第二十九章机械传动系统的方案设计

第二十九章机械传动系统的方案设计 • 传动系统的功能和分类 • 机械传动系统的组成及常用部件 • 机械传动系统方案设计 • 机械传动系统特性及其参数计算 • 机械传动系统方案设计实例分析 • 原动机的选择

§29.1 　传动系统的功能和分类 传动系统的功能机械传动的分类和特点

传动系统的功能和分类 传动系统的功能传动系统是连接原动机和执行系统的中间装置。其根本任务是将原动机的运动和动力按执行系统的需要进行转换并传递给执行系统。传动系统的具体功能通常包括以下几个方面：（1）减速或增速；（2）变速；（3）增大转矩；（4）改变运动形式；（5）分配运动和动力；（6）实现某些操纵和控制功能。

传动系统的功能和分类 传动系统的分类和特点一、机械传动的分类 1. 按传动的工作原理分类齿轮传动蜗杆传动定轴轮系传动啮合传动齿轮系传动周转轮系传动螺旋传动机械传动链传动同步带传动有中间挠性件普通带传动摩擦传动绳传动摩擦轮传动

传动系统的功能和分类 2. 按传动比的可变性分类齿轮传动定传动比传动蜗杆传动螺旋传动链传动机械传动带传动有级变速传动变传动比传动摩擦轮无级变速传动无级变速传动链式无级变速传动带式无级变速传动

传动系统的功能和分类 二、机械传动的特点啮合传动的主要特点为：优点：工作可靠、寿命长，传动比准确、传递功率大，效率高（蜗杆传动除外），速度范围广。缺点：对加工制造安装的精度要求较高。摩擦传动的主要特点为：优点：工作平稳、噪声低、结构简单、造价低，具有过载保护能力缺点：外廓尺寸较大、传动比不准确、传动效率较低、元件寿命较短

§29.２机械传动系统的组成及常用部件 传动系统的组成常用机械传动部件

传动系统的组成及常用部件 传动系统的组成 1. 减速或变速装置 2. 起停换向装置 3. 制动装置 4. 安全保护装置常用机械传动部件 1. 减速器减速器是用于减速传动的独立部件，它由刚性箱体、齿轮和蜗杆等传动副及若干附件组成。

类型传动简图传动比特点及应用圆柱齿轮减速器单级图1 调质齿轮：i7.1 淬硬齿轮：i6.3 （较佳： i5.6）应用广泛、结构简单。齿轮可用直齿、斜齿或人字齿。可用于低速轻载，也可用于高速重载两级展开式图2 调质齿轮： i=7.1~50 淬硬齿轮： i=7.1~31.5 （较佳： i=7.1～20）应用广泛、结构简单，高速级常用斜齿。齿轮相对轴承不对称，齿向载荷分布不均，故要求高速级小齿轮远离输入端，轴应有较大刚性两级同轴式图3 调质齿轮： i=7.1~50 淬硬齿轮： i=7.1~31.5 （较佳： i=7.1～20）箱体长度较小，但轴向尺寸较大。输入输出轴同轴线，布置较合理。中间轴较长，刚性差，齿向载荷分布不均，且高速级齿轮承载能力难于充分利用两级分流式图4 调质齿轮： i=7.1~50 淬硬齿轮： i=7.1~31.5 （较佳： i=7.1～20）高速级常用斜齿，一侧左旋，一侧右旋。齿轮对称布置，齿向载荷分布均匀，两轴承受载均匀。结构复杂，常用于大功率变载荷场合

类型传动简图传动比特点及应用锥齿轮减速器图5 直齿：i≤5 斜齿、曲线齿：i≤8 用于输出轴和输入轴两轴线垂直相交的场合。为保证两齿轮有准确的相对位置，应有进行调整的结构。齿轮难于精加工，仅在传动布置需要时采用圆锥圆柱齿轮减速器图6 直齿： i=6.3~31.5 斜齿、曲线齿：i=8~40 应用场合与单级圆锥齿轮减速器相同。锥齿轮在高速级，可减小锥齿轮尺寸，避免加工困难；小锥齿轮轴常悬臂布置，在高速级可减小其受力蜗杆减速器图7 i=8~80 大传动比时结构紧凑，外廓尺寸小，效率较低。下置蜗杆时润滑条件好，应优先采用，但当蜗杆速度太高时（v5m/s），搅油损失大。上置蜗杆式轴承润滑不便蜗杆—齿轮减速器图8 i=15~480 有蜗杆传动在高速级和齿轮传动在高速级两种形式。前者效率较高，后者应用较少

类型传动简图传动比特点及应用行星齿轮减速器图5 i=2.8~12.5 传动型式有多种，NGW型体积小，重量轻，承载能力大，效率高（单级可达0.97～0.99），工作平稳。比普通圆柱齿轮减速器体积和重量减少50%，效率提高30%。但制造精度要求高，结构复杂摆线针轮行星减速器图6 直齿：单级： i=11~87 传动比大，效率较高（0.9～0.95），运转平稳，噪声低，体积小，重量轻。过载和抗冲击能力强，寿命长。加工难度大，工艺复杂谐波减速器图7 单级： i=50~500 传动比大，同时参与啮合齿数多，承载能力高。体积小，重量轻，效率0.65～0.9，传动平稳，噪音小。制造工艺复杂

传动系统的组成及常用部件 2. 有级变速装置（1）有级变速装置（2）交换齿轮变速装置（3）离合器变速装置（4）塔形带轮变速装置 3. 无级变速装置

§29.３　机械传动系统方案设计 机械传动系统方案设计的过程和基本要求机械传动类型的选择传动系统的总体布置传动比的分配

机械传动系统方案设计 机械传动系统方案设计的过程和基本要求 • 1.方案设计的一般步骤 • 机器的执行系统方案设计和原动机的预选型完成后，即可进行传动系统的方案设计。设计的一般步骤如下： • 确定传动系统的总传动比。 • 选择传动的类型、拟定总体布置方案并绘制传动系统的运动简图。 • 分配传动比。即根据传动布置方案，将总传动比向各级传动进行合理分配。 • 计算传动系统的性能参数，包括各级传动的功率、转速、效率、转矩等性能参数。 • 通过强度设计和几何计算，确定各级传动的基本参数和主要几何尺寸，如齿轮传动的中心距、齿数、模数、齿宽等。

机械传动系统方案设计 2.方案设计的基本要求传动方案的设计是一项复杂的工作，需要综合运用多种知识和实践经验，进行多方案分析比较，才能设计出较为合理的方案。通常设计方案应满足以下基本要求： 1）传动系统应满足机器的功能要求，而且性能优良； 2）传动效率高； 3）结构简单紧凑、占用空间小； 4）便于操作、安全可靠； 5）可制造性好、加工成本低； 6）维修性好； 7）不污染环境。

机械传动系统方案设计 机械传动类型的选择选择机械传动类型时，可参考以下原则： 1. 与原动机和工作机相互匹配； 2. 满足功率和速度的范围要求； 3. 考虑传动比的准确性及合理范围； 4. 考虑结构布置和外廓尺寸的要求； 5. 考虑机器质量； 6. 经济性因素。

机械传动系统方案设计 串联单流传动并联分流传动并联汇流传动混合传动传动系统的总体布置 1. 传动路线的确定传动路线的型式注：□—原动机；○—传动；—执行机构。

机械传动系统方案设计 2. 传动顺序的安排传动顺序通常按以下原则考虑。 1）斜齿轮与直齿轮传动——斜齿轮传动应放在高速级； 2）圆锥齿轮与圆柱齿轮传动——圆锥齿轮应放在高速级； 3）闭式和开式齿轮传动——闭式齿轮传动应放在高速级。　　　　　　　　　4）链传动——应放在传动系统的低速级； 5）带传动——应放在传动系统的高速级； 6）适宜放在传动系统的低速级的传动或机构——对改变运动形式的传动或机构，如齿轮齿条传动、螺旋传动、连杆机构及凸轮机构等一般布置在传动链的末端，使其靠近执行机构。 7）有级变速传动与定传动比传动——有级变速传动应放在高速级；

机械传动系统方案设计 8）蜗杆传动与齿轮传动——若蜗轮材料为锡青铜，为提高传动效率，则应将蜗杆传动置于高速级； ——当蜗轮材料为无锡青铜或铸铁等材料时，因其允许的齿面滑动速度较低，为防止齿面胶合或严重磨损，蜗杆传动应置于低速级。此外，在布置各传动的顺序时，还应考虑传动件的寿命、维护的方便程度、操作人员的安全性以及传动件对产品的污染等因素。

机械传动系统方案设计 传动比的分配分配传动比时应注意以下几点： 1）通常不应超过各种传动的推荐传动比； 2）分配传动比应注意使各传动件尺寸协调、结构匀称，避免发生相互干涉。 3）对于多级减速传动，可按照“前小后大”（即由高速级向低速级逐渐增大）的原则分配传动比，且相邻两级差值不要过大。 4）在多级齿轮减速传动中，低速级传动比小些，有利于减小外廓尺寸和质量；

机械传动系统方案设计 5）在采用溅油润滑方式时，分配传动比要考虑传动件的浸油条件。展开式或分流式二级圆柱齿轮减速器，其高速级传动比i1和低速级传动比i2的关系通常取 i1 = (1.2～1.3) i2 分配圆锥－圆柱齿轮减速器的传动比时，通常取锥齿轮传动比i1≈0.25i（i为总传动比），一般i1≤3.55。 6）在蜗杆—齿轮传动中，将齿轮传动放在高速级时，可得到较高的传动精度。 7）对于要求传动平稳、频繁起停和动态性能较好的多级齿轮传动，可按照转动惯量最小的原则设计。

§29.４机械传动系统的特性及其参数计算 机械传动系统的特性包括运动特性和动力特性。运动特性如转速、传动比和变速范围等；动力特性如功率、转矩、效率及变矩系数等。 1. 传动比对于串联式单流传动系统，当传递回转运动时，其总传动比i为 nr为原动机的转速或传动系统的输入转速（r/min）； nc为传动系统的输出转速（r/min）； i1、i2……ik为系统中各级传动的传动比。 i>1时为减速传动，i<1时为增速传动。

机械传动系统的特性及其参数设计 系统的传动比相对误差从系统的输入轴到该轴之间各级传动比的连乘积。在各级传动的设计计算完成后，由于多种因素的影响，系统的实际总传动比i常与预定值i不完全相符，其相对误差i可表示为 2. 转速和变速范围传动系统中，任一传动轴的转速ni可由下式计算：

机械传动系统的特性及其参数设计 有级变速传动装置中，当输入轴的转速nr一定时，经变速传动后，若输出轴可得到z种转速，并由小到大依次为n1、n2、…、nz，则z称为变速级数，最高转速与最低转速之比称为变速范围，用Rn表示，即输出转速常采用等比数列分布，且任意两相邻转速之比为一常数，称为转速公比，用符号表示，即

机械传动系统的特性及其参数设计 公比一般按标准值选取，常用值为1.06、1.12、1.36、1.41、1.58、1.78、2.00。变速范围Rn、变速级数z和公比之间的关系为：变速级数越多，变速装置的功能越强，但结构也越复杂。在齿轮变速器中，常用的滑移齿轮是双联或三联，所以通常变速级数取为2或3的倍数。

机械传动系统的特性及其参数设计 3. 机械效率各种机械传动及传动部件的效率值可在设计手册中查到。在一个传动系统中，设各传动及传动部件的效率分别为1、2、…n，串联式单流传动系统的总效率为 = 1 2 … n 4. 功率机器执行机构的输出功率P可由负载参数（力或力矩）及运动参数（线速度或转速）求出，设执行机构的效率为，则传动系统的输入功率或原动机的所需功率为原动机的额定功率Pe应满足Pe≥Pr，由此可确定Pe值。

机械传动系统的特性及其参数设计 设计功率设计各级传动时，常以传动件所在轴的输入功率Pi为计算依据，若从原动机至该轴之前各传动及传动部件的效率分别为1、2、…i，则有 Pi = P1 2 … i • 对于批量生产的通用产品，为充分发挥原动机的工作能力，应以原动机的额定功率为设计功率，即取P＝Pe； • 对于专用的单台产品，为减小传动件的尺寸，降低成本，常以原动机的所需功率为计算功率，即取P＝Pr。

机械传动系统的特性及其参数设计 该轴的输入功率（kW）该轴的转速（r/min）。传动系统的输出功率 5. 转矩和变矩系数传动系统中任一传动轴的输入转矩Ti（Nmm）可由下式求出：传动系统的输出转矩Tc与输入转矩Tr之比称为变矩系数，用K表示，由上式可得：

§29.５　机械传动系统方案设计实例 水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择肥皂压花机的传动路线及传动比的分配运输机传动系统特性参数计算

机械传动系统方案设计实例分析 水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择水泥管磨机属于连续运转的低速大功率设备，主传动系统应尽量减少传动级数、提高效率和降低运行费用。主要特点是： 1）转速低，转速：10~40 r/min 2）功率：×10~103 kW 3）起动力矩大，连续运转，载荷平稳，露天工作方案选择原则： 1）总传动比不宜过大，可选用同步转速为750r/min的电动机，这样，系统的总传动比约为75～18，故安排2～3级传动较为合理。

机械传动系统方案设计实例分析 2）选用机械效率较高的传动类型，如齿轮传动等。蜗杆传动虽可实现大传动比，但效率较低，不适合于连续运转的大功率机械；由于露天工作，环境多尘，采用链传动必须很好地密封与润滑，否则会加速磨损、降低传动效率；摆线针轮传动、谐波传动的效率较齿轮低；不应优先考虑。 3）对于小型磨机，耗电量不大，应主要考虑降低初始费用，中型磨机应兼顾初始费用和运行费用。几种管磨机主要传动系统方案的特点。

机械传动系统方案设计实例分析 1. 带传动-齿轮传动串联式单流传动系统方案特点： 1）结构简单、初始费用低。 2）带传动和开式齿轮传动效率不高，而且带传动的承载能力也受带型和根数的限制。适用于小功率、要求初始费用低的磨机。

机械传动系统方案设计实例分析 2. 齿轮传动—齿轮传动串联式单流传动系统方案特点： 1）效率高、寿命长、外廓尺寸小 2）初始费用较高该方案适用于中型磨机。 3. 并联式汇流传动系统方案特点： 1）因齿轮啮合时产生的切向力和径向力分别平衡而降低了磨筒轴承的载荷。 2）初始费用比第2方案低。该方案适用于中型磨机。

机械传动系统方案设计实例分析 4. 中心驱动式单流传动系统方案特点： 1）闭式传动，齿轮和轴承受力状态较好，效率高 2）齿轮加工精度要求高，结构较复杂。该方案适用于大型磨机。

机械传动系统方案设计实例分析 5. 中心驱动式并联汇流传动系统方案特点： 1）传动系统为双路驱动，具备第3和第4方案传动功率大、尺寸小、质量轻以及效率高的优点； 2）齿轮加工精度要求高，结构较复杂。大型或超大型磨机采用的中心驱动，多路并联方式，为保证各路传动的同步和均载，需增加辅助设备。该方案适用于大型和超大型磨机。

机械传动系统方案设计实例分析 6. 低速电动机直接驱动方案特点： 1）该方案占地面积小，维护简单 2）但电机等电器装置的初始费用很高。同等功率时，单位产量所需总费用比机械传动方案约高（29～50）%。

机械传动系统方案设计实例分析 肥皂压花机的传动路线及传动比的分配工作条件：电动机转速n1=1450r/min，工作频率f=50 1/min，传动比误差r=±2%。机械传动系统的机构简图

机械传动系统方案设计实例分析 肥皂块压花和出料工艺上模具8固定肥皂块12 肥皂块12 凸轮机构13的顶杆将皂块推出推杆11 压模工位下模具7上移完成压花工艺

机械传动系统方案设计实例分析 • 一、传动路线分析 • 该机包括三套执行机构，分别完成规定动作，并连续协调工作： • 曲柄滑块机构11完成皂块送进，六杆机构6完成模具的往复移动，凸轮机构13完成成品移出。 • 整机共用一个电动机。因执行机构工作频率较低，故需采用减速传动装置。 • 减速装置为三套执行机构公用，由V带传动和两级齿轮传动组成。 • 带传动适宜高速级工作，故安排在第一级，并兼有安全保护功能。当机器要求具有调速功能时，可将带传动改为带式无级变速传动。

机械传动系统方案设计实例分析 • 链传动9是为实现较大距离的传动而设置的。 • 锥齿轮传动用于改变传动方向。 • 该机的传动系统为三路并联分流传动，其中模具的往复运动路线为主传动链，皂块送进和送出为辅助传动链。

机械传动系统方案设计实例分析 锥齿轮传动5 六杆机构6 下模具往复移动7 电动机1 带传动2 二级齿轮减速器3 离合器4 曲柄滑块机构11 锥齿轮传动10 皂块送进12 链传动9 成品送出14 凸轮机构13 肥皂压花机传动路线图

机械传动系统方案设计实例分析 二、传动比分配 1. 主传动链（电动机→模具往复移动）锥齿轮传动暂定传动比为1。每压制一块肥皂，六杆机构带动下模具完成一运动循环，分配轴Ⅰ应转一周，故轴Ⅰ的转速为nⅠ＝50r/min。因已知电动机转速nd＝1450r/min，由此可知，该传动链总传动比的预定值为设带传动及二级齿轮减速器中高速级和低速级齿轮传动的传动比分别为i1、i2、i3，取i1＝2.5，则减速器的总传动比为29/2.5 = 11.6，两级齿轮传动平均传动比为3.4。

机械传动系统方案设计实例分析 从润滑条件出发，按二级展开式圆柱齿轮减速器传动比分配公式，取i2＝1.2i3，则由i2 i3＝11.6可求得i2＝3.73，i3＝3.11。选取各轮齿数　za = 23，zb = 86，zc = 21，zd = 65。实际传动比主传动链的实际总传动比 i总 = i1 i2 i3=2.5×3.739×3.095 = 28.93 传动比误差

机械传动系统方案设计实例分析 2. 辅助传动链皂块送进和成品移位运动的工作频率应与模具往复运动频率相同，即在一个运动周期内，三套执行机构各完成一次运动循环，即送进→压花→移位。因此分配轴Ⅱ必须与分配轴Ⅰ同步，即nⅡ＝nⅠ，故链传动9和锥齿轮传动10的传动比均应为1。主传动链的实际总传动比为：

机械传动系统方案设计实例分析 运输机传动系统特性参数计算负载总阻力　F＝6200N，曳引链速度　v＝0.3m/s，节距　　p＝160mm，驱动链轮齿数　z＝12。板式运输机传动系统传动方案已预分配各级传动比为：锥齿轮传动i1＝3，圆柱齿轮传动i2＝4.5，链传动i3＝6。电动机同步转速nd=750r/min。曳引链速度允许误差r=±5%。

机械传动系统方案设计实例分析 r/min = 9.4 r/min kW = 1.86kW 以下为该传动系统选择电动机型号，并计算各轴的运动和动力特性参数。 1. 计算执行机构主轴（Ⅳ轴）转速和功率执行机构主轴的输出功率P为

机械传动系统方案设计实例分析 kW= 2.3kW 2. 求传动系统总效率和电动机功率联轴器效率1＝0.99，锥齿轮传动效率2＝0.96，圆柱齿轮传动效率3＝0.97，链传动效率4＝0.96，减速器滚动轴承效率5＝0.98，Ⅳ轴为滑动轴承效率6＝0.97，传动系统的总效率为需要电动机输出的功率为

机械传动系统方案设计实例分析 3. 选择电动机根据运输机设计要求，电动机功率应有20%左右的裕度，由手册查得，可选用YEJ 132M-8型电动机，额定功率Pe＝3kW，满载转速n＝710r/min。 4. 计算总传动比及各级传动比系统的总传动比由齿数条件，确定各轮齿数分别为：锥齿轮z1＝23，z2＝72。圆柱齿轮z3＝24，z4＝109，滚子链z5＝19，z6＝105。则各传动实际传动比为：

机械传动系统方案设计实例分析 实际总传动比为 i = i1 i2 i3 = 3.13×4.54×5.53 = 78.58 传动比误差为：未超过传动比误差要求，所选参数可用。 5. 计算各轴转速

机械传动系统方案设计实例分析 6. 计算各轴功率　取电动机的额定功率Pe为设计功率，求得各轴输入功率： 7. 各轴转矩

第二十九章 机械传动系统的方案设计