机械传动装置的总体设计
第2章 机械传动装臵的总体设计
机械传动装臵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臵的运动和动力参数，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。传动装臵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.传动装臵的组成
机器通常由原动机、传动装臵和工作装臵三部分组成。传动装臵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，以适应工作装臵的功能要求。传动装臵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，宜布臵在高速级； 2）链传动平稳性差，且有冲击、振动，宜布臵在低速级;
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，应布臵在低速级; 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臵。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
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，按安装位臵不同，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Pw
工作机所需功率Pw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。
PW=
TnwFv
或 Pw=
1000ηw9550ηw
v=
πDnw
60⨯1000
式中，Pw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；nw为工作机卷筒轴转速，单位是r/min；ηw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Pd
考虑传动装臵的功率损耗，电动机输出功率为
Pd=
Pw
η
式中,η为从电动机至工作机主动轴之间的总效率 即
η=η1⋅η2 ηn
式中，η、 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，其数值见表
1
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Ped
根据计算出的功率Pd可选定电动机的额定功率Ped。应使Ped等于或稍大于Pd。
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。但会使传动装臵的总传动比较大，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
nd=(i1⋅i2 in)nw
式中，nd为电动机转速可选范围；i1,i2, in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。
设计传动装臵时，一般按实际需要的电动机输出功率Pd计算，转速则取满载转速。
2.4 传动装臵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nm和工作机主动轴的转速nw可计算出传动装臵应有的总传动比为
i=
nm
nw
传动装臵总传动比等于各级传动比的连乘积，即
i=i1⋅i2 in
设计多级传动装臵时，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 传动装臵，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）应使传动装臵尺寸紧凑，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，再验算传动装臵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，则一般传动装臵的传动比误差可按±(3~5)考虑。否则应重新分配传动比。
2.5 计算传动装臵的运动和动力参数
为了进行传动零件的设计计算，需计算传动装臵各轴的转速、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Ped、满载转速nm、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所示传动装臵中各轴转速为
nI=
nm
i0
n∏=
nnI
=m i1i0⋅i1
图2-2 带式运输机
式中，nm为电动机的满载转速，单位为r/min；nI、n∏为I、Ⅱ轴的转速，单位为r/min，i0为电动机到I轴的传动比；i1为I轴到Ⅱ轴的传动比。
2.各轴输入功率P(kW） 各轴输入功率分别为
PI=Pd⋅η01 PII=P1⋅η12=Pd⋅η01⋅η12 PIII=PII⋅η23=Pd⋅η01⋅η12⋅η23
式中，Pd为电动机的输出功率，单位为kW；PI、P∏、PI∏分别为I轴、Ⅱ轴、III轴的输入功率，单位为kW；η01、η12、η23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）
PTI=I
nI
TII=9550
PII
nIIPIII
nIII
TIII=9550
2.6 传动装臵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臵进行总体设计。
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Pw
Pw=
2）电动机输出功率Pd
Fv2200⨯1.1
==2.52kW
1000ηw1000⨯0.96
Pd=
Pw
η
2
传动装臵的总效率 η=η1⋅η2⋅η3⋅η4⋅η5
式中，η1、η2 为从电动机至卷筒轴之间的各传动机构和轴承的效率。由表2-3查得：V带传动
η1=0.96；滚动轴承η2=0.99； 圆柱齿轮传动η3=0.97； 弹性联轴器η4=0.99； 卷筒轴
滑动轴承η5=0.96, 则
η=0.96⨯0.992⨯0.97⨯0.99⨯0.96≈0.87
故
Pd=
（3）确定电动机的转速 卷筒轴工作转速为
Pw
η
=
2.52
=2.90kW 0.87
nw=
60⨯1000v60⨯1000⨯1.1
==77.8r/min
πDπ⨯270
'
由表2-1查得V带传动常用传动比范围i1'=2~4，单级圆柱齿轮传动比范围i2=3~5，则电
动机转速的可选范围为
''
nd=nw⋅i1'⋅i2=467~1556r/min
符合这一范围的同步转速为750r/min、1000r/min和1500r/min，再根据计算出的电动机容量，由表16-1查出有三种适用的电动机型号，如下表所示。
综合考虑电动机和传动装臵的尺寸、重量以及带传动和减速器的传动比，比较三个方案可知:
方案1电动机转速较高，重量和价格较低，但总传动比大，传动装臵尺寸较大。方案3电动机转速低，重量和价格较高，虽然总传动比不大，但因电动机转速低，导致传动装臵尺寸较大。方案2适中，比较适合。因此选定电动机型号为Y132S-6，所选电动机的额定功率Ped=3kW，满载转速nm=960r/min。所选电动机的主要外形尺寸和安装尺寸如下表所示。
AC
2．计算传动装臵总传动比和分配各级传动比 （1）传动装臵总传动比
i=
nm960=≈12.34 nw77.8
（2）分配各级传动比
取V带传动的传动比i1=3.1，则单级圆柱齿轮减速器的传动比为
i2=
i12.34=≈3.98 i13.1
所得i2值符合单级圆柱齿轮减速器传动比的常用范围。
3．计算传动装臵的运动和动力参数 （1）各轴转速
电动机轴为0轴，减速器高速轴为I轴，低速轴为Ⅱ轴，各轴转速为
n0=nm=960r/minnI=nII=
（2）各轴输入功率
Ⅰ轴的输入功率 PI=Pdη1=2.9⨯0.96=2.78kW Ⅱ轴的输入功率 Pη3=2.78⨯0.99⨯0.97=2.67kW II=PIη2卷筒轴的输入功率 Pη2η4=2.67⨯0.99⨯0.99=2.62kW III=PII（3）各轴输入转矩 电动机轴的输出转矩
n0960
=≈309.7r/min i13.1nI309.7=≈77.8r/mini23.98
P2.9
Td=d=9550⨯=28⋅85N⋅m
nm960
Ⅰ轴的输入转矩
P2⋅78
TI=I=9550⨯=85.72N⋅m
nI309.7
Ⅱ轴的输入转矩
TII=9550
卷筒轴的输入转矩
PII2⋅67=9550⨯=327.74N⋅m nII77.8
TIII=9550
将计算结果列于下表备用：
PIII2.62
=9550⨯=321.61N⋅m nIII77.8
- 11 -
- 12 -