陳偉珍 劉棣中

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023）

機械傳動裝置設計方法研究

陳偉珍 劉棣中

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023）

機械傳動裝置設計是機電一體化產(chǎn)品設計開發(fā)的一個關(guān)鍵部分?；谶@一論點，闡述機械傳動裝置設計的基本要求、設計思路和注意的問題，并對具體的設計步驟做了詳細分析，為提高初學者的設計能力和效率提供幫助。

機械傳動；裝置；設計

機械傳動裝置設計是機械產(chǎn)品設計中必不可少的重要部分，任何的機電一體化產(chǎn)品都離不開機械傳動裝置，正是機與電的結(jié)合才造就了不計其數(shù)現(xiàn)代化的、自動化的產(chǎn)品，諸如洗衣機、打印機、電動車、汽車、火車、飛機等人們賴以生存、家喻戶曉的機械產(chǎn)品正是機電完美結(jié)合的成果。

不同功能的機電一體化產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)組成、傳動方式不盡相同，但是其設計思路、設計基本要求是一致的。

1 機械傳動裝置的基本要求

機械傳動裝置是機械產(chǎn)品的主要部分，各種機構(gòu)組合形成滿足機械產(chǎn)品傳動要求的傳動裝置。各種機械產(chǎn)品盡管在功能、原理、類型、結(jié)構(gòu)等諸多方面均有不同，但是在進行機械設計時，卻有許多共同的要求。具體如下：

1.1滿足功能要求

機械產(chǎn)品必須滿足客戶提出的使用上要達到的基本功能要求，這是進行機械設計必須遵守的最基本的原則，如果所設計的機械產(chǎn)品不具備完成預期工作任務的功能，就失去了設計該機械產(chǎn)品的意義。具體如下：

（1）滿足運動要求。必須正確選擇機械產(chǎn)品中傳動裝置的工作原理，合理地設計機構(gòu)組合，使機械產(chǎn)品有適宜的運動規(guī)律、運動速度，滿足靈活啟動、平穩(wěn)制動、工作順暢等各方面的要求。

（2）滿足動力要求。要正確分析各傳動機構(gòu)和零件上的扭矩和有效作用力，正確計算機械產(chǎn)品所需的功率，確保機械產(chǎn)品有足夠的動力克服阻力完成預定的任務。

（3）滿足可靠性要求。機械產(chǎn)品應該能夠在預定的壽命期限內(nèi)可靠地工作，各零部件應具有足夠的強度和剛度，確保機械產(chǎn)品的使用安全。

1.2滿足經(jīng)濟性和工藝性要求

（1）提高設計和制造的經(jīng)濟性。設計中盡量考慮采用標準件、通用件或借用現(xiàn)成批量銷售的部件；合理選擇材料及用量，盡量避免自己加工、減少制造工時，改善制造和裝配工藝性等，以便提高經(jīng)濟性。

（2）提高使用經(jīng)濟性。提高機械產(chǎn)品的自動化程度和降低功率損耗，以提高機械效率、減少動力和燃油損耗，達到綠色、節(jié)能和環(huán)保的目標。

（3）提高產(chǎn)品經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品既要美觀、實用，符合人體工程學原理，又要結(jié)構(gòu)要簡單，便于制造，降低制造成本和使用成本。

1.3滿足勞動保護要求

（1）設計的機械產(chǎn)品要確保操作安全，使用可靠。

（2）機械產(chǎn)品操作輕巧簡便，操縱件數(shù)量適當、位置集中且易達，便于觀察，減少操作者的體力和腦力消耗。

（3）改善操作者的工作環(huán)境，如低噪聲、空氣清新、合理排污、減少粉塵、機械產(chǎn)品外形合理、色彩協(xié)調(diào)等。

1.4滿足其它特殊要求

機器的使用場合和使用環(huán)境各不相同，特殊情況下使用的機器將有針對性的提出特殊要求。例如，長期在海邊使用的機器要注意防堿、防腐蝕、防潮；在較寒冷的地方應考慮防凍或用低溫油；飛機上的油箱、液體潤滑的齒輪箱等除應考慮重量輕外，還要注意不讓油液溢出，并考慮飛機翻滾對供油或潤滑的影響。

2 機械設計的過程

機械產(chǎn)品設計的過程遵循工作過程的六步法，即資訊、計劃、決策、主體設計、檢查與評價。

2.1任務資訊

（1）任務書的提出。設計任務通常是根據(jù)生產(chǎn)需要或經(jīng)市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)某種機械產(chǎn)品有較大需求時提出的，設計的機械產(chǎn)品要確保一定的先進性，使其占有較大的市場份額和市場發(fā)展前景。

（2）任務書的內(nèi)容。詳細的任務書應包括機械產(chǎn)品的用途、主要性能參數(shù)、環(huán)境條件及有關(guān)特殊要求、生產(chǎn)量、承制單位、預期的總成本、提供的設計成果要求以及要求完成的日期等。

2.2計劃決策

擬定計劃就是根據(jù)任務書的要求，組織有關(guān)人員就設計任務書提出的各項要求進行全面分析和調(diào)查研究，以便理解任務的經(jīng)濟價值、技術(shù)要求、重點、難點、需攻關(guān)的方向、完成任務的主要途徑和關(guān)鍵技術(shù)等，將設計過程涉及到的各項工作做出詳細的計劃，包括人員安排、時間節(jié)點和提交的成果要求等。

2.3主體設計

包括總體設計、結(jié)構(gòu)設計和零件設計三個階段，是機械設計的關(guān)鍵。

（1）總體設計?？傮w設計即從機械產(chǎn)品的工作原理設計到機構(gòu)運動簡圖設計的階段，也稱方案擬定階段，具體任務是選擇機械產(chǎn)品的工作原理，本著簡單、實用、經(jīng)濟、美觀等原則，擬定實現(xiàn)預期功能工作原理和傳動機構(gòu)。

設計成果要達到經(jīng)濟實用的目標，需要進行多種傳動方案的比較，以及具體傳動機構(gòu)的原理設計和分析，要求把機械產(chǎn)品各個部分之間的運動關(guān)系、動力關(guān)系以及主要零件在產(chǎn)品中的大體位置，用規(guī)定的簡單符號表示在圖紙上，構(gòu)成機械產(chǎn)品的機構(gòu)運動簡圖。利用機構(gòu)運動簡圖分析該機構(gòu)的自由度、受力狀況，通過比較分析選取合理的傳動方案進行下一步的設計。最后，以運動簡圖的形式體現(xiàn)本階段的設計成果。

（2）結(jié)構(gòu)設計。結(jié)構(gòu)設計是把機構(gòu)的運動簡圖變成裝配圖的階段，具體任務是將運動簡圖中的符號變成具體的零部件。首先根據(jù)機械產(chǎn)品的運動特性、工作阻力、工作速度以及傳動系統(tǒng)的總效率等具體情況初步選擇原動機，再根據(jù)工作阻力或原動機的功率大小及運動參數(shù)，計算出各個主要零件的關(guān)鍵尺寸并選定材料；一些直接影響機械產(chǎn)品性能、運動精度、壽命或特殊的關(guān)鍵部位，還應考慮選定合適的公差配合、熱處理等。最后，以裝配圖的形式體現(xiàn)本階段的設計成果。

（3）零件設計。零件設計的具體任務是把要加工零件的結(jié)構(gòu)要素、全部尺寸及加工要求等用零件圖詳細地表現(xiàn)出來，從總體要求出發(fā)，綜合考慮零件的強度、剛度、壽命、制造工藝以及重量、體積、成本等因素，確定零件的材料、尺寸、結(jié)構(gòu)要素、制造精度以及技術(shù)要求。最后，以零件圖的形式體現(xiàn)本階段的設計成果。

本體設計的完成，為機械產(chǎn)品的設計制造提供了運動簡圖、裝配圖和零件圖，從原理、結(jié)構(gòu)和制造上為一臺機械產(chǎn)品的誕生做好了準備。應該注意，設計過程的三個階段是密切聯(lián)系的，前一階段的工作為后一階段提供依據(jù)，而后一階段經(jīng)深入的設計如果超出前一階段的限制，就要求對前一階段的設計作適當修改。因此，本體設計的三個階段是互相牽連、互相影響的，需要互相交叉地反復進行。

2.4檢查與評價

在設計過程中，因考慮不周造成的錯誤在所難免，為了減少不必要的浪費，應盡可能把錯誤扼殺在圖紙階段。為此，設計成果必須經(jīng)過一定程序的審批手續(xù)，比如組織相關(guān)的專家組進行審核、答辯等，盡量找出問題或不合理的地方加以改進。本體設計完成之后，即可進行零件制造和產(chǎn)品裝配。

所設計產(chǎn)品在試制、裝配、試車、鑒定等過程中還會發(fā)現(xiàn)一些問題，即使是樣機完成了，在此后的工業(yè)性試驗中還可能發(fā)現(xiàn)新的問題，針對出現(xiàn)的問題還要做改進設計。

必須指出，一套完整的設計文件，除了上述設計成果外，還應包括如下內(nèi)容：（1）工作循環(huán)圖，即一個工作循環(huán)中各部分動作的協(xié)調(diào)配合關(guān)系圖；（2）設計計算說明書；（3）調(diào)節(jié)順序圖；即電氣、液壓、氣動、潤滑、冷卻等系統(tǒng)圖；（4）使用說明書；（5）組合件、標準件、外購件、通用件及易損件的明細表。

3 機械傳動裝置設計的要點

傳動裝置的總體設計，主要是分析和擬定傳動方案，選擇電動機型號，計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)，為設計傳動件和裝配草圖提供依據(jù)。

3.1正確分析和擬定傳動方案

機械產(chǎn)品通常由原動機、傳動裝置和工作裝置三部分組成。傳動裝置是機械產(chǎn)品的重要組成部分，用來傳遞原動機的運動和動力、變換其運動形式以滿足工作裝置的需要，傳動裝置的傳動方案是否合理將直接影響機械產(chǎn)品的工作性能、使用壽命、重量和成本。

滿足工作裝置的需要是擬定傳動方案的最基本要求。同一種運動可以由幾種不同的傳動方案來實現(xiàn)，這就需要把幾種傳動方案的優(yōu)缺點加以分析比較，從而選擇出最符合實際情況的一種方案。合理的傳動方案除了滿足工作裝置的功能外，還要求結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉、傳動效率高和使用維護方便。

3.2合理選擇電動機

電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、控制簡便和維護容易等優(yōu)點，是最常用的原動機。電動機的選擇主要包括選擇其類型和結(jié)構(gòu)型式、容量（功率）和轉(zhuǎn)速。

（1）選擇電動機的類型。電動機已經(jīng)系列化、標準化，在設計時應根據(jù)工作載荷（大小、特性及變化情況）、工作要求（轉(zhuǎn)速高低、調(diào)速要求、啟動和正反轉(zhuǎn)的頻繁程度）、工作環(huán)境（塵土、油、高溫及爆炸氣體等）、安裝要求及尺寸重量的特殊限制等條件進行選擇。工業(yè)上廣泛應用三相交流電動機，尤以三相鼠籠型異步電動機應用最多，其中Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠型異步電動機廣泛應用于輸送機、攪拌機等。煤礦井下及其他有易燃易爆氣體的場合應選用防爆電動機，如YB系列電動機。

（2）選擇電動機的容量。電動機的容量（功率）選擇是否合適，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響。容量小于工作要求，則不能保證工作機的正常工作，或使電動機因長期超載而過早損壞；容量選得過大，則電動機的價格高，傳動能力又不能充分利用，而且由于電動機經(jīng)常在輕載下運轉(zhuǎn)，其效率和功率因數(shù)較低從而造成能源的浪費。

對于載荷比較穩(wěn)定、長期運轉(zhuǎn)的機械（例如運輸機），通常按照電動機的額定功率選擇，而不必校核電動機的發(fā)熱和起動轉(zhuǎn)矩。選擇電動機容量時應保證電動機的額定功率等于或稍大于工作機所需的電動機功率。

3.3恰當選擇聯(lián)軸器類型和規(guī)格

在傳動裝置中一般有兩個聯(lián)軸器，一個聯(lián)接電動機與減速器高速軸，另一個聯(lián)接減速器低速軸與工作機。前者由于轉(zhuǎn)速較高，為了減小起動載荷、緩和沖擊，應選用具有較小轉(zhuǎn)動慣量的彈性聯(lián)軸器，如彈性柱銷聯(lián)軸器等；后者由于所聯(lián)接的轉(zhuǎn)速較低，傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，減速器與工作機經(jīng)常不在同一底座上，要求有較大的軸向偏移，常選用無彈性元件的撓性聯(lián)軸器，如十字滑塊聯(lián)軸器等。

在確定聯(lián)軸器的類型后，對于標準聯(lián)軸器，按傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)速選擇型號。選擇時注意：每一種型號的聯(lián)軸器都有幾種孔徑，孔徑尺寸必須與兩聯(lián)接軸相適應。

3.4傳動零件的設計計算

傳動零件設計包括帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿蝸輪傳動等。設計時注意：

（1）皮帶已經(jīng)標準化、系列化，設計的主要內(nèi)容是確定帶型號和根數(shù)，帶輪的材料、直徑和輪緣寬度，中心距等；注意帶輪大小與其他機件的裝配或協(xié)調(diào)關(guān)系，如小帶輪直徑與電動機中心高是否相稱，其軸孔直徑與電動機軸徑是否一致，大帶輪直徑是否過大導致與機架相碰等。大小帶輪直徑及帶長均應符合標準系列，如果有必要應重新修改前面的設計方案；

（2）齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸、計算，必須按《機械設計手冊》等相關(guān)資料查閱并選取，以便于制造和測量。各級大小齒輪幾何尺寸和參數(shù)計算的結(jié)果應及時整理并列表，同時畫出結(jié)構(gòu)簡圖，以備裝配圖設計時使用。

（3）軸的結(jié)構(gòu)設計就是確定軸的結(jié)構(gòu)形狀、各部分的直徑和長度等。設計時應滿足：軸及軸上零件有準確工作位置，固定可靠；軸及軸上零件拆裝和調(diào)整方便，具有良好的制造工藝性；軸的結(jié)構(gòu)有利于提高軸的強度、減輕應力集中等。

4 結(jié)束語

在機械裝置設計中，合理的傳動方案除了滿足機械產(chǎn)品的工作要求外，還應保證機械產(chǎn)品的工作性能和可靠性，具有高的傳動效率、工藝性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊和使用維護方便等。但同時達到這些要求是不容易的。因此在設計過程中，往往需要擬定多種方案以進行技術(shù)經(jīng)濟分析比較，確保設計結(jié)果能夠轉(zhuǎn)化為有價值的機械產(chǎn)品。

[1] 樓曉明.機電一體化產(chǎn)品設計問題探析[J].機電信息, 2010,(6):109-110.

[2] 梁建和.機械設計基礎(chǔ)[M].鄭州:黃河水利出版社,2008.

Research on design method of mechanical transmission

Design of mechanical transmission is the key component of mechatronic product. Basing on the argument，This paper focuses on basic requirements and design thought of mechanical transmission. The paper analysis details on design procedure and offer help to Improve workefficiency.

Mechanical transmission; device; design

TH12

A

1008-1151(2015)06-0058-03

2015-05-12

陳偉珍（1963－），女，廣西南寧人，廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院機電工程系工程師，研究方向為機械設計與制造。