配3.2柔性调整法通过双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮的两侧，以消除齿轮的间隙。拉簧消除间隙结构齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配碟形弹簧消除间隙结构齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配压簧消除间隙结构齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配单面接触消除间隙结构齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配齿轮齿条传动消除间隙原理齿轮传动主体讲解:机械传动分析计算应用案例传动比分配实训室设备间隙调整方法讨论作业•1.试述齿轮传动的总等效惯量与传动级数之间的关系•2.某齿轮系中，设i=65，传动级数n=3的小功率传动，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。并验算之。•3.某大功率机械传动装置，已知总传动比I=100，传动级数3，试按最小等效传动惯量原则分配各级传动比。•4．齿轮传动的总等效惯量随传动级数的（）A.增加而减小B.增加而增加C.减小而减小D.变化而不变•5．齿轮传动的总等效惯量与传动级数（）A.有关B.在一定级数内有关C.无关D.在一定级数内无关作业