1、第二章 機械系統(tǒng)設計,第二節(jié) 機械傳動系統(tǒng)的特性,一、對機械傳動的要求,1、對機械系統(tǒng)的要求 定位精度高、響應速度快、穩(wěn)定性高 2、對傳動系統(tǒng)的要求 （1）在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動機構的質(zhì)量和轉(zhuǎn) 動慣量應盡可能小。 （2）系統(tǒng)剛度要大。 （3）合適的阻尼。 （4）摩擦力要小。,1、轉(zhuǎn)動慣量的計算： （單位：kgm2） (1) 圓柱體轉(zhuǎn)動慣量 (2) 直線移動工作臺折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量,二、機械傳動系統(tǒng)的特性,(3) 齒輪齒條傳動時工作臺折算到小齒輪軸上的轉(zhuǎn)動慣量(4) 工作臺折算到鋼帶傳動驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)動慣量,(5) 絲杠折算到電機上的轉(zhuǎn)動慣量,例：絲杠傳動時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總

2、轉(zhuǎn)動慣量 。,飛輪慣量JL,飛輪慣量與轉(zhuǎn)動慣量的關系：,JL =GD2=4gJ,a、轉(zhuǎn)動物體的飛輪慣量：見表2-1,b、直線運動物體的飛輪慣量,絲杠傳動,帶傳動,2、摩擦,從應用上分，摩擦力可分為三種：,靜摩擦力：具有相對運動的趨勢，最大值發(fā)生 在相對運動的開始前的瞬間。 方向：與物體相對運動的趨勢是相反的。,粘性摩擦力：大小與兩物體相對運動的速度成正比 方向與運動方向相反,庫侖摩擦力：是接觸面對運動物體的阻力，即動摩擦力 大小常數(shù),動摩擦力=庫侖摩擦力+粘性摩擦力,摩擦力速度曲線,在使用中應盡可能減小靜摩擦力與動摩擦力的差值，并使動摩擦力盡可能小且為正斜率較小的變化 。,摩擦特性隨材料和表面

3、狀態(tài)的不同而不同。,摩擦對系統(tǒng)的影響： （1）降低系統(tǒng)的響應速度 （2） 引起動態(tài)滯后和系統(tǒng)的誤差 （3）引起低速爬行,3、阻尼,阻尼對彈性系統(tǒng)的振動特性主要有以下影響： （1）靜摩擦阻尼 定位精度 產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，降低性能 （2）粘性阻尼 穩(wěn)態(tài)誤差 精度 （3）質(zhì)量大，剛度低的機械系統(tǒng)，可通過增大粘性摩擦阻尼減小 振幅，加速振幅衰減,阻尼比：,在系統(tǒng)設計時，考慮綜合性能指標，一般取0.5 0.8之間。,采用彈性模量高的材料，合理選擇零件的截面形狀和尺寸，對齒輪、絲杠、軸承施加預緊力等方法提高系統(tǒng)的剛度。 對于伺服機械傳動系統(tǒng)，增大系統(tǒng)的傳動剛度有以下好處： （1）可以減少系統(tǒng)的死區(qū)誤差（失動量

4、），有利于提高傳動精度； （2）可以提高系統(tǒng)的固有頻率，有利于系統(tǒng)的抗振性； （3）可以增加閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對開環(huán)系統(tǒng)無影響。,4剛度使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需要的作用力。,靜剛度：靜態(tài)力和變形之比,動剛度：動態(tài)力和變形之比,但是，剛度越大轉(zhuǎn)動慣量越大，響應速度就會降低，所以剛度和轉(zhuǎn)動慣量要合適選擇。,對于閉環(huán)系統(tǒng)，要求機械傳動系統(tǒng)中的最低固有頻率（最低共振頻率）必須大于電氣驅(qū)動部件的固有頻率。 對于機械傳動系統(tǒng)，它的固有頻率取決于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的剛度及慣量，因此在機械傳動系統(tǒng)的結構設計中，應盡量降低慣量，提高剛度，達到提高傳動系統(tǒng)固有頻率的目的。,5諧振頻率,單自由度直線運動彈性系統(tǒng)固有頻

5、率：,單自由度扭轉(zhuǎn)運動彈性系統(tǒng)固有頻率：,6間隙,影響：使機械傳動系統(tǒng)產(chǎn)生回程誤差， 影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性,主要形式,齒輪傳動的齒側(cè)間隙,絲杠螺母的傳動間隙,絲杠軸承的軸向間隙,聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙,偏心軸套式消隙機構,齒輪傳動間隙的調(diào)整,1剛性消隙法 在嚴格控制齒輪齒厚和齒距誤差的條件下進行的，調(diào)整后齒側(cè)間隙不能自動補償，但能提高傳動剛度。,電機2是通過偏心軸套1裝到殼體上，通過轉(zhuǎn)動偏心軸套的轉(zhuǎn)角，就能夠方便地調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除了圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時的齒側(cè)隙。,錐度齒輪消隙機構 通過改變兩齒輪的軸向相對位置消除側(cè)隙,斜齒輪消隙機構,2柔性消隙法 指調(diào)整后齒側(cè)間隙可以自動補償。 特點

6、：對齒輪齒厚和齒距的精度要求可以適 當降低，傳動剛度低，結構復雜。,雙片齒輪錯齒調(diào)整法,1、2薄片齒輪 4彈簧 3 、8凸耳 5 、 6螺母 7調(diào)節(jié)螺釘,8,碟形彈簧消隙機構,壓力彈簧消隙機構,雙斜齒輪消隙機構,絲杠螺母間隙的調(diào)整,調(diào)整時須考慮： 1、軸向間隙 2、滾珠與滾道的接觸彈性變形,墊片間隙的調(diào)整,特點： 結構簡單可靠，裝卸方便，剛性好，調(diào)整費時且不能在工作中調(diào)整。,螺紋式調(diào)隙機構,特點： 結構緊湊 調(diào)整方便 但精度不高,齒差式調(diào)隙機構,特點： 調(diào)整準確可靠，精度高，但結構復雜。,第三節(jié) 機械傳動裝置,機械傳動裝置：轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的變換器； 伺服系統(tǒng)的重要組成部分,對機械系統(tǒng)要求：良好伺服

7、性能、轉(zhuǎn)動慣量小、摩擦小 阻尼合理、剛性大、抗振性好、高速 間隙小、小型、輕量、低噪聲、高可靠性,一、齒輪傳動,優(yōu)點：傳動比為常數(shù)、傳動精確、強度大、能承受重載 結構緊湊、摩擦力小、效率高,1、總傳動比的選擇,輸入高速、小轉(zhuǎn)矩 輸出低速、大轉(zhuǎn)矩,要求：足夠的強度，盡可能小的轉(zhuǎn)動慣量 加速度響應最大,傳動系統(tǒng)計算模型,根據(jù)負載角加速度最大的原則,若不計摩擦,即TLF0, 則,即：,上式表明，齒輪系傳動比的最佳值就是，JL換算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量正好等于電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，此時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩一半用于加速負載，一半用于加速電動機轉(zhuǎn)子，達到了慣性負載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。,2、 傳動鏈的級數(shù)和各級

8、傳動比的分配,(1)最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則 (2)重量最輕原則(3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則,總傳動比分配原則：,齒輪系傳遞的功率不同, 其傳動比的分配也有所不同。,(1). 等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則,由于功率小,假定各主動輪具有相同的轉(zhuǎn)動慣量J1,軸與軸承轉(zhuǎn)動慣量不計,各齒輪均為實心圓柱齒輪,且齒寬b和材料均相同,效率不計, 則有 式中： i1、 i2 齒輪系中第一、第二級 齒輪副的傳動比； i齒輪系總傳動比, i = i1 i2。,1） 小功率傳動裝置,同理,對于n級齒輪系,則有,由此可見，各級傳動比分配的結果應遵循“前小后大”的原則。,例2-1 設有i =80,傳動級數(shù)n= 4的小功率傳動,試按

9、等效轉(zhuǎn)動 慣量最小原則分配傳動比。 解 ：,驗算 I= i 1 i 2 i 3 i 480。,2） 大功率傳動裝置 大功率傳動裝置傳遞的扭矩大,各級齒輪副的模數(shù)、齒寬、直徑等參數(shù)逐級增加,各級齒輪的轉(zhuǎn)動慣量差別很大。,傳動比分配的基本原則仍應為“前小后大”。,a、根據(jù)總傳動比確定傳動級數(shù),（a）,b、確定第一級傳動比,（b）,c、確定各級傳動比,（c）,解:查圖a:得 n=3,Je/J1=70； n=4, Je / J1 =35； n=5, Je / J1 =26。 兼顧到Jm/J1值的大小和傳動裝置的結構,選n4。,（a）,例2-2 設有i=256的大功率傳動裝置,試按等效轉(zhuǎn)動慣量 最小原則

10、分配傳動比。,查圖b:得i13.3。,（b）,查圖c:在橫坐標i k-1上3.3處作垂直線與A線交于第一點,在縱坐標ik軸上查得i23.7。 通過該點作水平線與B曲線相交得第二點i34.24。 由第二點作垂線與A曲線相交得第三點i44.95。 驗算i1 i2 i3 i 4256.26 滿足設計要求。,（c）,(2).質(zhì)量最小原則,1） 小功率傳動裝置,假定各主動輪具有相同的轉(zhuǎn)動慣量J1,軸與軸承轉(zhuǎn)動慣量不計,各齒輪均為實心圓柱齒輪,且齒寬b和材料均相同,效率不計, 齒輪直徑為Di(i=14),密度為,結論：對于n級傳動i1i2i3ini1/n 即各級傳動比相等,2） 大功率傳動裝置,設,b1b

11、2 ，b3b4,得：,結論：各級傳動比為“前大后小”,(3).輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則,以四級齒輪減速傳動鏈為例。四級傳動比分別為 i1、i2、 i3、 i4,齒輪18 的轉(zhuǎn)角誤差依次為18。,該傳動鏈輸出軸的總轉(zhuǎn)動角誤差max為,各級傳動比滿足”前小后大”原則，低速級轉(zhuǎn)角誤差占比重大，總誤差最小,三種原則的選擇： 對齒輪傳動裝置的設計，應根據(jù)具體的工作條件綜合考慮。 1.傳動精度要求較高時采用輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設計； 2.對于要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、頻繁啟動和動態(tài)性能好的傳動裝置，常用最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設計； 3.對于有質(zhì)量要求盡可能輕得傳動鏈可按質(zhì)量最輕原則設計。,二、諧

12、波齒輪傳動,1、組成：柔輪具有外齒 剛輪具有內(nèi)齒 波形發(fā)生器,齒形為三角形或漸開線形,諧波減速器三大構件,諧波減速器結構,2、工作原理,依靠柔輪所產(chǎn)生的可控彈性變形所引起得相對位移來傳遞動力和運動的，柔輪得變形時一個基本對稱得和諧波，所以成為諧波運動。,3、分類,根據(jù)波形發(fā)生器的不同分：,（1）雙波發(fā)生器波形發(fā)生器有兩個觸頭,剛輪與柔輪齒數(shù)相差2 周長相差2各齒距的弧長,特點：對柔輪得變形不能完全控制 承載能力低，適用于低速輕載的傳動,（2）柔性軸承凸輪式波形發(fā)生器,由凸輪和柔性軸承組成,特點：能完全控制柔性輪的變形，精度高 承載能力大，剛性好，應用廣泛,4、特點 （1）傳動比大：單級i505

13、00，多級i3000; （2）承載能力強； （3）傳動精度高； （4）傳動平穩(wěn)； （5）結構簡單，體積小，重量輕,三、滾珠絲杠傳動,1、組成：螺母、鋼球、絲杠、擋球器,外循環(huán)滾珠在返回時與螺桿脫離接觸的循環(huán),滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構，它的結構特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦.,內(nèi)循環(huán)： 滾珠在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán),2、滾珠絲杠副的特點 :(1)傳動效率高、摩擦損失小，傳動效率很高，可達 0.920.96（滑動絲杠為0.20.4）(2)傳動的可逆性、不可自鎖性(3) 傳動精度高(4) 磨損小、使用壽命長,3、精度等級 分成7個精度等級,即1、2、3、4、5、7和10級。其中,1級精度最高,其余的依次遞減。 ,滾珠絲杠副支承方式的選擇,一端裝止推軸承（固定自由式）,一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定支承式）,兩端裝止推軸承,兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式）,四、同步齒形帶傳動,是一種新型的帶傳動。,特點：1、傳動過程中無相對滑動，因而可以保持恒定的傳動比，傳動精度較高。2、同步帶傳動工作平穩(wěn)，結構緊