第二十九章 机械传动系统的方案设计
传动系统的功能和分类
机械传动系统的组成及常用部件
机械传动系统方案设计
机械传动系统特性及其参数计算
机械传动系统方案设计实例分析
原动机的选择传动系统的功能机械传动的分类和特点
§ 29.1 传动系统的功能和分类传动系统是连接原动机和执行系统的中间装臵 。 其根本任务 是将原动机的运动和动力按执行系统的需要进行转换并传递给执行系统 。 传动系统的具体功能通常包括以下几个方面：
（ 1） 减速或增速；
（ 2） 变速；
（ 3） 增大转矩；
（ 4） 改变运动形式；
（ 5） 分配运动和动力；
（ 6） 实现某些操纵和控制功能 。
传动系统的功能和分类传动系统的功能一、机械传动的分类
1,按传动的工作原理分类机械传动啮合传动摩擦传动有中间挠性件齿轮传动蜗杆传动螺旋传动齿轮系传动定轴轮系传动周转轮系传动链传动同步带传动普通带传动绳传动摩擦轮传动传动系统的功能和分类传动系统的分类和特点
2,按传动比的可变性分类机械传动定传动比传动齿轮传动蜗杆传动螺旋传动链传动带传动有级变速传动变传动比传动 无级变速传动摩擦轮无级变速传动带式无级变速传动链式无级变速传动传动系统的功能和分类二、机械传动的特点啮合传动的主要特点为：
优点,工作可靠、寿命长，传动比准确、传递功率大，
效率高（蜗杆传动除外），速度范围广。
缺点,对加工制造安装的精度要求较高。
摩擦传动的主要特点为：
优点,工作平稳、噪声低、结构简单、造价低，具有过载保护能力缺点,外廓尺寸较大、传动比不准确、传动效率较低、
元件寿命较短传动系统的功能和分类传动系统的组成常用机械传动部件
§ 29.２ 机械传动系统的组成及常用部件
1,减速或变速装臵
2,起停换向装臵
3,制动装臵
4,安全保护装臵常用机械传动部件
1,减速器减速器是用于减速传动的独立部件,它由刚性箱体,齿轮和蜗杆等传动副及若干附件组成 。
传动系统的组成及常用部件传动系统的组成类型 传动简图 传动比 特点及应用圆柱齿轮减速器单级图 1
调质齿轮：
i?7.1
淬硬齿轮：
i?6.3
（ 较佳：
i?5.6）
应用广泛,结构简单 。 齿轮可用直齿,斜齿或人字齿 。
可用于低速轻载,也可用于高速重载两级展开式图 2
调质齿轮：
i=7.1~50
淬硬齿轮：
i=7.1~31.5
（ 较佳：
i=7.1～ 20）
应用广泛,结构简单,高速级常用斜齿 。 齿轮相对轴承不对称,齿向载荷分布不均,故要求高速级小齿轮远离输入端,轴应有较大刚性两级同轴式图 3
调质齿轮：
i=7.1~50
淬硬齿轮：
i=7.1~31.5
（ 较佳：
i=7.1～ 20）
箱体长度较小,但轴向尺寸较大 。 输入输出轴同轴线,
布臵较合理 。 中间轴较长,
刚性差,齿向载荷分布不均,
且高速级齿轮承载能力难于充分利用两级分流式图 4
调质齿轮：
i=7.1~50
淬硬齿轮：
i=7.1~31.5
（ 较佳：
i=7.1～ 20）
高速级常用斜齿,一侧左旋,一侧右旋 。 齿轮对称布臵,齿向载荷分布均匀,两轴承受载均匀 。 结构复杂,
常用于大功率变载荷场合类型 传动简图 传动比 特点及应用锥齿轮减速器图 5
直齿,i≤ 5
斜齿,曲线齿,i≤ 8
用于输出轴和输入轴两轴线垂直相交的场合 。 为保证两齿轮有准确的相对位臵,
应有进行调整的结构 。 齿轮难于精加工,仅在传动布臵需要时采用圆锥圆柱齿轮减速器图 6
直齿：
i=6.3~31.5
斜齿,曲线齿,i=8~40
应用场合与单级圆锥齿轮减速器相同 。 锥齿轮在高速级,可减小锥齿轮尺寸,避免加工困难；小锥齿轮轴常悬臂布臵,在高速级可减小其受力蜗杆减速器图 7
i=8~80
大传动比时结构紧凑,外廓尺寸小,效率较低 。 下臵蜗杆时润滑条件好,应优先采用,但当蜗杆速度太高时
（ v?5m/s）,搅油损失大 。
上臵蜗杆式轴承润滑不便蜗杆 — 齿轮减速器图 8
i=15~480 有蜗杆传动在高速级和齿轮传动在高速级两种形式 。
前者效率较高,后者应用较少类型 传动简图 传动比 特点及应用行星齿轮减速器图 5
i=2.8~12.5
传动型式有多种,NGW型体积小,
重量轻,承载能力大,效率高
（ 单级可达 0.97～ 0.99）,工作平稳 。 比普通圆柱齿轮减速器体积和重量减少 50%,效率提高 30%。
但制造精度要求高,结构复杂摆线针轮行星减速器图 6
直齿：
单级：
i=11~87
传动比大,效率较高 （ 0.9～
0.95）,运转平稳,噪声低,体积小,重量轻 。 过载和抗冲击能力强,寿命长 。 加工难度大,工艺复杂谐波减速器图 7
单级：
i=50~500 传动比大,同时参与啮合齿数多,承载能力高 。 体积小,重量轻,效率 0.65～ 0.9,传动平稳,
噪音小 。 制造工艺复杂
2,有级变速装臵
（ 1）有级变速装臵
（ 2）交换齿轮变速装臵
（ 3）离合器变速装臵
（ 4）塔形带轮变速装臵传动系统的组成及常用部件
3,无级变速装臵机械传动系统方案设计的过程和基本要求机械传动类型的选择传动系统的总体布置传动比的分配
§ 29.３ 机械传动系统方案设计
1.方案设计的一般步骤机器的执行系统方案设计和原动机的预选型完成后,即可进行传动系统的方案设计 。 设计的一般步骤如下：
确定传动系统的总传动比 。
选择传动的类型,拟定总体布臵方案并绘制传动系统的运动简图 。
分配传动比 。 即根据传动布臵方案,将总传动比向各级传动进行合理分配 。
计算传动系统的性能参数,包括各级传动的功率,转速,
效率,转矩等性能参数 。
通过强度设计和几何计算,确定各级传动的基本参数和主要几何尺寸,如齿轮传动的中心距,齿数,模数,齿宽等 。
机械传动系统方案设计机械传动系统方案设计的过程和基本要求
2.方案设计的基本要求传动方案的设计是一项复杂的工作,需要综合运用多种知识和实践经验,进行多方案分析比较,才能设计出较为合理的方案 。 通常设计方案应满足以下基本要求：
1） 传动系统应满足机器的功能要求,而且性能优良；
2） 传动效率高；
3） 结构简单紧凑,占用空间小；
4） 便于操作,安全可靠；
5） 可制造性好,加工成本低；
6） 维修性好；
7） 不污染环境 。
机械传动系统方案设计选择机械传动类型时,可参考以下原则：
1,与原动机和工作机相互匹配；
2,满足功率和速度的范围要求；
3,考虑传动比的准确性及合理范围；
4,考虑结构布臵和外廓尺寸的要求；
5,考虑机器质量；
6,经济性因素 。
机械传动类型的选择机械传动系统方案设计传动系统的总体布置
1,传动路线的确定传动路线的型式串联单流传动 并联分流传动 并联汇流传动 混合传动注,□ — 原动机； ○ — 传动；?— 执行机构 。
机械传动系统方案设计
2,传动顺序的安排传动顺序通常按以下原则考虑 。
1） 斜齿轮与直齿轮传动 —— 斜齿轮传动应放在高速级 ；
2） 圆锥齿轮与圆柱齿轮传动 —— 圆锥齿轮应放在高速级 ；
3） 闭式和开式齿轮传动 —— 闭式齿轮传动应放在高速级 。
4） 链传动 —— 应放在传动系统的 低速级 ；
5） 带传动 —— 应放在传动系统的 高速级 ；
6） 适宜放在传动系统的低速级的传动或机构 —— 对改变运动形式的传动或机构,如齿轮齿条传动,螺旋传动,连杆机构及凸轮机构等一般布臵在 传动链的末端,使其靠近执行机构 。
7） 有级变速传动与定传动比传动 —— 有级变速传动应放在 高速级；
机械传动系统方案设计
8） 蜗杆传动与齿轮传动 —— 若蜗轮材料为锡青铜,为提高传动效率,则应将蜗杆传动臵于高速级；
—— 当蜗轮材料为无锡青铜或铸铁等材料时,因其允许的齿面滑动速度较低,为防止齿面胶合或严重磨损,蜗杆传动应臵于低速级 。
此外,在布臵各传动的顺序时,还应考虑传动件的寿命,维护的方便程度,操作人员的安全性以及传动件对产品的污染等因素 。
机械传动系统方案设计传动比的分配分配传动比时应注意以下几点：
1） 通常不应超过各种传动的推荐传动比；
2） 分配传动比应注意使各传动件尺寸协调,结构匀称,
避免发生相互干涉 。
机械传动系统方案设计
3）对于多级减速传动，可按照,前小后大,（即由高速级向低速级逐渐增大）的原则分配传动比，且相邻两级差值不要过大。
4）在多级齿轮减速传动中，低速级传动比小些，有利于减小外廓尺寸和质量；
5） 在采用溅油润滑方式时,分配传动比要考虑传动件的浸油条件 。
展开式或分流式二级圆柱齿轮减速器,其高速级传动比 i1和低速级传动比 i2的关系通常取
i1 = (1.2～ 1.3) i2
分配圆锥－圆柱齿轮减速器的传动比时,通常取锥齿轮传动比 i1≈0.25i（ i为总传动比 ）,一般 i1≤3.55。
6） 在蜗杆 — 齿轮传动中,将齿轮传动放在高速级时,可得到较高的传动精度 。
7） 对于要求传动平稳,频繁起停和动态性能较好的多级齿轮传动,可按照转动惯量最小的原则设计 。
机械传动系统方案设计机械传动系统的特性包括运动特性和动力特性 。 运动特性如转速,传动比和变速范围等；动力特性如功率,转矩,效率及变矩系数等 。
1,传动比对于串联式单流传动系统,当传递回转运动时,其总传动比 i为
k
c
r iii
n
ni?
21
nr为原动机的转速或传动系统的输入转速 （ r/min） ；
i>1时为减速传动,i<1时为增速传动 。
§ 29.４ 机械传动系统的特性及其参数计算
i1,i2…… ik为系统中各级传动的传动比 。
nc 为 传 动 系 统 的 输 出 转 速
（ r/min） ；
在各级传动的设计计算完成后,由于多种因素的影响,系统的实际总传动比 i常与预定值 i?不完全相符,其相对误差?i
可表示为
%i iir i
机械传动系统的特性及其参数设计系统的传动比相对误差传动系统中,任一传动轴的转速 ni可由下式计算：
21ii
nn r
i?
2,转速和变速范围从系统的输入轴到该轴之间各级传动比的连乘积。
有级变速传动装臵中，当输入轴的转速 nr一定时，经变速传动后，若输出轴可得到 z种转速，并由小到大依次为 n1、
n2,…,nz,则 z称为 变速级数,最高转速与最低转速之比称为 变速范围,用 Rn表示，即
m i n
m a x
1 i
i
n
nR z
n
z
rr
n
ni
n
ni
m i n
1
m a x,
机械传动系统的特性及其参数设计输出转速常采用等比数列分布,且任意两相邻转速之比为一常数,称为 转速公比,用符号?表示,即
12
3
1
2
z
z
n
n
n
n
n
nΦ?
公比?一般按标准值选取,常用值为 1.06,1.12,1.36、
1.41,1.58,1.78,2.00。
变速范围 Rn,变速级数 z和公比?之间的关系为：
变速级数越多,变速装臵的功能越强,但结构也越复杂 。
在齿轮变速器中,常用的滑移齿轮是双联或三联,所以通常 变速级数取为 2或 3的倍数 。
1
12
3
1
2
1
z
z
zz
n Φn
n
n
n
n
n
n
nR?
机械传动系统的特性及其参数设计各种机械传动及传动部件的效率值可在设计手册中查到。
在一个传动系统中，设各传动及传动部件的效率分别为?1、
2,…?n，串联式单流传动系统的总效率?为
=?1?2 …?n
3,机械效率机械传动系统的特性及其参数设计机器执行机构的输出功率 P?可由负载参数 （ 力或力矩 ）
及运动参数 （ 线速度或转速 ） 求出,设执行机构的效率为
,则传动系统的输入功率或原动机的所需功率为
PP
r?
原动机的额定功率 Pe应满足 Pe≥Pr，
由此可确定 Pe值 。
4,功率设计各级传动时,常以传动件所在轴的输入功率 Pi为计算依据,若从原动机至该轴之前各传动及传动部件的效率分别为?1,?2,…?i,则有
Pi = P1?2 …?i
机械传动系统的特性及其参数设计设计功率
对于批量生产的通用产品，为充分发挥原动机的工作能力，应以原动机的额定功率为设计功率，即取 P?＝ Pe；
对于专用的单台产品，为减小传动件的尺寸，降低成本，
常以原动机的所需功率为计算功率，即取 P?＝ Pr。
5,转矩和变矩系数传动系统中任一传动轴的输入转矩 Ti（ N?mm） 可由下式求出：
i
i
i n
PT 61055.9
机械传动系统的特性及其参数设计该轴的输入功率 （ kW）
该轴的转速 （ r/min） 。
传动系统的输出转矩 Tc与输入转矩 Tr之比称为变矩系数,
用 K表示,由上式可得：
inP nPTTK
cr
rc
r
c
传动系统的输出功率水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择肥皂压花机的传动路线及传动比的分配运输机传动系统特性参数计算
§ 29.５ 机械传动系统方案设计实例机械传动系统方案设计实例分析水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择水泥管磨机属于连续运转的低速大功率设备,主传动系统应尽量减少传动级数,提高效率和降低运行费用 。
主要特点是,
1） 转速低,转速,10~40r/min
2） 功率,× 10~103 kW
3） 起动力矩大,连续运转,载荷平稳,露天工作方案选择原则：
1） 总传动比不宜过大,可选用同步转速为 750r/min的电动机,这样,系统的总传动比约为 75～ 18,故安排 2～ 3
级传动较为合理 。
3） 对于小型磨机,耗电量不大,应主要考虑降低初始费用,中型磨机应兼顾初始费用和运行费用 。
2） 选用机械效率较高的传动类型,如齿轮传动等 。 蜗杆传动虽可实现大传动比,但效率较低,不适合于连续运转的大功率机械；由于露天工作,环境多尘,采用链传动必须很好地密封与润滑,否则会加速磨损,降低传动效率；
摆线针轮传动,谐波传动的效率较齿轮低；不应优先考虑 。
机械传动系统方案设计实例分析几种管磨机主要传动系统方案的特点 。
特点：
1）结构简单、初始费用低。
2）带传动和开式齿轮传动效率不高，而且带传动的承载能力也受带型和根数的限制。
适用于小功率,要求初始费用低的磨机 。
1,带传动 -齿轮传动串联式单流传动系统方案机械传动系统方案设计实例分析
2,齿轮传动 — 齿轮传动串联式单流传动系统方案特点：
1） 效率高,寿命长,外廓尺寸小
2） 初始费用较高该方案适用于中型磨机 。
机械传动系统方案设计实例分析
3,并联式汇流传动系统方案特点：
1） 因齿轮啮合时产生的切向力和径向力分别平衡而降低了磨筒轴承的载荷 。
2） 初始费用比第 2方案低 。
该方案适用于中型磨机 。
特点：
1） 闭式传动,齿轮和轴承受力状态较好,效率高
2） 齿轮加工精度要求高,结构较复杂 。
该方案适用于大型磨机 。
4,中心驱动式单流传动系统方案机械传动系统方案设计实例分析特点：
1） 传动系统为双路驱动,具备第 3和第 4方案传动功率大,
尺寸小,质量轻以及效率高的优点；
2） 齿轮加工精度要求高,结构较复杂 。 大型或超大型磨机采用的中心驱动,多路并联方式,为保证各路传动的同步和均载,需增加辅助设备 。
该方案适用于大型和超大型磨机 。
5,中心驱动式并联汇流传动系统方案机械传动系统方案设计实例分析特点：
1） 该方案占地面积小,维护简单
2） 但电机等电器装臵的初始费用很高 。 同等功率时,单位产量所需总费用比机械传动方 案约高
（ 29～ 50） %。
6,低速电动机直接驱动方案机械传动系统方案设计实例分析工作条件：
电动机转速 n1=1450r/min，
工作频率 f=501/min，
传动比误差 r=± 2%。
机械传动系统的机构简图肥皂压花机的传动路线及传动比的分配机械传动系统方案设计实例分析肥皂块压花和出料工艺推杆 11 压模工位下模具 7上移完成压花工艺上模具 8
固定 凸轮机构
13的顶杆将皂块推出肥皂块 12
肥皂块 12
机械传动系统方案设计实例分析一,传动路线分析
该机包括三套执行机构,分别完成规定动作,并连续协调工作：
曲柄滑块机构 11完成皂块送进,六杆机构 6完成模具的往复移动,凸轮机构 13完成成品移出 。
整机共用一个电动机 。 因执行机构工作频率较低,故需采用减速传动装臵 。
减速装臵为三套执行机构公用,由 V带传动和两级齿轮传动组成 。
带传动适宜高速级工作,故安排在第一级,并兼有安全保护功能 。 当机器要求具有调速功能时,可将带传动改为带式无级变速传动 。
机械传动系统方案设计实例分析
链传动 9是为实现较大距离的传动而设臵的。
锥齿轮传动用于改变传动方向。
该机的传动系统为三路并联分流传动，其中模具的往复运动路线为主传动链，皂块送进和送出为辅助传动链。
机械传动系统方案设计实例分析电动机
1
带传动
2
二级齿轮减速器 3
离合器
4
锥齿轮传动 5
六杆机构
6
下模具往复移动 7
链传动
9
曲柄滑块机构
11
锥齿轮传动
10
皂块送进
12
凸轮机构
13
成品送出
14
肥皂压花机传动路线图机械传动系统方案设计实例分析二,传动比分配
1,主传动链 （ 电动机 → 模具往复移动 ）
锥齿轮传动暂定传动比为 1。 每压制一块肥皂,六杆机构带动下模具完成一运动循环,分配轴 Ⅰ 应转一周,故轴
Ⅰ 的 转 速 为 nⅠ ＝ 50r/min。 因 已 知 电 动 机 转 速 nd ＝
1450r/min,由此可知,该传动链总传动比的预定值为
29501 4 5 0
I
n
ni d
总设带传动及二级齿轮减速器中高速级和低速级齿轮传动的传动比分别为 i1,i2,i3,取 i1＝ 2.5,则减速器的总传动比为 29/2.5 = 11.6,两级齿轮传动平均传动比为 3.4。
机械传动系统方案设计实例分析主传动链的实际总传动比
0 9 5.321657 3 9.32386 32
c
d
a
b
z
zi
z
zi
2 9 2 8,9 3 0,2 4 % 2 %
29
iirr
i
总 总总选取各轮齿数 za= 23,zb = 86,zc = 21,zd = 65。
i总 = i1 i2 i3=2.5× 3.739× 3.095 = 28.93
传动比误差实际传动比从润滑条件出发,按二级展开式圆柱齿轮减速器传动比分配公式,取 i?2＝ 1.2i?3,则由 i?2 i?3＝ 11.6可求得 i?2＝ 3.73,i?3＝ 3.11。
机械传动系统方案设计实例分析
2,辅助传动链皂块送进和成品移位运动的工作频率应与模具往复运动频率相同,即在一个运动周期内,三套执行机构各完成一次运动循环,即送进 → 压花 → 移位 。 因此分配轴 Ⅱ 必须与分配轴 Ⅰ 同步,即 nⅡ ＝ nⅠ,故链传动 9和锥齿轮传动 10的传动比均应为 1。
主传动链的实际总传动比为：
2 9 2 8,9 3 0,2 4 % 2 %
29
iirr
i
总 总总机械传动系统方案设计实例分析运输机传动系统特性参数计算机械传动系统方案设计实例分析负载总阻力 F＝ 6200N，
曳引链速度 v＝ 0.3m/s，
节距 p＝ 160mm，
驱动链轮齿数 z＝ 12。
板式运输机传动系统传动方案已预分配 各级传动比 为：
锥齿轮传动 i1＝ 3，
圆柱齿轮传动 i2＝ 4.5，
链传动 i3＝ 6。
电动机同步转速 nd=750r/min。 曳引链速度允许误差 r=± 5%。
以下为该传动系统选择电动机型号,并计算各轴的运动和动力特性参数 。
1,计算执行机构主轴 （ Ⅳ 轴 ） 转速和功率
16012
10603.0 3
4?
zp
vn r/min = 9.4 r/min
执行机构主轴的输出功率 P?为
kW = 1.86kW
1000
3.06200
1000
FvP
机械传动系统方案设计实例分析
2,求传动系统总效率和电动机功率联轴器效率?1＝ 0.99,锥齿轮传动效率?2＝ 0.96，
圆柱齿轮传动效率?3＝ 0.97,链传动效率?4＝ 0.96，
减速器滚动轴承效率?5＝ 0.98,Ⅳ 轴为滑动轴承效率?6＝
0.97,传动系统的 总效率 为需要电动机输出的功率为
808.0
97.098.096.097.096.099.0 36354321
kW = 2.3kW
808.0
86.1
PP
r
机械传动系统方案设计实例分析
3,选择电动机根据运输机设计要求,电动机功率应有 20%左右的裕度,由手册查得,可选用 YEJ 132M-8型电动机,额定功率 Pe＝ 3kW，
满载转速 n＝ 710r/min。
机械传动系统方案设计实例分析
4,计算总传动比及各级传动比系统的总传动比由齿数条件,确定各轮齿数分别为：锥齿轮 z1＝ 23,z2＝ 72。
圆柱齿轮 z3＝ 24,z4＝ 109,滚子链 z5＝ 19,z6＝ 105。
则各传动 实际传动比 为：
53.754.97 1 0
4
nnnni
c
r
2
1
1
72 3,1 3
23
zi
z
4
2
3
109 4,5 4
24
zi
z
6
3
5
105 5,5 3
19
zi
z
实际总传动比为
i = i1 i2 i3 = 3.13× 4.54× 5.53 = 78.58
未超过传动比误差要求,所选参数可用 。
传动比误差为：
%0.453.75 58.7853.75 i iii
机械传动系统方案设计实例分析
5,计算各轴转速
5 0,0 r / m i nr / m i n
54.4
8.226
2 2 6,8 r / m i nr / m i n
13.3
710
n
r / m i n710
2
2
3
1
1
2
1
i
n
n
i
n
nn
r
9,0 r / m i nr / m i n53.5 0.50
3
3
4 i
nn
6,计算各轴功率取电动机的额定功率 Pe为设计功率,求得各轴输入功率：
2,4 9 k WkW98.096.065.2
2,6 5 k WkW98.097.079.2
2,7 9 k WkW98.096.097.2
2,9 7 k WkW99.03
5434
5323
5212
11
PP
PP
PP
PP e
机械传动系统方案设计实例分析
7,各轴转矩
mmN102 6 4mmN
9
49.2
1055.91055.9
mmN106.50mmN
0.50
65.2
1055.91055.9
mmN107.11mmN
8.2 2 6
79.2
1055.91055.9
mmN103,9 9mmN
7 1 0
97.2
1055.91055.9
46
4
46
4
46
3
36
3
46
2
26
2
46
1
16
1
n
P
T
n
P
T
n
P
T
n
P
T
原动机的机械特性和工作机的负载特性原动机的选择
§ 29.5 原动机的选择原动机的种类很多,按使用能源的形式,可分为一次原动机和二次原动机两大类 。
一次原动机使用自然界能源,直接将自然界能源转变为机械能,如内燃机,风力机,水轮机等；
二次原动机将电能,介质动力,压力能转变为机械能,
如电动机,液压马达等 。
原动机的选择原动机的机械特性和工作机的负载特性一,原动机的机械特性原动机的机械特性一般用输出转矩 T（ 或功率 P） 与转速 n
的关系曲线,即 T = f (n)或 P = f (n)曲线表示 。
一次原动机的机械特性、特点和应用类别 工业汽轮机 汽油机 柴油机 燃气轮机机械特性 图① 图② 图③ 图④
功率范围
/kW
小型
100~1000
大型
10000~5000
四冲程
1.0~260
二冲程
0.6~110 3.5~38000 35~25000
特点启动转矩大,转速高,变速范围较大,
运转平稳,寿命长设备复杂,制造技术要求高,初始成本高中型汽轮机的效率在大型和小型之间结构紧凑,质量轻,
便于移动,转速高
（ 四 冲 程 达
5000r/min,二 冲 程可 8000r/min ）,能很快启动达到满载运转燃料价高,易燃,
废气会造成大气污染工作可靠,
寿命长,维护简便,运转 费 用 低,
燃料较安全初始成本较高,废 气 会造 成 大 气 污染结构紧凑,质量轻,启动快而转矩大,运转平稳,
用水少,可用廉价燃油,维护简便设备较复杂,制造技术要求高,
初始成本高,燃料消耗较大,小尺寸燃气轮机尤甚应用适用于大功率高速驱动,如压缩机,泵和风机多用于汽车 应用很广,如各种车辆,船舶,农业机械,
挖掘机,压缩机用于大功率高速驱动,如机车,飞机,原油输送,发电各类电动机主要性能的比较电动机类别 交 流 电 动 机 直 流 电 动 机异 步 同 步 并 励 串 励机械特性 图 图 图 图功率范围 /kW 0.3～ 5000 200～ 10000 0.3～ 5500 1.37～ 650
转速范围
/r?mm?1
500～ 3000 150～ 3000 250～ 3000 370～ 2400
特点笼型 绕线型 恒转速，功率因数可调节；
需供励磁的直流电机，价格贵。可采用变频电源进行无级调速调速性能好，
能适应各种载荷特性；
价格较贵，
维护复杂，
并需要直流电源启动转矩大，
自适应性好，
过载能力强；
价格贵，维护复杂，需有直流电源结构简单，工作可靠，维护容易，
价格低廉；满载时效率和功率因数高；
但启动和调速性能差，轻载时，功率因数低变极数可以多级变速；有变频电源时，可以无级高速启动转矩大，启动时功率因数高；在转子回路中增减外电阻可改变其滑差率，可在最大转矩时调速但调节器范围小，维护较麻烦，
价格稍贵应用通常用于载荷平稳、
不调速、长期工作的机器，如水泵、
金属切削机床、起重运输机械、矿山机械载荷周期变化、启制动次数较多、小范围调速的机器，
如轧钢机主传动、
提升机通常用于不调速的低速、重载和大功率机器，特别是需要功率因数补偿的场合，
如水泥磨机，鼓风机用于要求调速范围大、交流电动机调速不能满足要求时，
如重型机床需要启动转矩大、恒功率调速的机器，如电力机车、电车、起重机利用变频器对交流电动机进行调速,变频器可以看作一个频率可调的交流电源,因此 对于现有的作恒转速运转的异步电动机,只需要在电源和电动机之间接入变频器和相应设备,就可以实现调速控制,而无需对电动机和系统本身进行大的改造 。
通用型变频器的调速范围可达 1:10以上；高性能的矢量控制变频器的调速范围可达 1:1000。
变频调速异步电动机 既保持了异步电动机械特性硬的特点,并具有高精度的调速性能 。
原动机的选择二,工作机的负载特性代表工作机工况最重要的特性是载荷 （ 包括功率 P,转矩 T
和力 F） 与速度 （ 包括转速 n和线速度 v） 之间的关系 — n－ T
特性,这也是讨论原动机,传动装臵与工作机匹配的基本依据 。
工作机的转速 — 转矩 （ 转速 — 功率 ） 特性,主要有四种,
即 恒转矩载荷,恒功率载荷,平方降转矩载荷和恒转速载荷 。
原动机的选择
1 恒转矩载荷恒转矩载荷的 n— T特性工作机的速度无论如何变化,
其稳定状态下的载荷转矩大体上是一个定值如下图所示 。
恒转矩特性的载荷消耗的能量与转速 n成正比 。 例如：传送带,
搅拌机,挤压成型机和起重机等 。
原动机的选择
2 恒功率载荷某些机械,其工作功率为定值而与转速无关,其机械性如图所示 。 例如：机床的端面切削,纺织机械和轧钢设备中的卷取机构 。 恒功率载荷的 n— T特性
3 平方降转矩载荷风扇,通风机,离心式水泵和船舶螺旋浆等流体机械,在低速时由于流体的流速低,所以载荷
（ 阻力矩 ） 较小 。 当转速增高时,
载荷迅速增大,其载荷 （ 转矩 ）
与转速的平方成正比,其机械特性如图所示 。 具有这种机械特性的机器,其消耗的功率正比于转速的三次方 。
平方降转矩载荷的 n— T特性原动机的选择
4 恒转速载荷对于交流发电机一类的机器,
尽管载荷发生变化,但其转速基本保持不变,这就是恒转速载荷特性,如图所示 。 恒转速载荷的 n— T特性此外,在带有连杆机构的工作机中,如曲柄压力机,活塞式空气压缩机等,其载荷转矩 T与转角?或行程 S之间存在一定的函数关系,可表示成 T = f (?)或 T = f (s)。
原动机的选择三,机械系统稳定运行的条件工作机运行时,原动机的机械特性和工作机的负载转矩特性是同时存在的,为了分析机械系统的运行情况,可把原动机的机械特性与工作机的负载转矩特性画在同一坐标图上,进行分析 。
1,原动机和工作机的工作点在设计传动系统时,为求出原动机和工作机的工作点,
需知原动机的机械特性和工作机的负载特性 。
曲线 2,工作机的负载特性曲线曲线 1,原动机 （ 例如柴油机 ）
的机械特性曲线,
曲线 3,根据原动机的机械特性曲线和传动装臵的参数绘制的原动机与传动装臵共同的工作特性曲线 。
原动机的选择
A点 —— 工作机的最佳工作点；
N点 —— 原动机的额定工作点；
N?点 —— 传动装臵的传动比；
B点 —— 曲线 3与曲线 2之交点,在这种匹配条件下工作机的实际工作点 。 其实际转速将为 n2,转矩为 T2。
原动机与工作机的工作点将 B点换算到曲线 1上的点 C,便是原动机实际工作点
（ n1=in2,T1 = T2/i?） 。
2,工作点的稳定性原动机和工作机工作点的稳定性,是指原动机或工作机受到微小干扰时,能在原工作点的邻近建立新的工作点而不产生过大的偏移 。
原动机的选择工作点的稳定性曲线 3是柴油机和传动装臵的共同工作特征曲线,
曲线 2是起重机 （ 恒转矩 ）
的载荷特征曲线 。
在最大转矩点 A右侧的工作点 （ 如 B） 是稳定的,而左侧的 （ 如 C） 是不稳定的 。
负载特性曲线 2和 2?是抛物线型的,这时 工作点无论在最大转矩点 A的左侧
（ 点 C） 还是右侧 （ 点 B）,
都将是稳定的 。
原动机的选择一,选择原则原动机的选择
1,满足工作环境对原动机的要求 。 如能源供应,降低噪声和环境保护等要求 。
2,原动机的机械特性和工作制度应与机械系统的负载特性
（ 包括功率,转矩,转速等 ） 相匹配,以保证机械系统有稳定的运行状态 。
3,满足工作机启动,制动,过载能力和发热的要求 。
4.满足机械系统整体布臵的需要 。
5,具有较高的性能价格比,运行可靠,经济性指标合理 。
原动机的选择二,选择步骤
1,确定机械系统的负载特性机械系统的负载由工作负载和非工作负载组成 。
工作负载 可根据机械系统的功能由执行机构或构件的运动和受力求得；
非工作负载 指机械系统所有额外消耗,如机械内部的摩擦消耗,辅助装臵的消耗 （ 如润滑系统,冷却系统的消耗 ） 等 。
原动机的选择
2,确定工作机的工作制度工作机的 工作制度,指工作负载随执行系统的工艺要求而变化的规律 。
工作制度 包括长期工作制,短期工作制和断续工作制三大类,常用载荷 — 时间曲线表示 。 有恒载和变载,断续和连续运行,长期和短期运行等形式 。
GB755-2000,旋转电机基本技术要求,将电机的工作制度分为 9种,以 S1— S9表示,分别对应于工作机的不同工作制度 。
连续工作制 —— S1
短期工作制 —— S2
断续周期工作制 S3 ……
原动机的选择
3,选择原动机的类型
首先应考虑能源供应及环境要求,选择确定原动机的种类
再根据驱动效率,运动精度,负载大小,过载能力,调速要求,外形尺寸等因素,
综合考虑工作机的工况和原动机的特点,具体分析,以选得合适的类型 。
电动机有较高的驱动效率和运动精度,其类型和型号繁多,能满足不同类型工作机的要求,而且还具有良好的调速,启动和反向功能,因此可作为首选类型对于野外作业和移动作业时,宜选用内燃机 。
原动机的选择
4,选择原动机的转速可根据工作机的调速范围和传动系统的结构和性能要求来选择 。
转速选择过高,导致传动系统传动比增大,结构复杂,效率降低；
转速选择过低,则原动机本身结构增大,价格较高 。
一般原动机的转速范围可由工作机的转速乘以传动系统的常见总传动比得出 。
原动机的选择
5,确定原动机的容量原动机的容量通常用功率表示 。 在确定了原动机的转速后,可由工作机的负载功率 （ 或转矩 ） 和工作制来确定原动机的额定功率 。 机械系统所需原动机功率 Pd可表示为
()gfd
ij
PPPk
Pd是工作机的工作制度与原动机工作制度相同前提下所需的 原动机额定功率 。
原动机的选择工作机所需功率各辅助系统所需的功率从工作机经传动系统到原动机的效率从各辅助装臵经传动系统到原动机的效率考虑过载或功耗波动的余量因数,一般取 1.1～ 1.3。
传动系统的功能和分类
机械传动系统的组成及常用部件
机械传动系统方案设计
机械传动系统特性及其参数计算
机械传动系统方案设计实例分析
原动机的选择传动系统的功能机械传动的分类和特点
§ 29.1 传动系统的功能和分类传动系统是连接原动机和执行系统的中间装臵 。 其根本任务 是将原动机的运动和动力按执行系统的需要进行转换并传递给执行系统 。 传动系统的具体功能通常包括以下几个方面：
（ 1） 减速或增速；
（ 2） 变速；
（ 3） 增大转矩；
（ 4） 改变运动形式；
（ 5） 分配运动和动力；
（ 6） 实现某些操纵和控制功能 。
传动系统的功能和分类传动系统的功能一、机械传动的分类
1,按传动的工作原理分类机械传动啮合传动摩擦传动有中间挠性件齿轮传动蜗杆传动螺旋传动齿轮系传动定轴轮系传动周转轮系传动链传动同步带传动普通带传动绳传动摩擦轮传动传动系统的功能和分类传动系统的分类和特点
2,按传动比的可变性分类机械传动定传动比传动齿轮传动蜗杆传动螺旋传动链传动带传动有级变速传动变传动比传动 无级变速传动摩擦轮无级变速传动带式无级变速传动链式无级变速传动传动系统的功能和分类二、机械传动的特点啮合传动的主要特点为：
优点,工作可靠、寿命长，传动比准确、传递功率大，
效率高（蜗杆传动除外），速度范围广。
缺点,对加工制造安装的精度要求较高。
摩擦传动的主要特点为：
优点,工作平稳、噪声低、结构简单、造价低，具有过载保护能力缺点,外廓尺寸较大、传动比不准确、传动效率较低、
元件寿命较短传动系统的功能和分类传动系统的组成常用机械传动部件
§ 29.２ 机械传动系统的组成及常用部件
1,减速或变速装臵
2,起停换向装臵
3,制动装臵
4,安全保护装臵常用机械传动部件
1,减速器减速器是用于减速传动的独立部件,它由刚性箱体,齿轮和蜗杆等传动副及若干附件组成 。
传动系统的组成及常用部件传动系统的组成类型 传动简图 传动比 特点及应用圆柱齿轮减速器单级图 1
调质齿轮：
i?7.1
淬硬齿轮：
i?6.3
（ 较佳：
i?5.6）
应用广泛,结构简单 。 齿轮可用直齿,斜齿或人字齿 。
可用于低速轻载,也可用于高速重载两级展开式图 2
调质齿轮：
i=7.1~50
淬硬齿轮：
i=7.1~31.5
（ 较佳：
i=7.1～ 20）
应用广泛,结构简单,高速级常用斜齿 。 齿轮相对轴承不对称,齿向载荷分布不均,故要求高速级小齿轮远离输入端,轴应有较大刚性两级同轴式图 3
调质齿轮：
i=7.1~50
淬硬齿轮：
i=7.1~31.5
（ 较佳：
i=7.1～ 20）
箱体长度较小,但轴向尺寸较大 。 输入输出轴同轴线,
布臵较合理 。 中间轴较长,
刚性差,齿向载荷分布不均,
且高速级齿轮承载能力难于充分利用两级分流式图 4
调质齿轮：
i=7.1~50
淬硬齿轮：
i=7.1~31.5
（ 较佳：
i=7.1～ 20）
高速级常用斜齿,一侧左旋,一侧右旋 。 齿轮对称布臵,齿向载荷分布均匀,两轴承受载均匀 。 结构复杂,
常用于大功率变载荷场合类型 传动简图 传动比 特点及应用锥齿轮减速器图 5
直齿,i≤ 5
斜齿,曲线齿,i≤ 8
用于输出轴和输入轴两轴线垂直相交的场合 。 为保证两齿轮有准确的相对位臵,
应有进行调整的结构 。 齿轮难于精加工,仅在传动布臵需要时采用圆锥圆柱齿轮减速器图 6
直齿：
i=6.3~31.5
斜齿,曲线齿,i=8~40
应用场合与单级圆锥齿轮减速器相同 。 锥齿轮在高速级,可减小锥齿轮尺寸,避免加工困难；小锥齿轮轴常悬臂布臵,在高速级可减小其受力蜗杆减速器图 7
i=8~80
大传动比时结构紧凑,外廓尺寸小,效率较低 。 下臵蜗杆时润滑条件好,应优先采用,但当蜗杆速度太高时
（ v?5m/s）,搅油损失大 。
上臵蜗杆式轴承润滑不便蜗杆 — 齿轮减速器图 8
i=15~480 有蜗杆传动在高速级和齿轮传动在高速级两种形式 。
前者效率较高,后者应用较少类型 传动简图 传动比 特点及应用行星齿轮减速器图 5
i=2.8~12.5
传动型式有多种,NGW型体积小,
重量轻,承载能力大,效率高
（ 单级可达 0.97～ 0.99）,工作平稳 。 比普通圆柱齿轮减速器体积和重量减少 50%,效率提高 30%。
但制造精度要求高,结构复杂摆线针轮行星减速器图 6
直齿：
单级：
i=11~87
传动比大,效率较高 （ 0.9～
0.95）,运转平稳,噪声低,体积小,重量轻 。 过载和抗冲击能力强,寿命长 。 加工难度大,工艺复杂谐波减速器图 7
单级：
i=50~500 传动比大,同时参与啮合齿数多,承载能力高 。 体积小,重量轻,效率 0.65～ 0.9,传动平稳,
噪音小 。 制造工艺复杂
2,有级变速装臵
（ 1）有级变速装臵
（ 2）交换齿轮变速装臵
（ 3）离合器变速装臵
（ 4）塔形带轮变速装臵传动系统的组成及常用部件
3,无级变速装臵机械传动系统方案设计的过程和基本要求机械传动类型的选择传动系统的总体布置传动比的分配
§ 29.３ 机械传动系统方案设计
1.方案设计的一般步骤机器的执行系统方案设计和原动机的预选型完成后,即可进行传动系统的方案设计 。 设计的一般步骤如下：
确定传动系统的总传动比 。
选择传动的类型,拟定总体布臵方案并绘制传动系统的运动简图 。
分配传动比 。 即根据传动布臵方案,将总传动比向各级传动进行合理分配 。
计算传动系统的性能参数,包括各级传动的功率,转速,
效率,转矩等性能参数 。
通过强度设计和几何计算,确定各级传动的基本参数和主要几何尺寸,如齿轮传动的中心距,齿数,模数,齿宽等 。
机械传动系统方案设计机械传动系统方案设计的过程和基本要求
2.方案设计的基本要求传动方案的设计是一项复杂的工作,需要综合运用多种知识和实践经验,进行多方案分析比较,才能设计出较为合理的方案 。 通常设计方案应满足以下基本要求：
1） 传动系统应满足机器的功能要求,而且性能优良；
2） 传动效率高；
3） 结构简单紧凑,占用空间小；
4） 便于操作,安全可靠；
5） 可制造性好,加工成本低；
6） 维修性好；
7） 不污染环境 。
机械传动系统方案设计选择机械传动类型时,可参考以下原则：
1,与原动机和工作机相互匹配；
2,满足功率和速度的范围要求；
3,考虑传动比的准确性及合理范围；
4,考虑结构布臵和外廓尺寸的要求；
5,考虑机器质量；
6,经济性因素 。
机械传动类型的选择机械传动系统方案设计传动系统的总体布置
1,传动路线的确定传动路线的型式串联单流传动 并联分流传动 并联汇流传动 混合传动注,□ — 原动机； ○ — 传动；?— 执行机构 。
机械传动系统方案设计
2,传动顺序的安排传动顺序通常按以下原则考虑 。
1） 斜齿轮与直齿轮传动 —— 斜齿轮传动应放在高速级 ；
2） 圆锥齿轮与圆柱齿轮传动 —— 圆锥齿轮应放在高速级 ；
3） 闭式和开式齿轮传动 —— 闭式齿轮传动应放在高速级 。
4） 链传动 —— 应放在传动系统的 低速级 ；
5） 带传动 —— 应放在传动系统的 高速级 ；
6） 适宜放在传动系统的低速级的传动或机构 —— 对改变运动形式的传动或机构,如齿轮齿条传动,螺旋传动,连杆机构及凸轮机构等一般布臵在 传动链的末端,使其靠近执行机构 。
7） 有级变速传动与定传动比传动 —— 有级变速传动应放在 高速级；
机械传动系统方案设计
8） 蜗杆传动与齿轮传动 —— 若蜗轮材料为锡青铜,为提高传动效率,则应将蜗杆传动臵于高速级；
—— 当蜗轮材料为无锡青铜或铸铁等材料时,因其允许的齿面滑动速度较低,为防止齿面胶合或严重磨损,蜗杆传动应臵于低速级 。
此外,在布臵各传动的顺序时,还应考虑传动件的寿命,维护的方便程度,操作人员的安全性以及传动件对产品的污染等因素 。
机械传动系统方案设计传动比的分配分配传动比时应注意以下几点：
1） 通常不应超过各种传动的推荐传动比；
2） 分配传动比应注意使各传动件尺寸协调,结构匀称,
避免发生相互干涉 。
机械传动系统方案设计
3）对于多级减速传动，可按照,前小后大,（即由高速级向低速级逐渐增大）的原则分配传动比，且相邻两级差值不要过大。
4）在多级齿轮减速传动中，低速级传动比小些，有利于减小外廓尺寸和质量；
5） 在采用溅油润滑方式时,分配传动比要考虑传动件的浸油条件 。
展开式或分流式二级圆柱齿轮减速器,其高速级传动比 i1和低速级传动比 i2的关系通常取
i1 = (1.2～ 1.3) i2
分配圆锥－圆柱齿轮减速器的传动比时,通常取锥齿轮传动比 i1≈0.25i（ i为总传动比 ）,一般 i1≤3.55。
6） 在蜗杆 — 齿轮传动中,将齿轮传动放在高速级时,可得到较高的传动精度 。
7） 对于要求传动平稳,频繁起停和动态性能较好的多级齿轮传动,可按照转动惯量最小的原则设计 。
机械传动系统方案设计机械传动系统的特性包括运动特性和动力特性 。 运动特性如转速,传动比和变速范围等；动力特性如功率,转矩,效率及变矩系数等 。
1,传动比对于串联式单流传动系统,当传递回转运动时,其总传动比 i为
k
c
r iii
n
ni?
21
nr为原动机的转速或传动系统的输入转速 （ r/min） ；
i>1时为减速传动,i<1时为增速传动 。
§ 29.４ 机械传动系统的特性及其参数计算
i1,i2…… ik为系统中各级传动的传动比 。
nc 为 传 动 系 统 的 输 出 转 速
（ r/min） ；
在各级传动的设计计算完成后,由于多种因素的影响,系统的实际总传动比 i常与预定值 i?不完全相符,其相对误差?i
可表示为
%i iir i
机械传动系统的特性及其参数设计系统的传动比相对误差传动系统中,任一传动轴的转速 ni可由下式计算：
21ii
nn r
i?
2,转速和变速范围从系统的输入轴到该轴之间各级传动比的连乘积。
有级变速传动装臵中，当输入轴的转速 nr一定时，经变速传动后，若输出轴可得到 z种转速，并由小到大依次为 n1、
n2,…,nz,则 z称为 变速级数,最高转速与最低转速之比称为 变速范围,用 Rn表示，即
m i n
m a x
1 i
i
n
nR z
n
z
rr
n
ni
n
ni
m i n
1
m a x,
机械传动系统的特性及其参数设计输出转速常采用等比数列分布,且任意两相邻转速之比为一常数,称为 转速公比,用符号?表示,即
12
3
1
2
z
z
n
n
n
n
n
nΦ?
公比?一般按标准值选取,常用值为 1.06,1.12,1.36、
1.41,1.58,1.78,2.00。
变速范围 Rn,变速级数 z和公比?之间的关系为：
变速级数越多,变速装臵的功能越强,但结构也越复杂 。
在齿轮变速器中,常用的滑移齿轮是双联或三联,所以通常 变速级数取为 2或 3的倍数 。
1
12
3
1
2
1
z
z
zz
n Φn
n
n
n
n
n
n
nR?
机械传动系统的特性及其参数设计各种机械传动及传动部件的效率值可在设计手册中查到。
在一个传动系统中，设各传动及传动部件的效率分别为?1、
2,…?n，串联式单流传动系统的总效率?为
=?1?2 …?n
3,机械效率机械传动系统的特性及其参数设计机器执行机构的输出功率 P?可由负载参数 （ 力或力矩 ）
及运动参数 （ 线速度或转速 ） 求出,设执行机构的效率为
,则传动系统的输入功率或原动机的所需功率为
PP
r?
原动机的额定功率 Pe应满足 Pe≥Pr，
由此可确定 Pe值 。
4,功率设计各级传动时,常以传动件所在轴的输入功率 Pi为计算依据,若从原动机至该轴之前各传动及传动部件的效率分别为?1,?2,…?i,则有
Pi = P1?2 …?i
机械传动系统的特性及其参数设计设计功率
对于批量生产的通用产品，为充分发挥原动机的工作能力，应以原动机的额定功率为设计功率，即取 P?＝ Pe；
对于专用的单台产品，为减小传动件的尺寸，降低成本，
常以原动机的所需功率为计算功率，即取 P?＝ Pr。
5,转矩和变矩系数传动系统中任一传动轴的输入转矩 Ti（ N?mm） 可由下式求出：
i
i
i n
PT 61055.9
机械传动系统的特性及其参数设计该轴的输入功率 （ kW）
该轴的转速 （ r/min） 。
传动系统的输出转矩 Tc与输入转矩 Tr之比称为变矩系数,
用 K表示,由上式可得：
inP nPTTK
cr
rc
r
c
传动系统的输出功率水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择肥皂压花机的传动路线及传动比的分配运输机传动系统特性参数计算
§ 29.５ 机械传动系统方案设计实例机械传动系统方案设计实例分析水泥管磨机传动型式及总体布置方案选择水泥管磨机属于连续运转的低速大功率设备,主传动系统应尽量减少传动级数,提高效率和降低运行费用 。
主要特点是,
1） 转速低,转速,10~40r/min
2） 功率,× 10~103 kW
3） 起动力矩大,连续运转,载荷平稳,露天工作方案选择原则：
1） 总传动比不宜过大,可选用同步转速为 750r/min的电动机,这样,系统的总传动比约为 75～ 18,故安排 2～ 3
级传动较为合理 。
3） 对于小型磨机,耗电量不大,应主要考虑降低初始费用,中型磨机应兼顾初始费用和运行费用 。
2） 选用机械效率较高的传动类型,如齿轮传动等 。 蜗杆传动虽可实现大传动比,但效率较低,不适合于连续运转的大功率机械；由于露天工作,环境多尘,采用链传动必须很好地密封与润滑,否则会加速磨损,降低传动效率；
摆线针轮传动,谐波传动的效率较齿轮低；不应优先考虑 。
机械传动系统方案设计实例分析几种管磨机主要传动系统方案的特点 。
特点：
1）结构简单、初始费用低。
2）带传动和开式齿轮传动效率不高，而且带传动的承载能力也受带型和根数的限制。
适用于小功率,要求初始费用低的磨机 。
1,带传动 -齿轮传动串联式单流传动系统方案机械传动系统方案设计实例分析
2,齿轮传动 — 齿轮传动串联式单流传动系统方案特点：
1） 效率高,寿命长,外廓尺寸小
2） 初始费用较高该方案适用于中型磨机 。
机械传动系统方案设计实例分析
3,并联式汇流传动系统方案特点：
1） 因齿轮啮合时产生的切向力和径向力分别平衡而降低了磨筒轴承的载荷 。
2） 初始费用比第 2方案低 。
该方案适用于中型磨机 。
特点：
1） 闭式传动,齿轮和轴承受力状态较好,效率高
2） 齿轮加工精度要求高,结构较复杂 。
该方案适用于大型磨机 。
4,中心驱动式单流传动系统方案机械传动系统方案设计实例分析特点：
1） 传动系统为双路驱动,具备第 3和第 4方案传动功率大,
尺寸小,质量轻以及效率高的优点；
2） 齿轮加工精度要求高,结构较复杂 。 大型或超大型磨机采用的中心驱动,多路并联方式,为保证各路传动的同步和均载,需增加辅助设备 。
该方案适用于大型和超大型磨机 。
5,中心驱动式并联汇流传动系统方案机械传动系统方案设计实例分析特点：
1） 该方案占地面积小,维护简单
2） 但电机等电器装臵的初始费用很高 。 同等功率时,单位产量所需总费用比机械传动方 案约高
（ 29～ 50） %。
6,低速电动机直接驱动方案机械传动系统方案设计实例分析工作条件：
电动机转速 n1=1450r/min，
工作频率 f=501/min，
传动比误差 r=± 2%。
机械传动系统的机构简图肥皂压花机的传动路线及传动比的分配机械传动系统方案设计实例分析肥皂块压花和出料工艺推杆 11 压模工位下模具 7上移完成压花工艺上模具 8
固定 凸轮机构
13的顶杆将皂块推出肥皂块 12
肥皂块 12
机械传动系统方案设计实例分析一,传动路线分析
该机包括三套执行机构,分别完成规定动作,并连续协调工作：
曲柄滑块机构 11完成皂块送进,六杆机构 6完成模具的往复移动,凸轮机构 13完成成品移出 。
整机共用一个电动机 。 因执行机构工作频率较低,故需采用减速传动装臵 。
减速装臵为三套执行机构公用,由 V带传动和两级齿轮传动组成 。
带传动适宜高速级工作,故安排在第一级,并兼有安全保护功能 。 当机器要求具有调速功能时,可将带传动改为带式无级变速传动 。
机械传动系统方案设计实例分析
链传动 9是为实现较大距离的传动而设臵的。
锥齿轮传动用于改变传动方向。
该机的传动系统为三路并联分流传动，其中模具的往复运动路线为主传动链，皂块送进和送出为辅助传动链。
机械传动系统方案设计实例分析电动机
1
带传动
2
二级齿轮减速器 3
离合器
4
锥齿轮传动 5
六杆机构
6
下模具往复移动 7
链传动
9
曲柄滑块机构
11
锥齿轮传动
10
皂块送进
12
凸轮机构
13
成品送出
14
肥皂压花机传动路线图机械传动系统方案设计实例分析二,传动比分配
1,主传动链 （ 电动机 → 模具往复移动 ）
锥齿轮传动暂定传动比为 1。 每压制一块肥皂,六杆机构带动下模具完成一运动循环,分配轴 Ⅰ 应转一周,故轴
Ⅰ 的 转 速 为 nⅠ ＝ 50r/min。 因 已 知 电 动 机 转 速 nd ＝
1450r/min,由此可知,该传动链总传动比的预定值为
29501 4 5 0
I
n
ni d
总设带传动及二级齿轮减速器中高速级和低速级齿轮传动的传动比分别为 i1,i2,i3,取 i1＝ 2.5,则减速器的总传动比为 29/2.5 = 11.6,两级齿轮传动平均传动比为 3.4。
机械传动系统方案设计实例分析主传动链的实际总传动比
0 9 5.321657 3 9.32386 32
c
d
a
b
z
zi
z
zi
2 9 2 8,9 3 0,2 4 % 2 %
29
iirr
i
总 总总选取各轮齿数 za= 23,zb = 86,zc = 21,zd = 65。
i总 = i1 i2 i3=2.5× 3.739× 3.095 = 28.93
传动比误差实际传动比从润滑条件出发,按二级展开式圆柱齿轮减速器传动比分配公式,取 i?2＝ 1.2i?3,则由 i?2 i?3＝ 11.6可求得 i?2＝ 3.73,i?3＝ 3.11。
机械传动系统方案设计实例分析
2,辅助传动链皂块送进和成品移位运动的工作频率应与模具往复运动频率相同,即在一个运动周期内,三套执行机构各完成一次运动循环,即送进 → 压花 → 移位 。 因此分配轴 Ⅱ 必须与分配轴 Ⅰ 同步,即 nⅡ ＝ nⅠ,故链传动 9和锥齿轮传动 10的传动比均应为 1。
主传动链的实际总传动比为：
2 9 2 8,9 3 0,2 4 % 2 %
29
iirr
i
总 总总机械传动系统方案设计实例分析运输机传动系统特性参数计算机械传动系统方案设计实例分析负载总阻力 F＝ 6200N，
曳引链速度 v＝ 0.3m/s，
节距 p＝ 160mm，
驱动链轮齿数 z＝ 12。
板式运输机传动系统传动方案已预分配 各级传动比 为：
锥齿轮传动 i1＝ 3，
圆柱齿轮传动 i2＝ 4.5，
链传动 i3＝ 6。
电动机同步转速 nd=750r/min。 曳引链速度允许误差 r=± 5%。
以下为该传动系统选择电动机型号,并计算各轴的运动和动力特性参数 。
1,计算执行机构主轴 （ Ⅳ 轴 ） 转速和功率
16012
10603.0 3
4?
zp
vn r/min = 9.4 r/min
执行机构主轴的输出功率 P?为
kW = 1.86kW
1000
3.06200
1000
FvP
机械传动系统方案设计实例分析
2,求传动系统总效率和电动机功率联轴器效率?1＝ 0.99,锥齿轮传动效率?2＝ 0.96，
圆柱齿轮传动效率?3＝ 0.97,链传动效率?4＝ 0.96，
减速器滚动轴承效率?5＝ 0.98,Ⅳ 轴为滑动轴承效率?6＝
0.97,传动系统的 总效率 为需要电动机输出的功率为
808.0
97.098.096.097.096.099.0 36354321
kW = 2.3kW
808.0
86.1
PP
r
机械传动系统方案设计实例分析
3,选择电动机根据运输机设计要求,电动机功率应有 20%左右的裕度,由手册查得,可选用 YEJ 132M-8型电动机,额定功率 Pe＝ 3kW，
满载转速 n＝ 710r/min。
机械传动系统方案设计实例分析
4,计算总传动比及各级传动比系统的总传动比由齿数条件,确定各轮齿数分别为：锥齿轮 z1＝ 23,z2＝ 72。
圆柱齿轮 z3＝ 24,z4＝ 109,滚子链 z5＝ 19,z6＝ 105。
则各传动 实际传动比 为：
53.754.97 1 0
4
nnnni
c
r
2
1
1
72 3,1 3
23
zi
z
4
2
3
109 4,5 4
24
zi
z
6
3
5
105 5,5 3
19
zi
z
实际总传动比为
i = i1 i2 i3 = 3.13× 4.54× 5.53 = 78.58
未超过传动比误差要求,所选参数可用 。
传动比误差为：
%0.453.75 58.7853.75 i iii
机械传动系统方案设计实例分析
5,计算各轴转速
5 0,0 r / m i nr / m i n
54.4
8.226
2 2 6,8 r / m i nr / m i n
13.3
710
n
r / m i n710
2
2
3
1
1
2
1
i
n
n
i
n
nn
r
9,0 r / m i nr / m i n53.5 0.50
3
3
4 i
nn
6,计算各轴功率取电动机的额定功率 Pe为设计功率,求得各轴输入功率：
2,4 9 k WkW98.096.065.2
2,6 5 k WkW98.097.079.2
2,7 9 k WkW98.096.097.2
2,9 7 k WkW99.03
5434
5323
5212
11
PP
PP
PP
PP e
机械传动系统方案设计实例分析
7,各轴转矩
mmN102 6 4mmN
9
49.2
1055.91055.9
mmN106.50mmN
0.50
65.2
1055.91055.9
mmN107.11mmN
8.2 2 6
79.2
1055.91055.9
mmN103,9 9mmN
7 1 0
97.2
1055.91055.9
46
4
46
4
46
3
36
3
46
2
26
2
46
1
16
1
n
P
T
n
P
T
n
P
T
n
P
T
原动机的机械特性和工作机的负载特性原动机的选择
§ 29.5 原动机的选择原动机的种类很多,按使用能源的形式,可分为一次原动机和二次原动机两大类 。
一次原动机使用自然界能源,直接将自然界能源转变为机械能,如内燃机,风力机,水轮机等；
二次原动机将电能,介质动力,压力能转变为机械能,
如电动机,液压马达等 。
原动机的选择原动机的机械特性和工作机的负载特性一,原动机的机械特性原动机的机械特性一般用输出转矩 T（ 或功率 P） 与转速 n
的关系曲线,即 T = f (n)或 P = f (n)曲线表示 。
一次原动机的机械特性、特点和应用类别 工业汽轮机 汽油机 柴油机 燃气轮机机械特性 图① 图② 图③ 图④
功率范围
/kW
小型
100~1000
大型
10000~5000
四冲程
1.0~260
二冲程
0.6~110 3.5~38000 35~25000
特点启动转矩大,转速高,变速范围较大,
运转平稳,寿命长设备复杂,制造技术要求高,初始成本高中型汽轮机的效率在大型和小型之间结构紧凑,质量轻,
便于移动,转速高
（ 四 冲 程 达
5000r/min,二 冲 程可 8000r/min ）,能很快启动达到满载运转燃料价高,易燃,
废气会造成大气污染工作可靠,
寿命长,维护简便,运转 费 用 低,
燃料较安全初始成本较高,废 气 会造 成 大 气 污染结构紧凑,质量轻,启动快而转矩大,运转平稳,
用水少,可用廉价燃油,维护简便设备较复杂,制造技术要求高,
初始成本高,燃料消耗较大,小尺寸燃气轮机尤甚应用适用于大功率高速驱动,如压缩机,泵和风机多用于汽车 应用很广,如各种车辆,船舶,农业机械,
挖掘机,压缩机用于大功率高速驱动,如机车,飞机,原油输送,发电各类电动机主要性能的比较电动机类别 交 流 电 动 机 直 流 电 动 机异 步 同 步 并 励 串 励机械特性 图 图 图 图功率范围 /kW 0.3～ 5000 200～ 10000 0.3～ 5500 1.37～ 650
转速范围
/r?mm?1
500～ 3000 150～ 3000 250～ 3000 370～ 2400
特点笼型 绕线型 恒转速，功率因数可调节；
需供励磁的直流电机，价格贵。可采用变频电源进行无级调速调速性能好，
能适应各种载荷特性；
价格较贵，
维护复杂，
并需要直流电源启动转矩大，
自适应性好，
过载能力强；
价格贵，维护复杂，需有直流电源结构简单，工作可靠，维护容易，
价格低廉；满载时效率和功率因数高；
但启动和调速性能差，轻载时，功率因数低变极数可以多级变速；有变频电源时，可以无级高速启动转矩大，启动时功率因数高；在转子回路中增减外电阻可改变其滑差率，可在最大转矩时调速但调节器范围小，维护较麻烦，
价格稍贵应用通常用于载荷平稳、
不调速、长期工作的机器，如水泵、
金属切削机床、起重运输机械、矿山机械载荷周期变化、启制动次数较多、小范围调速的机器，
如轧钢机主传动、
提升机通常用于不调速的低速、重载和大功率机器，特别是需要功率因数补偿的场合，
如水泥磨机，鼓风机用于要求调速范围大、交流电动机调速不能满足要求时，
如重型机床需要启动转矩大、恒功率调速的机器，如电力机车、电车、起重机利用变频器对交流电动机进行调速,变频器可以看作一个频率可调的交流电源,因此 对于现有的作恒转速运转的异步电动机,只需要在电源和电动机之间接入变频器和相应设备,就可以实现调速控制,而无需对电动机和系统本身进行大的改造 。
通用型变频器的调速范围可达 1:10以上；高性能的矢量控制变频器的调速范围可达 1:1000。
变频调速异步电动机 既保持了异步电动机械特性硬的特点,并具有高精度的调速性能 。
原动机的选择二,工作机的负载特性代表工作机工况最重要的特性是载荷 （ 包括功率 P,转矩 T
和力 F） 与速度 （ 包括转速 n和线速度 v） 之间的关系 — n－ T
特性,这也是讨论原动机,传动装臵与工作机匹配的基本依据 。
工作机的转速 — 转矩 （ 转速 — 功率 ） 特性,主要有四种,
即 恒转矩载荷,恒功率载荷,平方降转矩载荷和恒转速载荷 。
原动机的选择
1 恒转矩载荷恒转矩载荷的 n— T特性工作机的速度无论如何变化,
其稳定状态下的载荷转矩大体上是一个定值如下图所示 。
恒转矩特性的载荷消耗的能量与转速 n成正比 。 例如：传送带,
搅拌机,挤压成型机和起重机等 。
原动机的选择
2 恒功率载荷某些机械,其工作功率为定值而与转速无关,其机械性如图所示 。 例如：机床的端面切削,纺织机械和轧钢设备中的卷取机构 。 恒功率载荷的 n— T特性
3 平方降转矩载荷风扇,通风机,离心式水泵和船舶螺旋浆等流体机械,在低速时由于流体的流速低,所以载荷
（ 阻力矩 ） 较小 。 当转速增高时,
载荷迅速增大,其载荷 （ 转矩 ）
与转速的平方成正比,其机械特性如图所示 。 具有这种机械特性的机器,其消耗的功率正比于转速的三次方 。
平方降转矩载荷的 n— T特性原动机的选择
4 恒转速载荷对于交流发电机一类的机器,
尽管载荷发生变化,但其转速基本保持不变,这就是恒转速载荷特性,如图所示 。 恒转速载荷的 n— T特性此外,在带有连杆机构的工作机中,如曲柄压力机,活塞式空气压缩机等,其载荷转矩 T与转角?或行程 S之间存在一定的函数关系,可表示成 T = f (?)或 T = f (s)。
原动机的选择三,机械系统稳定运行的条件工作机运行时,原动机的机械特性和工作机的负载转矩特性是同时存在的,为了分析机械系统的运行情况,可把原动机的机械特性与工作机的负载转矩特性画在同一坐标图上,进行分析 。
1,原动机和工作机的工作点在设计传动系统时,为求出原动机和工作机的工作点,
需知原动机的机械特性和工作机的负载特性 。
曲线 2,工作机的负载特性曲线曲线 1,原动机 （ 例如柴油机 ）
的机械特性曲线,
曲线 3,根据原动机的机械特性曲线和传动装臵的参数绘制的原动机与传动装臵共同的工作特性曲线 。
原动机的选择
A点 —— 工作机的最佳工作点；
N点 —— 原动机的额定工作点；
N?点 —— 传动装臵的传动比；
B点 —— 曲线 3与曲线 2之交点,在这种匹配条件下工作机的实际工作点 。 其实际转速将为 n2,转矩为 T2。
原动机与工作机的工作点将 B点换算到曲线 1上的点 C,便是原动机实际工作点
（ n1=in2,T1 = T2/i?） 。
2,工作点的稳定性原动机和工作机工作点的稳定性,是指原动机或工作机受到微小干扰时,能在原工作点的邻近建立新的工作点而不产生过大的偏移 。
原动机的选择工作点的稳定性曲线 3是柴油机和传动装臵的共同工作特征曲线,
曲线 2是起重机 （ 恒转矩 ）
的载荷特征曲线 。
在最大转矩点 A右侧的工作点 （ 如 B） 是稳定的,而左侧的 （ 如 C） 是不稳定的 。
负载特性曲线 2和 2?是抛物线型的,这时 工作点无论在最大转矩点 A的左侧
（ 点 C） 还是右侧 （ 点 B）,
都将是稳定的 。
原动机的选择一,选择原则原动机的选择
1,满足工作环境对原动机的要求 。 如能源供应,降低噪声和环境保护等要求 。
2,原动机的机械特性和工作制度应与机械系统的负载特性
（ 包括功率,转矩,转速等 ） 相匹配,以保证机械系统有稳定的运行状态 。
3,满足工作机启动,制动,过载能力和发热的要求 。
4.满足机械系统整体布臵的需要 。
5,具有较高的性能价格比,运行可靠,经济性指标合理 。
原动机的选择二,选择步骤
1,确定机械系统的负载特性机械系统的负载由工作负载和非工作负载组成 。
工作负载 可根据机械系统的功能由执行机构或构件的运动和受力求得；
非工作负载 指机械系统所有额外消耗,如机械内部的摩擦消耗,辅助装臵的消耗 （ 如润滑系统,冷却系统的消耗 ） 等 。
原动机的选择
2,确定工作机的工作制度工作机的 工作制度,指工作负载随执行系统的工艺要求而变化的规律 。
工作制度 包括长期工作制,短期工作制和断续工作制三大类,常用载荷 — 时间曲线表示 。 有恒载和变载,断续和连续运行,长期和短期运行等形式 。
GB755-2000,旋转电机基本技术要求,将电机的工作制度分为 9种,以 S1— S9表示,分别对应于工作机的不同工作制度 。
连续工作制 —— S1
短期工作制 —— S2
断续周期工作制 S3 ……
原动机的选择
3,选择原动机的类型
首先应考虑能源供应及环境要求,选择确定原动机的种类
再根据驱动效率,运动精度,负载大小,过载能力,调速要求,外形尺寸等因素,
综合考虑工作机的工况和原动机的特点,具体分析,以选得合适的类型 。
电动机有较高的驱动效率和运动精度,其类型和型号繁多,能满足不同类型工作机的要求,而且还具有良好的调速,启动和反向功能,因此可作为首选类型对于野外作业和移动作业时,宜选用内燃机 。
原动机的选择
4,选择原动机的转速可根据工作机的调速范围和传动系统的结构和性能要求来选择 。
转速选择过高,导致传动系统传动比增大,结构复杂,效率降低；
转速选择过低,则原动机本身结构增大,价格较高 。
一般原动机的转速范围可由工作机的转速乘以传动系统的常见总传动比得出 。
原动机的选择
5,确定原动机的容量原动机的容量通常用功率表示 。 在确定了原动机的转速后,可由工作机的负载功率 （ 或转矩 ） 和工作制来确定原动机的额定功率 。 机械系统所需原动机功率 Pd可表示为
()gfd
ij
PPPk
Pd是工作机的工作制度与原动机工作制度相同前提下所需的 原动机额定功率 。
原动机的选择工作机所需功率各辅助系统所需的功率从工作机经传动系统到原动机的效率从各辅助装臵经传动系统到原动机的效率考虑过载或功耗波动的余量因数,一般取 1.1～ 1.3。
