第三章 传动系统设计 第一节 传动系统概述(P83),传动系统的作用是将动力机的动力传递给执行机构，以满足执行机构对转矩和转速的要求。,福特Escape混合动力车发动机及传动系统,一、传动系统的作用 1）把动力机输出的速度降低或增高，以适应执行机构的需要。 2）实现变速传动以满足执行机构的经常变速要求。 3）把动力机输出的转矩，变换为执行机构所需要的转矩或力。,4）把动力机输出的等速运动，转变为执行机构所要求的、其速度按某种规律变化的旋转或其他类型的运动。 5）实现由一个或多个动力机驱动若干个相同或不同速度的执行机构。 6）受机体外形尺寸的限制或为了安全和操作方便，执行机构不宜与动力机直接联接时，也需要用传动装置来联接。,二、传动系统的类型 传动系统的类型因机械种类的不同而不同。 按传动比或输出速度能否变化分为：定比传动和变速传动系统。 按动力机驱动执行机构的数目分：独立驱动、集中驱动和联合驱动传动系统。,1定比传动系统 定比传动系统执行机构的速度或转速是固定的，即其传动系统具有固定的传动比，组成传动链的各个环节也应有固定的传动比。,右图为起重机的传动系统，电动机3通过减速器1带动卷筒4转动，将钢丝绳5缠绕在卷筒4上，使吊钩6上升而提升重物。当电动机反转时，钢丝绳5从卷筒4上放出使重物下降。 2为制动器。,2变速传动系统 变速传动系统执行机构的转速可在预定范围内改变，即其传动系统具有可调的传动比。变速传动系统分为有级变速和无级变速传动系统。有级变速传动系统只能在一定转速范围内输出有限的几种转速，而无级传动的输出转速在一定转速范围内任意改变。,3独立驱动传动系统 系统的各执行机构分别由动力机单独进行驱动。 独立驱动系统有下列三种情况： 1）只有一个执行机构时,如图曲柄压力机。由电动机9通过一对齿轮副8、7及离合器6带动曲轴4旋转，再通过连杆3使滑块2在机身10的导轨中作往复运动。操纵杆1使离合器接合或脱开。制动器5与离合器6的动作要协调配合，工作前，制动器先放松，离合器后结合，停车时，离合器先脱开，制动器后结合。,2）有多个执行机构 如果其运动之间无必然联系，为简化传动系统的机构，多采用独立驱动传动系统。当系统结构尺寸和传递动力较大，以及各个独立的执行机构使用较为频繁时，也适合采用独立驱动系统。,如图所示龙门起重机有三个主要运动：大车运行、小车运行和重物升降，这三个运动互不相关，都是独立的，因此，它们的执行机构分别由各自的电动机单独驱动。,3）数字控制机械 随着计算机技术的发展，现代机械设备广泛采用计算机数控技术，如数控缠绕机、数控冲剪床及各种数控机床等。为了充分发挥数控技术的优势，均采用独立驱动传动系统对多个执行机构进行单独驱动。各个执行机构之间的运动关系则由指令及数控装置进行协调，以完成复杂型面的加工及复杂运动的组合。,4集中驱动传动系统 由一个动力机对多个执行机构进行集中驱动。 l）执行机构间有一定的传动比要求 下图为高精度丝杆车床的传动系统图，机床的主轴和刀架由一个无级变速电动机驱动，电动机经带传动和蜗杆传动驱动主轴。主轴经交换挂轮及丝杆螺母驱动刀架。,加工高精度螺纹时，要求主轴与刀具的相对运动保持十分准确的传动比关系，即主轴每转二转，刀架的移动距离为工件的螺纹导程S。这种关系是由进给传动链保证当工件的导程S改变时，需调整交换挂轮的齿数 。,2）各执行机构之间有动作要求 这种情况多出现于机械控制的自动机上，各个执行机构的动作之间都有严格的时间和空间联系。通常用安装在分配轴上的凸轮来操纵和控制各个执行机构的运动，分配轴每转一转完成一个作业循环，各个执行机构的动作顺序均由各自的凸轮曲线保证。因此，自动机的执行机构虽然较多，但常采用一个动力机集中驱动。,3）各执行机构间的运动相互独立 各个执行机构间的运动无传动比联系，采用一个动力机驱动，可以减少动力机数量，节省能源，尤其对于野外作业的机械具有显著的优点。对于中小型机械，还可简化传动系统。,5联合驱动传动系统 对于低速、重载、大功率、执行机构少而惯性大的机械，多用由两个或多个动力机经各自的传动链联合驱动一个执行机构。 联合驱动的优点是可以使机械的工作负载由多台动力机分担，每台动力机的负载减小，因而使传动件的尺寸减小，整机的重量减轻。,三、传动系统的组成 通常由变速装置、起停和换向装置、制动装置以及安全保护装置几个部分组成。 （一）变速装置 变速装置的作用是改变动力机的输出转速和转矩以适应执行机构的需要。若执行机构不需要变速，可采用具有固定传动比的传动系统或采用标准的减速器、增速器实现降速传动或增速传动。,1交换齿轮变速机构 交换齿轮变速机构的特点是结构简单，不需要变速操纵机构，轴向尺寸小，变速箱的结构紧凑。更换齿轮费时费力。只适用于不需要经常变速的机械，如各种自动和半自动机械。 2滑移齿轮变速机构 可传递大的转矩和转速，变速方便。,3离合器变速机构 离合器变速机构有牙嵌式离合器、齿轮式离合器以及摩擦片式离合器。 牙嵌式离合器和齿轮式离合器属于刚性传动，传动比准确，可传递较大转矩，但不能在运转中变速。 摩擦式离合器是靠摩擦片之间的摩擦力传递转矩，可在运转中变速，结合平稳、无冲击，并可起过载保护作用。但结构复杂，传递大转矩时体积较大，传动比不准确，此外，摩擦离合器也是一个热源和噪声源。,4啮合器变速机构 啮合器分普通啮合器和同步啮合器两种，广泛用于汽车变速箱中。可采用常啮合，运转平稳，能在运动中变速，可传递较大转矩。 普通啮合器的结构简单，但轴向尺寸大，变速过程中易出现顶齿现象，故换档不太轻便，噪声较大。 同步啮合器的工作原理是变速过程中先使将要进入啮合的一对齿轮的圆周速度相等，然后才进入啮合，即先同步后变速。,图示为锥形常压式同步啮合器的结构图。套筒6具有内花键孔和外花键齿，它可在花键轴8上移动，其外花键齿与啮台套4的内花键啮合，套筒6的左右侧各镶有减摩材料制造的衬套2和5。啮合套4可通过定位销3带动套筒6一起左右移动。当啮合套4向左移动时，套筒6随之一起移动，使左侧衬套2的内锥面与左齿环1上的外锥面接触，作用在啮合套上的操纵力使两锥面相互压紧，由此产生的摩擦力使空套的左齿环1与套筒6、啮合套4同步旋转。 适当加大操纵力，使啮合套4克服弹簧力将定位销3压下后继续向左移动，使啮合套4与空套的左齿环1相啮合，变速过程结束。啮合套向右移动时，变速过程与上述相同。,（二）起停和换向装置 起停和换向装置用来控制执行机构的起动、停车以及改变运动方向。对起停和换向装置的基本要求是起停和换向方便省力，操作安全可靠，结构简单，并能传递足够的动力。,通常有以下几种情况： l）不需要换向且起停不频繁。这种工况多出现在自动机械中，这类机械的工作循环是自动完成的，可连续运行而不需要停车。 2）需要换向但换向不频繁。 3）换向和起停都很频繁。 在选择起停和换向装置时，除应考虑机械的工况外，还应考虑动力机的类型与功率以及起停和换向的操纵方式。,1动力机为电动机 当换向不频繁或换向虽频繁但电动机功率较小时，可直接由电动机起停和换向。这种方式的优点是结构简单，操纵方便，因此得到广泛的应用。 当功率较大且起停和换向频繁时，常采用离合器起停和换向。执行机构的转速较高时采用摩擦离合器，执行机构的转速较低时可采用牙嵌离合器等刚性的啮合式离合器。,2动力机为内燃机 由于内燃机不能在负载下起动，故必需用摩擦离合器或液力偶合器来实现起停。内燃机不能反向运转，执行机构需要反向时应在传动链中设置反向机构。 用离合器实现起停时，为了减小摩擦离合器的结构尺寸，应将它放置在转速较高的传动轴上。由于靠近动力机，故当离合器脱开时，传动链中大部分传动件停止运动，可以减少空转功率损失。,换向机构放在靠近动力机的转速较高的传动轴上，也可使其结构紧凑。但会使换向的传动件较多，能量损失较大。因此，对于传动件少、惯性小的传动链，宜将换向机构放在前面即靠近动力机处，反之，宜将换向机构放在传动链的后面即靠近执行机构处，以提高传动的平稳性和效率。,3起停和换向装置的典型结构 （1）齿轮摩擦离合器换向机构 齿轮Z1和Z3空套在轴上，摩擦离合器向左接合时，通过Z2传动轴。摩擦离合器向右接合时，通过Z0、Z4传动轴实现反转，摩擦离合器处于中间位置时，轴不转。这样就可实现轴I的起停和换向。,（2）齿轮换向机构 齿轮换向的原理是采用惰轮机构。,（三）制动装置 制动装置的作用是使执行机构的运动能够迅速停止。由于运动构件具有惯性，当起停装置断开后，运动构件不能立即停止，而是逐渐减速后才能停止运动。转速愈高，运动构件的惯性愈大及摩擦阻力愈小，停车的时间就愈长。为了节省辅助时间，对于起停频繁或运动构件惯性大、运动速度高的传动系统，应安装制动装置。,对制动装置的基本要求是工作可靠，操纵方便，制动迅速平稳，结构简单，尺寸小，磨损小，散热好。 常用的制动方式有电气制动和机械制动。电动机起停和换向时，常采用反接制动。它具有结构简单、操作方便、制动迅速等优点，但反接制动电流较大，传动系统受到的惯性冲击较大。,当传动链较长、起动比较频繁、传动系统惯性较大及传递功率较大时，常采用机械制动方式，如带式、外抱块式、内张蹄式和盘式等摩擦式制动器。此外，还经常使用磁粉式、磁涡流式和水涡流式等非摩擦式制动器 。 制动器的设计与安装应考虑如下问题：,1）制动器与离合器必需互锁。 2）合理确定制动器的安装位置。若要求制动转矩较小，则制动器安装在转速较高的轴上。这样制动平稳，制动器体积也小。若要求制动时间短、制动灵活，则制动器可直接安装在主轴或其他执行机构上。通常，制动器安装在转速较高、变速范围较小的轴上。 3）带式制动器的操纵力应作用在制动带的松边。如图410。,装载机制动系与变速箱离合器互动,（四）安全保护装置 机械在工作中若载荷变化频繁、变化幅度较大、可能过载而本身又无保护作用时，应在传动链中设置安全保护装置，以避免损坏传动机构。如果传动链中有带、摩擦离合器等摩擦副，则具有过载保护作用，否则应在传动链中设置安全离合器或安全销等过载保护装置。当传动链所传递的转矩超过规定值时，靠安全保护装置中连接件的折断、分离或打滑来停止或限制转矩的传递。,1销钉安全联轴器 在传动链中设置一个最薄弱的环节，如剪断销或剪断键，当传递的转矩超过允许值时，销或键被剪断，使传动链断开，执行机构便停止运动。剪断销或剪断键应装在传动链中易于更换的位置上。,2钢珠安全离合器 这种安全离合器的灵敏度较高、工作可靠、结构简单，但打滑时会产生较大的冲击，连接刚度较小，反向回转时运动的同步性较差。,3摩擦安全离合器 这种安全离合器的结构简单，多用于传递转矩不大的场合。如果传递的转矩较大，也可采用双圆锥摩擦安全离合器或摩擦片安全离合器。,安全保护装置安装位置 安全保护装置装在转速较高的传动构件上，可使结构尺寸小些。若装在靠近执行机构的传动构件上，则一旦发生过载，就能迅速停止运动，并可使传动链中其他传动构件避免超负荷运行。所以安全保护装置宜放在靠近执行机构且转速较高的传动构件上。,第二节 传动系统的运动设计 一、有级变速传动系统的运动设计 有级变速传动系统常采用变速齿轮传动或变速带传动，在一定的变速范围内，其输出轴只能得到有限级数的转速。有级变速传动最基本的变速装置是二轴变速传动，即在两根轴之间用一个变速组传动。可实现2至4级变速，若要求的变速级数多于4级时，可以采用由二个或二个以上变速组串联而成的多轴传动装置。,（一）转速图 在设计有级变速传动系统时，常用到转速图。使用转速图可以直观地表达出传动系统中各轴转速的变化规律和传动副的速比关系。 对于三联滑移齿轮变速组，可实现3级变速。若要求输出轴的转速按等比级数排列，则一个变速组内各对齿轮的传动比必须符合等比级数排列。 i3:i2:i1=1:2 为标准公比，有1.06，1.12，1.26，1.41，1.58，1.78，2.0共7个数值。,图示为某车床主轴变速箱的传动系统图和转速图。从图