機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方法研究

陳偉珍 劉棣中

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方法研究

陳偉珍 劉棣中

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵部分?；谶@一論點(diǎn)，闡述機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的基本要求、設(shè)計(jì)思路和注意的問題，并對具體的設(shè)計(jì)步驟做了詳細(xì)分析，為提高初學(xué)者的設(shè)計(jì)能力和效率提供幫助。

機(jī)械傳動(dòng)；裝置；設(shè)計(jì)

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

不同功能的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)組成、傳動(dòng)方式不盡相同，但是其設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)基本要求是一致的。

1 機(jī)械傳動(dòng)裝置的基本要求

機(jī)械傳動(dòng)裝置是機(jī)械產(chǎn)品的主要部分，各種機(jī)構(gòu)組合形成滿足機(jī)械產(chǎn)品傳動(dòng)要求的傳動(dòng)裝置。各種機(jī)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(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，卻有許多共同的要求。具體如下：

1.1滿足功能要求

機(jī)械產(chǎn)品必須滿足客戶提出的使用上要達(dá)到的基本功能要求，這是進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)必須遵守的最基本的原則，如果所設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品不具備完成預(yù)期工作任務(wù)的功能，就失去了設(shè)計(jì)該機(jī)械產(chǎn)品的意義。具體如下：

（1）滿足運(yùn)動(dòng)要求。必須正確選擇機(jī)械產(chǎn)品中傳動(dòng)裝置的工作原理，合理地設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)組合，使機(jī)械產(chǎn)品有適宜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)速度，滿足靈活啟動(dòng)、平穩(wěn)制動(dòng)、工作順暢等各方面的要求。

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

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

1.2滿足經(jīng)濟(jì)性和工藝性要求

（1）提高設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)中盡量考慮采用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，改善制造和裝配工藝性等，以便提高經(jīng)濟(jì)性。

（2）提高使用經(jīng)濟(jì)性。提高機(jī)械產(chǎn)品的自動(dòng)化程度和降低功率損耗，以提高機(jī)械效率、減少動(dòng)力和燃油損耗，達(dá)到綠色、節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)。

（3）提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品既要美觀、實(shí)用，符合人體工程學(xué)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(dòng)保護(hù)要求

（1）設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品要確保操作安全，使用可靠。

（2）機(jī)械產(chǎn)品操作輕巧簡便，操縱件數(shù)量適當(dāng)、位置集中且易達(dá)，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(jī)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(jī)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(jī)器將有針對性的提出特殊要求。例如，長期在海邊使用的機(jī)器要注意防堿、防腐蝕、防潮；在較寒冷的地方應(yīng)考慮防凍或用低溫油；飛機(jī)上的油箱、液體潤滑的齒輪箱等除應(yīng)考慮重量輕外，還要注意不讓油液溢出，并考慮飛機(jī)翻滾對供油或潤滑的影響。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)的過程

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程遵循工作過程的六步法，即資訊、計(jì)劃、決策、主體設(shè)計(jì)、檢查與評價(jià)。

2.1任務(wù)資訊

（1）任務(wù)書的提出。設(shè)計(jì)任務(wù)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(jī)械產(chǎn)品有較大需求時(shí)提出的，設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品要確保一定的先進(jìn)性，使其占有較大的市場份額和市場發(fā)展前景。

（2）任務(wù)書的內(nèi)容。詳細(xì)的任務(wù)書應(yīng)包括機(jī)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(yù)期的總成本、提供的設(shè)計(jì)成果要求以及要求完成的日期等。

2.2計(jì)劃決策

擬定計(jì)劃就是根據(jù)任務(wù)書的要求，組織有關(guān)人員就設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的各項(xiàng)要求進(jìn)行全面分析和調(diào)查研究，以便理解任務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、技術(shù)要求、重點(diǎn)、難點(diǎn)、需攻關(guān)的方向、完成任務(wù)的主要途徑和關(guān)鍵技術(shù)等，將設(shè)計(jì)過程涉及到的各項(xiàng)工作做出詳細(xì)的計(jì)劃，包括人員安排、時(shí)間節(jié)點(diǎn)和提交的成果要求等。

2.3主體設(shè)計(jì)

包括總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)三個(gè)階段，是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（1）總體設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)即從機(jī)械產(chǎn)品的工作原理設(shè)計(jì)到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖設(shè)計(jì)的階段，也稱方案擬定階段，具體任務(wù)是選擇機(jī)械產(chǎn)品的工作原理，本著簡單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀等原則，擬定實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能工作原理和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

設(shè)計(jì)成果要達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目標(biāo)，需要進(jìn)行多種傳動(dòng)方案的比較，以及具體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì)和分析，要求把機(jī)械產(chǎn)品各個(gè)部分之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、動(dòng)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(jī)械產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖分析該機(jī)構(gòu)的自由度、受力狀況，通過比較分析選取合理的傳動(dòng)方案進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)。最后，以運(yùn)動(dòng)簡圖的形式體現(xiàn)本階段的設(shè)計(jì)成果。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是把機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖變成裝配圖的階段，具體任務(wù)是將運(yùn)動(dòng)簡圖中的符號變成具體的零部件。首先根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)特性、工作阻力、工作速度以及傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率等具體情況初步選擇原動(dòng)機(jī)，再根據(jù)工作阻力或原動(dòng)機(jī)的功率大小及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出各個(gè)主要零件的關(guān)鍵尺寸并選定材料；一些直接影響機(jī)械產(chǎn)品性能、運(yùn)動(dòng)精度、壽命或特殊的關(guān)鍵部位，還應(yīng)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(shè)計(jì)成果。

（3）零件設(shè)計(jì)。零件設(shè)計(jì)的具體任務(wù)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(xì)地表現(xiàn)出來，從總體要求出發(fā)，綜合考慮零件的強(qiáng)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(shè)計(jì)成果。

本體設(shè)計(jì)的完成，為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供了運(yùn)動(dòng)簡圖、裝配圖和零件圖，從原理、結(jié)構(gòu)和制造上為一臺機(jī)械產(chǎn)品的誕生做好了準(zhǔn)備。應(yīng)該注意，設(shè)計(jì)過程的三個(gè)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(shè)計(jì)如果超出前一階段的限制，就要求對前一階段的設(shè)計(jì)作適當(dāng)修改。因此，本體設(shè)計(jì)的三個(gè)階段是互相牽連、互相影響的，需要互相交叉地反復(fù)進(jìn)行。

2.4檢查與評價(jià)

在設(shè)計(jì)過程中，因考慮不周造成的錯(cuò)誤在所難免，為了減少不必要的浪費(fèi)，應(yīng)盡可能把錯(cuò)誤扼殺在圖紙階段。為此，設(shè)計(jì)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(jìn)行審核、答辯等，盡量找出問題或不合理的地方加以改進(jìn)。本體設(shè)計(jì)完成之后，即可進(jìn)行零件制造和產(chǎn)品裝配。

所設(shè)計(jì)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(jī)完成了，在此后的工業(yè)性試驗(yàn)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(jìn)設(shè)計(jì)。

必須指出，一套完整的設(shè)計(jì)文件，除了上述設(shè)計(jì)成果外，還應(yīng)包括如下內(nèi)容：（1）工作循環(huán)圖，即一個(gè)工作循環(huán)中各部分動(dòng)作的協(xié)調(diào)配合關(guān)系圖；（2）設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；（3）調(diào)節(jié)順序圖；即電氣、液壓、氣動(dòng)、潤滑、冷卻等系統(tǒng)圖；（4）使用說明書；（5）組合件、標(biāo)準(zhǔn)件、外購件、通用件及易損件的明細(xì)表。

3 機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)，主要是分析和擬定傳動(dòng)方案，選擇電動(dòng)機(jī)型號，計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)，為設(shè)計(jì)傳動(dòng)件和裝配草圖提供依據(jù)。

3.1正確分析和擬定傳動(dòng)方案

機(jī)械產(chǎn)品通常由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作裝置三部分組成。傳動(dòng)裝置是機(jī)械產(chǎn)品的重要組成部分，用來傳遞原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力、變換其運(yùn)動(dòng)形式以滿足工作裝置的需要，傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)方案是否合理將直接影響機(jī)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(dòng)方案的最基本要求。同一種運(yùn)動(dòng)可以由幾種不同的傳動(dòng)方案來實(shí)現(xiàn)，這就需要把幾種傳動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)加以分析比較，從而選擇出最符合實(shí)際情況的一種方案。合理的傳動(dòng)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(dòng)效率高和使用維護(hù)方便。

3.2合理選擇電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、控制簡便和維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，是最常用的原動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的類型。電動(dòng)機(jī)已經(jīng)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(dòng)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(jìn)行選擇。工業(yè)上廣泛應(yīng)用三相交流電動(dòng)機(jī)，尤以三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)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(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于輸送機(jī)、攪拌機(jī)等。煤礦井下及其他有易燃易爆氣體的場合應(yīng)選用防爆電動(dòng)機(jī)，如YB系列電動(dòng)機(jī)。

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

對于載荷比較穩(wěn)定、長期運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械（例如運(yùn)輸機(jī)），通常按照電動(dòng)機(jī)的額定功率選擇，而不必校核電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)的額定功率等于或稍大于工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率。

3.3恰當(dāng)選擇聯(lián)軸器類型和規(guī)格

在傳動(dòng)裝置中一般有兩個(gè)聯(lián)軸器，一個(gè)聯(lián)接電動(dòng)機(jī)與減速器高速軸，另一個(gè)聯(lián)接減速器低速軸與工作機(jī)。前者由于轉(zhuǎn)速較高，為了減小起動(dòng)載荷、緩和沖擊，應(yīng)選用具有較小轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器，按傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)速選擇型號。選擇時(shí)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(yīng)。

3.4傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算

傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)包括帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿蝸輪傳動(dòng)等。設(shè)計(jì)時(shí)注意：

（1）皮帶已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，設(shè)計(jì)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(jī)件的裝配或協(xié)調(diào)關(guān)系，如小帶輪直徑與電動(dòng)機(jī)中心高是否相稱，其軸孔直徑與電動(dòng)機(jī)軸徑是否一致，大帶輪直徑是否過大導(dǎo)致與機(jī)架相碰等。大小帶輪直徑及帶長均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)系列，如果有必要應(yīng)重新修改前面的設(shè)計(jì)方案；

（2）齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸、計(jì)算，必須按《機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算的結(jié)果應(yīng)及時(shí)整理并列表，同時(shí)畫出結(jié)構(gòu)簡圖，以備裝配圖設(shè)計(jì)時(shí)使用。

（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是確定軸的結(jié)構(gòu)形狀、各部分的直徑和長度等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足：軸及軸上零件有準(zhǔn)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(qiáng)度、減輕應(yīng)力集中等。

4 結(jié)束語

在機(jī)械裝置設(shè)計(jì)中，合理的傳動(dòng)方案除了滿足機(jī)械產(chǎn)品的工作要求外，還應(yīng)保證機(jī)械產(chǎn)品的工作性能和可靠性，具有高的傳動(dòng)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(hù)方便等。但同時(shí)達(dá)到這些要求是不容易的。因此在設(shè)計(jì)過程中，往往需要擬定多種方案以進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，確保設(shè)計(jì)結(jié)果能夠轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的機(jī)械產(chǎn)品。

[1] 樓曉明.機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題探析[J].機(jī)電信息, 2010,(6):109-110.

[2] 梁建和.機(jī)械設(shè)計(jì)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(xué)院機(jī)電工程系工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。