第二章 机械传动系统的总体设计
第二章 机械传动系统的总体设计
机械传动系统的总体设计，主要包括分析和拟定传动方案、选择原动机、确定总传动比和分配各级传动比以及计算传动系统的运动和动力参数。
第一节 分析和拟定传动系统方案
一、传动系统方案应满足的要求
机器通常由原动机（电动机、内燃机等）、传动系统和工作机三部分组成。 根据工作机的要求，传动系统将原动机的运动和动力传递给工作机。实践表明，传动系统设计的合理性，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸都有很大影响。因此，合理地设计传动系统是整部机器设计工作中的重要一环，而合理地拟定传动方案又是保证传动系统设计质量的基础。
传动方案一般由运动简图表示，它直接地反映了工作机、传动系统和原动机三者间运动和动力的传递关系。在课程设计中，学生应根据设计任务书拟定传动方案。如果设计任务书中已给出传动方案，学生则应分析和了解所给方案的优缺点。
传动方案首先应满足工作机的性能要求，适应工作条件、工作可靠，此外还应结构简单、尺寸紧凑、成本低、传动效率高和操作维护方便等。要同时满足上述要求往往比较困难，一般应根据具体的设计任务有侧重地保证主要设计要求，选用比较合理的方案。图2—l 所示为矿井输送用带式输送机的三种传动方案。由于工作机在狭小的矿井巷道中连续工作，因此对传动系统的主要要求是尺寸紧凑、传动效率高。图2—1（a ）方案宽度尺寸较大，带传动也不适应繁重的工作要求和恶劣的工作环境；图2—l （b ）方案虽然结构紧凑，但蜗杆传动效率低，长期连续工作，不经济；图2—l （c ）方案宽度尺寸较小，传动效率较高，也适于恶劣环境下长期工作，是较为合理的。
图2—l 带式输送机传动方案比较
二、拟定传动系统方案时的一般原则
由上例方案分析可知，在选定原动机的条件下，根据工作机的工作条件拟定合理的传动方案，主要是合理地确定传动系统，即合理地确定传动机构的类型和多级传动中各传动机构的合理布置。下面给出传动机构选型和各类传动机构布置及原动机选择的一般原则。
1．传动机构类型的选择原则
合理地选择传动类型是拟定传动方案时的重要环节。常用传动机构的类型、性能和适用范围可参阅机械设计基础教材。表13—6中列出了常用机械传动的单级传动比推荐值，可参考选用。在机械传动系统中，各种减速器应用很多，常用减速器的类型、特点和应用可见表2—1。
在选择传动机构类型时依据的一般原则为：
（1）小功率传动，宜选用结构简单、价格便宜、标准化程度高的传动机构，以降低制造成本。
（2）大功率传动，应优先选用传动效率高的传动机构，如齿轮传动，以降低能耗。
（3）工作中可能出现过载的工作机，应选用具有过载保护作用的传动机构，如带传动。但在易爆、易燃场合，不能选用带传动，以防止摩擦静电引起火灾。
（4）载荷变化较大，换向频繁的工作机，应选用具有缓冲吸振能力的传动机构，如带传动。
（5）工作温度较高、潮湿、多粉尘、易爆、易燃场合，宜选用链、闭式齿轮或蜗杆传动。
（6）要求两轴保持准确的传动比时，应选用齿轮或蜗杆传动。
2．各类传动机构在多级传动中的布置原则
在多级传动中，各类传动机构的布置顺序不仅影响传动的平稳性和传动效率，而且对整个传动系统的结构尺寸也有很大影响。因此，应根据各类传动机构的特点合理布置，使各类传动机构得以充分发挥其优点。常用传动机构的一般布置原则是：
（1）带传动承载能力较低，但传动平稳，缓冲吸振能力强，宜布置在高速级。
（2）链传动运转不平稳，有冲击，宜布置在低速级。
（3）蜗杆传动效率低，但传动平稳，当其与齿轮传动同时应用时，宜布置在高速级。
（4）当传动中有圆柱齿轮和锥齿轮传动时，锥齿轮传动宜布置在高速级，以减小锥齿轮的尺寸。
（5）对于开式齿轮传动，由于其工作环境较差，润滑不良，为减少磨损，宜布置在低速级。
（6）斜齿轮传动比较平稳，常布置在高速级。
第二节 常用减速器的类型、特点和应用
常用减速器的类型、特点和应用见表2—1。
表2—1 常用减速器的类型、特点和应用
第三节 原动机类型和参数的选择
一、原动机类型及选择原则
根据动力源的不同，常用原动机可分为四大类型，即电动机、内燃机、液压马达和气压马达等。在选择原动机的类型时，主要应从以下三个方面进行考虑：
（1）执行构件的载荷特性、运动特性，机械的结构布局、工作环境、环保要求等。
（2）原动机的机械特性、适应的工作环境、输出参数可控制性、能源供应情况等。
（3）机械的经济性、效率、重量、尺寸等。
由于电力供应的普遍性，且电动机具有结构简单、价格便宜、效率高、控制和使用方便等优点，目前，大部分固定机械均优先选用电动机作为原动机。下面简单介绍电动机的类型与参数的选择。
二、电动机的种类和结构形式的选择
电动机是一种标准系列产品，使用时只需合理选择其类型和参数即可。电动机的类型有交流电动机、直流电动机、步进电动机和伺服电动机等。直流电动机和伺服电动机造价高，多用于一些有特殊需求的场合；步进电动机常用于数控设备中。由于交流异步电动机结构简单、成本低、工作稳定可靠、容易维护，且交流电源易于获得，故是机械设备最常用的原动机。一般工程上常用三相异步交流电动机，其中Y 系列为全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，电源电压380V ，用于非易燃、易爆、腐蚀性工作环境，无特殊要求的机械设备，如机床、农用机械、输送机等，也适用于某些起动转矩有较高要求的机械，如压缩机等。YZ 系列和YZR 系列分别为笼型转子和绕线转子三相异步电动机，具有较小转动惯量和较大过载能力，可适用于频繁起制动和正反转工作状况，如冶金、起重设备等。对有特殊要求的工作场合，应按特殊要求选择，如井下设备防爆要求严格，可选用防爆电动机等。最常用的结构形式为封闭型卧式电动机。
常用的Y 系列、YZ 系列和YZR 系列电动机的技术数据、外形和安装尺寸见
本书第十一章。
三、电动机容量的选择
选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。对于载荷不变或变化不大，且在常温下长期连续运转的电动机，只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算。电动机容量可按下述步骤确定：
1．工作机所需功率P W
工作机所需功率P W 应由机器工作阻力和运动参数计算确定。课程设计时可按
设计任务书给定的工作机参数计算求得。
当已知工作机主动轴的输出转矩T （N ·m ）和转速n W （r ／min ）时，则工作
机主动轴所需功率
P W =Tn W kW （2—1） 9550
如果给出带式输送机驱动卷筒的圆周力（即卷筒牵引力）F （N ）和输送带速度v （m ／s ），则卷筒轴所需功率
P W =Fv kW （2—2） 1000
输送带速度v 与卷筒直径D （mm ）、卷筒轴转速n W 的关系为
v =
2．电动机的输出功率P d
考虑传动系统的功率损耗，电动机输出功率为
P d =P W m / s （2—3） 60⨯1000πDn W η （2—4） 式中，η为从电动机至工作机主动轴之间的总效率，即
η=ηηηn （2—5） 12
其中η1、η2、 、ηn 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
值见第十三章中表13—7。
3．确定电动机额定功率P ed
根据计算出的功率P d 可选定电动机的额定功率P ed ，应使P ed 等于或稍大于P d 。
四、电动机转速的选择
同一类型、同一功率的三相异步交流电动机，有几种不同的同步转速（即磁场转速），一般常用电动机同步转速有3000r ／min 、1500r ／min 、1000r ／min 、750r ／min 等几种。同步转速低的电动机，磁极数多，其外廓尺寸及重量大，价格高；而同步转速高的电动机，磁极数少，尺寸和重量小，价格低。因此，确定电动机转速时，应从电动机和传动系统的总费用、传动系统的复杂程度及其机械效率等各个方面综合考虑。当执行构件的转速较高时，选用高转速电动机能缩短运动链，简化传动环节，提高传动效率。但如果执行构件的速度很低，则选用高转速电动机时，会使减速装置增大，机械传动部分的成本会大幅度增加，且机器的机械效率也会降低很多。因此，电动机的转速选择，必须从整机的设计要求出发，综合考虑，为能较好地保证方案的合理性，应试选2～3种型号电动机，经初步计算后择优选用。
选择电动机转速时，可先根据工作机主动轴转速n W 和传动系统中各级传动的常用传动比范围，推算出电动机转速的可选范围，以供参照比较，即
'=(i '1' n d （2—6） i ' 2i n ) n W
'为电动机转速可选范围；i 1'、i 2'、…、i n '为各级传动的传动比范围，见表式中，n d
13—6。
根据选定的电动机类型、结构、功率和转速，从标准中查出电动机型号后，应将其型号、额定功率、满载转速、电动机中心高、轴伸尺寸、键槽尺寸等记录下来备用，具体格式可见本章第六节中总体设计示例。
第四节 机械传动系统的总传动比和各级传动比的分配
一、总传动比的计算
由选定电动机的满载转速n m 和工作机主动轴的转速n W ，可确定传动系统的总
传动比为
i =n m （2—7） n W
由于传动系统是由多级传动串联而成，因此总传动比是各级传动比的连乘积，即
i =i 1i 2 i n (2—8)
二、各级传动比的合理分配
设计多级传动系统时，需将总传动比分配到各级传动机构。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推荐值的范围内（见表13—6），不应超过最大值，以利发挥其性能，并使结构紧凑。
（2）应使各级传动的结构尺寸协调、匀称。例如，由V 带传动和齿轮传动组成的传动系统（如图2—2），V 带传动的传动比不能过大，否则会使大带轮半径超过减速器的中心高，造成尺寸不协调，并给机座设计和安装带来困难。
图2—2 大带轮直径过大
（3）应使传动装置外廓尺寸紧凑，重量轻。如图2—3所示二级圆柱齿轮减速器，在相同的总中心距和总传动比情况下，方案（b ）具有较小的外廓尺寸。
（4）在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。如图2—3（b ）所示，高、低速两级大齿轮直径相近，且低速级大齿轮直径稍大，其浸油深度也稍深一些，有利于浸油润滑。
（5）应避免传动零件之间发生干涉碰撞。如图2—4所示，当高速级传动比过大时就可能发生高速级大齿轮与低速轴发生干涉的情况。
图2—3 传动比分配对结构尺寸影响
图2—4 传动比分配不合理使传动零件干涉
设计二级以上的减速器时，合理分配各级传动比是很重要的。考虑到上述问题，这里推荐一些传动比的分配方法，供设计减速器时参考。
（1）对于二级卧式圆柱齿轮减速器，为使两级的大齿轮有相近的浸油深度，高速级传动比i 1和低速级传动比i 2可按下列方法分配：
展开式和分流式减速器 i 1=(1.1～1.5) i 2
同轴式减速器 i 1=i 2
（2）对于圆锥 — 圆柱齿轮减速器，为使大锥齿轮直径不致过大，高速级锥齿轮传动比可取i 1≈0.25i ，且i 1≤3，此处i 为减速器总传动比。但当要齿轮浸油深度大致相等时，也可取i 1≈3.5～4。
（3）对于蜗杆 — 齿轮减速器，常取低速级圆柱齿轮传动比i 2=(0.03～0.06) i ，i 为减速器总传动比。
（4）对于齿轮 — 蜗杆减速器，齿轮传动在高速级，分配传动比时，为了使箱体紧凑和便于润滑，通常取齿轮传动的传动比i 1≤2～2.5。
传动比分配时要考虑各方面要求和限制条件，可以有不同分配方法，常需拟定多种分配方案进行比较。
以上分配的各级传动比只是初始值，待有关传动零件参数确定后，再验算传动系统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的误差范围，则一般传动系统的传动比允许误差可按±(3～5) ％考虑。
第五节 机械传动系统运动和动力参数的计算
进行传动零件的设计计算时，需计算各轴的输入功率、转速和转矩。为便于计算，将各轴从高速轴至低速轴依次定为Ⅰ轴、Ⅱ轴、Ⅲ轴……，电动机轴定为Ⅰ0轴。
以图2—5所示带式输送机减速传动系统为例，当已知电动机额定功率P ed 、满载转速n m 、各级传动比及传动效率后，即可计算各轴的输入功率、转速和转矩。
图2—5 带式输送机减速传动系统
一、各轴的输入功率
各轴输入功率分别为 P Ⅰ=P e ηd
01
kW （2—9）
12
P η12=P ηⅡ=P Ⅰe d η01
kW （2—10）
kW （2—11）
P η23=P ed η01η12η23Ⅲ=P Ⅱ
式中，P ed 为电动机额定功率，kW ； P Ⅱ轴、Ⅲ轴的输入功率，Ⅰ、P Ⅱ、P Ⅲ为Ⅰ轴、kW ；η01为电动机轴与Ⅰ轴之间带传动的效率；η12为Ⅰ轴和Ⅱ轴之间高速级传动的效率，包括I 轴上的一对轴承和高速级齿轮副的效率；η23为Ⅱ轴和Ⅲ轴之间低速级传动的效率，包括Ⅱ轴上的一对轴承和低速级齿轮副的效率。
二、各轴的转速 各轴转速分别为 n Ⅰ=
n m
i 0
（2—12） r /m i n
n Ⅱ=
n n Ⅰ
=m i 1i 0i 1
（2—13） r /m i n
n Ⅲ=
n Ⅱn m
（2—14） =r /m i n
i 2i 0i 1i 2
式中，n m 为电动机的满载转速，r / min；n Ⅰ、n Ⅱ、n Ⅲ为Ⅰ轴、Ⅱ轴、Ⅲ轴的转速，r / min；i 0、i 1、i 2为电动机轴至Ⅰ轴、Ⅰ轴至Ⅱ轴、Ⅱ轴至Ⅲ轴之间的传动比。 三、各轴的输入转矩
各轴输入转矩分别为 T Ⅰ=9550
P Ⅰ
N ·m （2—15） n Ⅰ
P Ⅱ
N ·m （2—16） n Ⅱ
P Ⅲ
N ·m （2—17） n Ⅲ
T Ⅱ=9550
T Ⅲ=9550
将运动和动力参数的计算结果整理后列表备查，具体格式可见本章第六节中总体设计示例。
第六节 机械传动系统的总体设计示例
如图2—5所示带式输送机减速传动系统方案，已知卷筒直径D ＝250mm ，输送带的有效拉力F ＝9800N ，输送带速度v ＝0.5m ／s ，在室内常温下长期连续工作，环境有灰尘，电源为三相交流，电压为380V ，要求对该带式输送机减速传动系统进行总体设计。
解：1．电动机的选择
（1）选择电动机类型和结构形式
本减速器在常温下连续工作，载荷平稳，对起动无特殊要求，但工作环境灰尘较多，故选用Y 型全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，电源电压为380V 。结构形式为卧式电动机。
（2）确定电动机的功率 工作机所需功率
P W =
电动机的工作功率
P d =电动机到输送带的总效率为
42
η=ηη12η3η4η5
Fv 980⨯00. 5
=k W =4. 9k W 10001000
P W
η
由表13—7查得：V 带传动效率η1=0.96；滚子轴承效率η2=0.98（三对齿轮轴轴承和一对卷筒轴轴承）；齿轮副效率η3=0.97 （齿轮精度为8级）；齿轮联轴器效率η4=0.99；卷筒效率η5=0.96，代入得：
η=0.96⨯0.984⨯0.972⨯0.99⨯0.96=0.79
P d =
P W
=
4.9
kW =6.2kW 0.79
η
查表11—1，选电动机额定功率为7．5kW 。
（3）确定电动机的转速 卷筒轴工作转速为： n W =
60⨯10v 00⨯601⨯0000. 5
=r /m i n =38. 2r /m i n
πD 3. 1⨯4250
'=2～4；由表2 按表13—6推荐的传动比合理范围，取V 带传动的传动比i 1
'=8～40，则总传动比合理范围为—1知，二级圆柱齿轮减速器传动比i 2
'=16～160，电动机转速的可选范围为 i a
'=i a 'n W =(16～ n d 160) ⨯38.2r /min =611～6112r /min
符合这一范围的同步转速有750r ／min 、1000 r／min 、1500 r／min 和3000r ／min 四种，可查得四种方案，见表2—2。
表2—2 可选电动机参数比较
综合考虑减轻电动机及传动系统的重量和节约资金，选用第二方案。因此选定电动机型号为Y132M —4，其主要性能参数如表2—3。
表2—3 Y132M —4电动机主要性能参数
Y132M —4电动机主要外形和安装尺寸见表2—4。
表2—4 Y132M —4电动机主要外形和安装尺寸 (单位：mm)
2．计算传动系统的总传动比和分配各级传动比 (1）传动系统的总传动比
i a =
n m 1440==37.7 n W 38.2
(2）分配传动系统传动比
i a =i 0i 式中，i 0、i 为带传动和减速器的传动比。
为使V 带传动外廓尺寸不致过大，初步取i 0=2.8，则减速器传动比 i =
i a 37. 7
=13. 4 6i 02. 8
所得减速器传动比值符合一般二级展开式圆柱齿轮减速器传动比的常用范围。 3）分配减速器的各级传动比
2
按浸油润滑条件考虑，取高速级传动比i 1=1.3i 2，而i =i 1i 2=1.3i 2，所以
i 2= i 1=
6
=3. 2 2i 13. 46==4. 1 8i 23. 22
3．机械传动系统运动和动力参数的计算 （1）各轴的输入功率
电动机轴 P =7. 5k W 0=P e d
Ⅰ轴 P 2k W ηe d =7. ⨯0. 96k W =7. Ⅰ=P e ηd 0=1P 15 Ⅱ轴 P η12=P η2η3=7.2⨯0.98⨯0.97kW =6.84kW Ⅱ=P ⅠⅠ
Ⅲ轴 P 6. 5k W η23=ⅡP η2η3=6. 84⨯0. 9⨯80. 97k W =Ⅲ=P Ⅱ 卷筒轴 P P η2η4=6. 5⨯0. 98⨯0. 99k W = 6. 31k W Ⅳ=P Ⅲη34=Ⅲ （2）各轴的转速 Ⅰ轴 n Ⅰ=
n m 1440
=r /min =514.29r /min i 02.8
Ⅱ轴 n Ⅱ=
n 514. 29Ⅰ
=r /m i n =123. 04 r /m i n i 14. 18n Ⅱ123. 04
=r /m i n =38. 2r /m i n i 23. 22
Ⅲ轴 n Ⅲ=
卷筒轴 n Ⅳ=n Ⅲ=38. 2r /m i （3）各轴的转矩
P
电动机轴 T 0=9550=
n 0P Ⅰ
Ⅰ轴 T =955=Ⅰ
n ⅠP
Ⅱ轴 T Ⅱ=955Ⅱ=
n ⅡP
Ⅲ轴 T Ⅲ=955Ⅲ=
n ⅢP
卷筒轴 T Ⅳ=955Ⅳ=
n Ⅳ
7. 5
9 N ·m ＝49.74 N·m 14407. 2
9 N ·m ＝133.7 N·m 514. 296. 84
9 N ·m ＝530.9N ·m 123. 046. 5
9 N ·m ＝1625N ·m 38. 26. 31
9 N ·m ＝1577.5N ·m 38. 2
将机械传动系统运动和动力参数的计算数值列于表2—5。
表2—5 机械传动系统运动和动力参数的计算数值