第十二章 機械系統(tǒng)設計_第1頁
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文檔簡介

1、第十二章 機械系統(tǒng)設計第十二章 機械系統(tǒng)設計由若干個機械裝置組成的一個特定系統(tǒng),稱為機械系統(tǒng)。如圖12-1所示為小型甘蔗收割機是由若干裝置、零件和部件組成的機械系統(tǒng)。它們是一個2由確定的質量、剛度和阻尼的物體組成并能完成特定功能的系統(tǒng) 圖12-1 小型甘蔗收割機 現(xiàn)代機械種類繁多,結構也愈來愈復雜,但從實現(xiàn)系統(tǒng)功能的角度看,主要由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。本章主要介紹動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)的設計。 機械系統(tǒng)設計是一項復雜、細致和科學性很強的工作。隨著科學技術的發(fā)展,對設計的理解在不斷的深化,設計方法也在不斷地發(fā)展。近年來發(fā)展起來的“優(yōu)化設計”、“可靠性設計”、“有限元設

2、計”、“模塊設計”、“計算機輔助設計”等現(xiàn)代設計方法已經在機械設計中得到了推廣與應用。即使如此,常規(guī)設計方法仍然是工程技術人員進行機械設計的重要基礎,必須很好的掌握。常規(guī)設計方法又可分為理論設計、經驗設計和模型試驗設計等。12.1 機械系統(tǒng)設計的原則12.1.1機械系統(tǒng)設計的基本要求機械設計包括以下兩種設計:應用新技術、新方法開發(fā)創(chuàng)造新機械,在原有機械的基礎上重新設計或進行局部改造,從而改變或提高原有性能。設計質量的高低直接關系到產品的性能、價格及經濟效益。 1.機械設計的基本要求機械產品設計應該滿足以下幾方面的基本要求。 實現(xiàn)預定功能設計的機械能實現(xiàn)預定的功能,并在規(guī)定的工作條件下能正常運行

3、,并有一定的壽命。 滿足可靠性要求。機器由許多零件及部件組成,其可靠度取決于零、部件的可靠度。機械系統(tǒng)的零、部件越多,其可靠度也就越低,因此在機械設計時應盡量減少零件的數(shù)目。但就目前而言,對機械產品的可靠度難以提出統(tǒng)一的考核指標。 滿足經濟性要求經濟型指標是一項綜合性指標,要求設計及制造成本低,生產效率高,能源和材料消耗少、維護及管理費用低。 操作方便、工作安全操作系統(tǒng)要簡便可靠,有利于減輕操作人員的勞動強度。要有各種保險裝置,以消除由于誤操作而引起的危險,避免人身傷害及設備事故的發(fā)生。 造型美觀、減少污染運用工業(yè)藝術造型設計方法對機械產品進行工業(yè)制造設計,使所設計的機器不僅使用性能好、尺寸小

4、、價格低廉,而且外形美觀、富有時代特點。機械產品的制造直接影響到產品的銷售和競爭力,當前在機械設計中是一個不容忽視的環(huán)節(jié)。此外,還必須盡可能地降低噪聲,減輕對環(huán)境的污染。從某種意義上來說,噪聲也是反應機械質量的一種綜合指標。12.1.2 機械設計的內容與步驟機械設計過程通??梢苑譃橐韵聨讉€階段:(1)產品規(guī)劃產品規(guī)劃的主要工作是提出設計任務和明確設計要求,這是機械設計產品首先需要解決的問題。通常人們是根據(jù)市場需求提出設計任務,通過可靠性分析后才能進行產品規(guī)劃。(2)方案設計在滿足設計任務書中設計具體要求的前提下,由設計人員構思出多種可行性方案并進行分析論證,從中優(yōu)選出一種能完成預定功能、工作性

5、能可靠、結構設計可行、成本低廉的方案。(3)技術設計在既定設計方案的基礎上,完成機械產品的總設計、部件設計、零件設計等,設計結果以工程圖及計算書的形式表達出來。(4)制造及試驗經過加工、安裝及調試制造出樣機,對樣機進行試運行或在生產現(xiàn)場試用,將試驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題反饋給設計人員,經過修改完善,最后通過鑒定。與設計機器一樣,設計機械零件也常需擬定出幾種不同的方案,經過認真比較選用其中最好的一種。設計機械零件的一般步驟如下:根據(jù)機器的具體運轉情況和簡化的計算方案,確定零件的載荷。根據(jù)零件的工作情況分析,判定零件的失效形式,從而確定其計算準則。進行主要參數(shù)選擇,選定材料,根據(jù)計算準則求出零件的主要尺

6、寸,考慮熱處理及結構工藝性要求等。進行結構設計。繪制零件工作圖,制定技術要求,編寫計算機說明書及有關技術文件。此外在設計過程中這些步驟是相互交錯、需要反復進行的。應當指出,在設計機械零件時往往將較復雜的實際工作情況 進行一定的簡化,才能應用力學等理論解決機械零件的設計計算問題,因此,這種計算或多或少帶有一定的條件性或假設性,稱為條件性計算。機械零件設計基本上是按條件性計算進行的,如注意到公式的適用范圍,一般計算結構具有一定的可靠性,并充分考慮了機械零件的安全性。為了使計算結構更符合實際情況,必要時可進行模型試驗。本課程在介紹各種零件設計時,其內容的安排順序基本上是按照上述設計步驟進行的。122

7、 動力系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)設計12.2.1 傳動方案的確定為了滿足某一工作機的性能要求,可采用不同的傳動機構見表12-1、不同的組合布局,依據(jù)總傳動比合理分配各級傳動的傳動比,從而得到多種傳動方案以供分析、比較。合理的傳動方案首先要滿足機器的功能要求。表12-1 常見傳動機構表傳動方案一般用機構簡圖表示,它反映運動機動力傳遞路線和各部件的組成和連接關系。如圖12.2 為帶式輸送機傳動裝置簡圖。12.2帶式輸傳動裝置簡圖由圖12.2可見,帶式傳輸機是由電動機、V帶傳動、單級圓柱齒輪減速器、聯(lián)軸器、滾筒和傳送帶組成的。將電動機的動力和運動傳遞到運輸帶。其傳遞線路如圖12.3單級圓柱齒輪減速器電動機V帶傳

8、動聯(lián)軸器滾筒輸送帶圖12.3帶式輸送機傳遞線路傳動方案的擬定:合理的傳動方案,首先應滿足工作機的功能要求,工作可靠,同時還應考慮使結構簡單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、傳動效率高、便于使用和維護等。例如圖12.4為在狹小礦井巷道中工作的帶式運輸機在滿足運動要求時的3種傳動方案。顯然,圖12.4 (a)的方案寬度和長度尺寸都較大,而且?guī)鲃右膊贿m應繁重的丁作要求和惡劣的工作環(huán)境;圖12.4 (b)的方案雖然結構緊湊,但在長期連續(xù)運轉的條件下,由于蝸桿傳動效率低,功率損失大,因此很不經濟;圖12.4c的方案則寬度尺寸較小,也適應在惡劣環(huán)境下長期連續(xù)工作。 圖12.4傳動方案的比較 當采用由幾種傳

9、動形式組成的多級傳動時,要合理布置其傳動順序,通常應考慮以下幾點: (1)帶傳動的承載能力較低,在傳遞相同扭矩時,其結構尺寸比其他傳動型式大,但傳動平穩(wěn),能緩沖吸振,有過載保護作用,因此盡量放在傳動裝置的高速級。 (2)鏈傳動運轉不均勻,有沖擊,不適于高速傳動,宜布置在傳動裝置的低速級。 (3)蝸桿傳動可以實現(xiàn)較大的傳動比、結構緊湊、傳動平穩(wěn),但效率低,適合于中、小功率,間歇運動的場合;當與齒輪傳動同時應用時,通常將蝸桿傳動布置在高速級,使其傳遞的扭矩較小,以減小蝸輪尺寸,節(jié)省有色金屬,同時由于齒面相對滑動速度較高,易于形成油膜,傳動效率較高。 (4)圓錐齒輪的加工比較困難,特別是大模數(shù)圓錐齒

10、輪,因此只在需要改變軸的方向時才采用,且應盡量放在高速級,以減小其直徑和模數(shù)。 (5)斜齒輪傳動的平穩(wěn)性較直齒輪傳動好,常用于高速級或要求傳動平穩(wěn)的場合。 (6)開式齒輪傳動的工作環(huán)境一般較差,潤滑條件不好,磨損較嚴重,應布置在低速級。12.2.2動力系統(tǒng)的選擇動力系統(tǒng)包括動力機及其配套裝置,是機械系統(tǒng)工作的動力源。動力機輸出的運動通常為轉動,而且速度較高。選擇動力機時,應全面考慮執(zhí)行系統(tǒng)的運動和工作載荷、機械系統(tǒng)的使用環(huán)境和工況以及工作載荷的機械特性,使系統(tǒng)既有良好的動態(tài)性能,又有良好的經濟性。常用的動力機有電動機、內燃機、馬達等。在機械系統(tǒng)設計時,選用何種形式的動力機,主要從以下幾個方面考

11、慮:1.分析工作機的負載特性和要求,包括艸作機械的載荷特性、工作制度、結構布局和工作環(huán)境等。2.分析動力機的機械特性,包括動力機的功率、轉矩、轉速等特性以及動力機所能適應的工作環(huán)境。使動力機的機械特性與工作機械的負載特性相匹配。3.進行經濟性。當1同時可用多種3類型的動力機驅動時經濟性的分析是必不可少的。,電動機由于技術成熟驅動效率高,與被驅動的工作機械連接簡便、具有良好的調速性能;便于遠近距離的控制;同時價格低而在非移動的機械中得到廣泛使用。電動機有交流電動機和直流電動機之分,一般工廠常用三相交流電動機,如圖12.5所示。目前應用最廣的是Y系列自扇冷式籠型三相異步電動機,其結構簡單、工作可靠

12、、啟動性能好、價格低廉、維護方便、適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體、無特殊要求的場合,如金屬切削機床、運輸機、風機、農業(yè)機械、食品機械等。電動機類型和結構要根據(jù)電源(交流或直流)、工作條件(溫度、環(huán)境、空間尺寸等)和載荷特點(性質、大小、啟動性能和過載情況)來選擇。 圖12.5電動機 一般選用交流電機,其中以三相鼠籠式異步電動機用的最多。表12.2所列Y系列電動機為我國推廣采用的新設計產品,適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體的場合,適于用在要求+具有較好啟動性能的機械中。在經常啟動、制動和反轉的場合(如起重機),要求電動機的轉動慣量小和過載能力大,則應選用啟重及冶金用三相異步電動機YZ型(籠

13、型)或YZP型(繞線型)。 電動機結構有開啟式、防護式、封閉式和防爆式等??筛鶕?jù)防護要求進行選擇。同一類型的電機又具有幾種安裝形式,應根據(jù)安裝條件確定。表12.2 Y系列三相異步電動機的技術數(shù)據(jù)電動機型號額定功率/kW滿載轉速/(r/min)堵轉轉矩/額定轉矩最大轉矩/額定轉矩同步轉速3000r/minY801-20.75 2825 2.2 2.2 Y802-21.1 2825 2.2 2.2 Y90S-21.5 2840 2.2 2.2 Y90L-22.2 2840 2.2 2.2 Y100L-23 2880 2.2 2.2 Y112M-24 2890 2.2 2.2 Y132S1-25.5

14、 2900 2.0 2.2 Y132S2-27.5 2900 2.0 2.2 Y160M1-211 2930 2.0 2.2 Y160M2-215 2930 2.0 2.2 Y160L-218.5 2930 2.0 2.2 Y180M-222 2940 2.0 2.2 Y200L-130 2950 2.0 2.2 同步轉速1500r/minY801-40.551390 2.2 2.2 Y802-40.751390 2.2 2.2 Y90S-41.11400 2.2 2.2 Y90L-41.51400 2.2 2.2 Y100L-42.21420 2.2 2.2 Y100L2-431420 2.

15、2 2.2 Y112M-441440 2.2 2.2 Y132S-45.51440 2.2 2.2 Y132M-47.51440 2.2 2.2 Y160M-4111460 2.2 2.2 Y160L-4151460 2.2 2.2 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 Y180L-422 1470 2.0 2.2 Y200L-430 1470 2.0 2.2 同步轉速1000r/minY90S-60.759102.0 2.0 Y90L-61.19102.0 2.0 Y100L-61.59402.0 2.0 Y112M-62.29402.0 2.0 Y132S-639602.0 2.0 Y1

16、32SM1-649602.0 2.0 Y132SM2-65.59602.0 2.0 Y160M-67.59702.0 2.0 Y160L-6119702.0 2.0 Y180L-6159701.8 2.0 Y200L1-618.59701.8 2.0 Y200L2-6229701.8 2.0 Y225M-6309801.7 2.0 同步轉速750r/minY132S-82.2 710.0 2.0 2.0 Y132M-83.0 710.0 2.0 2.0 Y160M1-84.0 720.0 2.0 2.0 Y160M2-85.5 720.0 2.0 2.0 Y160L-87.5 720.0 2.

17、0 2.0 Y180L-811.0 730.0 1.7 2.0 Y200L-815.0 730.0 1.8 2.0 Y225S-818.5 730.0 1.7 2.0 Y225M-822.0 730.0 1.8 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 一、 選擇電動機功率標準電動機的容量由額定功率表示。所選電動機的額定功率應等于或稍大于工作要求的功率。若容量小于工作要求,則不能保證工作機正常工作,或使電動機長期過載、發(fā)熱大而過早損壞;若容量過大,則增加成本,并且由于效率和功率因數(shù)低而造成浪費。 電動機的容量主要由運行時發(fā)熱條件限定,在不變或變化很小的載荷下長期連續(xù)運行的機械,只要其電動

18、機的負載荷不超過額定值,電動機便不會過熱,通常不必校驗發(fā)熱和啟動力矩。(12.1)若已知工作機主軸上的傳動滾筒、鏈輪或其他零件上的圓周力(有效拉力)F(N)和圓周速度(線速度)v(m/s ),則在穩(wěn)定運轉下工作機主軸上所需的功率Pw(kW)按下式計算,若已知工作機主軸上的傳動滾筒、鏈輪或其他零件上的直徑D(mm) 和轉速n(r/min),則圓周速度v(m/s)按下式計算:(12.2)(12.3) 若已知工作機主軸上的轉矩T(Nm)和轉速n(r/min),則工作機主軸上所需的功率Pw(kW)按下式計算,電動機所需功率Pd(kW)按下式計算:(12.4) (12.5)式中:-電動機至工作機主軸之間

19、的效率。按下列式計算;其中,1,2,3,n分別為每一傳動副(齒輪、蝸桿、帶或鏈)、每對軸承、每個連軸器的效率,其值見表12.3。 w工作機效率 表12.3機械傳動效率類別傳動型式效率類別傳動型式效率圓柱齒輪傳動很好跑合的6級精度和7級精度齒輪0.980.99鏈傳動焊接鏈0.938級精度的一般齒輪傳動0.97片式關節(jié)鏈0.95加工齒的開式齒輪傳動(干油潤滑)0.940.96滾子鏈0.96鑄造齒的開式齒輪傳動0.900.93無聲鏈0.97圓錐齒輪傳動 很好跑合的6級精度和7級精度齒輪 0.970.98絲杠傳動滑動絲杠0.30.6傳動(稀油潤滑)滾動絲杠0.850.958級精度的一般齒輪傳動(稀油潤

20、滑)0.940.97滑動軸承潤滑不良0.94加工齒的開式齒輪傳動(干油潤滑)0.920.95潤滑正常0.97鑄造齒的開式齒輪傳動 0.880.92潤滑特好0.98蝸桿傳動自鎖蝸桿0.40.45滾動軸承球軸承0.99單頭蝸桿0.70.75滾子軸承0.98雙頭蝸桿0.750.82聯(lián)軸器浮動聯(lián)軸器0.970.99三頭和四頭蝸桿0.80.92齒輪聯(lián)軸器0.99圓弧面蝸桿傳動0.850.95彈性聯(lián)軸器0.990.995帶傳動平帶無壓緊輪的開式傳動0.98萬向聯(lián)軸器(30.97-0.98平帶有壓緊輪的開式傳動0.97 萬向聯(lián)軸器(3)0.95-0.97平帶交叉?zhèn)鲃?.9復滑輪組滑動軸承(i=2-6)0.9

21、8-0.90V帶傳動0.96滾動軸承(i=2-6)0.99-0.95同步齒型帶傳動0.96.98二 確定電動機轉速同一功率的異步電動機有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min等幾種同步轉速。一般來說,電動機的同步轉速越高,則磁極對數(shù)越少,外輪廓尺寸越小,價格越低;反之轉速越低,外輪廓尺寸越大,價格越高。因此應全面分析比較其利弊以選定電動機轉速。一般選用同步轉速為1500r/min、1000r/min的電動機為宜。如無特殊需要,不宜選擇低于750r/min的電動機。根據(jù)選定的電動機類型、功率及轉速,根據(jù)表12.2查出電動機型號及外形尺寸,記錄其型號、額定功率

22、、滿載轉速、外形尺寸、中心高、軸伸尺寸、鍵連接尺寸、地腳尺寸等參數(shù)備用。設計傳動裝置時一般按電動機實際所需的功率Pd計算,也可按電動機額定功率計算。轉速則取滿載轉速。12.2.3計算總傳動比和分配各級傳動比一、 計算總傳動比根據(jù)電動機的滿載轉速nm和工作機主軸的轉速nw,傳動裝置的總傳動比應為:(12.6) (12.7)總傳動比為各級傳動比的連乘積,即:式中,i1,i2in為各級傳動機構的傳動比。二、 各級傳動比的分配 在已知總傳動比時,如何合理選擇和分配各級傳動比,要考慮以下幾點:(1)各級傳動機構的傳動比應盡量在表12.4推薦范圍內選取。表12.4傳動類型傳動比的推薦值傳動比的最大值一級圓

23、柱齒輪傳動閉式直齒3410斜齒3610開式371520一級圓錐齒輪傳動閉式直齒236斜齒346開式58蝸桿傳動閉式74080開式1560120帶傳動開口平帶246V帶247鏈傳動滾子鏈258 (2)傳動比的分配應使整個傳動裝置的結構勻稱、尺寸比例協(xié)調而又不相互干涉,避免干擾碰撞。在二級減速器中,兩級大齒輪直徑盡量相近,以利于浸油潤滑。(3)一般二級圓柱齒輪減速器推薦高速轉動比i1=(1.31.4)i2,錐齒輪傳動比可取為i1=0.25i2。(4)傳動裝置的實際傳動比要由選定的齒數(shù)或標準帶輪直徑準確計算,因而與要求傳動比可能有誤差。一般允許工作機實際轉速與要求轉速的相對誤差為(3%5%)三、傳動

24、裝置動力和動力參數(shù)計算為了給傳動件的設計計算提供依據(jù),應計算各傳動軸的轉速、轉矩或功率等有關參數(shù),計算時,可將各軸由高速到低速依次編為0軸(電動機軸),軸、軸、,并按此順序進行計算。1. 計算各軸輸入功率 電動機的計算功率一般用電動機實際所需功率Pd作為計算依據(jù),則其他各軸輸入功率(kW)(12.8)P1=P001 P2=P112 P3=P223 式中, P0電動機輸出功率, P1 、P2、P3各軸軸輸入功率 01 、12、23相鄰兩軸之間的傳動效率。其值見表12.3。2.計算各軸輸入轉矩電動機輸出的轉矩(Nm)(12.9)其他各軸輸入轉矩 (12.10)式中, Td電動機的輸出轉矩(Nm)

25、T1 、T2、T3各軸的輸入轉矩(Nm)2.計算各軸轉速傳動裝置中,各軸轉速(r/min)的計算公式為 (12.11)式中, nm電動機滿載轉速(r/min);n1、n2、n3分別為I、 II、 III 軸轉速( r/min);i 01、i12、i23相鄰兩軸間的傳動比四、V帶的傳動設計電動機輸出的運動和動力,常通過V帶傳動傳遞到齒輪減速器。一般帶傳動選擇在高速級。具體設計見第三章?lián)闲泽w的傳動。五、減速器的設計減速器是位于原動機和工作機之間的封閉式機械傳動裝置。它由封閉在箱體內的齒輪或蝸輪傳動所組成,它在機器中常為一獨立部件,主要用來降低轉速、增大轉矩或改變運動方向。由于其傳遞運動準確可靠、結

26、構緊湊、潤滑條件良好,效率高、壽命長,且使用維護方便,所以得到了廣泛的應用。常用的減速器已經標準化和規(guī)格化,如表12.4所示,設計人員可直接選用。具體設計見第2四3章齡3輪傳動設計、第六章軸的設計及軸上零件簡介表12.4 常用的減速器的簡圖及特點12.3 執(zhí)行系統(tǒng)的設計執(zhí)行系統(tǒng)是指直接完成系統(tǒng)預期工作任務的部份。也稱為工作機。12.3.1執(zhí)行系統(tǒng)的組成及功能組成執(zhí)行系統(tǒng)由執(zhí)行構件和與之相連的執(zhí)行機構組成。一、執(zhí)行構件和執(zhí)行機構執(zhí)行構件是執(zhí)行系統(tǒng)中直接完成工作任務的零部件。它或是與作業(yè)對象直接接觸并攜帶它完成完成一定的動作(如夾持、搬運、轉位),或是在作業(yè)對象上完成一定的動作(如噴涂、洗刷、焊接

27、)。執(zhí)行構件往往是執(zhí)行機構中的一個或幾個構件。 執(zhí)行機構用來驅動執(zhí)行構件為完成系統(tǒng)要求的作業(yè)動作的,不同的執(zhí)行機構實現(xiàn)作業(yè)動作的效能可能不同。例如:工業(yè)機械手指是夾持工件的執(zhí)行構件,驅動其實現(xiàn)夾持動作的執(zhí)行機構可以是連桿機構、凸輪機構、齒輪輪機構、螺旋機構等,或是它們的組合機構,但它們將使機械手手指夾持工件時具有不同的運動和動力特性。二、執(zhí)行系統(tǒng)的功能 執(zhí)行系統(tǒng)的功能 歸納起來主要有:夾持搬運 搬運是指工件從一個工位到另一個工位但不限定移動路線的動作,常見于自動生產線或自動機械中。輸送 輸送是指將工件按給定的路線,從一個位置運送到另一個位置。有直線、環(huán)形和空間輸送之分,也有連續(xù)和間歇輸送之別。

28、分度與轉位 有些零件如齒輪在加工時需要分度1,轉塔1車床的刀架要能轉位換刀等。檢測 為了對工件1的尺寸形狀及性能進行檢驗和測量,常需執(zhí)行系統(tǒng)具有檢測功能。施力 即對工作對象施加力或力矩。完成工藝性的復雜動作。三、執(zhí)行系統(tǒng)的分類 執(zhí)行系統(tǒng)可按其運動和動力的不同分為動作型、動力型和動作動力型;按行系統(tǒng)中執(zhí)行機構數(shù)及相互間的聯(lián)系情況分為單一型、相互獨立型和相互聯(lián)系型。12.3.2機構的選型及常用執(zhí)行機構的主要性能特點怎樣根據(jù)使用要求和工藝要求制定一個合理的運動規(guī)律,掌握執(zhí)行機構的性能特點和用什么機構去完成所設計的運動規(guī)律是執(zhí)行機構選型時首要考慮的問題。機構的選型影響機械系統(tǒng)的總體布局,機構系統(tǒng)的工作

29、質量,特別是執(zhí)行機構是否合用常成為設計、制造的機械是否有效地用于生產實際的關鍵。 連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、摩擦機構等都是最簡單的、最基本的機構,它們各自1有不同的運動特性和動力特性。由于機械的工作對象和工作條件千變萬化,工藝動作要求亦紛雜各異,單個機構往往不能滿足這些復雜多樣的要求,可將單個機構通過倒置或改變運動副的形狀或改變某些零件的結構來得到多種多樣的運動特性。也可根據(jù)單個機構的特點,將它們組合在一起,形成組合機構,以完成預期的復雜運動要求。常用執(zhí)行機構的性能特點一、連桿機構的特點優(yōu)點:連桿機構為低副機構,運動副為面接觸,壓強小,承載能力大,耐沖擊:運動副元素的幾何形狀多為平面或圓柱

30、面,便于加工制造:在原動件運動規(guī)律不變情況下,通過改變各構件的相對長度可以使從動件得到不同的運動規(guī)律;連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設計要求;構件多呈現(xiàn)桿的形狀可擴大行程和實現(xiàn)遠距離傳動。缺點:由于運動積累誤差較大,因而影響傳動精度:運動中產生慣性力,不適于高速轉動:設計方法比較復雜。最??吹降氖前l(fā)動機上的曲柄活塞連桿機構,空壓機上也用的是這個。手動壓水機,縫紉機踏板機構,港口用的貨物吊,火車輪的聯(lián)動機構,汽車車門開閉機構 ,碎石機,沖床,自卸汽車卸料機構等都用到連桿機構。二、凸輪機構的特點凸輪機構優(yōu)點:組成凸輪機構的構件數(shù)較少,結構比較簡單,只要合理地設計凸輪的輪廓曲線就可以使從動件獲得各種

31、預期的運動規(guī)律,而且設計比較容易。缺點:凸輪與從動件之間組成了點或線接觸的高副,在接觸處由于相互作用力和相對運動的結果會產生較大的摩擦和磨損。 等速運動特點:速度有突變,加速度理論上由零至無窮大,從而使從動件產生巨大的慣性力,機構受到強烈沖擊剛性沖擊.適應場合:低速輕載.等加速等減速運動特點:加速度曲線有突變,加速度的變化率(即躍度j)在這些位置為無窮大柔性沖擊.適應場合:中速輕載.簡諧運動特點:有柔性沖擊.適用場合:中速輕載(當從動件作連續(xù)運動時,可用于高速).擺線運動特點:無剛性、柔性沖擊.適用場合:適于高速. 五次多項式運動特點:無剛性沖擊、柔性沖擊.適用場合:高速、中載.贊同| 三、間

32、歇運動機構的性能特點間歇運動機構是將主動件的均勻轉動轉換為時動時停的周期性運動的機 間歇運動機構構。間歇運動機構可分為單向運動和往復運動兩類。間歇運動滿足了很多特定工作條件下的要求,有些運動只需要來回運動,有些只需要擺動運動就可以了,不需要完整的轉動,所以需要間歇運動機構來完成這一要求??梢允∪ゲ恍枰哪芰康睦速M,充分利用了機械的功用。四、直線運運機構的性能特點直線運運機構主要是將回轉運動變?yōu)橹本€運動。直線運運機構的性能特點:結構簡單; 降速比大,可以實現(xiàn)微調和降速傳動;省力,如千斤頂;在一定條件下實現(xiàn)逆行自鎖,即能夠將回轉運動變?yōu)檩S線方向的直線運動,而不能相反,即無論軸線方向的力多大,都不能

33、產生回轉,當然也不可能實現(xiàn)軸向運動;工作連續(xù)、平穩(wěn),無噪聲。 缺點:摩擦大,效率低(如果有自鎖要求,效率低于50%)。 五、差動機構的性能特點差動機構可將兩個運動合成為一個運動或將一個運動1分解為兩個運動,以實現(xiàn)微調、增力、均衡或補償?shù)饶康摹A?、增力機構的性能特點增力機構是借助長度效應、角度效應和面積效應使傳遞的力或力矩的增大,已達取省力的目的。12.3.3執(zhí)行系統(tǒng)的設計一、執(zhí)行系統(tǒng)的設計要求1.實現(xiàn)預期精度的運動和動作。執(zhí)行系統(tǒng)的設計不僅要滿足運動和動作的要求,還要滿足精度的要求。但盲目的提高運動精度會增加成本,增加制造的難度,所以設計時應根據(jù)具體情況提出合理的精度2.有足夠的強度、剛度。

34、系統(tǒng)中每個零件、部件都應有足夠的足夠的強度、剛度,尤其動力型執(zhí)行系統(tǒng)更是不能忽視。因為強度不足會造成零部件的損壞,甚至出現(xiàn)人為事故。剛度不足造成的過大彈性變形,也會使系統(tǒng)不能正常工作。強度和剛度計算并非任何執(zhí)行系統(tǒng)都是必要的,例如某些動作性執(zhí)行系統(tǒng)(包糖機),主要功能是實現(xiàn)預期的動作,而受力很小,在這種場合的零、部件尺寸通常由工作和結構的需要而定。3.各執(zhí)行系統(tǒng)間動作要協(xié)調配合。 系統(tǒng)間動作要協(xié)調配合可以防止由于運動不協(xié)而造成機件相互碰撞、干涉或工序倒置等事故。在設計時繪制工作圖時將各個執(zhí)行構件運動的先后順序、起止時間和運動范圍等都畫在工作循環(huán)圖上,以保證運動的協(xié)調配合。4.結構合理、造型美觀

35、、便于制造和安裝。設計時要充分注意零、部件的工藝性,使它們既滿足強度、剛度和精度的要求,又便于制造與安裝。與此同時,不要忽視其美觀性。5.工作安全可靠,有足夠的使用壽命。工作安全可靠是指在一定的使用期限內和在預期的環(huán)境下,能正常工作,不出或少出故障,且使用安金,便于維修和管理。 足夠的使用壽命則指在給定的使用期限內能正常工作。執(zhí)行系統(tǒng)的使用壽命與組成系統(tǒng)的零、部件的使用壽命有直接的關系,通常以最主要、最關鍵的零、部件的使用壽命來確定。二、執(zhí)行系統(tǒng)的設計步驟。 進行執(zhí)行系統(tǒng)的設計時,不存在固定的設計步驟,因為它和設計內容多少,難易程度及設計者的經驗有關,但通常要經過如下步驟:1.擬定初步方案。

36、根據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)的工作任務,擬定實現(xiàn)該任務的運動方案,即確定實現(xiàn)工作任務的工藝原理、需要幾個執(zhí)行構件及運動形勢。實現(xiàn)同一個工作任務可以采用不同的工藝原理和選擇不同的運動方案。2.合理選擇執(zhí)行機構類型、擬定機構的組合方案。 運動方案確定后,要進行執(zhí)行機構的類型及其組合選擇。執(zhí)行機構的作用是傳遞和變換運動的,而實現(xiàn)這種變換的機構并非唯一,需要進行分析比較與合理選擇。3.繪制工作循環(huán)圖。 在設計有多個需協(xié)同工作的執(zhí)行機構時,道先需要按機械預期的功能和選定的工藝過程,把各機構的動作次序及時間用圖形表示出來。這種表示各機構動作次序及時間的圖形稱為工作循環(huán)圖。工作循環(huán)圖是確定各執(zhí)行機構運動參數(shù)及運動起止時間的

37、依據(jù)。繪制工作循環(huán)圖時必須考慮各執(zhí)行機構能按作業(yè)要求進行協(xié)調配合,不發(fā)生運動的失調。4.運動分析 運動分析的目的是求出執(zhí)行系統(tǒng)中各構件指定點的位置、速度和加速度,必要時還應確定執(zhí)行構件上指定點的軌跡,運動分析也是機械動力學分析及系統(tǒng)工藝質量分析的基礎。運動分析常用用圖解法和解析法。對精度要求較高的執(zhí)行系統(tǒng),作系統(tǒng)分析時應考慮機構誤差的影響,即進行機構精精度分析與計算。5.動力學分析及承載能力的計算。 為保證執(zhí)行系統(tǒng)工作是安全、可靠和準確實現(xiàn)規(guī)定的功能指標,應對執(zhí)行系統(tǒng)中的構件進行動力學分析及承載能力的計算,包括強度、剛度、耐磨性和振動穩(wěn)定性等,在高溫下工作時,還應考慮材料的熱疲勞和蠕變強度。對

38、于主要用于實現(xiàn)傳遞運動和實現(xiàn)一定動作的受力較小的執(zhí)行系統(tǒng),通常不作承載能力的計算。12.4 帶式輸送機實例設計例12.1:圖12.6為帶式輸送機傳動裝置的運動簡圖, 已知工作條件:鼓輪直徑 :300mm,傳送帶運行速度 :0.7m/s,傳送帶從動軸所需扭矩 : 900Nm,此減速器用于熱處理車間兩件清洗傳送帶的減速,此設備兩班制工作,工作期限十年,戶內使用。試設計該帶式輸送機。圖12.6帶式輸送機結構簡圖一、 選擇電動機 1、 電動機類型選擇 由已知條件計算鼓輪的轉速,即: 根據(jù)電源及工作機工作條件,選用臥式封閉型Y 系列三相交流異步電動機。2、電動機功率的選擇 1)、工作機所需功率 2)、電

39、動機輸出功率為傳動裝置的總效率式中為從動機至工作機之間的傳動機構和軸承的效率。:V帶傳動效率=0.95,圓柱齒輪傳動效率為=0.97,滾動軸承效率=0.98,彈性聯(lián)軸器傳動效率=0.99。則:故 根據(jù)電動機輸出功率,查表選擇電動機的額定功率3)、電動機轉速的選擇 為了便于選擇電動機轉速,先推算電動機轉速的可選范圍。V帶的傳動比范圍為,高速齒輪傳動比,低速齒輪傳動比。則傳動裝置的總的傳動比為故電動機轉速范圍為 可見同步轉速為, 、的電動機均符合要求。通常取選同步轉速為的電動機。由表中數(shù)據(jù)可知,選定電動機型號為Y132S-4,電機基本參數(shù)表12.5如下:表12.5 電機基本參數(shù)中心高(mm)外形尺

40、寸(mmmmmm)腳底安裝尺寸(mmmm)地腳螺栓孔直徑K(mm)軸伸尺寸(mmmm)裝鍵部尺寸(mmmm)13212二、計算總傳動比及分配各級的傳動比1、傳動裝置總傳動比2、分配各級傳動比 取V帶傳動的傳動比為,則兩級減速器的傳動比為兩級圓柱齒輪減速器高速級齒輪傳動比為,低速級齒輪傳動比為,: 該系統(tǒng)電機型號及傳動比如表12.6所示。表12.6電機型號及傳動比方案電動機型號額定功率kw電動機轉速r/min電動機質量kg傳動裝置的傳動比同步滿轉總傳動比V帶二級減速器1Y132S-45.5150014408132.152.512.92三、計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)1、各軸轉速 電動機軸為0軸,

41、減速器高速軸為1軸,中速軸為2軸,低速軸為3軸,鼓輪主動軸為4,則各軸轉速分別為:2、各軸輸入功率 按電動機額定功率計算各軸輸入功率3、各軸轉矩4、各軸輸入轉速、功率、轉矩如下表12.7所示:表12.7 各軸輸入轉速、功率、轉矩項目電動機軸高速軸中間軸低速軸轉速r/min1440576140.4944.59功率kW5.55.174.924.67轉矩36.4885.71334.441000.19四、V帶傳動設計計算電動機轉速,帶輪所連減速器高速軸I軸轉速為,傳動裝置輸入功率為。1、 求計算功率由表3.5得工作情況系數(shù),故計算功率為:2、選擇V帶型號 根據(jù),查圖3.8得坐標點位于A型界內,故初選普

42、通A型V帶。2、 計算大、小帶輪基準直徑、由查表3.7可知,應不小于75mm,現(xiàn)取 由得 取 4、驗算帶速V帶速在范圍內,符合要求5、求V帶基準長度和中心距a 初步選取中心距取,符合 查表3.3,對A型V帶選用。由式得6、驗算小帶輪包角由得合適7.確定v帶根數(shù)z因,帶速,傳動比,查課表3.8和表3.9得.查課本表3.3得=0.98由查課本表3.10得=1.01由公式得故選Z=5根帶。8.計算作用在帶輪軸上的壓力單根普通帶張緊后的初拉力為計算作用在軸上的壓軸力V帶的主要參數(shù)如表12.8所示:表12.8V帶的主要參數(shù)名稱結果 名稱 結果 名稱 結果 帶型 傳動比 根數(shù)帶輪基準直徑 基準長度 預緊力

43、中心距 壓軸力9、帶輪結構設計 小帶輪設計制造成實心式帶輪 大帶輪設計制造成腹板式帶輪由表3.4查得:;。則帶輪輪緣寬度:。查表得B=80,轂長L=60,孔徑,而電機的伸出端軸徑為38,固在電動機與小帶輪之間加一個聯(lián)軸器,小帶輪與聯(lián)軸器的結合部分還要增加一根軸,大端直徑為42,小端直徑為38,大端接小帶輪,小端接聯(lián)軸器 在高速軸與大帶輪結合處軸的直徑最小有公式,軸的材料為45鋼,查課本表6.4得,則,查表得安裝帶輪處直徑,大帶輪直徑 大帶輪主要參數(shù)如表12.9所示:表12.9大帶輪主要參數(shù)L60mm245mmB80mm25mm五、直齒圓柱齒輪傳動設計計算(一)高速級齒輪傳動的設計計算選定高速級

44、齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù): 齒輪材料,熱處理及精度考慮此減速器的功率及現(xiàn)場安裝的限制,故大小齒輪都選用軟齒面漸開線圓柱直齒輪。齒輪材料及熱處理材料:高速級小齒輪選用鋼經過調質處理,齒面硬度為250HBS,接觸疲勞極限為550620 彎曲疲勞強度為410480取高速級大齒輪選用鋼經過調質處理,齒面硬度220HBS, ,取=500=483 =384 =368 2. 齒輪精度2)運輸機為一般工作機械,速度不高,按GB/T100951998,選用8級精度3.初步設計齒輪傳動的主要尺寸高速級傳動比,高速軸轉速,傳動功率齒輪按8精度制造。取中等載荷系數(shù)齒寬系數(shù),高速級小齒輪為非對稱布置小齒輪上轉矩彈

45、性系數(shù)取,對于標準齒輪取小齒輪齒數(shù),則大齒輪齒數(shù),取則實際傳動比模數(shù)取,中心距齒寬取4.驗算齒輪彎曲強度,因齒輪按接觸疲勞強度計算,所以只驗算彎曲強度齒形系數(shù),齒根修正系數(shù), 安全(二)低速級齒輪傳動的設計計算1.齒輪材料,熱處理及精度考慮此減速器的功率及現(xiàn)場安裝的限制,故大小齒輪都選用軟齒面漸開線圓柱直齒輪。齒輪材料及熱處理材料小齒輪選用鋼調質,齒面硬度為大齒輪 260HBS ,大齒輪選用鋼調質,齒面硬度為大齒輪 240HBS, 安全系數(shù)取 =517 =500 =346 =3382. 齒輪精度按GB/T100951998,選擇8級3.初步設計齒輪傳動的主要尺寸低速級傳動比,高速軸轉速傳動功率

46、,齒輪按8精度制造。取載荷系數(shù)齒寬系數(shù)彈性系數(shù)取,標準齒輪齒數(shù),則,取則實際傳動比模數(shù)取,中心距齒寬取4.低速級齒輪彎曲強度(省略)齒輪的主要尺寸如表12.10所示:表12.10齒輪的主要尺寸單位(mm)高速齒輪低速齒輪小齒輪大齒輪小齒輪大齒輪齒數(shù)z218735111分度圓直徑73.5304.5122.5388.5模數(shù)3.53.53.53.5齒頂高3.53.53.53.5齒根高4.3754.3754.3754.375齒頂圓直80.5311.5119.5395.5齒根圓直64.75195.75103.75397.75齒寬6560105100六、軸的結構設計計算(相關公式請參考第六章 軸的結構設計

47、及強度校核章節(jié))1.軸的選材:選用材料為45鋼,調質。查取碳素鋼、查45鋼取、2.軸的設計(1)高速度軸按純扭轉強度估算軸徑(最小直徑), 因軸的最小端開有鍵槽,軸徑增大5%,取高速軸齒輪由于尺寸原因把齒輪與軸做成一體。如圖12.6所示。 圖12.6 高速軸結構圖(2)中間軸按純扭轉強度估算軸徑(最小直徑),取。 中間軸結構圖如圖12.7所示圖12.7中間軸結構圖(3)低速軸按純扭轉強度估算軸徑(最小直徑)最小端開有鍵槽,軸徑增大5%,取,低速軸結構圖如圖12.8所示。 圖12.8 低速軸結構圖(4)中間軸的強度校核初步選定高速級小齒輪為右旋,高速級大齒輪為左旋;根據(jù)中間軸所受軸向力最小的要求,低速級小齒輪為左旋,低速級大齒輪為右旋。根據(jù)要求圖12.9 中間軸的彎矩、扭矩圖齒輪2: 齒輪3: (三)計算反支力:1 垂直面反支力(XZ平面)。 由繞支點B的力矩和,得: ,方向向

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