机电机械系统设计a.ppt

2 机械传动部件,机电工程系机械工程教研室,2.1 机电一体化对机械传动的要求2.2 同步带传动2.3 齿轮传动2.4 谐波齿轮传动2.5 滚珠螺旋传动,机电一体化系统的构成基础机械构件及其传动部件 控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承件以及传感元件等 部分均与机械部分相关，而最主要的是机械传动部件，导向支承件部件。,机电工程系机械工程教研室,2.1 机电一体化对机械传动的要求,机电工程系机械工程教研室,机电一体化机械系统的特殊要求,机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：（1）较高的定位精度。（2）良好的动态响应特性。响应快、稳定性好。（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。这表明了机械系统部件选择与设计时的特点和要求。,在机电一体化机械系统设计中的主要措施和手段,要达到上述要求，在机电一体化系统机械系统设计中，可采取的主要措施：（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。,机电工程系机械工程教研室,（3）选择合理（最佳）传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力。（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向四区误差。（5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。,机电工程系机械工程教研室,机械传动部件及其主要功能 常用传动部件：螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动，其它非线性传动元件。主要功能：传递力/转矩和速度/转速力/转矩、速度/转速变换器。,机电工程系机械工程教研室,机械传动部件的作用和要求,主要作用或目的使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理（最佳）的匹配。基本要求传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。可按传动部件的用途工作机或信息机的主要功用而确定目标指标和参量。机电一体化机械传动部件的发展方向 精密化，高速化，小型化，轻量化。,机电工程系机械工程教研室,2.2 同步带传动,机电工程系机械工程教研室,综合了带传动、链传动、齿轮传动特点的一种新型传动，如下图示。,发动机正时齿带,一、同步带传动的特点与分类,机电工程系机械工程教研室,1）传动比准确 2）传动效率高，效率可达98%。与V带相比，可节能10%以上。3）传动平稳，能吸收振动，噪声小。4）使用范围广，传动比可达10，且带轮直径比V带小得多，也不需要 大的张紧力，结构紧凑。高速还达50m/s，传递功率达300kW。5）维护保养方便 6）安装要求高。要求二带轮轴线平行。同步带在与二带轮轴线垂直的平面内运行。带轮中心距要求较严格。安装不当易生干涉、爬齿、跳齿等现象。7）带与带轮的制造工艺较复杂，成本受批量影响大。,（一）特点,（二)分类,机电工程系机械工程教研室,1按用途分（1）一般工业用同步带传动 齿形呈梯形。主要用于各种中、小功率机械。（2）高转矩同步带传动 齿形呈圆弧形。主要用于重型机械传动（3）特种规格同步带传动 满足某种机械（如汽车发动机）的特殊需要。（4）特殊用途同步带传动 适应特殊工作条件，如耐油、耐温、高电阻、低噪声、特殊尺寸等。,2按齿形分,机电工程系机械工程教研室,（1）梯形齿 为ISO及我国目前的同步带标准齿形，型号及尺寸参数均已标准化。（2）圆弧齿 目前有各国企业标准。,3按尺寸规格制分,（1）模数制 基本参数是模数m，根据模数确定带的各种型号和结构参数。60所代以来，应用范围逐渐减小。(2)节距制 基本参数是英制带齿节距。根据节距确定相应的型号和结构参数。目前为ISO及我国国家标准。（3）DIN米制节距制 基本参数是公制带齿节距。为德国国家标准,机电工程系机械工程教研室,T型齿工业同步带,圆弧齿工业同步带,本节主要介绍梯形齿节距制同步带传动的我国国家标准,机电工程系机械工程教研室,二、同步带结构和尺寸规格,机电工程系机械工程教研室,国标规定了梯形齿同步带的尺寸规格。同步带型号见下表：,机电工程系机械工程教研室,同步带可根据带齿的分布情况分为：单面齿、对称双面齿（DA型）和交错双面齿（DB型）,机电工程系机械工程教研室,同步带各部分尺寸：长度（以节线长度为公称带长，为节线上齿数与节距的乘积）、宽度。同步带的标号：标号包括长度代号、型号和宽度代号。双面齿带还在标号最前面表示型式代号。,机电工程系机械工程教研室,三、同步带轮尺寸规格,机电工程系机械工程教研室,带轮型号与带相同，按节距分为7种型号 GB11361-89同步带传动带轮的基础上，增加了XXL型而制定的。,机电工程系机械工程教研室,带轮齿形：直线齿形、渐开线齿形带轮齿数：不宜过少。许用最小齿数见规定带轮宽度：带轮直径:带轮的结构带轮的标号 同步带轮的标号由带轮齿数、带的型号和轮宽代号表示。,机电工程系机械工程教研室,机电工程系机械工程教研室,四、同步带传动的设计计算,机电工程系机械工程教研室,（一）失效形式和设计准则 同步带传动主要失效形式有：（1）承载绳断裂 原因是：带型号过小和小带轮直径过小等。（2）爬齿和跳齿 原因是：同步带传递的圆周力过大、带与带轮间的节距差值过大、带的初拉力过小等。（3）带齿的磨损 原因是：带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力过大等。（4）其他失效方式 带和带轮的制造安装误差引起的带侧棱边磨损、带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏、同步带背的龟裂、承载绳抽出和包布层脱落等。,机电工程系机械工程教研室,（二）同步带传动的设计计算,设计同步带传动的已知条件为：需要传递的名义功率；主、从动轮的转速或传动比i；传动部件的用途、工作条件和安装位置。设计步骤如下：,设计准则,根据齿形带的强度准则进行，限制齿形带单位宽度的拉力，防止强力层的疲劳破坏、断裂以及节距改变而爬齿等。,1确定带的设计功率Pd 同步带实际传递的设计功率随载荷性质、运转时间、速度增减速和张紧轮的配置而变化。令K1为考虑载荷性质和运转时间的工况修正系数；K2为考虑增速的修正系数；K2为考虑增速的修正系数；K3为考虑张紧轮配置的修正系数；则设计功率Pd为：,机电工程系机械工程教研室,2选择带型和节距Pb,机电工程系机械工程教研室,图2-11为同步带选型图。水平坐标为带的设计功率Pd（kW），垂直坐标为小带轮转速n1（r/min）.若所得交点落在两种节距的分界线上，则尽可能选较小节距。,机电工程系机械工程教研室,3带轮齿数z和节圆直径d 取规定的小带轮最少齿数z1 大带轮齿数 小带轮节圆直径 大带轮节圆直径d2=d1i（mm）验算带速，不合适则重取。同步带传动速度为：,机电工程系机械工程教研室,带速限制如下：MXLL型，vmax=4050m/s；H型，vmax=3540m/s；XH、XXH型，vmax=2530m/s。,4同步带的节线长度、齿数及传动中心距C 节线长度按下图的几何关系可计算如下：,机电工程系机械工程教研室,式中的C为传动中心距，初选可按下列范围选取：0.7（d1+d2）C2（d1+d2）；角按下式计算：,按上式计算所得节线长度圆整为标准节线长度。,机电工程系机械工程教研室,同步带齿数：,5校验带与小带轮的啮合齿数：,6确定实际所需同步带宽度bs（1）计算所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率P0 P0按下式计算：,（2）计算啮合系数KZ 当Zm6，KZ=1；当Zm6，KZ=1-0.2(6-Zm)（3）计算啮合系数K K是考虑到实际带宽小于基准带宽时，使同步带传递的功率下降而加的修正系数。可按下式计算：,机电工程系机械工程教研室,（4）确定实际所需同步带宽度 带的设计功率应不大于带的额定功率：PdKzKP0 将以上各式代入上式，可得实际带宽,所得bs 圆整为标准带宽。如超过原选带宽，则需重新设计,7带的工作能力验算 将以上各值代入同步带额定功率的精确计算公式。若计算得PPd，即为合格。,机电工程系机械工程教研室,作业,一台额定功率为2.5KW、转速为1430r/min的异步电动机，驱动转速为340r/min的液压搅拌机。该搅拌机三班制工作，2.5KW满载运转，中心距要求为500mm,带轮直径不受限制，试设计此液压搅拌机的同步带传动。,2.3 齿轮传动,机电工程系机械工程教研室,一、齿轮传动系统的总传动比及其分配,设计机电一体化齿轮传动系统，要研究它的动力学特性，从而获得高精度、高稳定性、高速性、高可靠性和低噪声的齿轮传动系统。,（一）总传动比的确定,齿轮传动机构总传动比应满足伺服电机与负载之间的 位移及转矩、转速的匹配要求。由于负载特性和工作条件不同，齿轮传动机构的最佳总传动比有不同的原则。两个原则：按负载加速度最大原则确定总传动比 按给定脉冲当量或伺服电机确定总传动比,机电工程系机械工程教研室,（1）按负载加速度最大原则确定传动比,用于伺服系统的齿轮系是一种力矩变换器，其输入是电机的高速低转矩，输出为低速高转矩，并借此驱动负载。因此，不但要求齿轮系在传动转矩时有足够的强度；还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一 加速度时转矩要小。即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。,计算模型,机电工程系机械工程教研室,转子惯量为Jm、输出转矩为Tm的直流伺服电机，通过总传动比为i，折算到电机轴上的等效惯量为Jeg的齿轮系，带动惯量为JL、工作负载转矩为Tc、摩擦负载转矩为Tf的负载。,机电工程系机械工程教研室,式中 分别为电机的转角、角速度、角加速度；分别为负载的转角、角速度、角加速度。,设齿轮系的传动效率为，传动比i1，即,负载加速度最大的总传动比,机电工程系机械工程教研室,简化之，令=1，,令Tc和Tf 换算到电机轴上分别为Tc/i 和Tf/i，JL换算到电机轴上Jl/i2,令,机电工程系机械工程教研室,上式表明：齿轮系传动比的最佳值就是将负载转动惯量 换算到电机轴上的惯量恰好等于电机转子惯量，这就能达到惯性负载和力矩源的最佳匹配。,用于加速惯性负载的力矩，就是电机力矩与摩擦力矩之差。,机电工程系机械工程教研室,考虑工程实际中的各种意外因素，总传动比i的选取可以偏大。偏大的总传动比对系统的不同性能有不同的影响。,对于系统的稳定性而言，i值偏大使系统的相对阻尼系数增大，振荡得到抑制，稳定性提高，但1时影响系统的快速响应。对系统的响应特性而言，i小于最佳值，使加速度下降；i大于最佳值，则使加速度收敛为一定值。因此，i偏大使响应特性提高，但影响负载的快速性。对于系统的低速稳定性而言，由于电枢反应、电刷摩擦和低速不稳定性，可能产生爬行。i值偏大可避免爬行，但传动级数增多，传动精度、效率、刚度与系统固有频率降低。由上可见，总传动比的选择要综合考虑。,机电工程系机械工程教研室,机电工程系机械工程教研室,（2）按给定的脉冲当量或伺服电机确定总传动比,对于开环控制系统，当系统的脉冲当量及步进电机的步距角已确定时，可计算出相应的传动比：,伺服传动系统,机电工程系机械工程教研室,齿轮的总传动比：,-步距角,-丝杠导程,-脉冲当量,机电工程系机械工程教研室,对闭环系统，则按照伺服驱动电机的额定转速及所要求的 移动部件的速度计算总传动比：,-最大移动速度,m/min,-电极额定转速,r/min,-丝杠导程,m,机电工程系机械工程教研室,按以上公式确定总传动比时，还需要进行转动惯量方面的验算，以保证折算到电机轴上的负载转动惯量不至于过大，以获得较大的加速能力。设计时一般需要改变有关参数，按上述公式 及要求反复验算。,（二）总传动比分配,机电工程系机械工程教研室,可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。,最小等效转动惯量原则重量最轻原则输出轴转角误差最小原则,机电工程系机械工程教研室,1最小等效转动惯量原则,对于伺服传动系统，要求其启动、停止和逆转快。当力矩一定时，转动惯量越小，角加速度越大，运转越灵敏。这样可 使过渡过程短、响应快、启动功率小。因此可以按照转动惯量最小原则确定分配齿轮传动链 级数和分配各级的传动比。,机电工程系机械工程教研室,（1）小功率传动装置,以图示为例：简化假设传动效率为100%；各主动小齿轮转动惯量相同；轴与轴承的转动惯量不计；各齿轮均为同宽度同村料的实心圆柱体。该齿轮系中各转动惯量换算到电动机轴上的等效转动惯量Je为：,机电工程系机械工程教研室,令,得,当,对于n级齿轮系作同类分析可得：,机电工程系机械工程教研室,例如：有i=80、n=4的小功率传动系统，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。解得：,各级传动比的分配按“前小后大”次序，结构较紧凑,机电工程系机械工程教研室,(2)大功率传动 大功率传动的转矩较大，小功率传动中的各项简化假设大多不合适。可用图3-21中的曲线确定传动级数，用图3-22中的曲线确定第一级传动比,用图3-23中的曲线确定随后各级传动比iK（K=2n）。,2重量最轻原则,机电工程系机械工程教研室,（1）小功率传动 仍以图3-19所示电机驱动的两级齿轮系为例，简化假设同前外，另假各主动小齿轮的模数、齿数、齿宽均相等，则各齿轮的重量之和W为：,式中 b各齿轮宽度；p村料密度 D1、D2、D3、D4各齿轮的计算直径,由于D1=D3，i=i1、i2，则,令,（2）大功率传动,机电工程系机械工程教研室,1）假设所有主动小齿轮的模数m与所在轴上转矩T的三次方根成正比，其分度圆直径D、齿宽b也与转矩的三次方根成正比。即,2）b1=b2，b3=b4可得：,令,机电工程系机械工程教研室,3.输出轴转角误差最小原则,以图3-27所示四级齿轮传动系统为例,其四级传动比分别为i1、i2、i3、i4；齿轮子的转角误差依次为18。该传动链输出轴的总转角误差为：,机电工程系机械工程教研室,n级齿轮系输出轴总转角误差为,式中第个齿轮的转角误差；第个齿轮所在轴至输出轴的传动比,由此可见，为提高齿轮系的传动精度，由输入端到输出端的各级传动比应按前小后大次序分配，而且要使最末一级传动比尽可能大，同时提高末一级齿轮副的精度这样可以减小各齿轮副的加工误差，安装误差、回转误差，提高齿轮系统的传动精度。,机电工程系机械工程教研室,结论,综上所述，设计定轴齿轮传动系统，在确定总传动比，确定传动级数和分配传动比时，要根据系统的工作条件和功能要求，在考虑上述三个原则的同时，考虑其可行性和经济性，合理分配传动比。,机电工程系机械工程教研室,二、圆柱齿轮精度,齿轮传动的主要精度要求，是瞬时传动比不变，即在主动轮作匀速传动的前提下，从动轮也作匀速转动。理论上摆线、渐开线和各种应用曲线可以满足要求，实际上由于齿轮副在加工、装配和运行中产生的误差，使从动轮的转速发生忽快忽慢的变化。齿轮的传动误差是：主动轮单向回转时，从动轮在一转范围内的实际转角对于理论转角的最大代数值偏差，一般假设按正弦规律变化，是齿轮和轮齿的各项误差综合影响的结果。,目前在GB渐开线圆柱齿轮的精度标准中，规定了法向模数1-40mm的渐开线单个齿轮及齿轮副的各种误差及精度要求。,机电工程系机械工程教研室,齿轮及齿轮副精度等级规定为12个，第1级精度最高，第12级精度最低。具体误差主要有：,1.切向综合误差差2.径向综合误差 9.接触线误差3.齿圈径向跳动 10.齿厚偏差4.公法线长度变动 11.公法线平均长度偏差 5.齿形误差 12.齿轮副的接触斑点6.齿距偏差 13.齿轮副侧隙7.基节偏差 14.齿轮副的中心距偏差8.齿向误差 15.轴线的平行度误差,机电工程系机械工程教研室,三、齿轮传动间隙的调整方法,齿轮传动间隙的调整目的：提高齿轮传动的精度和消除齿轮传动的正反转误差。常用直齿圆柱齿轮传动齿侧间隙的调整方法：偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法,机电工程系机械工程教研室,偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法,机电工程系机械工程教研室,轴向垫片齿侧间隙调整法,机电工程系机械工程教研室,双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法,这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。,机电工程系机械工程教研室,斜齿轮传动齿侧间隙调整,消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。,