机械系统设计 传动系统设计

第四章传动系统设计,四、内联传动系统的设计,一、传动系统的类型,五、典型传动系统,二、传动系统的组成,三、传动系统的运动设计,第一节传动系统的类型与组成,一、传动系统的作用,2,将动力源(或某个执行件)的速度、力矩传递给执行件(或另一执行件），使该执行件具有某种运动和出力的功能。,第一节传动系统的类型,一、传动系统的作用,3,将动力机的动力传递给执行机构，以满足执行机构对转矩和转速的要求。1）把动力机输出的速度降低或增高，以适应执行机构的需要。2）实现变速传动以满足执行机构的经常变速要求。3）把动力机输出的转矩，变换为执行机构所需要的转矩或力。4）把动力机输出的等速运动，转变为执行机构所要求的、其速度按某种规律变化的旋转或其他类型的运动。5）实现由一个或多个动力机驱动若干个相同或不同速度的执行机构。6）受机体外形尺寸限制或为了安全和操作方便，执行机构不宜与动力机直接联接时，也需要用传动装置来联接,第一节传动系统的类型,二、传动系统的类型,4,a、按驱动机械系统的动力源分为：电动机驱动、内燃机驱动等，而电动机驱动又有交流异步电动机(单、多速)驱动，直流并激电动机、交流调速主轴电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动，步进电动机驱动等。b、按动力源驱动执行件的数目分为：独立驱动、集中驱动和联合驱动等。c、按传动装置分为：机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及上述装置的组合。机械传动装置：输出速度不变和输出速度可变两类。输出速度可变：分为有级变速和无级变速。,第一节传动系统的类型,二、传动系统的类型,5,d、按能量的流动路线分为,第一节传动系统的类型,二、传动系统设计要求,6,第一节传动系统的类型,二、传动类型选择依据,7,第一节传动系统的类型,（一）有级与无级变速传动系统,8,1、无级变速传动系统指执行件的转速(或速度)在一定的范围内连续地变化这样可以使执行件获得最有利的速度，能在系统运转中变速，也便于实现自动化等。,依靠摩擦力来传递转矩；存在转速损失，故不能用于调速精度高的场合；变速范围小，通常为46，少数可达1015。,传动平稳运动换向冲击小易于实现直线运动,(1)机械无级调速器：,(2)液压无级变速装置：,(3)电气无级变速装置,第一节传动系统的类型,（一）有级与无级变速传动系统,9,2.有级变速传动系统：在变速范围内不能连续地变换，属于有级变速。,传递的功率大变速范围宽传动比准确工作可靠有转速损失,第一节传动系统的类型,（一）有级与无级变速传动系统,10,CA7620型液压多刀半自动车床主传动系统及转速图,第一节传动系统的类型,（一）有级与无级变速传动系统,11,3.固定传动比的传动系统,机械系统执行件要求以某一固定的转速(速度)工作，则连接动力源与执行件的传动系统属于固定传动比的传动系统，即该系统是由若干个固定传动比串联组成。,起重机传动系统简图,第一节传动系统的类型,（二）独立和联合驱动传动系统,12,1.独立驱动传动系统(1)只有一个执行件；(2)有多个运动不相关的执行件；(3)数控机械系统。,由电动机9通过一对齿轮副8、7及离合器6带动曲轴4旋转，再通过连杆3使滑块2在机身10的导轨中作往复运动。操纵杆1使离合器接合或脱开。制动器5与离合器6的动作要协调配合，工作前，制动器先放松，离合器后结合，停车时，离合器先脱开，制动器后结合。,第一节传动系统的类型,（二）独立和联合驱动传动系统,13,2集中驱动传动系统,机械系统的多个执行件均由一个动力源驱动。(1)执行件间有严格的传动比要求；(2)各执行件间运动有顺序或协调的要求；(3)各执行件的运动相互独立。,龙门起重机有三个主要运动：大车运行、小车运行和重物升降，这三个运动互不相关，都是独立的，执行机构分别由各自的电动机单独驱动。,第一节传动系统的类型,（二）独立和联合驱动传动系统,14,由两个或多个动力源经各自的传动链联合驱动一个执行件的传动系统，主要用于低速、重载、大功率、执行件少而惯性大的机械。l）执行机构间有一定的传动比要求2）各执行机构之间有顺序或协调动作要求,3联合驱动传动系统,4数字控制机械系统,第一节传动系统的类型,（二）独立和联合驱动传动系统,15,l）执行机构间有一定的传动比要求高精度丝杆车床的传动系统图，机床的主轴和刀架由一个无级变速电动机驱动，电动机经带传动和蜗杆传动驱动主轴。主轴经交换挂轮及丝杆螺母驱动刀架。加工高精度螺纹时，要求主轴与刀具的相对运动保持十分准确的传动比关系，即主轴每转二转，刀架的移动距离为工件的螺纹导程S。这种关系是由进给传动链保证当工件的导程S改变时，需调整交换挂轮的齿数。,第一节传动系统的类型,（二）独立和联合驱动传动系统,16,2）各执行机构之间有顺序或协调动作要求,第二节传动系统的组成,17,一、变速装置交换齿轮，滑移齿轮，离合器，前三种的组合，啮合器二、起停和换向装置要求省力、可靠、结构简单、有足够的动力三、制动装置要求可靠、方便、平稳、结构简单、尺寸小、磨损小、散热好四、安全保护装置销钉安全联轴器，钢珠安全离合器，摩擦安全离合器,第二节传动系统的组成,一、变速装置,18,作用：改变动力机的输出转速和转矩以适应执行机构的需要。若执行机构不需要变速，可采用具有固定传动比的传动系统或采用标准的减速器、增速器实现降速传动或增速传动。,1交换齿轮变速机构结构简单，不需要变速操纵机构，轴向尺寸小，变速箱的结构紧凑。更换齿轮费时费力，只适用于不需要经常变速的机械，如各种自动和半自动机械。2滑移齿轮变速机构可传递大的转矩和转速，变速方便。,第二节传动系统的组成,一、变速装置,19,第二节传动系统的组成,一、变速装置,20,3离合器变速机构离合器变速机构有牙嵌式离合器、齿轮式离合器以及摩擦片式离合器。牙嵌式离合器和齿轮式离合器属于刚性传动，传动比准确，可传递较大转矩，但不能在运转中变速。摩擦式离合器是靠摩擦片之间的摩擦力传递转矩，可在运转中变速，结合平稳、无冲击，并可起过载保护作用。但结构复杂，传递大转矩时体积较大，传动比不准确，此外，摩擦离合器也是一个热源和噪声源。,第二节传动系统的组成,一、变速装置,21,4啮合器变速机构啮合器分普通啮合器和同步啮合器两种，广泛用于汽车变速箱中。可采用常啮合，运转平稳，能在运动中变速，可传递较大转矩。普通啮合器的结构简单，但轴向尺寸大，变速过程中易出现顶齿现象，故换档不太轻便，噪声较大。同步啮合器的工作原理是变速过程中先使将要进入啮合的一对齿轮的圆周速度相等，然后才进入啮合，即先同步后变速。,第二节传动系统的组成,一、变速装置设计要点,22,第二节传动系统的组成,一、变速装置设计要点,23,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,24,用于控制执行机构的起动、停车以及改变运动方向。设计要求：起停和换向方便省力，操作安全可靠，结构简单，并能传递足够的动力。在选择起停和换向装置时，除应考虑机械的工况外，还应考虑动力机的类型与功率以及起停和换向的操纵方式。,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,25,1动力机为电动机当换向不频繁或换向虽频繁但电动机功率较小时，可直接由电动机起停和换向。这种方式的优点是结构简单，操纵方便，因此得到广泛的应用。当功率较大且起停和换向频繁时，常采用离合器起停和换向。执行机构的转速较高时采用摩擦离合器，执行机构的转速较低时可采用牙嵌离合器等刚性的啮合式离合器。,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,26,2动力机为内燃机由于内燃机不能在负载下起动，故必需用摩擦离合器或液力偶合器来实现起停。内燃机不能反向运转，执行机构需要反向时应在传动链中设置反向机构。用离合器实现起停时，为了减小摩擦离合器的结构尺寸，应将它放置在转速较高的传动轴上。由于靠近动力机，故当离合器脱开时，传动链中大部分传动件停止运动，可以减少空转功率损失。,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,27,换向机构放在靠近动力机的转速较高的传动轴上，也可使其结构紧凑。但会使换向的传动件较多，能量损失较大。对于传动件少、惯性小的传动链，宜将换向机构放在前面即靠近动力机处，反之，宜将换向机构放在传动链的后面即靠近执行机构处，以提高传动的平稳性和效率。,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,齿轮摩擦离合器换向机构齿轮Z1和Z3空套在轴上，摩擦离合器向左接合时，通过Z2传动轴。摩擦离合器向右接合时，通过Z0、Z4传动轴实现反转，摩擦离合器处于中间位置时，轴不转。这样就可实现轴I的起停和换向。,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,第二节传动系统的组成,二、启停和换向装置,第二节传动系统的组成,三、制动装置,34,使执行机构的运动能够迅速停止。由于运动构件具有惯性，当起停装置断开后，运动构件不能立即停止，而是逐渐减速后才能停止运动。转速愈高，运动构件的惯性愈大及摩擦阻力愈小，停车的时间就愈长。为了节省辅助时间，对于起停频繁或运动构件惯性大、运动速度高的传动系统，应安装制动装置。,基本要求是工作可靠，操纵方便，制动迅速平稳，结构简单，尺寸小，磨损小，散热好。常用制动方式有电气制动和机械制动。电动机起停和换向时，常采用反接制动。它具有结构简单、操作方便、制动迅速等优点，但反接制动电流较大，传动系统受到的惯性冲击较大。,第二节传动系统的组成,三、制动装置,35,当传动链较长、起动比较频繁、传动系统惯性较大及传递功率较大时，常采用机械制动方式，如带式、外抱块式、内张蹄式和盘式等摩擦式制动器。此外，还经常使用磁粉式、磁涡流式和水涡流式等非摩擦式制动器。,第二节传动系统的组成,三、制动装置,36,1）制动器与离合器必需互锁。2）合理确定制动器的安装位置。若要求制动转矩较小，则制动器安装在转速较高的轴上。这样制动平稳，制动器体积也小。若要求制动时间短、制动灵活，则制动器可直接安装在主轴或其他执行机构上。通常，制动器安装在转速较高、变速范围较小的轴上。3）带式制动器的操纵力应作用在制动带的松边。,制动器的设计与安装应考虑如下问题：,第二节传动系统的组成,三、制动装置,37,第二节传动系统的组成,三、制动装置,38,第二节传动系统的组成,三、制动装置,39,第二节传动系统的组成,三、制动装置,40,第二节传动系统的组成,三、制动装置,41,第二节传动系统的组成,三、制动装置,42,第二节传动系统的组成,四、安全保护装置,43,机械在工作中若载荷变化频繁、变化幅度较大、可能过载而本身又无保护作用时，应在传动链中设置安全保护装置，以避免损坏传动机构。如果传动链中有带、摩擦离合器等摩擦副，则具有过载保护作用，否则应在传动链中设置安全离合器或安全销等过载保护装置。当传动链所传递的转矩超过规定值时，靠安全保护装置中连接件的折断、分离或打滑来停止或限制转矩的传递。,安全保护装置装在转速较高的传动构件上，可使结构尺寸小些。若装在靠近执行机构的传动构件上，则一旦发生过载，就能迅速停止运动，并可使传动链中其他传动构件避免超负荷运行。所以安全保护装置宜放在靠近执行机构且转速较高的传动构件上。,第二节传动系统的组成,四、安全保护装置,44,1销钉安全联轴器在传动链中设置一个最薄弱的环节，如剪断销或剪断键，当传递的转矩超过允许值时，销或键被剪断，使传动链断开，执行机构便停止运动。剪断销或剪断键应装在传动链中易于更换的位置上。,第二节传动系统的组成,四、安全保护装置,45,2钢珠安全离合器灵敏度较高、工作可靠、结构简单，但打滑时会产生较大的冲击，连接刚度较小，反向回转时运动的同步性较差。,第二节传动系统的组成,四、安全保护装置,46,3摩擦安全离合器结构简单，多用于传递转矩不大的场合。如果传递的转矩较大，也可采用双圆锥摩擦安全离合器或摩擦片安全离合器。,第二节传动系统的组成,四、安全保护装置,47,第三节特殊传动机构,48,1、行星齿轮传动2、摆线针轮行星传动3、谐波齿轮传动,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,49,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,50,一个或一个以上齿轮的轴线绕另一齿轮的固定轴线迴转的齿轮传动。差动轮系：三者都不固定确定机构运动时需要给出两个构件的角速度行星轮系：固定内齿轮b或太阳轮a。,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,51,差动轮系可以把两个给定运动合成起来也可把一个给定运动按照要求分解成两个基本件的运动。行星齿轮传动应用广泛并可与无级变速器液力耦合器和液力变矩器等联合使用进一步扩大使用范围。,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,52,(1)齿圈固定，太阳轮主动，行星架被动,此种组合为降速传动，通常传动比为2.55，且转向相同。,52,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,53,(2)齿圈固定，行星架主动，太阳轮被动,此种组合为升速传动，传动比为0.20.4，且转向相同。,53,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,54,(3)太阳轮固定，齿圈主动，行星架被动,此种组合为降速传动，传动比为1.251.67，且转向相同。,54,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,55,(4)太阳轮固定，行星架主动，齿圈被动,此种组合为升速传动，传动比为0.60.8，且转向相同。,55,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,56,(5)行星架固定，太阳轮主动，齿圈被动,此种组合为降速传动，传动比为1.54，且转向相反,56,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,57,57,(6)行星架固定，齿圈主动，太阳轮被动,此种组合为升速传动，传动比为0.250.67，且转向相反。,57,第三节特殊传动机构,一、行星齿轮传动,58,58,(7)把三元件中任意两元件接合为一体的情况,行星齿轮间没有相对运动，作为一个整体运转，传动比为1，且转向相同。,58,第三节特殊传动机构,二、摆线针轮行星传动,59,59,第三节特殊传动机构,二、摆线针轮行星传动,60,60,60,1摆线行星轮，2针轮，H系杆，V输出轴,第三节特殊传动机构,二、摆线针轮行星传动,61,61,运动由系杆H输入，通过输出机构由轴V输出。摆线针轮行星传动也是一种KHV型一齿差行星传动。在摆线针轮传动中，行星轮的齿廓曲线不是渐开线，而是变态外摆线，中心内齿轮采用了针齿，又称为针轮。同渐开线少齿差行星传动一样，其传动比为：,由于Z1Z2=1，故i=-Z2，即摆线针轮行星传动可获得大传动比。摆线针轮行星传动具有减速比大（一级减速比9-115，多级可获更大减速比）、结构紧凑、传动效率高（一般可达90%94%）、传动平稳、承载能力高、使用寿命长等优点，与渐开线少齿差行星传动相比，无齿顶相碰和齿廓重叠干涉等问题。在军工、矿山、冶金、化工等工业部门得到广泛应用，以其多方面的优点取代了一些笨重庞大的传动装置。其主要缺点是加工工艺复杂，制造成本较高。,i=-Z2/（Z1Z2）,第三节特殊传动机构,三、谐波齿轮传动,62,62,谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动。1为具有内齿的刚轮，2为具有外齿的柔轮，H为波发生器。这三个构件与少齿差行星传动机构的中心内齿轮、行星轮2和系杆H相当。通常波发生器为主动件，而刚轮或柔轮之一为从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆，是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区，同时在椭圆的短轴两端，两轮轮齿完全脱开。至于在其余各处，根据柔轮回转方向的不同，或处于啮入状态，或处于啮出状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断变化，从而使轮齿的啮合区和脱开区也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。,第三节特殊传动机构,三、谐波齿轮传动,63,63,第三节特殊传动机构,三、谐波齿轮传动,64,64,在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的，称为波数。常用的有两波和三波。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数（即波发生器上的滚轮数）的整倍数，通常取作等于波数。由于在谐波齿轮传动过程中，柔轮与刚轮的啮合过程与行星齿轮传动类似，其传动比可按周转轮系的计算方法求得。,当刚轮1固定，波发生器H主动，柔轮2从动时，传动比为：,iH2=Z2/（Z1Z2）,当柔轮2固定，波发生器H主动，刚轮1从动时，传动比为：iH1=Z1/（Z1Z2）,在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变