第2章傳動系統(tǒng)設(shè)計

專機由原動機、傳動裝置和工作機構(gòu)三大部分組成。傳動裝置是傳遞運動和動力的裝置，通過它將原動機的運動和動力傳給工作機構(gòu)。

專機的運動通過傳動鏈來實現(xiàn)。實現(xiàn)專機主運動的傳動稱為主傳動系統(tǒng)。主傳動系統(tǒng)往往設(shè)置有變速機構(gòu)，以適應(yīng)各種不同的工藝要求。

變速可以是分級的，也可以是無級的。目前廣泛使用以齒輪傳動作為分級變速的變速系統(tǒng)。

從動軸轉(zhuǎn)速與主動軸轉(zhuǎn)速的比值為傳動比，用u來表示。降速時u<1;升速時u>1。一、分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計1、傳動比與公比:

主傳動系統(tǒng)一般由一條傳動鏈組成，其總傳動比為e，即e=u1u2…uz

相鄰轉(zhuǎn)速的比值為公比，用φ表示。

一組串聯(lián)傳動副的總傳動比等于各傳動副傳動比的乘積。

輸出軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列有三種排列形式：（1）按等比級數(shù)排列：具有一個或幾個公比值，常用于通用機床主傳動中。（2）按等差級數(shù)排列：用于進給運動中。（3）無規(guī)則排列：常用于專機或一些數(shù)控機床中。

我國機床專業(yè)規(guī)定了七個標準公比，即：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,1.78,2。其中，常用于的為1.26和1.41。2、轉(zhuǎn)速圖:轉(zhuǎn)速圖的作用：是設(shè)計和分析分級變速主傳動系的工具?？捎脕碇庇^了解傳動軸數(shù)、傳動關(guān)系、轉(zhuǎn)速值及傳動路線、各傳動副的傳動比等。1)距離相等的一組豎直線代表各傳動軸,豎線間距不代表各軸間的中心距。(1)轉(zhuǎn)速圖的概念:2）水平線與豎直線的交點代表各軸所具有的轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速采用對數(shù)坐標時，相鄰兩水平線間的間隔為lgφ。

3）相鄰兩軸之間對應(yīng)的連線為射線，代表一對傳動副的傳動比。轉(zhuǎn)速圖可表達的內(nèi)容如下：1）主軸各級轉(zhuǎn)速的傳動路線。2）得到各轉(zhuǎn)速所需要的變速組數(shù)目。3）每個變速組中的傳動副數(shù)目。4）傳動軸的數(shù)目。5）傳動順序及各軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)和大小。注：主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列按等比數(shù)排列時，各級轉(zhuǎn)速值必須從機床專業(yè)標準中規(guī)定的標準數(shù)列得到，決不能用前一級的轉(zhuǎn)速值乘以公比而機械的得到后一級的轉(zhuǎn)速值。（2）基本組和擴大組：基本組的特征：1）基本組：為獲得主軸上相差一個ψ倍轉(zhuǎn)速的最基本的變速組。相鄰的傳動比之比等于主軸轉(zhuǎn)速的公比。轉(zhuǎn)速圖中表現(xiàn)相鄰兩斜線之間開口為一格。a組的三個傳動比之比為：正常傳動系統(tǒng)：主軸的傳動方向按基本組——第一擴大組——第二擴大組…的傳動順序依次排列。2）擴大組：在基本組變速的基礎(chǔ)上，通過變換變速組的傳動比，進一步擴大主軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)和變速范圍的變速組。當擴大順序與傳動一致時，為正常傳動系統(tǒng)。所得到的主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列是連續(xù)的等比數(shù)數(shù)列。非正常傳動系統(tǒng)：變速組a為第一擴大組，變速組b為基本組，變速組c為第二擴大組。變速組的變速范圍：

r=umax/umin主軸的轉(zhuǎn)速范圍：

Rn=r0r1r2…rz變速組中最大與最小傳動比的比值稱為該變速組的變速范圍。(3)結(jié)構(gòu)網(wǎng)與結(jié)構(gòu)式：結(jié)構(gòu)網(wǎng)可以再簡化為結(jié)構(gòu)式:

Z=p0×q1×r2

Z為轉(zhuǎn)速級數(shù)；p、q、r…代表變速組的傳動副數(shù)；0、1、2…代表基本組、第一擴大組…只表示傳動比的相對關(guān)系，不表示具體轉(zhuǎn)速值的線圖稱為結(jié)構(gòu)網(wǎng)。(4)轉(zhuǎn)速圖的擬定：轉(zhuǎn)速圖擬定原則：1）每一變速組內(nèi)的傳動副數(shù)目一般應(yīng)取2或3。變速傳動裝置的總變速級數(shù)等于各變速組變數(shù)級數(shù)的連乘：

Z=pqr…例:主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)Z=12的傳動方案有:12=6×212=4×312=3×2×2特點:變速組數(shù)目越少,則傳動軸數(shù)越少,傳動鏈越短,同一變速組中的傳動副數(shù)目越多,變速箱軸向尺寸越大,變速操作越復(fù)雜。2）各變速組的傳動順序應(yīng)按“前多后少”的原則排列。12=3×2×212=2×3×212=2×2×3例:主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)Z=12的排列方案有:排列方案Ⅰ中，靠近電機的變速組a有3對傳動副，靠近主軸的變速組c為2對傳動副，即高轉(zhuǎn)速時的傳動副多于低轉(zhuǎn)速的傳動副。根據(jù)當傳動件傳遞功率一定時，轉(zhuǎn)速高所傳遞的扭矩小，則傳動件尺寸也小可知，該方案最佳。3）轉(zhuǎn)速擴大順序應(yīng)盡可能與傳動順序一致。4）各變速組的傳動比或變速范圍不應(yīng)超過下列極限：

umin≥1/4umax≤2～2.5，或rmax=812=30×21×2212=31×20×22當處于同一高轉(zhuǎn)速情況下時，開口大將造成低轉(zhuǎn)速更低和高轉(zhuǎn)速更高，從而使傳動件尺寸（低轉(zhuǎn)速處）和噪聲（高轉(zhuǎn)速處）增大。5）合理分配傳動比，使中間軸有較高的轉(zhuǎn)速。即，按傳動順序的各變速組的最小傳動比按逐步降速的原則進行。備注：2、在五項原則中，1、4項原則必須嚴格遵守，其余3項視具體情況而定。1、在降速傳動時，通常采用“前緩后急”；升速時采用“前急后緩”。uamin≥ubmin≥ucmin≥…判斷Z=12=3×2×2級變速傳動系統(tǒng)中，6種方案的結(jié)構(gòu)式及結(jié)構(gòu)網(wǎng)在傳動副、傳動順序、擴大順序等的優(yōu)劣。例：解：1）首先根據(jù)轉(zhuǎn)速圖擬定第4項原則判斷，a、b、c、d中4種方案第二擴大組的rmax=ψ6=1.416=8可行;而e、f的第二擴大組的rmax=ψ8=1.418=16，是不可行的。（5）擬定變速主傳動系統(tǒng)的步驟1）確定極限轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速級數(shù)、轉(zhuǎn)速數(shù)列、公比。2）根據(jù)專機的特點，確定傳動方案，擬定結(jié)構(gòu)式。解：2）根據(jù)轉(zhuǎn)速圖擬定第3項原則，即擴大順序盡可能與傳動順序一致，以便減小傳動扭矩，減小傳動件尺寸和噪聲。故，方案a最佳。解：3）根據(jù)轉(zhuǎn)速圖擬定第5項原則，選擇a、b、c、d4種方案中使中間傳動軸（Ⅰ、Ⅱ軸）有較高轉(zhuǎn)速的方案，以減小傳動扭矩，減小傳動件尺寸。故，方案a最佳。3）擬定轉(zhuǎn)速圖。4）合理分配各傳動副傳動比，確定齒輪齒數(shù)和帶輪直徑。5）繪制主傳動的傳動系統(tǒng)圖。例：12級轉(zhuǎn)速專用車床主傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖設(shè)計12=3×2×2根據(jù)1原則，傳動副取2～3根據(jù)2原則，傳動順序應(yīng)“前多后少”012根據(jù)3原則，變速范圍應(yīng)“前密后疏”（1）選擇結(jié)構(gòu)式（2）確定是否需要增加降速的定比傳動副。（3）根據(jù)第4、5項原則分配各變速組的最小傳動比電機ⅠⅡⅢⅣAE31.5DCBC1C2D1D2D345639012518025035550071010001400(4)畫出各變速組的傳動比連線。（5）畫出全部傳動比連線。二、齒輪齒數(shù)的確定1、齒輪齒數(shù)的確定原則

齒輪齒數(shù)的選擇必須在滿足轉(zhuǎn)速要求的原則下進行。設(shè)計中，小齒輪齒數(shù)Z＞Zmin(Zmin為不發(fā)生根切時的最少齒數(shù)），且Z與Z′（與小齒輪相配的大齒輪齒數(shù)）值互為質(zhì)數(shù)。

小齒輪的齒數(shù)在設(shè)計時，是按輪齒的齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲疲勞強度接近來進行選擇的。為此，常用減少模數(shù)、增加齒數(shù)的設(shè)計方法，使齒輪結(jié)構(gòu)尺寸減小的同時，提高重合度，使傳動平穩(wěn)，并減少切齒的加工量。一般推薦小齒輪齒數(shù)為Z=22～40，且Z＞Zmin。2、齒輪齒數(shù)的確定（1）變速組內(nèi)齒輪模數(shù)相同時齒輪齒數(shù)的確定Zj=Sz×uj/(uj+1)Z′j=Sz×

uj/(uj+1)已知uj，選定Sz，就可求出任一齒輪的齒數(shù)。Sz選擇的條件：1）Zj、Z’j必須是一個整數(shù)；2）為使結(jié)構(gòu)緊湊，Sz應(yīng)盡可能選小。一般取60～90，最好不大于100。在極限情況下，齒數(shù)和也不應(yīng)該超過120。3）最小齒輪的齒數(shù)一定要大于最少齒數(shù)（Zmin=17）注：當傳動比u采用標準公比的整數(shù)次方時，齒數(shù)和及小齒輪的齒數(shù)可從表2.1中查取。例：圖2.2中變速組a各齒輪齒數(shù)的確定解：根據(jù)可知，其傳動比u是標準公比的整數(shù)次方。則有：1）根據(jù)ua1=1、ua2=1/1.41ua3=1/2，分別查表2.2中的1、1.41、2的一行。2）根據(jù)最小齒輪齒數(shù)Z=22查取最少齒數(shù)和為66。3）根據(jù)最少齒數(shù)和為66向右查，找到同時滿足3個傳動比要求的齒輪齒數(shù)和有72、84等。（2）變速組內(nèi)齒輪模數(shù)不同時齒輪齒數(shù)的確定

當變速組的齒輪傳動比相差很大時，為減小各傳動副的受力差別，得到合理的結(jié)構(gòu)尺寸，可以采用不同模數(shù)的齒輪副。但最多只能采用兩種模數(shù)（參見P32～33）。3、檢查

（1）檢查主軸各級轉(zhuǎn)速：主軸轉(zhuǎn)速的改變量一定要滿足工藝要求。一般情況下，取在轉(zhuǎn)速相對誤差±5%之內(nèi)或u=±5%之內(nèi)。（2）檢查三聯(lián)滑移齒輪的齒數(shù)：為保證三聯(lián)滑移齒輪左右滑移時能順利通過，不至于齒頂相碰，必須使相關(guān)兩齒輪的齒頂圓半徑之和小于中心距。若Z3>Z2>Z1,且采用標準齒輪時，則三聯(lián)滑移齒輪順利嚙合的條件為：Z3-Z2≥4即最大和次大齒輪之間的齒數(shù)差應(yīng)該大于4。1、當不滿足上述條件時，在結(jié)構(gòu)允許的條件下，可適當加大齒數(shù)和，以增加齒數(shù)差。注意：2、若齒數(shù)差恰好為4，為不增大機構(gòu)尺寸，可適當減小Z2、Z3′兩相關(guān)齒輪的齒頂圓直徑。3、若齒數(shù)差小于4，又不能加大齒數(shù)和時，可從齒輪的排列上來解決其齒頂相碰的問題。三、幾種常用的變速機構(gòu)1、滑移齒輪變速機構(gòu)：優(yōu)點：變速范圍大，級數(shù)較多；變速方便省時；在較大的變速范圍內(nèi)可傳遞較大的功率和扭矩；不工作的齒輪不嚙合，空載功率損失小。缺點：變速箱構(gòu)造較復(fù)雜，不能在運轉(zhuǎn)中變速；為使滑移齒輪進入嚙合，必須使用直齒圓柱齒輪傳動。滑移齒輪的結(jié)構(gòu)及齒輪的布置，直接影響到變速箱的尺寸、變速操縱的方便和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的可能性等。因此，合理的進行滑移齒輪的設(shè)計是實現(xiàn)變速箱尺寸減小、改善變速操縱性能的重要途徑。（1）齒輪的布置：變速機構(gòu)中的滑移齒輪一般布置在主動軸上，并盡量將較小體積的齒輪做成滑移齒輪，使滑移省力。注：為避免同一滑移齒輪變速組內(nèi)的兩對齒輪同時嚙合，兩個固定齒輪的間距應(yīng)大于滑移齒輪的寬度，其間隙量Δ為1～2mm。（2）滑移齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計：確定結(jié)構(gòu)型式：滑移齒輪塊有窄式、寬式、寬窄結(jié)合式三種結(jié)構(gòu)型式。確定輪轂長度：為保證滑移齒輪在移動時具有良好的導(dǎo)向性，齒輪塊的內(nèi)孔直徑d與軸接觸的輪轂長度L應(yīng)滿足L/d≥2的條件。注：為縮短齒輪軸向位置的排列尺寸，應(yīng)采取窄式結(jié)構(gòu)。1）一個變速組中齒輪軸向位置的排列：雙聯(lián)滑移齒輪的兩種結(jié)構(gòu)形式：窄式和寬式。三聯(lián)滑移齒輪的三種結(jié)構(gòu)形式：窄式、寬式和寬窄結(jié)合式。2）相鄰兩個變速組中齒輪軸向位置的排列：特點：并行排列方式的結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用范圍廣。但軸向尺寸較大。

并行排列方式：在公共傳動軸上，主動齒輪安裝在一端，從動齒輪安裝在另一端，其軸向總長度為兩變速組的軸向長度之和。排列方式分并行和交錯兩種交錯排列方式：相鄰兩個變速組的公共傳動軸上的主、從動齒輪交替安裝，使兩變速組的滑移行程部分重疊，從而減小軸向尺寸長度。3）采用公用齒輪傳動：相鄰兩個變速組的公共傳動軸上，將某一從動齒輪和主動齒輪合二為一，形成既是第一變速組的從動又是第二變速組的主動齒輪。4）相嚙合齒輪的寬度：

為使滑移齒輪順利進入嚙合，在嚙合端必須倒角?？紤]操縱機構(gòu)的定位、磨損等原因，一般使小齒輪寬度比相嚙合的大齒輪寬度寬1～2mm。（3）縮小徑向尺寸1）合理安排變速箱內(nèi)各軸的位置2）縮小軸間間距：盡量選擇較小的齒數(shù)和，并使齒輪的降速傳動比＞1/4，以減小齒輪尺寸。3）軸線相互重合：使有關(guān)傳動軸的軸線與軸線重合，可使齒輪在箱體內(nèi)的徑向尺寸大大縮小，通過減少箱體孔的排數(shù)，使尺寸減小的同時，還使箱體孔加工工藝得到改善。2、離合器變速機構(gòu)：

離合器變速機構(gòu)是采用離合器和齒輪相配合來實現(xiàn)。常用的離合器有牙嵌式、齒輪式及摩擦片式離合器。

牙嵌式離合器特點：這兩類變速機構(gòu)的尺寸小，傳遞的扭矩較大，傳動比正確，傳動平穩(wěn)。但這種變速方法不能在運轉(zhuǎn)中變速，各對齒輪始終處于嚙合狀態(tài)，故，磨損較大，效率較低。主要用于低速機械的傳動。牙嵌式離合器利用兩半離合器端面上的牙互相嵌合或脫開以達到主、從動軸離合的目的。牙有矩形、梯形、三角形、鋸齒形和螺旋形等幾種形式。由于同時參與嵌合的牙數(shù)多，故承載較高，適用范圍廣泛。摩擦片式離合器的特點：

該類離合器的操縱可以是機械的、液壓的和電磁的；可以在運轉(zhuǎn)中變速，且動作迅速，以適應(yīng)自動化的要求。離合器變速機構(gòu)可使用斜齒輪傳動，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但缺點是經(jīng)常有嚙合的空轉(zhuǎn)齒輪，其空轉(zhuǎn)損失較大。離合器位置安排注意事項：（1）減小離合器的尺寸：當無特殊要求時，應(yīng)盡可能將離合器安排在較高轉(zhuǎn)速的軸上。（2）避免出現(xiàn)超速現(xiàn)象：超速現(xiàn)象是指當一條傳動路線工作時，在另一條不工作的傳動路線上出現(xiàn)傳動件高速空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。（3）考慮結(jié)構(gòu)上的因素：如從動軸是主軸時，一般不宜將電磁離合器直接裝在主軸上，因為電磁離合器的剩磁和散熱將直接影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度，而剩磁會使主軸軸承磁化，而磁性微粒吸附在軸承中時，將加劇軸襯的磨損。3、交換齒輪變速機構(gòu)：

這種變速系統(tǒng)的軸心距不變、相嚙合的兩齒輪互換位置來實現(xiàn)變速。所得到的兩種傳動比若一為升速時，則另一位置就為降速。交換齒輪變速的特點：結(jié)構(gòu)簡單，不需要操縱機構(gòu)；軸向尺寸小，變速箱結(jié)構(gòu)緊湊；主動齒輪與從動齒輪互換，齒輪個數(shù)少。但更換齒輪費時費力；軸的剛性差，傳遞功率受限制。注意：在使用交換齒輪變速時，其變速范圍rn≤4～5。根據(jù)最大變速范圍為：交換齒輪變速的適用場合：不需要經(jīng)常變速或變速時間長短對生產(chǎn)率影響不大的專機中。則若采用交換齒輪完全對換，其升速超出極限值時，可將交換齒輪部分對調(diào)，即將超出者不對換。4、公用齒輪變速機構(gòu)：

該齒輪既是前變速組中的從動齒輪，又是后一變速組中的主動齒輪，它可以同時和兩個齒輪嚙合。公用齒輪變速機構(gòu)的特點：減少齒輪個數(shù)，縮短軸向尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊并簡化傳動機構(gòu)。但，有時會使傳動比受到限制，增大徑向尺寸；公用齒輪壽命短、磨損快。5、背輪變速機構(gòu)：特點：

當離合器接合時，經(jīng)齒輪z4/z3傳動軸Ⅱ，使其以更高的速度轉(zhuǎn)動，即倒轉(zhuǎn)。倒轉(zhuǎn)將會增大機床的空載功率損耗及齒輪噪聲，使磨損加劇。極限變速范圍可達rmax=u1/u2=16，遠大于一般滑移齒輪的極限變速范圍。故，可使傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速范圍增大。

6、多速電動機變速機構(gòu)：特點：

可簡化機器的結(jié)構(gòu)，使用方便，并能在運轉(zhuǎn)中變速。但該類電動機在高、低速時輸出的功率不同，將出現(xiàn)功率的損耗、體積的增大、價格的偏高和電氣控制復(fù)雜的情況。

多速電動機加入傳動鏈中，相當于增加了一個變速組，故被稱為“電變速組”。是傳動鏈最前面的一個變速組。

當主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列為連續(xù)、不重復(fù)、無空擋的等比數(shù)排列時，變速系統(tǒng)中采用多速電動機后，對后接的變速組的傳動副數(shù)目有嚴格要求。因此，需對ψ電與主軸轉(zhuǎn)速ψ之間的關(guān)系進行分析。例：當ψ電=2時，主軸傳動系統(tǒng)的ψ=1.06、1.12、1.26、1.41、2。因為這些公比的整數(shù)次方為2，是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速數(shù)列等比級數(shù)的保證。如當ψ=1.26、1.41時，若ψ電=2，則ψ電=1.263=1.412,故，電變速組為第一擴大組，而2、3次方為基本組的傳動副數(shù)。四、計算轉(zhuǎn)速

變速系統(tǒng)中傳動件應(yīng)該根據(jù)哪一個轉(zhuǎn)速進行動力的計算，即本節(jié)所需討論的計算轉(zhuǎn)速問題。傳動系統(tǒng)由原動機驅(qū)動,一般為回轉(zhuǎn)運動,而傳動系統(tǒng)的輸出軸(主軸)也為回轉(zhuǎn)運動,故,傳動件所傳遞的載荷為扭矩,而扭矩大小與所傳遞的功率P和轉(zhuǎn)速n有關(guān)。

通常將主軸所傳遞的功率、扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為主軸的功率、扭矩特性。1）工作機構(gòu)為直線運動時，可視為恒扭矩。根據(jù)工作機構(gòu)的不同運動方式，分析傳動件所受載荷的情況有如下兩種：

2）工作機構(gòu)為回轉(zhuǎn)運動時，傳動系統(tǒng)輸出軸的轉(zhuǎn)速分兩種情況：一是所傳遞的轉(zhuǎn)速是恒定的，這時所傳遞的功率必然要求