机械系统设计-第5章-传动系统设计

第五章传动系统设计第一节传动系统的功能和要求传动系统是位于动力机与执行机构(或执行构件)之间的中间装置，它的作用是将动力机的运动和动力传递给执行机构(执行构件)。7654321DV图5-1起重机的机构运动简图1-减速器2-制动器3-电动机4-联轴器5-卷筒6-钢丝绳7-吊钩图5-1所示的起重机中，电动机3为动力机；卷筒5、钢丝绳6和吊钩7为执行机构；而制动器2、减速器1及联轴器4组成了传动系统，它的功能是将电动机3输出的回转运动和转矩改变后传递给执行系统的卷筒5。传动系统是由运动链及相应的联系装置组成的。前述起重机的传动系统是由两级齿轮传动及联系装置—制动器、联轴器组成。一、传动系统的功能1、改变动力机输出的运动形式或转速，以满足执行系统的要求。动力机输出的一般是等速连续的回转运动，而执行系统的运动形式是多种多样的，有回转运动和直线运动，连续运动和间歇运动。当两者的运动形式不相同时，要求传动系统能改变动力机输出的运动形式，以满足执行机构的要求。当两者运动形式相同时，还有转速、转矩是否相同的问题，这就要求传动系统起减速增矩或增速减矩的作用。2、调节动力机输出的速度、转矩或力，以满足执行机构的要求。执行系统有时要求在不同的速度、转矩或力下工作，直接改变动力机的速度、转矩或力不可能或不经济，就要用传动系统来实现这一要求。传动系统是机械系统的重要组成部分，传动系统的优劣将直接影响到机械系统的性能和经济性。有一些机器的动力机与执行机构直接联接，如风扇、水泵等。但大多数机器，在动力机与执行机构间设有传动系统。3、分配动力机输出的运动和动力，以满足执行系统的要求。有时要用一个动力机驱动若干个位置、运动形式或速度不相同的执行机构，要靠传动系统把运动或动力分配到各执行机构。二、对传动系统的要求1)考虑动力机与执行系统的匹配，使它们的机械特性相适应，并使两者的工作点接近各自的最佳工况点且工作平稳。以起重机为例，动力机为三相交流异步电动机，它的固有机械特性如图a)所示。起重机具有恒转矩的机械特性，如图b)所示。两者匹配后，希望电动机在B′点工作，即在固有机械特性的HB段接近额定点B处工作，而起重机卷筒上的转矩为MW，转速为nW，在W点工作。a）nMnWMWMZWb）要实现上述要求，就要靠传动系统。nWnB’,MWMB’,因此采用传动系统使动力机与执行机构匹配.必须有一个传动比.式中：是电动机输出轴的角加速度。dZtotdwMMJdtdtdw2)满足执行机构在起动、制动、调速、反向和空载等方面的要求。※起动力矩一般大于正常稳定运转的力矩。如起重机，起动力矩除要克服提升重物的阻力矩外，还应使重物及一切运动构件产生加速度。设机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量为Jtot，起动力矩为Md，正常运转时折算到电动机轴上的阻力矩为MZ，则有：异步电动机的起动力矩为Mst，Mst=λstMN，式中的λst为起动转矩倍数，MN为额定转矩，MN=9549PN/nN。若MstMd，就不能负载起动。这时如果在传动系统中设置离合器，让电动机带动传动系统在空载下起动，等运转正常后，再通过离合器与执行系统联接，带负载运转。另外也可以在传动系统中设变速装置，先使执行系统在速度较低时起动；运转平稳后，再变到正常速度。若Mst≥Md，可以实现负载起动；※有些执行系统运转到一定位置后，要求马上制动。如起重机，重物吊到一定高度后要制动。这就要求传动系统中要有离合器和制动器。※当执行系统要求随着工作状况的变化而发生变化时，如果选用的是不可调速的电动机，传动系统就要设计成可调速的。如汽车、拖拉机、机床上都有调速装置。※当执行系统有正行程和反行程时，传动系统要考虑反转问题。如小型起重机反向是靠改变电动机转向实现的，但汽车、拖拉机上的反向是靠传动系统完成的，这时传动系统中就要有可反向的装置。※传动系统应能满足系统空载时执行系统有比工作时较高的速度要求。以四工位专用机床为例，当钻头还没有接近工件时，进刀机构应使钻头快进，速度应比钻削加工时大一些。3)传动系统的运动链应尽量短。传动系统的运动链短，可减轻重量，降低制造费用；可提高传动精度、效率以及系统的刚度和可靠性。为缩短运动链，应力求采用构件数目少和运动副少的机构。以P107图5-1所示的起重机为例，若传动系统的速比i=70，它就不能仅仅采用图示的两级圆柱齿轮减速器。因为两圆柱齿轮减速器适用速比范围为：i=8~40，显然不能满足要求。此时可采用的传动方案有：160~16)40~8)(4~2(齿带iii①采用V带-两级圆柱齿轮减速系统，适用的速比范围为：②两级圆柱齿轮-开式齿轮减速系统，适用的速比范围为：280~24)7~3()40~8(21iii③齿轮-蜗杆减速系统，适用的速比为：80~6021iii④两级行星齿轮减速系统，适用的速比范围：i=10~80⑤摆线针轮减速系统，适用的速比范围：i=11~87从缩短运动链的角度出发，采用摆线针轮减速系统最好，其次是两级行星齿轮减速系统和齿轮-蜗杆减速系统。4)传动系统应布置紧凑，有较小的外廓尺寸和重量。有一些机械系统对尺寸和重量有较严格的要求。如汽车、拖拉机、工程机械、飞机等移动式机械。当要求传动比较大时，选用可实现较大传动比的行星齿轮传动、摆线针轮传动、谐波传动，它们与其它传动形式相比，可大大减小传动系统的尺寸和重量。5)当机械系统的载荷频繁变化，而且有较大过载时，传动系统中要设置过载保护装置。传动系统中的过载保护装置，可减小传动系统和执行系统中各构件的计算载荷，使这些构件的尺寸和重量减小，提高可靠度。6)对传动系统要有安全防护措施。要有能保护传动系统各构件安全工作的措施，如汽车变速箱的操纵杆上要设置联锁装置，不允许同时挂两个档的现象出现。在传动系统的适当部位，要设保护操作者安全的装置，如转动零件上加防护罩。第二节传动系统的类型及其选择可以按不同方法对传动系统分类。一、按传动比变化情况分类按传动比变化情况传动系统可分为：固定传动比传动和可调传动比传动。可调传动比传动又可分为：有级变速传动、无级变速传动和周期性变速传动。(一)固定传动比传动系统当执行机构或执行构件在一个确定的转速或速度下工作时，可选用固定传动比传动系统。如P107图5-1所示的起重机就采用了定传动比的二级圆柱齿轮减速器进行传动。固定传动比传动系统又可分为减速传动和增速传动两种情况。若执行构件的转速低于动力机转速，用减速传动系统；若执行构件转速高于动力机转速，用增速传动系统。(二)可调传动比的传动系统车床在切削工件时，应根据工件的材料和硬度、切削量、刀具的性能以及对精度和表面精糙度的要求来选择切削速度；驾驶拖拉机从事农田作业时，应根据作业项目、土地情况、作物情况，选择拖拉机的行驶速度。对这一类的机械系统，就应采用可调传动比的传动系统。(1)有级变速传动系统转速只能在一定的范围里选用某几个数值。当变速级数较少或不用频繁变速时可采用交换带轮、链轮、齿轮的办法实现变速，如机床上的挂轮装置。当变速级数较多或要求变速频繁时多采用变速齿轮传动，如汽车、拖拉机上就是采用变速齿轮传动实现变速。常见的可调传动比的传动系统：液力无级变速器机械无级变速器液力变矩器无级变速传动系统摩擦传动无级变速器啮合传动无级变速器液力耦合器(2)无级变速传动系统转速可在一定范围里连续变化。常用的无级变速装置有：摩擦传动的无级变速装置形式很多，很容易实现无级变速，因此，应用比较广泛。摩擦压力机就是应用摩擦轮传动实现无级变速，联合收获机上采用带传动实现无级变速。液力传动和液压传动同属流体传动。但液力传动液体压力小、流速高，靠液体动能传动，而液压传动液体压力大，流速小，靠液体压力差传动。液力传动有泵轮、叶轮和导轮，对这3个轮进行不同组合，就可得到液力耦合器和液力变矩器。液力无级变速器是利用改变输入的油液流量实现变速，传动过程较平稳、换向冲击小，易于实现自动化，在机床上应用较多。(3)周期性变速传动系统执行机构(或执行构件)的速度按周期性的规律变化，输出的角速度ω2是输入角速度ω1的周期性函数，即ω2=f(ω1)是周期性函数。采用周期性变速传动的作用：①满足执行机构的要求。如纺织机械中采用非圆齿轮传动，可以周期性地改变径纱和纬纱的密度，从而织出有一定花纹的纺织品。滚筒式平板印刷机，采用非圆齿轮传动，调节送纸速度。②改善执行机构的运动及动力特性。如将非圆齿轮传动与连杆机构或槽轮机构相组合，改善输出运动的特性，减小冲击。例如下图所示的组合机构可以使滑块空回行程的时间缩短，工作行程的时间增长，表现出较为明显的急回特性，同时还可以使机构在工作行程时速度较为均匀。二、按驱动形式分类传动系统按驱动形式可分为：独立驱动系统、集中驱动系统、联合驱动系统。(一)独立驱动的传动系统每个执行机构都用一个动力机驱动的传动系统叫独立驱动的传动系统。在下面3种情况下，采用独立驱动传动系统:如图P107图5-2所示的“曲柄压力机—冲床”,只有一个由构件2、3、4及机架10组成的曲柄滑块机构的执行系统。采用一个电动机9独立驱动的传动系统。传动系统由齿轮8、7组成的齿轮传动、离合器6、制动器5组成。双摇杆机构1-11-12-10可控制离合器6，曲柄滑块机构运转时，先松开制动器5，再接合离合器6；停车时，先使离合器5分离，再使制动器6制动。①只有一个执行机构的系统—即单一型执行系统的系统。1112②有多个运动不相关的执行机构的系统—即相互独立型执行系统。图5-3龙门起重机中,有3个执行机构完成3个动作：大车行走、小车行走和物料升降。这3个动作互不相关，各自独立，同时3个执行机构相距较远，用3个电动机独立驱动3个执行机构。可使传动系统大大简化，运动链缩短，安装、调整、维护、操纵方便。适用于结构尺寸较大,传递动力较大,各个独立执行机构使用频繁,传动链可简化,传动件数目少,重量轻,便于布局,和安装调整.③数控机械的传动系统数控机械一般有多个执行机构，以图示立式加工中心为例:有5个执行机构完成下面5个动作：1装有刀具的主轴旋转；2装有工件的工作台纵向运动；3装有工件的工作台横向运动；4主轴箱铅垂方向的升降运动；5刀库的旋转运动和机械手抓取、安装、放回刀具的运动。为了保证这5个执行机构的动作保持严格的顺序，协调进行，采用数字指令自动控制,每个执行机构由各自的电动机单独驱动。主轴箱工作台刀库主轴(二)集中驱动的传动系统是指用一个动力机，经传动系统驱动若干个执行机构协同工作。①各执行构件间有一定的传动比要求的系统(相互联系性执行系统)P108图5-4所示的丝杠车床，车床主轴用电动机经V带传动和蜗杆传动驱动；再经二级齿轮传动和螺旋传动，驱动刀架运动。在下面3种情况下，常采用这种驱动方案：ABCDABCD车床主轴的转速nw与刀架丝杠的转速n间的关系，直接影响加工精度，所以在车床主轴与丝杠间不能采用传动比不稳定的传动形式，如带传动、摩擦轮传动等。当用该车床加工高精度螺纹时，要用到两个执行系统：车床主轴和刀架。车床主轴的转速nw与螺旋传动丝杠的转速n间有一定的关系。图中是利用设置在机床主轴和丝杠间的二级圆柱齿轮传动，通过A、B、C、D四个齿轮的齿数来满足上述关系，从而来保证产品的加工质量。②各执行构件间有动作顺序要求当执行系统中有多个执行机构和执行构件，并且相互间的动作有严格的时间和空间联系时，常采用集中驱动的传动系统。用传动系统把动力机输出的运动和动力按顺序分配到不同位置的执行构件上，使其协调工作。这种传动系统中，常采用凸轮机构操纵或控制执行机构和执行构件运动。电阻压帽自动机该机器有4个执行机构：(1)将电阻坯8和电阻帽7送上工位的机构(图中没有画出)；(2)将电阻坯件压紧的机构，凸轮6和压头13组成的凸轮机构；(3)、(4)分别将左、右电阻帽7压向电阻坯件8的机构，由凸轮4、9和推杆14、15组成的凸轮机构。卸下压好的工件电阻坯件8电阻帽7就位压头13压紧工件8焊接压头14、15将7压向8压头14、15压头13松开各执行机构间有严格的作业顺序：131415电阻压帽机传动系统：动力机为