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1、第七章第七章 机械传动系统机械传动系统一、机械传动系统的概念一、机械传动系统的概念 将若干种机构根据需要组合起来，构成一个机械将若干种机构根据需要组合起来，构成一个机械传动系统，其作用不仅是实现减速（或增速）、变传动系统，其作用不仅是实现减速（或增速）、变速以及运动形式的转变，使执行构件能完成预定的速以及运动形式的转变，使执行构件能完成预定的运动，同时它还把原动机输出的功率和扭矩传递到运动，同时它还把原动机输出的功率和扭矩传递到执行构件上去，使它能够克服生产阻力而做功。因执行构件上去，使它能够克服生产阻力而做功。因此，实现预期的运动和传递动力是机械传动系统的此，实现预期的运动和传递动力是机械传
2、动系统的两个基本任务。两个基本任务。第一节第一节 机械传动系统的概念及其设计步骤机械传动系统的概念及其设计步骤2二、机械传动系统的设计步骤二、机械传动系统的设计步骤 1 1、根据机器的生产任务根据机器的生产任务拟定拟定实现工作过程的实现工作过程的运动方案运动方案。2 2、确定确定各执行构件的各执行构件的运动参数运动参数和生产和生产阻力阻力，并，并选择电动机选择电动机，确定其确定其类型类型、转速转速和和功率功率。3 3、合理选择合理选择机构类型机构类型、拟定机构的、拟定机构的组合方案组合方案，绘制绘制机械传机械传动系统的动系统的机构运动简图机构运动简图。4 4、根据执行构件和原动机的运动参数以及
3、各执行构件的运根据执行构件和原动机的运动参数以及各执行构件的运动协调要求，动协调要求，确定各机构确定各机构的的运动参数运动参数。5 5、根据机器的生产阻力或原动机的额定转矩根据机器的生产阻力或原动机的额定转矩计算各零件计算各零件承承受的受的载荷载荷（包括轴所传递的扭矩）。（包括轴所传递的扭矩）。3 机器的工作原理多种多样，同一工作原理又可以拟定出几种不同运动方案。设计时从多方面综合比较，合理选择。执行构件的运动形式常见的有回转运动回转运动和直线运动直线运动两种，回转运动又分为连续连续回转和间歇间歇回转；直线运动又分为往复往复直线和带间歇间歇的往复直线等运动。原动机原动机：电动机、油马达或油缸（
4、液动机）、气马达或气缸（气动机）、内燃机等，其运动形式有连续回转、往复直线运动和往复摆动等。电动机的同步转速分为3000、1500、1000、750、600 r/min等五种，相应的极数为2、4、6、8、10极。当功率相同时，转速越高，极数就越少，体积和重量也越小，价格也越低。当执行构件的速度较高时，宜选用较高转速电动机，不仅便宜，还能缩短运动链、提高机械效率。当执行构件的速度较低时，宜选用较低转速电动机。否则，虽然电动机费用减少了，但运动链会加长，机械效率会降低，使总的成本增加。第二节第二节 机器的工作原理、运动方案机器的工作原理、运动方案和原始运动参数和原始运动参数4 主要有以下两大类：一
5、类是摩擦传动机构摩擦传动机构摩擦传动机构摩擦传动机构，包括皮带传动、摩擦轮传动等；另一类是啮合传动机构啮合传动机构啮合传动机构啮合传动机构，包括齿轮传动、蜗杆传动、链传动等。摩擦传动比较平稳，噪音小，过载时可以打滑而避免机件损坏；并且构造比较简单，容易制造维修。但是由于弹性滑动或短暂打滑将使传动比不能保持恒定，并且在传动时构件之间需要一定的压紧力，因而使轴上所受的压力较大。第三节第三节 常用机构的分析比较与机构常用机构的分析比较与机构组合方案的拟定组合方案的拟定一、传递回转运动的机构一、传递回转运动的机构5表表7-17-1各种传动机构常用的圆周速度、单级传动比和传递功率的概值各种传动机构常用的
6、圆周速度、单级传动比和传递功率的概值表表7-27-2各种传动机构的尺寸和重量对比各种传动机构的尺寸和重量对比6二、实现单向间歇运动的机构二、实现单向间歇运动的机构（自学）（自学）三、实现往复移动和往复摆动的机构三、实现往复移动和往复摆动的机构（自学（自学）四、机构组合方案的拟定四、机构组合方案的拟定 1 1、应尽量、应尽量简化简化和和缩短缩短运动链运动链 2 2、应使机器有较高的机械、应使机器有较高的机械效率效率 3 3、合理安排、合理安排传动传动机构的机构的顺序顺序 4 4、合理分配、合理分配传动比传动比 5 5、保证机器的、保证机器的安全安全运转运转7一、电动机功率的确定一、电动机功率的确
7、定 对于连续工作的一般旋转运动的机器或直线运动的机器，当载荷恒定时，可按下式确定电动机的功率。当载荷周期性变动时，须计算出相应于时间变量平均的等效载荷，具体过程参阅有关书籍。式中：Pn电动机的额定功率，kW，参见电动机样本；T 作用在执行构件上的生产阻力矩，Nm，由计算得到；F 作用在执行构件上的生产阻力，N，由计算得到；n 执行构件的转速，r/min，已知量；v 执行构件上F力作用点沿F力方向的速度，m/s；机器的总效率，%，由传动系统和有关表格计算得到。第四节第四节 机器的功率计算与转矩校核机器的功率计算与转矩校核8二、电动机过载能力校核二、电动机过载能力校核 电动机都有一定的过载能力。但
8、是当机器的载荷（生产阻力矩）变化时，在按（7-1）式粗略的确定电动机功率后，还应较核电动机的过载能力，即在机器过载时，电动机的最大输出转矩应大于电动机的最大负载转矩，即满足（7-3）式。否则，电动机会发生闷车现象，电流增大67倍，电动机过热甚至烧坏。式中：Pn 初选电动机的额定功率，kW，已知量；nn 初选电动机的额定转速，r/min，由电动机样本查到；i 从电动机轴到机器的执行构件轴的总传动比，已知量；T2过载时，作用在执行构件轴上的最大生产阻力矩，Nm，由计算得到；初选电动机的过载系数，由电动机样本查到。是电动机的最大输出转矩（简称最大转矩）与电动机额定转矩的比值，因电动机都有一定的过载能
9、力，故1。9 当机器的当机器的转动惯量较大转动惯量较大；或；或满载起动满载起动；或；或频繁起频繁起动动；或虽然空载起动，但是要求；或虽然空载起动，但是要求起动时间短起动时间短时，还应校时，还应校核电动机的起动转矩。特别是核电动机的起动转矩。特别是鼠笼鼠笼式电动机的起动转矩式电动机的起动转矩较小，该项校核就更加必要。较小，该项校核就更加必要。校核起动力矩就是让电动机的起动转矩应大于机器校核起动力矩就是让电动机的起动转矩应大于机器在规定时间内完成起动所需要的转矩。否则，过大的启在规定时间内完成起动所需要的转矩。否则，过大的启动电流会使线路电压急剧下降，使邻近电动机出力不足，动电流会使线路电压急剧下
10、降，使邻近电动机出力不足，甚至被迫停机。甚至被迫停机。三、电动机起动转矩校核三、电动机起动转矩校核10电动机起动转矩校核式：电动机起动转矩校核式：电动机起动转矩校核式：电动机起动转矩校核式：式中：系数0.450.5，快速起动的场合取大值，反之取小值。起动系数q可由初选电动机从产品样本中查到，y系列电动机q=1.42.2不等。t起动时间；J等效转动惯量，它是由机器传动系统中各构件的转动惯量转化到电动机轴上的，由具体的传动系统计算得到，参见有关书籍。11 对于冲床、剪床、压力机、破碎机等机器，载荷变化十分剧烈，如果按恒定载荷稳定运行条件确定电动机的功率，当尖峰载荷来临时，电动机输出的最大转矩不足以
11、克服此载荷，电动机就会停下来，造成生产事故。如果按尖峰载荷选择一个很大的电动机，当尖峰载荷过去后，电动机就接近空载运行，造成严重浪费。解决该矛盾的方法是：仍按恒定载荷稳定运行条件计算电动机的功率并适当增大，同时在机器的高速轴上安装飞轮安装飞轮安装飞轮安装飞轮。飞轮的转动惯量很大，高速转动时储存大量动能，当尖峰载荷来临时，储存的动能释放出来，帮助电动机闯过尖峰载荷。飞轮的作用不仅如此，还能调节机器运转时的速度波动。即当载荷沉重时，运转速度会加快一些，不致于因载荷沉重而使速度减慢很多；而当载荷轻便时，运转速度会减慢一些，不致于因载荷轻便而使速度加快很多。飞轮的设计方法参见机械设计手册。四、机器载荷
12、剧变时电动机功率的确定方法四、机器载荷剧变时电动机功率的确定方法12 机器在起动、制动或加载等运转过程中，各构件上将受到惯性力的作用。如果这种惯性力较大，或者在机器满载起动满载起动的场合进行力的分析时，必须考虑这种惯性力惯性力。但是在多数情况下，都是根据机器稳定运转的受力情况来计算各轴转矩的。这样计算转矩有两种方法：一是根据机器的生产阻力，从执行构件开始依次算出各级传动轴的转矩；二是根据电动机的额定转矩，从电动机轴开始依次计算。由于电动机的额定转矩通常大于机器在恒载、稳转时实际需要的驱动转矩，故用前一种方法算出的转矩略大一些，相应确定的轴径也粗一些，也偏于安全，因而常用。五、机器传动轴上转矩的
13、计算五、机器传动轴上转矩的计算13 从电动机轴按运动链传动顺序，设各轴转矩依次为从电动机轴按运动链传动顺序，设各轴转矩依次为T1、T2、T3Tn，相应各级传动效率依次为相应各级传动效率依次为1、2、（n-1）各级各级传动比依次为传动比依次为i12、i23、i34i（n-1）n则一般可用下式计算任则一般可用下式计算任意轴意轴j（1 j n）的转矩。当运动链复杂时，还应做具体分的转矩。当运动链复杂时，还应做具体分析析。Tj=T1 ij j （7-18）式中：式中：ij从电动机轴从电动机轴1至轴至轴j的传动比的传动比，ij=i12i23i34i（j-1）j；j从电动机轴从电动机轴1至轴至轴j的传动效
14、率的传动效率，j=123（j-1）。14 轴系转速达到某一特定值时，会出现剧烈不稳定的横向共振，这时的转速与轴系的横向固有频率相等或相近，称为轴系的临界转速。临界转速与具体轴系的材料、质量、尺寸、几何、形状、结构形式、支承情况和工作环境等因素有关，研究轴系临界转速的目的，是在设计轴系时，使其临界转速避开要求的工作转速，工作转速低于临界转速的轴系称为刚性轴系，工作转速高于临界转速的轴系称为挠性轴系。第五节第五节 轴系的临界转速轴系的临界转速一、临界转速的概念一、临界转速的概念15 若不考虑陀螺效应和工作环境等因素，轴系的临界转速在数值上等于轴系不转动而仅作横向弯曲振动的固有频率：式中：n c 临
15、界转速，r/min；f n 固有频率，Hz；n固有圆频率（角速度），rad/s。参见有关书籍。二、临界转速的基本算式及其应避开工作转速的范围二、临界转速的基本算式及其应避开工作转速的范围16 由于轴系转子是弹性体，理论上应有无穷多阶固有频率和相应的临界转速，按数值从小到大排列为n c1、n c2 n c k，分别称为一阶、二阶k阶临界转速。在工程中有实际意义的只是前几阶，特别是一阶临界转速。轴系工作转速避开其临界转速多少适宜呢？一般设计要求是：刚性轴：刚性轴：n 0.75 n c1；挠性轴：挠性轴：1.4 n c k n 0.7 n c(k+1)。171 1、支承刚度的影响：、支承刚度的影响：
16、支承刚度越小，临界转速越低；2 2、回转力矩的影响：、回转力矩的影响：回转力矩使轴线倾角减小，增加轴的刚度，提高临界转速；3 3、联轴器的影响：、联轴器的影响：联轴器使轴临界转速降低；4 4、其它影响因素：、其它影响因素：可忽略不计。影响轴系临界转速的因素众多，全部考虑准确计算是很困难的，也是不必要的。实际中常按不同设计要求，只计主要因素，简化计算模型，求得临界转速的近似值。即使这样也很复杂，具体过程参见有关书籍。三、影响轴系临界转速的因素三、影响轴系临界转速的因素18 机器中的回转体（如齿轮、凸轮、曲轴及电机转子、离心机转子等），由于零件结构形状不对称，材质不均匀或由于加工制造、安装误差等原
17、因，使其重心与回转中心不重合，偏心重量在机器运动过程中将产生惯性力，这种惯性力的方向呈周期性变化，它将引起机器的振动，在运动副中产生附加的压力、加剧运动副中的摩擦和磨损、降低机械的效率和使用寿命。因此，设法调整回转体的质量分布，消除回转体的惯性力是十分重要的。第六节第六节轴系的平衡轴系的平衡19 长径比(L/D1/5)，轴向尺寸较大的回转体，其质量的分布不能再近似地认为分布于同一平面内。只有回转体转动起来之后才显示出的不平衡，称为动不平衡。图7-4 动不平衡的回转体二、质量分布不在同一回转面内的回转体的平衡二、质量分布不在同一回转面内的回转体的平衡21 动平衡的计算方法如图7-5所示。假设回转体三个不平衡重G1、G2、G3分布于1、2、3三个平面内，G1、G2、G3的向径为r1、r2、r3。三个平面内的离心惯性力F1、F2、F3使该回转体处于动不平衡状态。为了解决这种动不平衡的问题，设想任意选择两个平行的基平面与，根据平行力分解的原理，把F1、F2、F3分别分解到与面内。现以F1为例，将F1分解到与面内，应满足下列关系：F1F1F1 F1l1F1（ll1）所以 求平衡重Gb Gb同理 22三、回转体的平衡试验三、回转体的平衡试验 1 1、静平衡试验、静平衡试验232 2、动平衡试验、动平衡试验图图7-7 7-7 框架式动平衡机框架式动平衡机