机械执行系统的方案设计 PPT课件

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 1 传动系统的功能机械传动的分类和特点 29 1传动系统的功能和分类 2 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 传动系统的功能 3 一 机械传动的分类 1 按传动的工作原理分类 机械传动 啮合传动 摩擦传动 有中间挠性件 齿轮传动 蜗杆传动 螺旋传动 齿轮系传动 定轴轮系传动 周转轮系传动 链传动 同步带传动 普通带传动 绳传动 摩擦轮传动 传动系统的功能和分类 传动系统的分类和特点 4 2 按传动比的可变性分类 机械传动 定传动比传动 齿轮传动 蜗杆传动 螺旋传动 链传动 带传动 有级变速传动 变传动比传动 无级变速传动 摩擦轮无级变速传动 带式无级变速传动 链式无级变速传动 传动系统的功能和分类 5 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 传动系统的功能和分类 6 传动系统的组成常用机械传动部件 29 机械传动系统的组成及常用部件 7 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 传动系统的组成及常用部件 传动系统的组成 8 9 10 11 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 传动系统的组成及常用部件 3 无级变速装置 12 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 29 机械传动系统方案设计 13 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 机械传动系统方案设计的过程和基本要求 14 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 15 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 机械传动类型的选择 机械传动系统方案设计 16 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 17 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 18 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 19 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 机械传动系统方案设计 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 20 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 机械传动系统方案设计 21 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 i 1时为减速传动 i 1时为增速传动 29 机械传动系统的特性及其参数计算 i1 i2 ik为系统中各级传动的传动比 nc为传动系统的输出转速 r min 22 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 机械传动系统的特性及其参数设计 传动系统中 任一传动轴的转速ni可由下式计算 2 转速和变速范围 23 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 机械传动系统的特性及其参数设计 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 24 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 25 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 3 机械效率 机械传动系统的特性及其参数设计 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 4 功率 26 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 机械传动系统的特性及其参数设计 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 27 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 机械传动系统的特性及其参数设计 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 28 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 29 机械传动系统方案设计实例 29 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 40r min 2 功率 10 103kW 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 30 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 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 机械传动系统方案设计实例分析 几种管磨机主要传动系统方案的特点 31 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 1 带传动 齿轮传动串联式单流传动系统方案 机械传动系统方案设计实例分析 32 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 机械传动系统方案设计实例分析 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 33 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 4 中心驱动式单流传动系统方案 机械传动系统方案设计实例分析 34 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 5 中心驱动式并联汇流传动系统方案 机械传动系统方案设计实例分析 36 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 6 低速电动机直接驱动方案 机械传动系统方案设计实例分析 37 工作条件 电动机转速n1 1450r min 工作频率f 501 min 传动比误差r 2 机械传动系统的机构简图 肥皂压花机的传动路线及传动比的分配 机械传动系统方案设计实例分析 38 肥皂块压花和出料工艺 推杆11 压模工位 下模具7上移完成压花工艺 上模具8固定 凸轮机构13的顶杆将皂块推出 肥皂块12 肥皂块12 机械传动系统方案设计实例分析 39 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 40 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 41 电动机1 带传动2 二级齿轮减速器3 离合器4 锥齿轮传动5 六杆机构6 下模具往复移动7 链传动9 曲柄滑块机构11 锥齿轮传动10 皂块送进12 凸轮机构13 成品送出14 肥皂压花机传动路线图 机械传动系统方案设计实例分析 42 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 应转一周 故轴 的转速为n 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 43 主传动链的实际总传动比 选取各轮齿数za 23 zb 86 zc 21 zd 65 i总 i1i2i3 2 5 3 739 3 095 28 93 传动比误差 实际传动比 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 2i 3 11 6可求得i 2 3 73 i 3 3 11 机械传动系统方案设计实例分析 44 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 必须与分配轴 同步 即n n 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 45 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 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 46 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 轴 转速和功率 r min 9 4r min 执行机构主轴的输出功率P 为 kW 1 86kW 机械传动系统方案设计实例分析 47 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 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 kW 2 3kW 机械传动系统方案设计实例分析 48 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YEJ132M 8型电动机 额定功率Pe 3kW 满载转速n 710r min 机械传动系统方案设计实例分析 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 49 实际总传动比为 i i1i2i3 3 13 4 54 5 53 78 58 未超过传动比误差要求 所选参数可用 传动比误差为 机械传动系统方案设计实例分析 5 计算各轴转速 50 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 机械传动系统方案设计实例分析 7 各轴转矩 51 原动机的机械特性和工作机的负载特性原动机的选择 29 5原动机的选择 原动机的种类很多 按使用能源的形式 可分为一次原动机和二次原动机两大类 一次原动机使用自然界能源 直接将自然界能源转变为机械能 如内燃机 风力机 水轮机等 二次原动机将电能 介质动力 压力能转变为机械能 如电动机 液压马达等 52 原动机的选择 原动机的机械特性和工作机的负载特性 一 原动机的机械特性原动机的机械特性一般用输出转矩T 或功率P 与转速n的关系曲线 即T f n 或P f n 曲线表示 53 一次原动机的机械特性 特点和应用 54 各类电动机主要性能的比较 55 利用变频器对交流电动机进行调速 变频器可以看作一个频率可调的交流电源 因此对于现有的作恒转速运转的异步电动机 只需要在电源和电动机之间接入变频器和相应设备 就可以实现调速控制 而无需对电动机和系统本身进行大的改造 通用型变频器的调速范围可达1 10以上 高性能的矢量控制变频器的调速范围可达1 1000 变频调速异步电动机既保持了异步电动机械特性硬的特点 并具有高精度的调速性能 原动机的选择 56 二 工作机的负载特性代表工作机工况最重要的特性是载荷 包括功率P 转矩T和力F 与速度 包括转速n和线速度v 之间的关系 n T特性 这也是讨论原动机 传动装置与工作机匹配的基本依据 工作机的转速 转矩 转速 功率 特性 主要有四种 即恒转矩载荷 恒功率载荷 平方降转矩载荷和恒转速载荷 原动机的选择 57 1恒转矩载荷 恒转矩载荷的n T特性 工作机的速度无论如何变化 其稳定状态下的载荷转矩大体上是一个定值如下图所示 恒转矩特性的载荷消耗的能量与转速n成正比 例如 传送带 搅拌机 挤压成型机和起重机等 原动机的选择 2恒功率载荷 某些机械 其工作功率为定值而与转速无关 其机械性如图所示 例如 机床的端面切削 纺织机械和轧钢设备中的卷取机构 恒功率载荷的n T特性 58 3平方降转矩载荷风扇 通风机 离心式水泵和船舶螺旋浆等流体机械 在低速时由于流体的流速低 所以载荷 阻力矩 较小 当转速增高时 载荷迅速增大 其载荷 转矩 与转速的平方成正比 其机械特性如图所示 具有这种机械特性的机器 其消耗的功率正比于转速的三次方 平方降转矩载荷的n T特性 原动机的选择 4恒转速载荷对于交流发电机一类的机器 尽管载荷发生变化 但其转速基本保持不变 这就是恒转速载荷特性 如图所示 恒转速载荷的n T特性 59 此外 在带有连杆机构的工作机中 如曲柄压力机 活塞式空气压缩机等 其载荷转矩T与转角 或行程S之间存在一定的函数关系 可表示成T f 或T f s 原动机的选择 三 机械系统稳定运行的条件工作机运行时 原动机的机械特性和工作机的负载转矩特性是同时存在的 为了分析机械系统的运行情况 可把原动机的机械特性与工作机的负载转矩特性画在同一坐标图上 进行分析 1 原动机和工作机的工作点在设计传动系统时 为求出原动机和工作机的工作点 需知原动机的机械特性和工作机的负载特性 60 曲线2 工作机的负载特性曲线曲线1 原动机 例如柴油机 的机械特性曲线 曲线3 根据原动机的机械特性曲线和传动装置的参数绘制的原动机与传动装置共同的工作特性曲线 原动机的选择 A点 工作机的最佳工作点 N点 原动机的额定工作点 N 点 传动装置的传动比 B点 曲线3与曲线2之交点 在这种匹配条件下工作机的实际工作点 其实际转速将为n2 转矩为T2 原动机与工作机的工作点 将B点换算到曲线1上的点C 便是原动机实际工作点 n1 in2 T1 T2 i 61 2 工作点的稳定性原动机和工作机工作点的稳定性 是指原动机或工作机受到微小干扰时 能在原工作点的邻近建立新的工作点而不产生过大的偏移 原动机的选择 62 工作点的稳定性 曲线3是柴油机和传动装置的共同工作特征曲线 曲线2是起重机 恒转矩 的载荷特征曲线 在最大转矩点A右侧的工作点 如B 是稳定的 而左侧的 如C 是不稳定的 负载特性曲线2和2 是抛物线型的 这时工作点无论在最大转矩点A的左侧 点C 还是右侧 点B 都将是稳定的 原动机的选择 63 一 选择原则 原动机的选择 1 满足工作环境对原动机的要求 如能源供应 降低噪声和环境保护等要求 2 原动机的