传动装置

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目录

什么是传动装置[1]

  传动装置是指把动力源的运动和动力传递给执行机构的装置,介于动力源和执行机构之间,可以改变运动速度,运动方式和力或转矩的大小。

传动装置的分类[2]

  任何一部完整的机器都由动力部分、传动装置和工作机构组成,能量从动力部分经过传动装置传递到工作机构。根据工作介质的不同,传动装置可分为四大类:机械传动、电力传动、气体传动和液体传动。

  (1)机械传动

  机械传动是通过齿轮、皮带、链条、钢丝绳、轴和轴承机械零件传递能量的。它具有传动准确可靠、制造简单、设计及工艺都比较成熟、受负荷及温度变化的影响小等优点,但与其他传动形式比较,有结构复杂笨重、远距离操纵困难、安装位置自由度小等缺点。

  (2)电力传动

  电力传动在有交流电源的场合得到了广泛的应用,但交流电动机若实现无级调速需要有变频调速设备,而直流电动机需要直流电源,其无级调速需要有可控硅调速设备,因而应用范围受到限制。电力传动在大功率及低速大转矩的场合普及使用尚有一段距离。在工程机械的应用上,由于电源限制,结构笨重,无法进行频繁的启动、制动、换向等原因,很少单独采用电力传动。

  (3)气体传动

  气体传动是以压缩空气为工作介质的,通过调节供气量,很容易实现无级调速,而且结构简单、操作方便、高压空气流动过程中压力损失少,同时空气从大气中取得,无供应困难,排气及漏气全部回到大气中去,无污染环境的弊病,对环境的适应性强。气体传动的致命弱点是由于空气的可压缩性致使无法获得稳定的运动,因此,一般只用于那些对运动均匀性无关紧要的地方,如气锤、风镐等。此外为了减少空气的泄漏及安全原因,气体传动系统的工作压力一般不超过0.7~0.8MPa,因而气动元件结构尺寸大,不宜用于大功率传动。在工程机械上气动元件多用于操纵系统,如制动器、离合器的操纵等。

  (4)液体传动

  以液体为工作介质,传递能量和进行控制的叫液体传动,它包括液力传动、液黏传动和液压传动。

  1)液力传动

  它实际上是一组离心泵一涡轮机系统,发动机带动离心泵旋转,离心泵从液槽吸入液体并带动液体旋转,最后将液体以一定的速度排入导管。这样,离心泵便把发动机的机械能变成了液体的动能。从泵排出的高速液体经导管喷到涡轮机的叶片上,使涡轮转动,从而变成涡轮轴的机械能。这种只利用液体动能的传动叫液力传动。现代液力传动装置可以看成是由上述离心泵一涡轮机组演化而来。

  液力传动多在工程机械中作为机械传动的一个环节,组成液力机械传动而被广泛应用着,它具有自动无级变速的特点,无论机械遇到怎样大的阻力都不会使发动机熄火,但由于液力机械传动的效率比较低,一般不作为一个独立完整的传动系统被应用。

  2)液黏传动

  它是以黏性液体为工作介质,依靠主、从动摩擦片间液体的黏性来传递动力并调节转速与力矩的一种传动方式。液黏传动分为两大类,一类是运行中油膜厚度不变的液黏传动,如硅油风扇离合器;另一类是运行中油膜厚度可变的液黏传动,如液黏调速离合器、液黏制动器、液黏测功器、液黏联轴器、液黏调速装置等。

  3)液压传动

  它是利用密闭工作容积内液体压力能的传动。液压千斤顶就是一个简单的液压传动的实例。液压千斤顶的结构如图1(a)所示,为明了起见,用符号表示其有关零部件,画出它的液压系统,如图1(b)所示。
Image:液压千斤顶.jpg

  液压千斤顶的小油缸l、大油缸2、油箱6以及它们之间的连接通道构成一个密闭的容器,里面充满着液压油。在开关5关闭的情况下,当提起手柄时,小油缸1的柱塞上移使其工作容积增大形成部分真空,油箱6里的油便在大气压作用下通过滤网7和单向阀3进入小油缸;压下手柄时,小油缸的柱塞下移,挤压其下腔的油液,这部分压力油便顶开单向阀4进入大油缸2,推动大柱塞从而顶起重物。再提起手柄时,大油缸内的压力油将力图倒流入小油缸,此时单向阀4自动关闭,使油不致倒流,这就保证了重物不致自动落下;压下手柄时,单向阀3自动关闭,使液压油不致倒流入油箱,而只能进入大油缸顶起重物。这样,当手柄被反复提起和压下时,小油缸不断交替进行着吸油和排油过程,压力油不断进入大油缸,将重物一点点地顶起。当需放下重物时,打开开关5,大油缸的柱塞便在重物作用下下移,将大油缸中的油液挤回油箱6。可见,液压千斤顶工作需有两个条件:一是处于密闭容器内的液体由于大小油缸工作容积的变化而能够流动,二是这些液体具有压力。能流动并具有一定压力的液体具有压力能。液压千斤顶就是利用油液的压力能将手柄上的力和位移转变为顶起重物的力和位移。

传动装置的总体设计[3]

  传动装置总体设计的任务是:确定传动方案、选择电动机型号、合理地分配传动比及计算传动装置的运动和动力参数,为设计计算各级传动零件提供依据。

确定传动方案

  传动方案一般用机构简图表示。它反映运动和动力传递路线和各部件的组成和连接关系。图2为带式输送机传动装置及机构简图。
Image:带式输送机传动装置及机构简图.jpg

  合理的传动方案,应能满足工作机的性能要求、工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、效率高和使用维护方便等。要同时满足这些要求,常常是困难的。因此,应统筹兼顾,确保重点要求。

  但采用多级传动时,应合理地选择传动零件和它们之间的传动次序,扬长避短,力求方案合理。常需要考虑以下几点。

  (1)带传动为摩擦传动,传动平稳,能缓冲吸振,噪声小,但传动比不准确,传递相同转矩时,结构尺寸较其他传动形式大。因此,应布置在高速级。因为在传递相同功率时,转速越高,转矩越小,可使带传动的结构紧凑。

  (2)链传动靠链轮齿啮合工作,平均传动比恒定,并能适应恶劣的工作条件,但运动不均匀,有冲击,不适于高速传动,故应布置在低速级。

  (3)蜗杆传动平稳,传动比大,但传动效率低,适用于中、小功率及间歇运动的场合。当和齿轮传动同时应用时,应布置在高速级,使其工作齿面问有较高的相对滑动速度,利于形成流体动力润滑油膜,提高效率,延长寿命。

  (4)圆锥齿轮传动由于圆锥齿轮加工比较困难(特别是尺寸较大时),应放在传动的高速级,并限制其传动比,以减小其直径和模数。

  (5)开式齿轮传动的工作环境一般较差,润滑不良,磨损严重,应布置在低速级。

  (6)斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好,当采用双级齿轮传动时,高速级常用斜齿轮。

  某些专业因受学时限制,传动方案可在设计任务书中给出,不需学生选择确定。但学生应对设计任务书给出的传动装置简图进行分析,了解传动方案的组成和特点,以提高对传动方案的选择能力。

减速器类型简介

  减速器是用于原动机和工作机之间的独立的封闭装置。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。

  减速器的类型很多,用以满足各种机械传动的不同要求。其主要类型、特点及应用洋见濮良贵主编的《机械设计》第十八章内容。常用的减速器已标准化,由专门工厂成批生产。标准减速器的有关资料可查阅减速器标准,也可根据需要设计制造非标准减速器。

选择电动机

  根据工作负荷的大小和性质、工作机的特性和工作环境等,选择电动机的种类、类型和结构形式、功率及转速,确定电动机的型号。

  1.选择电动机的种类、类型和结构形式

  选择电动机的种类、类型和结构形式要根据电源的种类(直流或交流)、工作条件(环境、温度、空间位置等)及负荷性质、大小、启动特性和过载情况等来选择。

  由于一般生产单位均用三相电源,故无特殊要求时都采用三相交流电动机。其中,以三相异步电动机应用最多,常用Y系列电动机。经常启动、制动和正反转的场合,要求电动机具有较小的转动惯量和较大的过载能力,因此,应选用冶金及起重用三相异步电动机,常用YZ型(鼠笼式)或YZR型(绕线式)。电动机结构有开启式、防护式、封闭式和防爆式等,可根据防护要求选择。

  2.选择电动机的功率

  电动机功率选择是否合适,对电动机的工作和经济性都有影响。功率过小不能保证工作机的正常工作,或使电动机因超载而过早损坏;若功率选得过大,电动机的价格高,能力不能充分发挥,经常不在满载下运转,效率和功率因数都很低,造成浪费。

  电动机的功率主要根据工作机的功率来选取。负荷稳定(或变化很小)、长期连续运转的机械可按照电动机的额定功率选择,而不必校验电动机的发热和启动转矩。选择时应保证
P_0\ge P_r  (1)

  式中:P0——电动机额定功率,kW;

    Pr——工作机所需电动机功率,kW。

  所需电动机功率由式(2)计算
P_r=\frac{P_w}{\eta}  (2)

  式中:Pw——工作机所需有效功率,kW;

    η——电动机到工作机的总效率。

  工作机所需有效功率由式(3)计算
P_w=\frac{F_v}{1000}  (3)

  式中:F——工作机的圆周力,N;

    v——工作机的线速度,如运输带的带速,m/s。

  传动装置的总效率η由传动装置的组成确定。多级串联传动装置的总效率为
\eta=\eta_1\cdot \eta_2\cdot \eta_3\cdot  \ldots \cdot \eta_w  (4)

  式中:\eta_1,\eta_2,\eta_3,\ldots ,\eta_w——传动装置中每x,-tN动副或传动副(如联轴器、齿轮传动、带传动、滚动轴承及卷筒等)的效率。

  计算总效率时,应注意以下几点。

  (1)各运动副或传动副效率的概略值,可参见表1。表中数值是效率的范同,情况不明确时可取中间值;如果工作条件差,加工精度低,维护不良时,应取低值,反之取高值。

  (2)动力每经过一个传动副或运动副,就发生一次损失,故在计算效率时,不要遗漏。

  (3)轴承的效率均指一对轴承而言。

表1 机械传动效率概略值和传动比范围

类别传动型式效率η单级传动比范围
最大常用
圆柱齿轮传动7级精度(稀油润滑)0.98
8级精度(稀油润滑)0.97103~5
9级精度(稀油润滑)0.96
开式传动(脂润滑)0.94~0.96154~6
锥齿轮传动7级精度(稀油润滑)0.9762~3
8级精度(稀油润滑)0.94~0.9762~3
开式传动(脂润滑)0.92~0.9564
带传动V带传动0.9572~4
链传动滚子链(开式)0.90~0.9372~4
滚子链(闭式)O.95~0.97
蜗杆传动自锁0.40~0.45开式10015~16
单头0.70~O.75闭式8010~40
双头0.75~0.82
四头0.82~0.92
螺旋传动滑动丝杠0.30~0.60
滚动丝杠O.85~0.90
一对滚动轴承球轴承O.99
滚子轴承0.98
一对滑动轴承润滑不良0.94
正常润滑0.97
液体摩擦0.99
联轴器齿式联轴器0.99
弹性联轴器O.99~0.995
运输滚筒0.96
  3.确定电动机的转速

  选择电动机,除了选择合适的电动机系列及功率外,尚需确定适当的转速。因为功率相同的同类电机,可以有不同的转速,如三相异步电动机的同步转速有3000 r/min、1500 r/min、1000 r/min及750 r/min四种。一般说来,高速电动机的磁极对数少,结构较简单,外廓尺寸小,价格低。但电动机转速相对工作机转速过高时,势必使传动比增大,致使传动装置复杂,外廓尺寸增大,制造成本提高。而选用的电动机转速过低时,优缺点刚好相反。因此,在确定电动机转速时,应分析比较,权衡利弊,按最佳方案选择。本课程设计中,一般建议取同步转速为1000 r/min或1500 r/min,个别题目可取750 r/min。

  【1】如图2所示胶带输送机,运输带的有效拉力F=1500N,带速v=1.6m/s,卷筒直径D=250 mm,载货平稳,常温下连续运转,工作环境多尘,电源为三相交流,电压为380V,试选择电动机。

  【解】(1)选择电动机系列。按工作要求及工作条件选择三相异步电动机,封闭式结构,Y系列。

  (2)选择电动机功率。卷筒所需的有效功率为
P_w=\frac{F_v}{1000}=\frac{1500\times 1.6}{1000}=2.4  kW
  传动装置总效率
η = η2联轴器·η2齿轮·η4轴承·η卷筒

  按表1选取得

  η齿轮=0.97(齿轮精度为8级)

  η联轴器=0.99

  η轴承=0.99

  η卷简=0.96

  则传动总效率为
\eta=0.99^2\times 0.97^2\times 0.99^4\times 0.96=0.85
  所需电动机功率
P_r=\frac{P_w}{\eta}=\frac{2.4}{0.85}=2.82

  所需电动机功率可选Y系列三相异步电动机Y100L2—4型,额定功率P0 = 3kW,或选Y系列二三相异步电动机Y132S—6型,额定功率P0 = 3kW。

  (3)确定电动机转速。滚筒轴转速为
n_w=\frac{60v}{\pi D}=\frac{60\times 1.6}{\pi \times 0.25}=122.3  r/min

  现以同步转速为1500 r/min及1000 r/min两种方案进行比较,其电动机数据及计算出的总传动比列于表2。

表2 电动机数据及总传动比

方案号电动机型号额定功率kW同步转速/(r/min)满载转速/(r/min)总传动比
1 Y100L2-4 3 1500142011.61
2 Y132S-6 3 1000960 7.85

  比较两方案可见,方案2虽然总的传动比小,但选用电动机的质量和价格较高,敝决定选择方案1。电动机的型号为Y100L2-4,额定功率为3kW,同步转速为1500 r/min,满载转速为1420 r/min。查得电动机的中心高H=100 mm,外伸轴段D×E=28 mm×60 mm。

  4.分配总的传动比
  传动装置的总传动比可根据电动机的满载转速n0和工作机轴的转速nw,由公式i=\frac{n_o}{n_w}算出。然后将总传动比合理地分配给各级传动。总传动比等于各级传动比的连乘积,即
i=i_1\cdot i_2\cdot \ldots  (5)

  当设计多级传动的传动装置时,分配传动比是一个重要的步骤。往往由于传动比分配不当,造成尺寸不紧凑、结构不协调、成本高、维护不便等问题。欲做到较合理地分配传动比应注意以下几点。

  (1)各级传动比均应在合理的范围内,以符合各种传动形式的特点,使结构紧凑、工艺合理。各种传动的传动比荐用值列于表1。

  (2)传动装置中各级传动间应尺寸协调、结构匀称。例如,在由带传动和单级齿轮传动组成的双级传动中,带传动的传动比不宜过大,一般应使i<i齿,这样,不仅可以使传动装置结构紧凑,又能避免当带传动比过大时,由大带轮的外圆半径大于减速器中心高H所造成的安装困难,如图3所示。
Image:分配总的传动比图.jpg

  (3)各传动件彼此不发生干涉碰撞。例如,在双级圆柱齿轮减速器中,若高速级传动比过大,可能会使高速级大齿轮的齿顶圆与低速级大齿轮的轴相碰,如图4所示。

  (4)当设计展开式的两级圆柱齿轮减速器时,为便于油池润滑,应使高速级和低速级大齿轮的浸油深度大致相近。为此传动比可按式(6)分配
i1 = (1.3 − 1.4)i2  (6)
i_1=\sqrt{(1.3-1.4)i_{jian}}  (7)

  式中:i1,i2——高速级和低速级的传动比;

    ijian——减速器的传动比。

  【例2】数据同例1,选定电动机的满载转速n0=1420 r/min,总传动比i=1420/122.3=11.61,试分配各级传动比。

  【解】取两级齿轮减速器高速级的传动比
i_1=\sqrt{1.3i_{jian}}=\sqrt{1.3\times 11.61}=3.88
  低速级的传动比
i2 = 3.88 / 1.3 = 3.0

  要注意,以上传动比的分配只是初步的。传动装置实际传动比的准确数值必须在各传动零件的参数(如带轮直径、齿轮齿数等)确定后才能计算出来,故实际传动比应在各传动零件的参数确定后进行核算。允许传动比有±(3~5)%的误差

  5.传动装置的运动和动力参数计算

  在选出电动机型号、分配传动比之后,应将传动装置中各轴的传递功率、转速、转矩计算出来,为传动零件和轴的设计计算提供依据。计算时应注意:

  (1)各轴的转速可根据电动机的满载转速及传动比进行计算。

  (2)各轴的功率和转矩均按输入处计算,计算过程中有两种方法:其一是按工作机的需要计算;其二是按电动机的额定功率计算。前一种方法的特点是,设计出的传动装置结构尺寸较为紧凑;而后一种方法,由于一般所选定的电动机额定功率P0略大于工作机所需电动机功率Pr,故根据P0计算出的各轴功率和转速较实际需要的大一些,设计出的传动零件的结构尺寸也较实际需要大一些,因此传动装置的承载能力对生产具有一定的潜力。

  计算时,将传动装置中各轴从高速到低速依次定为I轴、Ⅱ轴……(电动机为0轴),相邻两轴间的传动比为i12,i23,…,相邻两轴问的传动效率为η1223,…,各轴的输入功率为P1,P2,…,各轴的转速为n1,n2,…,各轴的输入转矩为T1,T2,…,则各轴的功率、转速和转矩的计算公式为
n = \begin{cases} n_0 \\ n_1=\frac{n_0}{i_{01}} \\ n_2=\frac{n_1}{i_{12}} \\ n_3=\frac{n_2}{i_{23}} \\ \cdots \end{cases}  (8)
T = \begin{cases} T_0=9550\frac{P_0}{n_0} \\ T_1=9550\frac{P_1}{n_1}=T_0\cdot i_{01}\cdot \eta_{01}\\ T_2=9550\frac{P_2}{n_2}=T_1\cdot i_{12}\cdot \eta_{12} \\ T_3=9550\frac{P_3}{n_3}=T_2\cdot i_{23}\cdot \eta_{23} \\ \cdots \end{cases}  (9)
P = \begin{cases} P_0 \\ P_1=P_0\cdot \eta_{01}\\ P_2=P_1\cdot \eta_{12} \\ P_3=P_2\cdot \eta_{23} \\ \cdots \end{cases}  (10)

  式中:P0——电动机轴的输出功率,kW;

  n0——电动机轴的满载转速,r/min;

  T0——电动机轴的输出转矩,N·m;

  i01——电动机轴至I轴的传动比,如用联轴器连接,则i01 = 1

  η01——电动机轴至I轴的传动效率。

  若按第一种方法计算时,P0为工作机所需的电动机功率,即P0 = Pr;若按第二种方法计算,P0即为电动机的额定功率。本课程设计要求按第一种方法计算。

  【例3】数据同例1及例2,试从电动机开始计算各轴运动和动力参数。

  【解】0轴:0轴即电动机轴
P0 = Pr = 2.82  kW
n0 = 1420  r/min
T_0=9550\frac{P_0}{n_0}=9550\times \frac{2.82}{1420}=18.97  N·m
  I轴:I轴即减速器高速轴
P1 = P0·η联轴器=2.82×0.99=2.79  kW
n_1=\frac{n_0}{i_{01}}=n_0=1420  r/min
T_1=9550\frac{P_1}{n_1}=9550\times \frac{2.79}{1420}=18.76  N·m


  Ⅱ轴:Ⅱ轴即减速器中间轴
P2 = P1·η齿轮·η轴承=2.79×0.97×0.99=2.68  kW
n_2=\frac{n_1}{i_{12}}=\frac{1420}{3.88}=365.98  r/min
T_2=9550\frac{P_2}{n_2}=9550\times \frac{2.68}{365.98}=69.93  N·m
   Ⅲ轴:Ⅲ轴即减速器低速轴
P3 = P2·η齿轮·η轴承=2.68×0.97×0.99=2.57  kW
n_3=\frac{n_2}{i_{23}}=\frac{365.98}{3.0}=121.99  r/min
T_3=9550\frac{P_3}{n_3}=9550\times \frac{2.57}{121.99}=201.19  N·m
  Ⅳ轴:Ⅳ轴即传动滚筒轴
P4 = P3·η轴承·η联轴器=2.57×0.99×0.99=2.52  kW
n4 = n3 = 121.99  r/min
T_4=9550\frac{P_4}{n_4}=9550\times \frac{2.52}{121.99}=197.28  N·m

  将上述计算结果汇总列于表3,以便查用。

表3 各轴运动和动力参数

轴序号功率P/kW 转速n/(r/min) 转矩T 传动形式传动比i 效率η
0 2.82 142018.97联轴器1 0.99
I 2.79 142018.76齿轮传动3.88 0.97
2.68 365.98 69.93齿轮传动3.00.97
2.57 121.99 201.19 联轴器1 0.99
2.52 121.99196.28 滚筒-0.96

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参考文献

  1. 张中蓉编著.绪论 机械基础.机械工业出版社,2009.05.
  2. 张育益,李国锋主编.第五章 液压系统构造与维修 图解叉车构造与拆装维修.化学工业出版社,2011.08.
  3. 于晓文主编.第二章 传动装置的总体设计 机械设计课程设计.中国计量出版社,2011.01.
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