第四章第四章 传动系统设计传动系统设计传动系统传动系统: :将将动力源动力源动力源动力源( (或某个执行件或某个执行件) )的速度、力矩传递的速度、力矩传递 给给执行件执行件执行件执行件( (或另一执行件），使该执行件具有或另一执行件），使该执行件具有 某种运动和出力的功能。某种运动和出力的功能。传动系统传动系统执行系统执行系统动力系统动力系统外联传动链外联传动链内联传动链内联传动链传动链传动链一、传动系统的类型一、传动系统的类型 a a、按驱动机械系统的动力源按驱动机械系统的动力源分为：分为：电动机驱动电动机驱动电动机驱动电动机驱动、内燃机内燃机内燃机内燃机驱动驱动驱动驱动等，而电动机驱动又有交流异步电动机等，而电动机驱动又有交流异步电动机( (单、多速单、多速) )驱驱动，直流并激电动机、交流调速主轴电动机驱动，交、直动，直流并激电动机、交流调速主轴电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动，步进电动机驱动等。流伺服电动机驱动，步进电动机驱动等。 b b、按动力源驱动执行件的数目按动力源驱动执行件的数目分为：分为：独立驱动独立驱动独立驱动独立驱动、集中驱集中驱集中驱集中驱动动动动和和联合驱动联合驱动联合驱动联合驱动等。等。 c c、按传动装置按传动装置分为分为：机械传动装置机械传动装置、液压传动装置液压传动装置、电气传动装置电气传动装置以及上述装置的组合。以及上述装置的组合。 机械传动装置：机械传动装置：输出速度不变输出速度不变输出速度不变输出速度不变和和输出速度可变输出速度可变输出速度可变输出速度可变两类。两类。 输出速度可变：输出速度可变：分为分为有级变速有级变速有级变速有级变速和和无级变速无级变速无级变速无级变速。4.14.1、传动系统的类型和组成、传动系统的类型和组成1.1.无级变速传动系统无级变速传动系统无级变速无级变速无级变速无级变速是指执行件的是指执行件的转速转速转速转速( (或速度或速度) )在一定的范围内在一定的范围内连连连连续地变化续地变化续地变化续地变化，这样可以使执行件获得最有利的速度，能在，这样可以使执行件获得最有利的速度，能在系统运转中变速，也便于实现自动化等。系统运转中变速，也便于实现自动化等。u 依靠摩擦力来传递转矩；依靠摩擦力来传递转矩；u 存在转速损失，故不能用于调速精度高的场合；存在转速损失，故不能用于调速精度高的场合；u 变速范围小，通常为变速范围小，通常为4 46 6，少数可达，少数可达10101515。 它的传动平稳它的传动平稳 运动换向冲击小运动换向冲击小 易于实现直线运动易于实现直线运动 特点：特点：(1)(1)(1)(1)机械无级调速器：机械无级调速器：机械无级调速器：机械无级调速器：(2)(2)(2)(2)液压无级变速装置：液压无级变速装置：液压无级变速装置：液压无级变速装置：特点：特点：(3)(3)(3)(3)电气无级变速装置电气无级变速装置电气无级变速装置电气无级变速装置有级变速有级变速有级变速有级变速：在变速范围内不能连续地变换，属于有级变速。在变速范围内不能连续地变换，属于有级变速。2.2.有级变速传动系统有级变速传动系统 CA7620CA7620型液压多刀半自动车床主传动系统及转速图型液压多刀半自动车床主传动系统及转速图 u传递的功率大传递的功率大u变速范围宽变速范围宽u传动比准确传动比准确u工作可靠工作可靠u有转速损失有转速损失特点：特点：3.3.固定传动比的传动系统固定传动比的传动系统 如果机械系统的执如果机械系统的执行件要求以某一固定的行件要求以某一固定的转速转速( (速度速度) )工作，则连工作，则连接动力源与执行件的传接动力源与执行件的传动系统属于固定传动比动系统属于固定传动比的传动系统，即该系统的传动系统，即该系统是由若干个固定传动比是由若干个固定传动比串联组成。串联组成。 起重机传动系统简图起重机传动系统简图 1 1. .独立驱动传动系统独立驱动传动系统 (1) (1) 只有一个执行件；只有一个执行件；(2) (2) 有多个运动不相关的执行件；有多个运动不相关的执行件； (3)(3)数控机械系统。数控机械系统。曲柄压力机传动系统图曲柄压力机传动系统图( (二二) )独立和联合驱动传动系统独立和联合驱动传动系统2 2 集中驱动传动系统集中驱动传动系统 是指机械系统的多个执行件均由一个动力源驱动。是指机械系统的多个执行件均由一个动力源驱动。(1)(1)执行件间有严格的传动比要求；执行件间有严格的传动比要求；(2)(2)各执行件间运动有顺序或协调的要求；各执行件间运动有顺序或协调的要求； (3)(3)各执行件的运动相互独立。各执行件的运动相互独立。 由由两两个个或或多多个个动动力力源源经经各各自自的的传传动动链链联联合合驱驱动动一一个个执执行行件件的的传传动动系系统统，主主要要用用于于低低速速、重重载载、大大功功率率、执执行行件件少少而而惯性大的机械。惯性大的机械。 3 3 联合驱动传动系统联合驱动传动系统 ( (二二) )独立和联合驱动传动系统独立和联合驱动传动系统二、传动系统的组成二、传动系统的组成1 1、变速装置、变速装置 交换齿轮，滑移齿轮，离合器，前三种的组合，啮合器交换齿轮，滑移齿轮，离合器，前三种的组合，啮合器交换齿轮，滑移齿轮，离合器，前三种的组合，啮合器交换齿轮，滑移齿轮，离合器，前三种的组合，啮合器2 2、起停和换向装置、起停和换向装置 要求省力、可靠、结构简单、有足够的动力要求省力、可靠、结构简单、有足够的动力3 3、制动装置、制动装置 要求可靠、方便、平稳、结构简单、尺寸小、磨损小、要求可靠、方便、平稳、结构简单、尺寸小、磨损小、散热好散热好4 4、安全保护装置、安全保护装置 销钉安全联轴器，钢珠安全离合器，摩擦安全离合器销钉安全联轴器，钢珠安全离合器，摩擦安全离合器 减小离合器尺寸减小离合器尺寸避免出现超速现象避免出现超速现象考虑结构因素考虑结构因素制动器与离合器必须互锁制动器与离合器必须互锁确定合理安装位置确定合理安装位置闸带式制动器的操纵力应作用在制闸带式制动器的操纵力应作用在制动带的松边动带的松边拓展内容：常用传动拓展内容：常用传动1 1、行星齿轮传动、行星齿轮传动2 2、摆线针轮行星传动、摆线针轮行星传动3 3、谐波齿轮传动谐波齿轮传动1、行星齿轮传动、行星齿轮传动中心轮中心轮行星轮行星轮内齿轮内齿轮行星架行星架1、行星齿轮传动、行星齿轮传动 一个或一个以上齿轮一个或一个以上齿轮的的轴线轴线轴线轴线绕另一齿轮的绕另一齿轮的固定固定固定固定轴线轴线轴线轴线迴转的齿轮传动迴转的齿轮传动 。差动轮系：差动轮系：差动轮系：差动轮系：三者都不固定三者都不固定确定机构运动时需要给确定机构运动时需要给出两个构件的角速度出两个构件的角速度行星轮系：行星轮系：行星轮系：行星轮系：固定内齿轮固定内齿轮b b或太阳轮或太阳轮a a。 常见行星齿轮传动的类型和性能常见行星齿轮传动的类型和性能 差动轮系可以把两个给定运动合成起来差动轮系可以把两个给定运动合成起来也可把一个也可把一个给定运动按照要求分解成两个基本件的运动。给定运动按照要求分解成两个基本件的运动。 行星齿轮传动应用广泛行星齿轮传动应用广泛并可与无级变速器并可与无级变速器液力耦液力耦合器和液力变矩器等联合使用合器和液力变矩器等联合使用进一步扩大使用范围。进一步扩大使用范围。 1、行星齿轮传动、行星齿轮传动(1) (1) 齿圈固定，太阳轮主动，行星架被动齿圈固定，太阳轮主动，行星架被动动画演示动画演示从演示中可以看出，此种组合为降速传动，通常传动比为从演示中可以看出，此种组合为降速传动，通常传动比为2.52.55 5，且转向相同。且转向相同。(2) (2) 齿圈固定，行星架主动，太阳轮被动齿圈固定，行星架主动，太阳轮被动动画演示动画演示从演示中可以看出，此种组合为升速传动，传动比为从演示中可以看出，此种组合为升速传动，传动比为0.20.20.40.4，且，且转向相同。转向相同。 (3) (3) 太阳轮固定，齿圈主动，行星架被动太阳轮固定，齿圈主动，行星架被动 动画演示动画演示从演示中可以看出，此种组合为降速传动，传动比为从演示中可以看出，此种组合为降速传动，传动比为1.251.251.671.67，且转向相同。且转向相同。(4) (4) 太阳轮固定，行星架主动，齿圈被动太阳轮固定，行星架主动，齿圈被动动画演示动画演示从演示中可以看出，此种组合为升速传动，传动比为从演示中可以看出，此种组合为升速传动，传动比为0.60.60.80.8，且转向相同。且转向相同。 (5) (5) 行星架固定，太阳轮主动，齿圈被动行星架固定，太阳轮主动，齿圈被动动画演示动画演示从演示中可以看，出此种组合为降速传动，传动比为从演示中可以看，出此种组合为降速传动，传动比为1.51.54 4，且转，且转向相反向相反 (6) (6) 行星架固定，齿圈主动，太阳轮被动行星架固定，齿圈主动，太阳轮被动 动画演示动画演示从演示中可以看，出此种组合为升速传动，传动比为从演示中可以看，出此种组合为升速传动，传动比为0.250.250.670.67，且转向相反。且转向相反。(7) (7) 把三元件中任意两元件接合为一体的情况把三元件中任意两元件接合为一体的情况 从演示中可以看出，行星齿轮间没有相对运动，作为一个整体运转，从演示中可以看出，行星齿轮间没有相对运动，作为一个整体运转，传动比为传动比为1 1，且转向相同。，且转向相同。 动画演示动画演示2 2、摆线针轮行星传动、摆线针轮行星传动2 2、摆线针轮行星传动、摆线针轮行星传动1 1摆线行星轮，摆线行星轮，2 2针轮，针轮，H H系杆，系杆，V V输出轴输出轴2 2、摆线针轮行星传动、摆线针轮行星传动 图示摆线针轮行星传动机构中，运动由系杆图示摆线针轮行星传动机构中，运动由系杆H H输入，通过输出输入，通过输出机构由轴机构由轴V V输出。摆线针轮行星传动也是一种输出。摆线针轮行星传动也是一种K KH HV V型一齿差行星型一齿差行星传动。传动。 在摆线针轮传动中，行星轮的齿廓曲线不是渐开线，而是变态在摆线针轮传动中，行星轮的齿廓曲线不是渐开线，而是变态外摆线，中心内齿轮采用了针齿，又称为针轮。同渐开线少齿差行外摆线，中心内齿轮采用了针齿，又称为针轮。同渐开线少齿差行星传动一样，其传动比为：星传动一样，其传动比为： 由于由于Z Z1 1 Z Z2 2 = 1 = 1，故故i = -Zi = -Z2 2，即摆线针轮行星传动可获得大传即摆线针轮行星传动可获得大传动比。摆线针轮行星传动具有减速比大（一级减速比动比。摆线针轮行星传动具有减速比大（一级减速比9 - 1159 - 115，多，多级可获更大减速比）、结构紧凑、传动效率高（一般可达级可获更大减速比）、结构紧凑、传动效率高（一般可达90% 90% 94%94%）、传动平稳、承载能力高、使用寿命长等优点，与渐开线少）、传动平稳、承载能力高、使用寿命长等优点，与渐开线少齿差行星传动相比，无齿顶相碰和齿廓重叠干涉等问题。在军工、齿差行星传动相比，无齿顶相碰和齿廓重叠干涉等问题。在军工、矿山、冶金、化工等工业部门得到广泛应用，以其多方面的优点取矿山、冶金、化工等工业部门得到广泛应用，以其多方面的优点取代了一些笨重庞大的传动装置。其主要缺点是加工工艺复杂，制造代了一些笨重庞大的传动装置。其主要缺点是加工工艺复杂，制造成本较高。成本较高。 i = i = - -Z Z2 2 / /（ Z Z1 1 Z Z2 2） 3 3、谐波齿轮传动、谐波齿轮传动 谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动。下页谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动。下页图为谐波传动的示意图。图为谐波传动的示意图。1 1为具有内齿的刚轮，为具有内齿的刚轮，2 2为具有外齿的柔轮，为具有外齿的柔轮，H H为波发生器。这三个构件与少齿差行星传动机构的中心内齿轮、为波发生器。这三个构件与少齿差行星传动机构的中心内齿轮、行星轮行星轮2 2和系杆和系杆H H相当。通常波发生器为主动件，而刚轮或柔轮之一相当。通常波发生器为主动件，而刚轮或柔轮之一为从动件，另一个为固定件。为从动件，另一个为固定件。 当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆，是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚内孔直径，故柔轮变为椭圆，是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区，同时在椭圆的短轴两端，两轮轮齿完全轮轮齿的两个局部啮合区，同时在椭圆的短轴两端，两轮轮齿完全脱开。至于在其余各处，根据柔轮回转方向的不同，或处于啮入状脱开。至于在其余各处，根据柔轮回转方向的不同，或处于啮入状态，或处于啮出状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置态，或处于啮出状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断变化，从而使轮齿的啮合区和脱开区也随之不断变化，于是在不断变化，从而使轮齿的啮合区和脱开区也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。 动画仿真3 3、谐波齿轮传动、谐波齿轮传动 在在波波发发生生器器转转动动一一周周期期间间，柔柔轮轮上上一一点点变变形形的的循循环环次次数数与与波波发发生生器器上上的的凸凸起起部部位位数数是是一一致致的的，称称为为波波数数。常常用用的的有有两两波波和和三三波波。为为了了有有利利于于柔柔轮轮的的力力平平衡衡和和防防止止轮轮齿齿干干涉涉，刚刚轮轮和和柔柔轮轮的的齿齿数数差差应应等等于于波波发发生生器器波波数数（即即波波发发生生器器上上的的滚滚轮轮数数）的的整整倍倍数数，通通常常取取作作等等于于波波数数。由由于于在在谐谐波波齿齿轮轮传传动动过过程程中中，柔柔轮轮与与刚刚轮轮的的啮啮合合过过程程与与行星齿轮传动类似，其传动比可按周转轮系的计算方法求得。行星齿轮传动类似，其传动比可按周转轮系的计算方法求得。 当刚轮当刚轮1 1固定，波发生器固定，波发生器H H主动，柔轮主动，柔轮2 2从动时，传动比为：从动时，传动比为： iH2 = Z2 / （ Z1 Z2） 当柔轮当柔轮2 2固定，波发生器固定，波发生器H H主动，刚轮主动，刚轮1 1从动时，传动比为：从动时，传动比为： iH1 = Z1 / （ Z1 Z2） 3 3、谐波齿轮传动、谐波齿轮传动 优点优点：传传动动比比大大、范范围围宽宽（一一级级传传动动比比范范围围为为50 50 - - 500500，二二级级传传动动可可达达2500-2500002500-250000），且且在在传传动动比比很很大大的的情况下，仍具有较高的效率情况下，仍具有较高的效率；结结构构简简单单、体体积积小小、重重量量轻轻（与与一一般般齿齿轮轮减减速速器器相相比，零件可减少约比，零件可减少约50 %50 %，体积可减少，体积可减少20%-50%20%-50%）；承载能力承载能力强、传动平稳、运动精度强、传动平稳、运动精度高；高；能能实现密封空间的运动传递。实现密封空间的运动传递。 缺点：缺点： 是是柔轮易发生疲劳损坏，起动力矩大。柔轮易发生疲劳损坏，起动力矩大。 近年来谐波齿轮传动技术发展十分迅速，应用日近年来谐波齿轮传动技术发展十分迅速，应用日益广泛。在机械制造、冶金、发电设备、矿山、造益广泛。在机械制造、冶金、发电设备、矿山、造船及国防工业（如宇航技术、雷达装置等）中都得船及国防工业（如宇航技术、雷达装置等）中都得到了广泛应用。到了广泛应用。 3 3、谐波齿轮传动、谐波齿轮传动