机械传动装置的总体设计

第2章机械传动装置的总体设计机械传动装置总体设计的任务是选择电动机、确定总传动比并合理分配各级传动比以及计算传动装置的运动和动力参数，为下一步各级传动零件设计、装配图设计作准备。

设计任务书一般由指导教师拟定，学生应对传动方案进行分析，对方案是否合理提出自己的见解。

传动装置的设计对整台机器的性能、尺寸、重量和成本都有很大的影响，因此应当合理地拟定传动方案。

2.1 拟定传动方案1.传动装置的组成机器通常由原动机、传动装置和工作装置三部分组成。

传动装置位于原动机和工作机之间，用来传递运动和动力，并可用以改变转速、转矩的大小或改变运动形式，以适应工作装置的功能要求。

传动装置的传动方案一般用运动简图来表示。

2.合理的传动方案当采用多级传动时，应合理地选择传动零件和它们之间的传动顺序，扬长避短，力求方案合理。

常需要考虑以下几点：1）带传动平稳性好，能缓冲吸振，但承载能力小，宜布置在高速级；2）链传动平稳性差，且有冲击、振动，宜布置在低速级;3）蜗杆传动放在高速级时蜗轮材料应选用锡青铜，否则可选用铝铁青铜;4）开式齿轮传动的润滑条件差，磨损严重，应布置在低速级;5）锥齿轮、斜齿轮宜放在高速级。

常见机械传动的主要性能见表2-1。

对初步选定的传动方案，在设计过程中还可能要不断地修改和完善。

表2-1 常见机械传动的主要性能2.2 减速器的类型、特点及应用减速器是原动机和工作机之间的独立的封闭传动装置。

由于减速器具有结构紧凑、传动效率高、传动准确可靠、使用维护方便等特点，故在各种机械设备中应用甚广。

减速器的种类很多，用以满足各种机械传动的不同要求。

其主要类型、特点及应用如表2-2所示。

为了便于生产和选用，常用减速器已标准化，由专门工厂成批生产。

标准减速器的有关技术资料，可查阅减速器标准或《机械设计手册》。

因受某些条件限制选不到合适型号的标准减速器时，则需自行设计和制造。

设计时可参考标准减速器的主要参数及有关资料，结合具体要求来确定非标准减速器的主要参数和结构。

表2-2 减速器的类型、特点及应用名称运动简图推荐传动比范围特点及应用单级圆柱齿轮减速器i≤8～10轮齿可做成直齿、斜齿或人字齿。

直齿用于速度较低(v≤8m/s）或负荷较轻的传动；斜齿或人字齿用于速度较高或负荷较重的传动。

箱体通常用铸铁做成，有时也采用焊接结构或铸钢件。

轴承通常采用滚动轴承，只在重型或特高速时，才采用滑动轴承。

其他形式的减速器也与此类同两级圆柱齿轮减速器展开式i=8～60两级展开式圆柱齿轮减速器的结构简单，但齿轮相对轴承的位置不对称，因此轴应具有较大的刚度。

高速级齿轮应布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭转变形，能减弱轴在弯矩作用下产生的弯曲变形所引起的载荷沿齿宽分布的不均匀。

建议用于载荷比较平稳的场合。

高速级做成斜齿，低速级可做成直齿或斜齿同轴式i=8～60减速器长度较短。

两对齿轮浸入油中深度大致相等。

但减速器的轴向尺寸及重量较大；高速级齿轮的承载能力难于充分利用；中间轴较长，刚性差，载荷沿齿宽分布不均匀；仅能有一个输入和输出轴端，限制了传动布置的灵活性单级锥齿轮减速器i≤6～8用于输入轴和输出轴两轴线垂直相交的传动，可做成卧式或立式。

由于锥齿轮制造较复杂，仅在传动布置需要时才采用圆锥-圆柱齿轮减速器i≤8～40特点同单级锥齿轮减速器。

锥齿轮应布置在高速级，以使锥齿轮的尺寸不致过大，否则加工困难。

锥齿轮可做成直齿、斜齿或曲线齿，圆柱齿轮可做成直齿或斜齿蜗杆蜗杆上置式i=10～80蜗杆布置在蜗轮的下边，啮合处的冷却和润滑都较好，同时蜗杆轴承的润滑也较方便。

但当蜗杆圆周速度太大时，油的搅动损失较大，一般用于蜗杆圆周速度v＜10 m/s的情况2.3 选择电动机电动机已经标准化、系列化。

选择电动机时，应按照工作机的要求，选择电动机的类型、结构型式、容量（功率）和转速，并确定型号。

2.3.1 电动机类型和结构型式选择电动机有交流电动机和直流电动机之分，工业上一般都用三相交流电源，因此，无特殊要求一般应选三相交流异步电动机。

最常用的电动机是Y 系列自扇冷式笼型三相异步交流电动机。

其结构简单、起动性能较好、工作可靠、效率高、价格低、维护方便，适用于不易燃、不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的场合。

对于需频繁启动、制动和逆转的机器，要求电动机具有转动惯量小、过载能力大，这时应选用YZ 型（笼型）或YZR 型（绕线性）。

电动机的结构型式，按安装位置不同，有卧式和立式两类。

常用结构型式为卧式封闭型电动机。

2.3.2 选择电动机容量选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。

电动机的功率与电动机的工作性能和经济性能有直接的关系。

如果所选电动机的功率小于工作要求，则不能保证工作机正常工作，使电动机经常过载而提早损坏;如果所选电动机的功率过大，则电动机经常不能满载运行，功率因数和效率较低，从而增加电能消耗、造成浪费。

因此，在设计中一定要选择合适的电动机功率。

电动机的功率主要根据工作机的功率来确定。

这类电动机的功率按下述步骤确定： 1.工作机所需功率w P工作机所需功率w P 应由机器工作阻力和运动参数计算确定，可按设计任务书给定的工作机参数（F 、v 或T 、n ）计算求得。

wW 1000ηFvP =或 w w w 9550ηTn P =100060w⨯=Dn v π式中，w P 为工作机所需输入功率，单位为kW ；F 为带式输送机驱动卷筒的圆周力（即卷筒牵引力），单位为N ；v 是输送带速度，单位是m/s ；T 为工作机主动轴的输出转矩，单位为N ·m ；w n 为工作机卷筒轴转速，单位是r/min ；w η是工作机的效率；D 为卷筒直径，单位是mm 。

2.电动机的输出功率d P考虑传动装置的功率损耗，电动机输出功率为ηwd P P =式中,η为从电动机至工作机主动轴之间的总效率 即n ηηηηΛ21⋅=式中，1η、 2η、…、n η分别为传动系统中各传动副、联轴器及各对轴承的效率，其数值见表2-3。

表2-3 机械传动的效率概略值3.确定电动机额定功率ed P根据计算出的功率d P 可选定电动机的额定功率ed P 。

应使ed P 等于或稍大于d P 。

2.3.3 电动机转速的选择同一类型、相同额定功率的电动机具有几种不同的转速。

转速越高的电动机，其尺寸和重量越小，价格越低，效率也越高。

但会使传动装置的总传动比较大，从而使减速器结构尺寸、重量和成本增加。

选用转速低的电动机则情况相反。

因此，应综合考虑各方面的因素，分析比较，权衡利弊，选出合适的电动机转速。

一般多选用同步转速为1500r/min 或1000r/min 的电动机。

选择电动机转速时，可先根据工作机主动轴转速和传动系统中各级传动的合理传动比范围，推算出电动机转速的可选范围，即w n 21d )(n i i i n Λ⋅=式中，d n 为电动机转速可选范围；n i i i Λ,,21为各级传动比的合理范围，见表2-1。

2.3.4 确定电动机型号由选定的电动机类型、结构型式、功率和转速，由有关表格查出电动机型号及其额定功率、满载转速、外形和安装尺寸（如中心高、轴伸及键联接尺寸、机座尺寸）等。

设计传动装置时，一般按实际需要的电动机输出功率d P 计算，转速则取满载转速。

2.4 传动装置的总传动比及其分配2.4.1 计算总传动比在电动机选定后，由电动机的满载转速m n 和工作机主动轴的转速w n 可计算出传动装置应有的总传动比为wm n n i =传动装置总传动比等于各级传动比的连乘积，即n i i i i Λ21⋅=设计多级传动装置时，需将总传动比分配到各级传动机构。

2.4.2 合理分配各级传动比各级传动比如何取值，是设计中的一个重要问题。

分配传动比时通常应考虑以下几方面： 1）各级传动机构的传动比应在常用范围内，不应超 过最大值，参见表2-1。

2）应使各级传动的尺寸协调、结构匀称合理，避免 传动件之间相互干涉。

例如，由带传动和齿轮传动组成的传动装置，带传动的传动比一般应小于齿轮传动的传动比。

如果带传动的传动比过大，会使大带轮半径超过减速器的 中心高，易使大带轮与底座相碰(如图2-1）。

3）应使传动装置尺寸紧凑，重量轻，即有最小的外廓 尺寸和最小的中心距。

4）减速器设计中常使各级大齿轮直径相近，以使大齿轮有相接近的浸油深度，有利于浸油润滑。

以上分配的传动比只是初始值，待有关传动零件参数确定后，再验算传动装置实际传动比是否符合设计任务书的要求。

如果设计要求中没有特别规定工作机转速或速度的误差范围，则一般传动装置的传动比误差可按00)5~3(±考虑。

否则应重新分配传动比。

2.5 计算传动装置的运动和动力参数为了进行传动零件的设计计算，需计算传动装置各轴的转速、功率和转矩。

一般按电动机到工作机之间运动顺序逐步推算出各轴的运动和动力参数。

以图2-2所示带式运输机为例，当已知电动机额定功率ed P 、满载转速m n 、各级传动比及传动效率后，即可计算各轴的转速、功率和转矩。

1.各轴转速n(r/min ）图2-2所示传动装置中各轴转速为i n n m=I101i i n i n n m ⋅==I∏式中，m n 为电动机的满载转速，单位为r/min ；I n 、∏n 为I 、Ⅱ轴的转速，单位为r/min ，0i 为电动机到I 轴的传动比；1i 为I 轴到Ⅱ轴的传动比。

2.各轴输入功率P (kW ）图2-2 带式运输机各轴输入功率分别为01d η⋅=I P P 112d 0112P P P ηηηII =⋅=⋅⋅ 23d 011223P P P ηηηηIII II =⋅=⋅⋅⋅式中，d P 为电动机的输出功率，单位为kW ；I P 、∏P 、I ∏P 分别为I 轴、Ⅱ轴、III 轴的输入功率，单位为kW ；01η、12η、23η分别为电动机轴与I 轴、I 轴与Ⅱ轴、Ⅱ轴与III 轴间的传动效率。

3.各轴输入转矩T(N ·m ）I II =n P T 9550IIII II 9550P T n = IIIII III9550P T n I = 2.6 传动装置总体设计的分析与计算示例设计题目：已知带式输送机（如图2-2所示）驱动卷筒的圆周力（牵引力）F =2200N ，带速v =1.1mm/s ，卷筒直径D =270mm ，卷筒效率为0.96，输送机在常温下长期连续工作，载荷较平稳。

要求对该带式输送机传动装置进行总体设计。

解：1．选择电动机（1）电动机类型和结构型式按工作要求和工作条件，选用一般用途的Y 型全封闭笼型三相异步电动机。

（2）电动机容量 1）卷筒轴的输出功率w PkW 52.296.010001.122001000w w =⨯⨯==ηFv P2）电动机输出功率d Pηwd P P =传动装置的总效率 543221ηηηηηη⋅⋅⋅⋅=式中，Λ21ηη、为从电动机至卷筒轴之间的各传动机构和轴承的效率。