传动系统设计.ppt

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 要实现上述要求 就要靠传动系统 nW MB 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 2 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 stMN 式中的 st为起动转矩倍数 MN为额定转矩 MN 9549PN nN 若Mst Md 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 采用V带 两级圆柱齿轮减速系统 适用的速比范围为 两级圆柱齿轮 开式齿轮减速系统 适用的速比范围为 齿轮 蜗杆减速系统 适用的速比为 两级行星齿轮减速系统 适用的速比范围 i 10 80 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 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 2是输入角速度 1的周期性函数 即 2 f 1 是周期性函数 采用周期性变速传动的作用 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 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 只有一个执行机构的系统 即单一型执行系统的系统 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 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 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 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 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 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 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 电阻压帽机传动系统 动力机为电动机1 经带式无级变速器2和蜗杆传动10 11将运动和动力传到分配轴3上 在分配轴3上有4个凸轮 凸轮5驱动一个执行构件将电阻坯料8和电阻帽7送到作业工位 凸轮6驱动压头13将电阻坯料8压紧 凸轮4 9通过连杆机构和压头14 15将电阻帽7压到电阻坯料8上 其他采用集中驱动的系统 一些中小机械 有多个距离较近的执行构件 它们需要的驱动功率不大 当用一个动力机驱动 传动系统也不复杂 也采用集中驱动 如小型磨粉机 有进料辊 磨辊 筛子 风扇 输送带等多个执行构件 用一个动力机集中驱动 机械系统上只有一个动力机 以汽车为例 它只有一个动力机 内燃机 但有多个执行构件 如车轮 配气气门 高压油泵的柱塞 冷却风扇和水泵 润滑系统的机油泵 照明系统的发电机 气泵 空调系统的压缩机等 这些执行构件都要由内燃机驱动 P109图5 6所示钻机传动系统也属于一个动力机集中驱动的传动系统 用多台动力机驱动一个执行机构的传动系统 三 联合驱动的传动系统 低速 重载 大功率 执行机构少而惯性较大的机械 一般需要的驱动功率较大 为减小每一台动力机的功率 减小传动件的负载 便于起动 采用多台动力机联合驱动的传动系统 P110图5 7为双输入轴圆弧齿轮减速器 由两个动力机从两个输入轴输入动力 在减速器里将动力合并 从一个输出轴输出 输出功率可大于1000KW 在矿井提升机中可用到这种减速器 图5 7双输入轴圆弧齿轮减速器结构图 三 按工作原理分类 按工作原理不同 传动系统可分为 机械传动系统 流体传动系统和电传动系统 机械传动和流体传动在传动过程中 保持机械能形式不变 电传动过程中有电能和机械能的转换 四 传动类型的选择 应综合考虑下面一些因素选择适合的传动类型及其组合 8方面因素 1 执行系统的工作状况 2 动力机的机械特性和调速性能 3 对传动比的要求 包括传动比的大小 范围及准确程度 4 对传动系统尺寸 重量 布置的要求 5 工作环境的要求 如温湿度 易燃 易爆要求 环境粉尘情况等 6 经济性要求 如可靠性 寿命 传动效率 制造费用 运转费用 维修费用等 7 操纵与控制方式要求 如从自动化程度上讲有人工控制和自动控制 从控制方式上讲 有单机控制和多机联动 这些都对传动类型的选择有影响 8 其他要求 如现场技术条件 能源条件及制造能力 标准件的选用及保护等方面的要求 这些对传动类型的选择也有影响 传动系统基本组成部分包括 变速装置 起停和换向装置 制动装置 安全装置等 确定传动系统的组成及其结构是传动系统设计的任务 第三节传动系统的组成 一 变速装置 作用 把动力机输出的转速和转矩 变成执行机构需要的转速和转矩 图5 1所示的起重量和起升速度变化不大的起重机 图5 2所示的曲轴压力机 执行机构只需要一个转速和转矩 就采用固定传动比的传动系统 若执行机构不需要变速 采用固定传动比的传动系统 但如果机械系统中的执行系统要求不同转速或转矩 应采用可变传动比的传动系统 变速装置 固定传动比的传动系统通过 机械设计 课程的学习以及所进行课程设计已经掌握 在 机械系统设计 课程里将学习变速装置 可变传动比传动系统的设计 对变速装置的要求 1 能传递足够的功率和转矩 与固定传动比系统不同 要按不同情况决定零件的载荷 所以 要对传动系统各构件进行承载能力的计算 执行系统具有恒转矩的机械特性 执行系统可能传递不同功率 应按最大功率决定变速装置的承载能力 执行系统具有恒功率的机械特性 执行系统可传递不同转矩 应按最大转矩决定变速装置的承载能力 执行系统有多个转矩和转速时 应按最大转矩进行承载能力计算 按最高转速进行精度设计 2 具有较高的传动效率 3 满足速度和转矩范围的要求 对有级变速装置还要求满足执行机构要求的级数 4 体积和质量尽可能小 5 工作平稳 噪声 振动较小 6 结构简单 制造 装配和维修工艺性好 7 润滑 密封 散热良好 8 无漏油 漏气 漏水现象发生 变速装置 减速装置在运动链中位置的决定 对汽车 拖拉机这一类的机械系统 对传动系统有两方面的要求 一是传动系统的传动比较大 动力机 内燃机输出转速较高 而执行构件 车轮转速较慢 二是变速范围Rmax较大 车轮的最高转速和最低转速相差较大 这时传动系统由变速装置和减速装置组成 存在一个问题 怎样决定变速装置和减速装置在运动链中位置 有如下两种方案 由于变速装置接近动力机 转速较高 转矩较小 变速装置中传动零件尺寸较小 重量较轻 变速操纵的力较小 但由于变速装置转速高 在变速时容易引起冲击 振动和噪声 在动力机与变速装置间加了减速装置1 它可降低变速装置输入转速 减小变速引起的冲击 振动和噪声 但由于转速降低 转矩就会加大 变速装置中传动零件的尺寸 重量加大 变速操纵力加大 方案1常用于动力机输出转速较低的场合 而方案2用于动力机输出转速较高的场合 常用的变速装置有以下几类 一 交换齿轮变速机构 图5 8所示交换齿轮变速箱 动力从电动机由 轴输入箱体 转速为n1 经过Z22 Z44齿轮减速 从 轴将动力输出箱体 箱体外悬臂布置交换齿轮ZA ZB 动力又从 轴输入箱体 后经Z23 Z36以及Z20 Z65两对齿轮减速 最后从 轴输出 转速为n2 速比为 在保证ZA ZB Z 为常数的情况下 改变交换齿轮ZA ZB的齿数就可达到变速的目的 交换齿轮装在 轴之间 而不装在 轴间 是由于 轴转速较高 转矩较小 可减小变换齿轮ZA ZB的尺寸和重量 中心距 交换齿轮变速装置的优点 结构简单 不需要变速操纵机构 经济性较好 缺点 1 装拆交换齿轮ZA ZB 操作麻烦 只能用在不经常变速的情况下 3 变速范围和变速级数受限制 2 交换齿轮ZA ZB在箱体外通常悬臂布置 支承刚度差 密封和润滑条件差 适用于不经常变速的机械 思考题 1 简述传动系统的功能和要求 以P107图5 1说明怎样使动力机与执行机构匹配 举例说明怎样通过传动系统满足对机械系统起动 制动 反向及空载等方面的要求 2 对传动系统按驱动形式分类 举例说明什么叫独立驱动 集中驱动和联合驱动的传动系统 并说明什么情况下采用这些传动系统 二 滑移齿轮变速机构 图5 9是6级滑移齿轮变速机构 动力由电动机经齿轮Z1 Z2减速输入到 轴 轴上有一个3联滑移齿轮 齿数分别为Z3 Z3 Z3 它们分别可和 轴上的齿轮Z4 Z4 Z4 相啮合 齿轮Z4 和Z5 是双联齿轮 它与轴 用花键联接 不能滑移 齿轮Z4 Z4 用平键和 轴联接 轴上有一个2联滑移齿轮Z6 Z6 它们分别可和齿轮Z4 Z5 啮合 1 3联齿轮右移 2联齿轮右移 2 3联齿轮右移 2联齿轮左移 3 3联齿轮左移 2联齿轮右移 6 3联齿轮居中 2联齿轮左移 4 3联齿轮左移 2联齿轮左移 5 3联齿轮居中 2联齿轮右移 滑移齿轮变速机构可从 轴输出6个转速 多联齿轮有两种结构 整体式和组合式 整体式如P113图5 10a 和b 所示 组合式如图c 和d 所示 缺点 在切齿和磨齿时需要有一定宽度的退刀槽 轴向尺寸B较大 整体式的优点 结构简单 刚度较好 容易加工 精度较高 组合式的特点与整体式刚好相反 设计多联齿轮时应注意 1 能传递较大的转矩和较高的转速 2 可在较大的变速范围里实现较多的变速级数 3 没有常啮合的空转齿轮 空载功率损失较小 与离合器变速机构相比 滑移齿轮变速机构的优点 滑移齿轮变速机构的缺点 1 不能在转动中变速或换向 要用离合器停下来 2 为便于啮合 多采用直齿圆柱齿轮传动 传动不平稳 承载能力差 3 轴向尺寸较大 1 要有齿端倒角或倒圆以便轮齿顺利啮入 2 要有凹槽 以便用拔叉使其轴向移动 三 离合器变速机构 离合器变速机构是靠离合器的接合与分离来实现不同齿轮副的啮合 最简单的离合器变速机构见下图 动力从 轴输入 轴上活套着两个齿轮Z1 Z1 M1和M2分别和 轴用花键实现动联接 动力从 轴输出 轴上固联着两个齿轮Z2 Z2 它们分别和 轴上的齿轮Z1 Z1 啮合 这个离合器变速机构有3个运动状态 1 空转运动状态 左离合器M1分离 右离合器M2分离 轴 不转 2 以转速n2转动状态 M1接合 M2分离 轴 转速 3 以n 2转速转动状态 M1分离 M2接合 轴 转速 常用的离合器按工作原理分有两种形式 啮合式离合器和摩擦式离合器 啮合式离合器又可分为牙嵌式离合器和齿式离合器 它们属于刚性传动 传动比准确可传递较大转矩 传动效率高 外形尺寸小 但不能实现运转中离合 因此 不能发挥离合器变速机构的优越性 摩擦式离合器可在运转中离合 而且离合平稳 有过载保护作用 但传动比不准确 有弹性滑动和打滑现象 传动效率低 会产生摩擦热 传递相同功率 摩擦离合器比啮合离合器尺寸大 结构复杂 按操纵方式分类有3种形式 机械操纵式 液压操纵式 电磁操纵式 机械操纵式离合器结构简单 但液压操纵离合器和电磁操纵离合器便于实现自动化 图5 11为电磁控制摩擦离合器变速箱的简图 动力从V带轴输入 经Z18 Z54齿轮减速 使 轴转动 轴上有两个电磁控制摩擦离合器M1和M2 M1的主动盘与轴 用花键动联接 从动盘与齿轮Z25固联 齿轮Z25与轴 空套 M2的主动盘与 轴用花键动联接 从动盘与齿轮Z48 Z34固联 齿轮Z48 Z34与轴 空套 V轴上的齿轮Z75 Z52 Z66分别与 轴的齿轮Z25 Z48 Z34啮合 Z75 Z52 Z66三齿轮空套在V轴上 Z75 Z52齿轮与离合器M3的主动盘固联 离合器M3的从动盘与轴V用花键动联接 齿轮Z66与离合器M4的主动盘固联 离合器M4的从动盘与轴V用花键动联接 此变速装置可实现4个速比 一般规定 变速器编号时各档 i1 i2 i3 i4 离合器变速机构可以克服滑移齿轮变速机构的缺点 如 1 可实现在运转中变速 采用摩擦离合器 2 变速过程中齿轮不用轴向移动 就可实现变速 因此 可采用斜齿圆柱齿轮传动 传动平稳 3 轴向尺寸较小 离合器摩擦片间隙大大小于齿轮宽度 但离合器变速机构中各齿轮副处于常啮合状态 磨损较大 有空转损失 传动效率较低 n1 n2 n3 n4 四 啮合器变速机构 普通啮合器工作原理见P115图5 12 啮合器可分为普通啮合器和同步啮合器 1 啮合器工作原理及结构 主动轴1上空套着双联齿轮2 3及5 4 中间齿轮6与主动轴1固联 啮合套7上有内齿 其模数和齿数与外齿轮3 5 6相同 通过内齿可和齿轮3 6 5啮合 它们之间相当于渐开线花键联接 啮合套7有3个位置 可实现3个运动状态 1 啮合套7位于中间位置 见图a 啮合套7内齿只与齿轮6啮合 轴1与齿轮2 4不接合 齿轮2 4均在轴1上空转 不实现运动和动力的传递 2 啮合套7位于左边位置 见图b 啮合套7内齿同时与齿轮3 6啮合 使得齿轮2与轴1相连接而传递运动和动力 其速比为 3 啮合套7位于右边位置 啮合套7内齿同时与齿轮5 6啮合 使得齿轮5与轴1相连接而传递运动和动力 速比为 普通啮合器有2个缺点 1 当移动啮合套时 如从中间位置向左移动 这时啮合套7与齿轮3转速不同 会发生顶齿现象 2 啮合套7同时与两个齿轮啮合时 会因振动及非操纵轴向力作用而自动退出从而导致脱档 防止顶齿现象发生的办法可见P115图5 13 图5 13具有间隔短齿的啮合器结构1 齿环 2 啮合套 将两侧齿环的齿间隔地缩短一个长度a a 2mm 以便于移动啮合套时 轮齿先插入齿环的齿槽间隙较大的一部分 当啮合套与齿环速度一致后 再将整个齿长插入齿槽中 防止脱档现象发生的办法可见图5 14 a 图是加宽式结构 把啮合套2的齿宽加大 啮合套的齿宽超过齿环2 3mm 这样载荷集中在啮合套齿的中部 可减小轮齿的扭转变形和非操纵轴向力 有利于防止自动脱档 普通啮合器结构简单 但轴向尺寸较大 而且换档时有不同步的现象发生 顶齿是不可避免的 因此换档不轻便 噪声较大 也可采用图5 14b 所示的切槽式结构 在啮合套2的齿中部切一个环槽 在中间齿轮3的齿环上切2道槽 齿轮3的轮齿在轴向被分成了3段 中间段的齿厚比两边段减薄了0 4 0 6mm 中间齿轮3与啮合套啮合后 形成了0 2 0 3mm的凸肩 防止啮合套自动脱档 同步啮合器的工作原理 P116图5 15 同步啮合器由空套在轴上的左右环1和7 与轴用花键动联接的套筒6和啮合套4组成 在套筒6和左 右齿环1 7之间设计了一个可配合的圆锥副2 5 在啮合套4与套筒6间设置了一个弹簧控制的销钉3联接 图5 15锥形常压式同步啮合器结构1 左齿环2 5 内锥面减摩衬套3 定位销4 啮合套6 套筒7 右齿环8 花键轴 同步啮合器的工作步骤 同步过程 啮合套4左移 在销钉3作用下 套筒6一同左移 内外圆锥面接触 在摩擦力作用下 左齿环1与套筒6 啮合套4一同同步运转 此时是摩擦传动 啮合过程 实现同步运转后 继续左移啮合套4 由于弹簧受压缩 销钉3压入套筒6孔中 套筒6不移动 啮合套4的内齿同时与套筒6 左齿环1的外齿啮合 完成啮合过程 同步啮合器可以实现先同步后啮合 即先摩擦传动 后啮合传动 先同步后变速 可减小变速过程中的冲击 因此变速过程平稳 在中小型汽车上和许多需要频繁变速的地方 多采用同步啮合变速器 在套筒6的内圆锥面上装有摩擦材料 可以加大摩擦系数 又耐磨损 2 啮合器齿轮模数的确定 3 啮合器的强度计算 自学 啮合器变速的实例 P117图5 16是T180履带式推土机的传动系统图 P118图5 17是该推土机变速箱结构 变速箱采用啮合器变速装置 原理图见下页 T180履带式推土机传动系统由主离器5 制动器 联轴器4 变速箱3 锥齿轮传动 转向离合器2以及最终传动 两级齿轮传动 1组成 传动系统把发动机6和驱动履带的链轮联接起来 变速箱3有3根轴 其中 是输入轴 是输出轴 是中间轴 8对16个斜齿圆柱齿轮组成的常啮合式齿轮传动 a b c d4个啮合套 其中a是单作用式 b c d是双作用式 b啮合套控制正反转 b啮合套与a c d3个啮合套可构成5个前进档 4个后退档 从变速箱结构图可看出其结构设计上的5个特点 采用啮合器变速和常啮合斜齿轮传动 工作较平稳 噪声小 轴向尺寸紧凑 换档轻便 冲击小 无须停车换档 各轴的轴向定位采用一端定位 以消除热膨胀引起的附加应力 前支承均为双列向心球面滚子轴承 能承受由斜齿轮引起的轴向力 后支承为单列向心短圆柱滚子轴承 可以轴向游动 轴 及轴 的圆柱滚子轴承外环用弹性档圈定位 轴 的圆柱滚子轴承外环用圆柱销定位 各轴均采用渐开线花键轴 联接强度高 工艺性及对中性好 空套齿轮的内孔均配一个双金属滑动轴承 并采用强制润滑 润滑油从油泵输出后经滤油器 冷却器后 从变速箱前端盖进入各轴中心孔 流到各轴承进行循环润滑 各轴的前轴端采用多个O型橡胶密封圈和油封密封 密封性能好 轴 的轴向位置用钢垫片进行调整 以保证锥齿轮的正确啮合位置 不同机械对起停和换向的要求不同 通常有下面三种情况 二 起停和换向装置 1 不需要换向且起停不频繁 如P102图4 18铆钉冷镦机 工作过程中 主轴1不需要反转 因此传动系统不用设置换向装置 铆钉冷镦机一经调整试车合格 就可以投入正常工作 起动以后 连续长时间运行 不需要经常停车 作用 控制执行机构的起动 停车 改变运动方向 对起停换向装置的基本要求 操纵方便省力 安全可靠 结构简单 能传递足够的动力 如P109图5 6所示的钻机 钻杆在工作过程中需作往复移动 主行程是钻孔 钻杆一边转动 一边向下移动 反行程是提升钻具 钻杆向上移动 控制钻杆移动的主卷扬机4就应能正反转 要有换向装置 但该装置使用不频繁 P108图5 3所示的龙门起重机 小车行走和大车行走2个执行机构都要正反转 但由于每个方向工作时间较长 换向不频繁 3 换向起停频繁 如P107起重机 P108丝杠车床 执行机构和执行构件要频繁正转和反转 要频繁起动和停车 对于这种换向起停频繁的机械系统 在传动系统里应设置换向和起停装置 以控制执行系统改变运动方向 并实现起动和停车 一 起停和换向装置方案的选择 2 需要换向 但不频繁 起停和换向装置可分为两大类 1 靠按钮或操纵杆直接控制动力机实现起停和换向 如P107图5 1的起重机 就是用按钮控制交流异步电动机的起停和换向的 2 用离合器和换向器实现传动系统的起停和换向 不必改变动力机的运动状态 如P117图5 16的履带式推土机靠主离合器5控制传动系统起停 靠啮合器b控制传动系统正反转 从而控制执行机构的运动状态 1 执行机构要求起停和换向的频繁程度 2 动力机的类型和功率的大小 在选择起停和换向装置的方案时 应考虑的因素 按动力机类型的不同 进行起动和换向装置方案的选择 1 动力机为电动机 对以电动机为动力机的机械系统 可以采用如下两种起停和换向装置方案 1 控制电动机起停和换向 适用于起停和换向不频繁的电动机 或起停和换向频繁的小功率的电动机 优点 操作方便 机械结构简单 为了避免起停和换向时因产生过大的冲击而损坏传动零件 此时在电动机与传动系统的输入轴间应选用弹性联轴器 图5 1的起重机 在电动机和减速器输入轴间安装的制动器 实际上是一个可制动的弹性联轴器 这种联轴器具有缓冲减振的作用 2 用离合器 啮合器起停和换向 适用于中等以上功率 起停和换向频繁的传动系统 如图P107图5 2所示的曲轴压力机 该系统只需要设置起停装置而不需要换向装置 当压力机需要起停时 可通过控制安装在大齿轮7与制动器5之间的离合器6来实现系统的起停功能 这样电动机9 齿轮8 7都不需要起停 当离合器转速较高时 可采用摩擦离合器 当离合器转速较低时 可选牙嵌式离合器或其它形式的啮合式离合器 如P108图5 4丝杠车床 与车床丝杠啮合的螺母设计成可开合的螺母 通过螺母的开合状态的改变 在电动机始终转动的情况下 来控制丝杠转还是不转从而实现系统的起停 靠改变电动机转向 从而改变丝杠转向 控制刀架向前还是向后 2 动力机为内燃机 内燃机不能带负载起动 不能频繁起动 更不能反转 因此必须在传动系统里设置起停和换向装置 P117图5 16所示的履带式推土机 用主离合器5实现起停 用啮合器b实现换向 起停 换向装置在传动系统的位置 在P117图5 16 主离器5设置在发动机6与变速箱3之间 这样离合器传递的转矩小 离合器尺寸较小 离合器分离时 其后的构件都不动 但P107图5 2所示的曲轴压力机 离合器6则是设在减速齿轮传动后 原因是齿轮7的转动惯量比较大 起到飞轮作用 离合器安装在它的后面 齿轮7就不用作频繁起动 大齿轮7一直转着可以储能 若频繁起停则能量损失较大 起停 换向机构 可以设置在传动系统转速较高的轴上 也可设置在转速较低的轴上 要视具体情况而定 在传动系统转速较高的轴上 传动转矩较小 设计出的装置尺寸较小 缺点 2 由于运动链中运动副有间隙 起停换向时运动链太长会引起较大的冲击 1 装置后面传动零件较多 能量损失较大 设在传动系统转速较低的轴上 情况刚好相反 对运动零件较少 惯性较小的运动链 起停换向装置宜设在靠近动力机的高速轴上 反之宜放在靠近执行机构的低速轴上 二 起停和换向装置的结构 自学 三 制动装置 图5 1所示的起重机中 当重物升到一定高度时 如采用给电动机断电的方法 使机器停止运转 由于所有运动构件都有惯性 运转不能立即停止 停车前运动构件的速度越高 运动构件的惯性参数越大 从断电到停车的时间越长 为节省停车时间 提高工作效率 对起停频繁或运动构件惯性参数较大 运动速度较高的传动系统 应设置制动装置 如在P107图5 1的起重机中 在电动机和减速箱间则设有制动器2 制动装置还可用于机械一旦发生事故或遇到危险情况紧急停车 或使运动构件可靠地停在某一位置的情况 汽车拖拉机上的制动装置就起这方面的作用 在传动系统同时装有起停装置和制动装置时 两个装置应协调工作 以汽车为例 要制动时 首先要使离合器分离 切断动力 然后用制动器制动 反过来 汽车要行走时 应先将制动器放开 然后再使离合器接合 接通动力使汽车起步 对制动器的基本要求是 工作可靠 操纵方便 制动平稳且时间较短 结构简单 尺寸小 磨损小 散热良好 用电动机作动力机时 可以利用给电动机接入反向电流的方法制动 反接制动 这种方法操纵方便 制动时间比较短 但由于制动电流较大 对电动机和电网有影响 电动机有反转的趋势 使电动机轴和传动系统受较大的惯性冲击 对传动系统及电动机轴有影响 所以这种方法只能用于传动系统惯性较小 惯性参数小 运动速度小 电动机功率较小 制动不频繁的场合 制动器在运动链中的位置 为减小制动力矩 减小制动器的尺寸 提高制动的平稳性 通常将制动器在安装在传动链的高速轴上 对于传动链较长 惯性较大 及工作载荷变动较大的机械 为减小制动时的冲击力 并兼顾制动的平稳性 可将制动器安装在靠近执行机构且转速较高的传动轴上 对于大型设备或重要的安全制动器 则应将制动器安装在靠近执行机构的低速轴上 各种制动器的类型 结构特性 使用场合 相关的设计要点 工作能力的参数确定和设计过程在P123 P125有比较详细的介绍 自学 四 安全保护装置 对于工作载荷变化频繁 载荷变化幅度较大 工作过程中有短时过载发生的机械系统 应在运动链中设置过载保护装置 以免突发事件发生时损坏机械系统的有关零件 如靠摩擦力工作的带传动 摩擦离合器本身就有过载保护作用 P129 P131有销钉安全联轴器 钢珠安全离合器 摩擦安全离合器的介绍 自学 安全装置在运动链中的位置 安全装置在转速较高的传动件上 结构尺寸可小一些 安全装置装在靠近执行机构的传动构件上 一旦发生过载 执行机构就能迅速地停止运动 综合以上两点 安全装置应装在靠近执行机构且转速较高的构件上 设置有过载保护装置的机械系统 在确定各零件的计算载荷时 可按过载保护装置的动作载荷进行计算 如果运动链中没有这类装置 为了保护运动链中其它构件不损坏 应设置安全离合器或安全销等过载保护装置 当运动链传递的载荷超过规定值时 安全保护装置中的联接件被剪断 而使运动链断开 运动不能传递 思考题 3 对P113图5 9和P114图5 11 P117图5 16作出机构运动简图 说明其属于什么变速机构 通过什么方法可以实现几个速度 有什么优缺点 4 分析P107图5 2曲柄压力机和P117图5 16推土机离合器在运动链中的位置不同的原因 对P107图5 1起重机为什么没有离合器 第四节传动系统的运动设计 一 有级变速传动系统的运动设计 有级变速传动通常由变速齿轮传动或变速带传动组成 在一定变速范围里 可输出有限级数的转速 最简单最基本的有级变速装置是两轴变速传动装置 它可实现2 4级变速 当要求的变速级多于4级时 可采用两个或两个以上的两轴变速机构串联的方法 组合成多轴变速装置 一 两轴变速传动的运动设计 1 塔轮传动 塔轮传动采用带传动或链传动 如P131图5 30所示的塔轮传动 可实现3级变速 可以实现3个传动比 轴 为输入轴 轴 为输出轴 轴 上固联着直径为D1 D2 D3的3个带轮 轴 上固联着直径为D4 D5 D6的3个带轮 D1与D4组成传动 D2与D5组成传动 D3与D6组成传动 若主动轴 转速为n0 被动轴 可输出3个转速 如要求被动轴 输出的转速按等比级数排列 即 或 按照这样的要求选择带轮直径或链轮齿数 要求带或链的长度相差不多 变速自行车上所使用的塔轮链传动 就可以实现有级地变速 塔轮传动装置尺寸较大 结构简单 2 滑移齿轮传动 如图5 31所示 两个轴上各布置2个齿轮 其中一个轴上是可移的双联齿轮 另一个轴上是不可移的固定齿轮 可实现2级变速 如果在两个轴上分别布置有可移的三联齿轮和三个不可移的固定齿轮 可实现3级变速 图5 31窄式滑移齿轮轴向排列长度 式中 为公比 进行滑移齿轮变速传动设计时应注意以下4点 1 各级速比应按等比级数排列 以3级变速为例 各级速比为 且 则 2 对单级传动比的最大值或最小值要加以限制 减速时限制最大传动比 增速时限制最小传动比 直齿轮传动 斜齿轮传动 防止被动齿轮直径过大而使变速箱尺寸过大 增速传动会放大传动误差 为避免放大误差及保证传动平稳 限制最小传动比 这时变速组的变速范围满足 是变速组能实现的最大变速范围 3 滑移齿轮应放在高速轴上 转矩小 需要的尺寸小 重量轻 操纵力小 移动起来比较方便 对2轴滑移齿轮装置 4 滑移齿轮结构设计时应注意的一些问题 为防止变速过程中轴向移动滑移齿轮时出现运动干涉和两对齿轮同时啮合的情况 在结构设计上应采取以下措施 三联移动齿轮应使大齿轮在中间 小齿轮在两边 三联移动齿轮和二联移动齿轮中 小齿轮的齿宽要大于大齿轮 小齿轮啮合时大齿轮不碰 采用图5 31所示的窄式滑移齿轮 双联齿轮轴向尺寸应保证L 4b 三联齿轮应保证L 7b 采用图5 32所示的宽式滑移齿轮 双联齿轮轴向尺寸应保证L 6b 三联齿轮应保证L 11b 对于变速组内各对转动副的传动比关系 可以用转速图更形象 更清晰地加以表示 设有一两轴三联齿轮变速组 三联齿轮在高速轴 上 齿数分别为Z1 Z2 Z3 Z1Z5 Z6 该系统可实现3个传动比 若假设Z6 Z3 可输出3个转速 则i3 1 n3 n0 可画出如下图所示的变速装置的转速图 转速图可表示如下一些内容 距离相等的一组竖线表示变速组中各传动轴 本变速组中只有两根轴 因此有两根竖线 左边的一根为主动轴 右边的一根为从动轴 顺序按照从动力机到执行机构的顺序排列 本变速组有3个转速 故有3条水平线 从下到上的各线 转速依次升高 越在下的线 转速越低 距离相等的一组横线代表转速线 主动轴 与最高水平线的交点为n0 表示主动轴的转速为n0 被动轴 与3根水平线的交点分别为n1 n2 n3 从下向上 分别表示轴 有3个转速 且满足n1 n2 n3 输出轴的转速按照公比为 的等比级数排列 所以相邻两水平线 转速线 相差为公比 如两转速线相隔了x个间隔 则它们的转速就相差了 x倍 如n2与n1相隔了一个间隔 则n2 n1 而n3与n1相隔了2个间隔 则n3 2n1 各轴与相应转速线的交点 用小圆表示 表示相应的转速 连线斜度越大 表示速比越大 越小 如在竖直方向 连线向下倾斜了x个格 则该连线表示的传动副的速比为i x 如连线向上扬了x格 该连线表示的传动副的速比为i 1 x 水平线表示该传动副速比i 1 相邻两轴相应转速点的连线 表示一对齿轮副的传动比 连线向下倾斜 表示减速 连线向上扬 表示增速 要会画转速图 例5 1已知电动机转速nm 1460r min 执行构件要求的3个速度分别为 95r min 150r min 236r min 速度按等比级数排列 公比 1 58 试确定合理的转速图方案 解 电动机输出转速nm 1460r min 执行构件最低转速n1 95r min 传动系统的最大传动比 变速范围 2 确定传动方案 执行构件要求有3个转速 n1 n2 n3 可以用一个2轴3联滑移齿轮变速组来实现 但该变速组的最大单级传动比imax 4 不能满足要求 故在传动系统中要设有定传动比的减速传动 1 计算最大传动比和变速范围 可提出两个传动系统的设计方案 方案1 方案2 3 确定各对传动副的传动比 方案1 2轴3联移动齿轮变速组与一对定传动比齿轮传动组合 公比 的确定 i1 3 i2 2 i3 取2轴3联移动齿轮变速组3个速比为 取定传动比齿轮副的传动比 i4 i1 3 则传动系统的最大传动比 应根据教材P42所列出的标准公比 1 06 1 12 1 41 1 58 1 78 2 0将计算出的公比 圆整为标准公比 imax 15 368 各级传动比确定 执行构件的转速 与所要求转速很接近 95r min 150r min 236r min i1 3 i2 2 i3 i4 i1 3 nm 1460r min 95r min 150r min 236r min i1 i2 i3 i4 绘制转速图 方案2 定传动比V带传动 2轴3联移动齿轮变速组和定传动比齿轮传动组合 选取V带传动的传动比 选取2轴3联移动齿轮变速组传动比 选取定传动比齿轮传动速比 则 各级传动比确定 2轴3联移动齿轮变速组 n2 150r min n3 236r min nm 1460r min n1 95r min i i1 i2 i3 i4 变速装置的转速图 与方案1相比方案2的优点 带传动有过载保护作用 2轴3联移动齿轮变速组输入转速较低 有利减小变速时的冲击 振动和噪声 方案2缺点 由于有带传动 外形尺寸较大 传动效率比较低 有打滑 传动比不准确 2轴3联移动齿轮变速组的最大速比 有较大减小 可减小 轴中心距 3 折回机构传动 折回机构传动见图5 35 轴 为输入轴 滑移齿轮Z1与 轴用花键实现动联接 双联齿轮Z4 Z5空套在 轴上 滑移齿轮Z1与双联齿轮Z4 Z5间有摩擦离合器M1 也可改为啮合离合器 在输出轴 上空套着双联齿轮Z2 Z3 滑移齿轮Z6与轴 用花键实现动联接 双联齿轮Z2 Z3与滑移齿轮Z6间有摩擦离合器M2 这个传动机构通过改变各离合器的状态可实现4个传动比 输出4个转速 离合器M1分离 离合器M2分离 离合器M1接合 离合器M2分离 离合器M1分离 离合器M2接合 离合器M1接合 离合器M2接合 减速 增速 折回机构传动 有3对齿轮副 其中从齿轮Z4到齿轮Z3的传动叫正向传动 它是增速的 从齿轮Z3到齿轮Z4的传动叫反向传动 反向传动是减速的 折回机构传动有一个正向传动副 它的速比较小 甚至可实现增速传动 因此可得到较大的调速范围 上例中调速范围Rmax 22 4 Rmax i1 i4 11 2 0 5 22 4 而滑移齿轮变速传动的调速范围为Rmax 8 10 P114图5 11所示的变速箱采用了折回机构传动 其中齿轮Z52 Z48组成正 反向传动副 离合器变速机构传动路线 4 背轮机构传动 图示的背轮机构有3根轴 但其中输入轴 和输出轴 同轴线 因此背轮机构传动属于二轴变速传动 输入轴 上用花键动联接齿轮Z1 中间轴 上固联着两个齿轮Z2和Z3 输出轴 上固联着悬轮Z4 齿轮Z1与齿轮Z4间有单作用离合器M 当离合器M分离时 动力从齿轮Z1传到齿轮Z2 又从齿轮Z3传到齿轮Z4 输出的转速为n1 速比 当离合器M接合时 动力从 轴直接传到 轴 输出的转速为n2 i2 1 利用图示的二轴背轮传动机构 可实现2个传动比 图5 37是三级背轮机构 可实现3个传动比 背轮机构的最大调速范围为 Rmax 16 比一般滑移齿轮变速机构的调速范围Rmax 8 10大得多 所以背轮机构应用广泛 图5 38所示的16T汽车起重机变速箱就应用了背轮机构 其中输入轴3与输出轴6共线 主动轴 3 上固联有齿轮Z4 它与中间轴 1 上固联的齿轮Z9处于常啮合 中间轴 1 上还固联着其他4个齿轮Z10 Z11 Z12 Z13 输出轴 6 上空套着3个齿轮Z5 Z6 Z7 齿轮Z8与轴用花键动联接 啮合套4位于齿轮Z4 Z5之间 啮合套5位于齿轮Z6 Z7之间 滑移齿轮Z8右移 啮合套5右移 啮合套5左移 啮合套4右移 啮合套4左移 这个机构可实现5个传动比 图5 39为轮胎式压路机的变速传动图 它也采用了背轮机构 动力由发动机1经主离合器2传给变速箱3的 轴 轴上固联着齿轮Z1 中间轴 上固联着4个齿轮 Z2 Z3 Z5 Z7 轴 上用花键联接1个双联齿轮Z6 Z8 它们可轴向移动 齿轮Z4与轴 动联接 齿轮Z4左移 可与齿轮Z1用内 外花键联接 这个传动机构可实现4个速比 双联齿轮右移 双联齿轮左移 Z4右移 Z4左移 5 离合器变速传动 图示的是可实现两级变速并可换向的离合器变速传动 输入轴 上空套着齿轮Z1和Z3 两个齿轮之间在轴 上安装有双向作用的离合器M 离合器的主动摩擦片与轴 固联 被动摩擦片分别与齿轮Z1 Z3固联 被动轴 上固联着两个齿轮Z2和Z4 齿轮Z2与齿轮Z1啮合 齿轮Z4通过惰轮Z5与齿轮Z3啮合 离合器变速传动可实现两个传动比 齿轮Z1右移 齿轮Z3在图示位置 齿轮Z1在图示位置 齿轮Z3左移 注意 由于离合器间隙较小 齿宽较大 当齿轮Z1 齿轮Z3轴向移动时 虽然离合器接合 但不改变它们与齿轮Z2 Z5的啮合状态 这种离合器变速传动在内燃叉车上使用 见P136图5 40 也可用两个单