机械传动装置的总体设计

第二章机械传动装置的总体设计传动装置总体设计的目的是确定传动方案、选择电动机、合理分配传动比，设计传动装置的运动和动力参数，为设计各级传动零件及装配图提供依据。2－1拟定传动方案传动方案一般用机构运动简图表示，它能简单明了地表示运动和动力的传递方式和路线以及各部件的组成和相互联接关系。满足工作机性能要求的传动方案，可以由不同传动机构类型以不同的组合形式和布置顺序构成。合理的方案首先应满足工作机的性能要求，保证工作可靠，并且结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、传动效率高和使用维护便利。一种方案要同时满足这些要求往往是困难的，因此要通过分析比较多种方案，选择能满足重点要求的较好传动方案。如图2.1所示带式运输机的四种传动方案示意图：方案一：采用V带传动与齿轮传动的组合，即可满足传动比要求，同时由于带传动具有良好的缓冲、吸振性能，可适应大起动转矩工况要求，结构简单，成本低，使用维护方便。缺点是传动尺寸较大，V带使用寿命较短。方案二：传动效率高，使用寿命长，但要求大起动力矩时，起动冲击大，使用维护较方便。方案三：能满足传动比要求，但要求大起动力矩时，链传动的抗冲击性能差，噪音大，链磨损快寿命短，不易采用。方案四：传动效率高，结构紧凑，使用寿命长。当要求大起动力矩时，制造成本较高。以上四种传动方案都可满足带式输送机的功能要求，但其结构性能和经济成本则各不相同，一般应由设计者按具体工作条件，选定较好的方案。布置传动顺序时，一般应考虑以下几点：（1）带传动的承载能力较小，传递相同转矩时结构尺寸较其他传动形式大，但传动平稳，能缓冲减振，因此宜布置在高速级(转速较高，传递相同功率时转矩较小)。（2）链传动运转不均匀，有冲击，不适于高速传动，应布置在低速级。（3）蜗杆传动可以实现较大的传动比，尺寸紧凑，传动平稳，但效率较低，适用于中、小功率或间歇运转的场合。当与齿轮传动同时使用时，对采用铝铁青铜或铸铁作为蜗轮材料的蜗杆传动，可布置在低速级，使齿面滑动速度较低，以防止产生胶合或严重磨损，并可使减速器结构紧凑；对采用锡青铜为蜗轮材料的蜗杆传动，由于允许齿面有较高的相对滑动速度，可将蜗杆传动布置在高速级．以利于形成润滑油膜，可以提高承载能力和传动效率。（4）圆锥齿轮加工较困难，特别是大直径、大模数的圆锥齿轮，所以只有在需改变轴的布置方向时采用，并尽量放在高速级和限制传动比，以减小圆锥齿轮的直径和模数。图2.1（5）斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合。（6）开式齿轮传动的工作环境较差，润滑条件不好，磨损较严重，寿命较短，应布置在低速级。（7）一般将改变运动形式的机构（如连杆机构、凸轮机构等）布置在传动系统的末端，且常为工作机的执行机构。2－2选择电动机电动机是标准化、系列化的部件，设计者只需根据工作载荷、工作机的特性和工作环境、选择电动机的类型、结构形式和转速，计算电动机的功率，确定电动机的型号。1．选择电动机的功率电动机的功率主要根据电动机运行时发热条件决定，电动机的发热又与其工作情况有关。一般分以下两种情况。（1）变载下长期运行的电动机、短时运行的电动机（工作时间短，停歇时间较长）和重复短时运行的电动机（工作时间和停歇时间都不长），电动机的额定功率选择要按等效功率法计算并进行发热验算。（2）长期连续运转、载荷不变或很少变化的机械，要求所选电动机的额定功率Ped稍大于所需电动机输出的功率Pd，即Ped≥Pd，则一般不需校验电动机的发热和起动力矩。1）所需电动机输出的功率PdPd=WP（kW）式中PW──工作机器的输出功率(kw)η──由电动机到工作机的总效率2）工作机器的输出功率若已知工作机器的阻力F(N)，圆周速度υ(m/s)，则PW=1000F(kw)若已知作用在工作机器上的转矩T(N.m)及转速nW(r/min)，则PW=9550Tnw(kw)3）由电动机到工作机器的总效率η111.。………η=η1·η2·η3…ηw式中η1·η2·η3…ηw为各级传动（齿轮、带或链）、一对轴承、每个联轴器的效率。各种传动效率的数值见表2-1在进行效率计算时，还应注意以下几点：（1）轴承效率指一对而言，如一根轴上有三个轴承时，按两对计算。（2）同类型的多对传动副，要分别计入各自的效率。（3）表内所推荐的效率有一个范围，工作条件差时，效率取低值，反之则取高值。4）按Ped≥Pd的条件选择电动机的型号。表2.1常见机械传动机构及运动副的效率类别传动型式效率圆柱齿轮传动很好跑合的6级精度和f级精度齿轮传动(油润滑)8级精度的一般诣轮传动(油润滑)9级精度的齿轮传动(油润滑)加工份的开式齿轮传动(脂润滑)0.98.～0.9950.970.960.94～0.96圆锥齿轮传动很好跑合的6级和7级精度齿轮传动(油润滑)6级精度的一般齿轮传动(油润滑)加工齿的开式齿轮传动(脂润滑)0.97～0.980.94～0.970.92～0.95蜗杆传动自锁蜗杆单头蜗杆双头蜗杆三头和四头蜗杆0.40～0.450.70～0.750.75～().820.82～0.92带传动平型带无压紧轮的开式传动平型带有压紧轮的开式传动平型带交叉传动V带传动0.980.970.900.95链传动套筒旗子链无声链0.960.98滑动轴承润滑不良润滑正常—液体摩擦0.940.970.99滚动轴承球轴承(油润滑)族子轴承(泊润沿)0.990.98联轴器浮动联轴器齿轮联轴器弹性联轴器万向联轴器(α≤3°)万向联舶器(α＞3°.)0.97～0.990.990.99～0.9950.97～0.980.95～0.97螺旋传动滑动螺旋滚动螺旋0.30～0.600.85～0.95卷简0.962．选择电动机的转速额定功率相同的同一类电动机有多种转速可供选择。确定电动机的转速时，一般应综合分析电动机及传动装置的性能、尺寸、重量和价格等因素。一般采用同步转速为1500和1000r/min为宜。根据工作机的转速要求和各级传动的合理传动比范围，可按下式推算出电动机转速的可选范围，即：n=(i1·i2·i3·…·in)nw(r/min)式中：n──电动机可选转速范围(r/min)nw───工作机轴的转速(r/min)i1·i2·i3·…·in──各级传动的传动比合理范围3．选择电动机的类型和型号1）类型的选择电动机类型可根据电源种类、工作条件、载荷特点、起动性能和起、制动、反转的频繁程度，转速及调速性能要求进行选择。2）型号的选择同一额定功率可有多种转速，应综合分析比较，选定电动机的转速，则电动机的型号随之确定。请注意：设计计算所依据的功率，可以是电动机的额定功率Ped，也可是工作机实际需要的功率Pd，对于通用机械，常用电动机的额定功率Ped作为设计功率。对于传动装置的设计功率，一般按实际需要的电动机功率Pd。转速按电动机额定功率时的转速nm（满载转速，不等于同步转速）2－3传动装置总传动比的计算及其分配计算由选定的电动机满载转速和工作机转速，可得传动装置总传动比为：iwmnn总传动比为各级传动比的连乘积，即n=i1·i2·i3·…·in合理分配总传动比，可使传动装置得到较小的外廓尺寸或较轻的重量，以实现降低成本和结构紧凑的目的，也可使转动零件获得较低的圆周速度以减小齿轮动载荷和降低动精度要求；还可得到较好的齿轮润滑条件。分配传动比时，一般应遵循如下规则：（1）各级传动的传动比应在合理的范围内（表2.2）不超出容许的最大值，以符合各种传动形式的工作特点，并使结构紧凑。（2）使各传动件尺寸协调，结构均匀合理。例如，电动机至减速器间有带传动，一般应使带传动的传动比小于齿轮传动的传动比，以免大带轮半径大于减速器中心高，使带轮与底架相碰。如图2.2所示。（3）尽量使传动装置的总体尺寸紧凑。如图2.3所示，在中心距和总传动比相同时，粗实线所示方案较虚线所示方案具有较小的外廓尺寸。表2.2各级传动传动比的荐用值传动类型传动比的荐用值传动比的最大值一级闭式齿轮传动圆柱齿轮直齿3—4≤10斜齿3—5人字齿4—6直齿圆锥齿轮2—3≤6一级开式圆柱齿轮传动4—6≤15～20一级蜗杆传动闭式7—40≤80开式15—60≤100带传动开口平型带2—4≤6有张紧轮的平型带3—5≤8三角带2—4≤7链传动2—4≤7（4）使各级传动的大齿轮浸油深度合理。如图2.4所示。2－4传动装置的运动参数和动力参数的计算机械传动的运动和动力参数主要指传动系统中各轴的功率、转矩及系统的效率和原动机的参数选用。1．传动系统的效率效率是评价机械传动质量的重要指标。效率越高，传动中的能量损耗越少。常用机械传动和轴承的效率见表2.1机械的效率取决于组成机械的各个机构的效率。传动系统的总效率等于各部分效率的连乘积（包括运动副的效率）。如图2.5所示：设K个机构依次串接，各机构的效率分别为图2.2图2.3图2.4123………k1231211kkd传动系统的总效率为kkkdk3211121WW23式中，KW─输出功dW─输入功由上式可看出，各机构效率均小于1。传动系统串接的机构越多，系统总的效率就会越低。在进行效率计算时，还应注意以下几点：（1）轴承效率指一对而言，如一根轴上有三个轴承时，按两对计算。（2）同类型的多对传动副，要分别计入各自的效率。（3）资料、表内所推荐的效率有一个范围，工作条件差时，效率取低值，反之则取高值。2．传动系统的功率设计传动系统所依据的功率，有两种方法：（1）取所选原动机额定功率作为设计功率。轴的功率计算顺序从输入到输出，依次计算直到工作轴为止。（2）按工作机所需功率作为工作轴上功率，再根据传动系统各级效率逆推算至原动机，此时所获得的设计功率为原动机所需输出的功率（小于原动机的额定功率）。下面以齿轮传动系统为例，说明各轴之间输入功率、效率之间的关系。设一对轴承的效率为η1，一对齿轮啮合时的效率为η2，各轴输入功率分别为1P、2P、3P，则有：dPP1212112dPPPP22212123dPPPP223113dWPPP3．传动系统的转矩图2.6齿轮传动系统各轴输入功率图2.5传动系统的效率已知轴的输入功率P及转速n时，则转矩为：nPT9550（N．m）P—轴的输入功率（kW），n—轴的转速（r∕min）由上式可知：轴的转矩T与转速n成反比，即减速传动时，转矩增大，增速传动时，转矩减小；因此传动系统常采用减速传动以获得较大的转矩。4．动力机的参数选用一般机械以三相异步电动机为原动机。工程机械、移动机械也可采用内燃机或液压马达作为原动机。电动机的主要指标有功率P（kW）、转矩T（N．m）和转速n（r∕min），他们之间的关系为nPT9550。电动机功率的选择：选择电动机的额定功率EdP略大于传动系统的输入功率dP，即EdP≥dP，一般不必验算发热和起动力矩。电动机转速的选择：额定功率相同时，转速高，则电动机的尺寸小，重量轻，价格低廉；低速时，则相反。选择电动机转速时，应从机械传动系统的复杂程度、机械效率及经济性等方面综合考虑。