項(xiàng)目六機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)提出與任務(wù)分析

1.任務(wù)提出

要求設(shè)計(jì)一專用自動(dòng)鉆床，用于加工零件上的三個(gè)8mm的孔，如圖6-1-1所示，并能自動(dòng)送料。圖6-1-1零件圖

2.任務(wù)分析

此機(jī)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的是一專用自動(dòng)鉆床，要求對(duì)該機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，確定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的組成，繪制系統(tǒng)方案示意圖。因此，我們必須掌握有關(guān)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的

知識(shí)，如確定機(jī)構(gòu)的工作原理、原動(dòng)機(jī)的選擇、運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選擇及機(jī)構(gòu)選型等才能設(shè)計(jì)出靈活、高效的傳動(dòng)系統(tǒng)。相關(guān)知識(shí)

6.1.1機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)概述

1.傳動(dòng)系統(tǒng)的功用

一般機(jī)器是由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和工作機(jī)三部分組成的。原動(dòng)機(jī)是完成工作任務(wù)的動(dòng)力來(lái)源，最常用的是電動(dòng)機(jī)。工作機(jī)是直接完成生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行裝置，可以通過(guò)選擇合適的機(jī)構(gòu)或其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳動(dòng)系統(tǒng)則是把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)化為符合執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的中間傳動(dòng)裝置。

2.機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的目的

機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中極其重要的一步，對(duì)機(jī)械的性能、尺寸、外形、質(zhì)量及生產(chǎn)成本具有重大的影響，機(jī)械產(chǎn)品功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)效益是否顯著，在很大程度上取決于總體方案設(shè)計(jì)的構(gòu)思和方案擬訂時(shí)的設(shè)計(jì)思想。機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的任務(wù)是開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和改造老產(chǎn)品，最終目的是為市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)高效、物美價(jià)廉的機(jī)械產(chǎn)品，以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮人機(jī)關(guān)系、環(huán)境條件以及與加工裝配、運(yùn)行管理系統(tǒng)等的聯(lián)系，使機(jī)械系統(tǒng)與外部系統(tǒng)協(xié)調(diào)和適應(yīng)，以求設(shè)計(jì)更加完善。

3.機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容

一般機(jī)械系統(tǒng)都是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制輔助系統(tǒng)等幾部分組成的，因此這幾部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

4.常用機(jī)械傳動(dòng)的類型及主要特性

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可以由一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，掌握各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和特點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。

根據(jù)傳力原理，機(jī)械傳動(dòng)可分為摩擦傳動(dòng)、嚙合傳動(dòng)和推壓傳動(dòng)三種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，機(jī)械傳動(dòng)又可分為直接接觸傳動(dòng)和中間傳動(dòng)件的傳動(dòng)。常用機(jī)械傳動(dòng)形式及其主要性能見(jiàn)表6-1-1。

5.常用機(jī)械傳動(dòng)的類型及主要特性

1)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式的變換

原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式都是勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而工作機(jī)構(gòu)所要求的運(yùn)動(dòng)形式卻是多種多樣的。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以將勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)、擺動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)和平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等各種各樣的運(yùn)動(dòng)形式。表6-1-2為實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)形式變換的常用機(jī)構(gòu)。

2)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速(或速度)的變化

一般情況下，原動(dòng)件轉(zhuǎn)速很高，而工作機(jī)構(gòu)則較低，并且在不同的工作情況下要求獲得不同的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速(或速度)。

當(dāng)需要獲得較大的恒定傳動(dòng)比時(shí)，可將多級(jí)齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)等組合起來(lái)滿足速度變化的需要。

當(dāng)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度需要進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，齒輪變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則是一種經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)然也可以采用機(jī)械無(wú)級(jí)調(diào)速變速器，或者采用電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解

可采用各種差動(dòng)輪系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的合成與分解。

4)獲得較大的機(jī)械效益

根據(jù)一定功率下減速增矩的原理，通過(guò)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)用較小的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩，即獲得較大的機(jī)械效益。6.1.2機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一般步驟

1.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一般步驟

設(shè)計(jì)的一般過(guò)程如下：

(1)確定傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比。

(2)選擇傳動(dòng)的類型、擬訂總體布置方案并繪制傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

(3)分配傳動(dòng)比，即根據(jù)傳動(dòng)布置方案，將總傳動(dòng)比向各級(jí)傳動(dòng)進(jìn)行合理分配。

(4)計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的性能參數(shù)，包括各級(jí)傳動(dòng)的功率、轉(zhuǎn)速、效率、轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)。

(5)通過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和幾何計(jì)算，確定各級(jí)傳動(dòng)的基本參數(shù)和主要幾何尺寸，如齒輪傳動(dòng)的中心距、齒數(shù)、模數(shù)、齒寬等。

2.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本要求

傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要綜合運(yùn)用多種知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行多方案分析比較，才能設(shè)計(jì)出較為合理的方案。通常設(shè)計(jì)方案應(yīng)滿足以下基本要求：

(1)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)滿足機(jī)器的功能要求，而且性能優(yōu)良。

(2)傳動(dòng)效率高。

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、占用空間小。

(4)便于操作、安全可靠。

(5)可制造性好，加工成本低。

(6)維修性好。

(7)不污染環(huán)境。6.1.3機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性和參數(shù)

1.傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)

1)傳動(dòng)比

串聯(lián)傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比為

(6-1-1)

總傳動(dòng)比為各級(jí)傳動(dòng)比i1、i2、i3、…、in的連乘積，即

i=i1i2i3…in

(6-1-2)

2)轉(zhuǎn)速和線速度

由傳動(dòng)比的計(jì)算公式可得從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為

(6-1-3)

式中,

n1為主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，單位為r／min。

在選擇潤(rùn)滑方式和選取齒輪精度時(shí)，需要計(jì)算傳動(dòng)零件的線速度v(m／s)，其計(jì)算公式為

(6-1-4)

2.傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)

傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)主要包括各軸的功率和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。

1)傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率

常用的單路傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為各部分效率的乘積，即

(6-1-5)

2)功率計(jì)算

傳動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)各零件進(jìn)行工作能力計(jì)算時(shí)，均以其輸入功率為計(jì)算功率。這里以圖6-1-2所示的二級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為例，介紹各軸功率的計(jì)算方法。圖6-1-2齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)已知傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率P入(或輸出功率P出)(單位為kW)、齒輪嚙合效率η齒、軸承效率η承。設(shè)PⅠ、PⅡ、PⅢ分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸的輸入功率(單位為kW)，則有

(6-1-6)

(6-1-7)

3)轉(zhuǎn)矩T

當(dāng)已知各軸的輸入功率P和轉(zhuǎn)速n時(shí)，即可求出軸的轉(zhuǎn)矩T(N·m)，即

(6-1-8)若將上式代入式(6-1-6)中可得各軸的轉(zhuǎn)矩：

(6-1-9)6.1.4機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1.傳動(dòng)類型的選擇

為了獲得理想的傳動(dòng)方案，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型的選擇非常重要，需根據(jù)傳動(dòng)效率、輪廓尺寸、質(zhì)量要求、運(yùn)動(dòng)性能、成本及生產(chǎn)條件等主要性能指標(biāo)，結(jié)合各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，合理地選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型。

2.傳動(dòng)順序的布置

傳動(dòng)系統(tǒng)中有多個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，要合理布置各機(jī)構(gòu)的順序。傳動(dòng)順序布置的一般原則如下：

(1)承載能力較小的帶傳動(dòng)宜布置在高速級(jí)，使之與原動(dòng)機(jī)相連，齒輪或其他傳動(dòng)布置在其后。

(2)鏈傳動(dòng)平穩(wěn)性差，且有沖擊、振動(dòng)，不適于高速傳動(dòng)，一般布置在低速級(jí)。

(3)根據(jù)工作條件選用開(kāi)式或閉式齒輪傳動(dòng)。閉式一般布置在高速級(jí)，開(kāi)式布置在低速級(jí)。

(4)傳遞大功率時(shí)，一般采用圓柱齒輪。

(5)在傳動(dòng)系統(tǒng)中，若有改變運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)構(gòu)，如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等，一般布置在傳動(dòng)系統(tǒng)的最后一級(jí)。

3.總傳動(dòng)比的分配

合理分配各級(jí)傳動(dòng)比，可使傳動(dòng)裝置得到較小的外廓尺寸或較輕的質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)降低成本和使結(jié)構(gòu)緊湊的目的，也可以使傳動(dòng)零件獲得較低的圓周速度以減小齒輪傳動(dòng)載荷和降低傳遞精度等級(jí)的要求，還可以得到較好的齒輪潤(rùn)滑條件。但這幾方面的要求不可能同時(shí)滿足，因此在分配傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求考慮不同的分配方式。

4.機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則

一臺(tái)較復(fù)雜的機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)中常包括多個(gè)工藝動(dòng)作，相互協(xié)調(diào)配合以完成預(yù)定的工藝目的。工藝目的及工藝動(dòng)作確定之后，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括動(dòng)力機(jī)的類型、功率和額定轉(zhuǎn)速的選擇，運(yùn)動(dòng)變換機(jī)構(gòu)的選擇以及協(xié)調(diào)各工藝動(dòng)作的機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的擬訂。

1)采用簡(jiǎn)短的運(yùn)動(dòng)鏈

2)有較高的機(jī)械效率

3)合理安排傳動(dòng)順序

4)合理分配傳動(dòng)比

5)保證機(jī)械安全運(yùn)轉(zhuǎn)6.1.5機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)順序

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間裝置，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的重要部分。完成了執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)的預(yù)選型后，即可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力條件及原動(dòng)機(jī)的類型和性能參數(shù)，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)了。探索與實(shí)踐

專用自動(dòng)鉆床的設(shè)計(jì)方法及步驟如下：

1.確定工作原理

由于設(shè)計(jì)要求為鉆孔，故工作原理就是利用鉆頭與工件間的相對(duì)回轉(zhuǎn)和進(jìn)給移動(dòng)切除孔中的材料。鉆孔加工的運(yùn)動(dòng)方案有三種：一種是鉆頭既作回轉(zhuǎn)切削，同時(shí)又作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而放置工件的工作臺(tái)則靜止不動(dòng)；另一種是鉆頭只作回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)，而工作臺(tái)連同工件作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；第三種是工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鉆頭作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

2.執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

工藝動(dòng)作過(guò)程是：送料桿從工件料倉(cāng)里推出一待加工工件，并將已加工好的工件從工作臺(tái)上的夾具中頂出，使待加工工件被夾具(圖中未畫)定位并夾緊在工作臺(tái)上，送料桿退回；工作臺(tái)帶著工件向上快速靠近回轉(zhuǎn)著的鉆頭，然后慢速鉆孔，鉆孔結(jié)束后，又帶著工件快速退回，等待更換工件并完成下一工作循環(huán)。

3.原動(dòng)機(jī)的選擇

根據(jù)對(duì)機(jī)床的工作要求確定原動(dòng)機(jī)的類型為交流異步感

應(yīng)電動(dòng)機(jī)。又考慮到鉆頭的轉(zhuǎn)速較高，所以選用同步轉(zhuǎn)速為1500r／min的電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1440r／min。另外，為了減少原動(dòng)機(jī)的數(shù)量，將三個(gè)執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)鏈并聯(lián)，用同一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

4.計(jì)算運(yùn)動(dòng)鏈的總傳動(dòng)比

切削運(yùn)動(dòng)鏈的總傳動(dòng)比為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈的總傳動(dòng)比與送料運(yùn)動(dòng)鏈的總傳動(dòng)比相等。

5.機(jī)構(gòu)選型

1)切削運(yùn)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)切削運(yùn)動(dòng)鏈時(shí)應(yīng)滿足下列各功能：

(1)鉆頭作連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)鏈總傳動(dòng)比為2.88，即無(wú)需運(yùn)動(dòng)形式的變換，但要求減速。

(2)三個(gè)鉆頭應(yīng)同向回轉(zhuǎn)，且各鉆頭之間的距離很小。即要求具有運(yùn)動(dòng)分解功能，其尺寸受到嚴(yán)格限制。

(3)電動(dòng)機(jī)軸一般為水平方向放置，與鉆頭回轉(zhuǎn)軸線方向不一致，即要求具有改變運(yùn)動(dòng)軸線方向的功能。

(4)電動(dòng)機(jī)與鉆頭之間有較大的傳動(dòng)距離,即要求運(yùn)動(dòng)鏈能作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。

2)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)

對(duì)于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈應(yīng)滿足下列各功能：

(1)工作臺(tái)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)規(guī)律較為復(fù)雜，但

行程不大。

(2)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈應(yīng)實(shí)現(xiàn)很大的減速比，但進(jìn)給力不需太大。

(3)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向和位置與電動(dòng)機(jī)不一致，故應(yīng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸線方向和空間位置的變化。

3)送料運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)

對(duì)送料運(yùn)動(dòng)鏈的功能要求與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈基本相同，只是其往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)樗椒较颍疫\(yùn)動(dòng)行程較大。又因其減速比與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈相同，故可由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈中的蝸輪軸帶動(dòng)。由于送料運(yùn)動(dòng)規(guī)律較為復(fù)雜，故宜采用凸輪機(jī)構(gòu)，又因其行程大，所以要采用連桿機(jī)構(gòu)等進(jìn)行行程放大。

6.機(jī)構(gòu)的組合

將切削運(yùn)動(dòng)鏈、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈和送料運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行組合即可形成三頭自動(dòng)鉆床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案，其三頭自動(dòng)鉆床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6-1-3所示。三鉆頭鉆床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組合如圖6-1-4所示。圖6-1-3三鉆頭自動(dòng)鉆床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖6-1-4三鉆頭鉆床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組合示意框圖歸納總結(jié)

1.傳動(dòng)系統(tǒng)的功用是把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)化為符合執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的中間傳動(dòng)裝置。

2.常用機(jī)械傳動(dòng)的類型及主要特性:

(1)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式的變換。

(2)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速(或速度)的變化。

(3)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解。

(4)獲得較大的機(jī)械效益。

3.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性和參數(shù):

(1)傳動(dòng)比。

(2)轉(zhuǎn)速和線速度。

(3)傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。

(4)功率計(jì)算。

(5)