机械传动装置设计方法研究

陈伟珍 刘棣中

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

机械传动装置设计方法研究

陈伟珍 刘棣中

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

机械传动装置设计是机电一体化产品设计开发的一个关键部分。基于这一论点，阐述机械传动装置设计的基本要求、设计思路和注意的问题，并对具体的设计步骤做了详细分析，为提高初学者的设计能力和效率提供帮助。

机械传动；装置；设计

机械传动装置设计是机械产品设计中必不可少的重要部分，任何的机电一体化产品都离不开机械传动装置，正是机与电的结合才造就了不计其数现代化的、自动化的产品，诸如洗衣机、打印机、电动车、汽车、火车、飞机等人们赖以生存、家喻户晓的机械产品正是机电完美结合的成果。

不同功能的机电一体化产品，其结构组成、传动方式不尽相同，但是其设计思路、设计基本要求是一致的。

1 机械传动装置的基本要求

机械传动装置是机械产品的主要部分，各种机构组合形成满足机械产品传动要求的传动装置。各种机械产品尽管在功能、原理、类型、结构等诸多方面均有不同，但是在进行机械设计时，却有许多共同的要求。具体如下：

1.1满足功能要求

机械产品必须满足客户提出的使用上要达到的基本功能要求，这是进行机械设计必须遵守的最基本的原则，如果所设计的机械产品不具备完成预期工作任务的功能，就失去了设计该机械产品的意义。具体如下：

（1）满足运动要求。必须正确选择机械产品中传动装置的工作原理，合理地设计机构组合，使机械产品有适宜的运动规律、运动速度，满足灵活启动、平稳制动、工作顺畅等各方面的要求。

（2）满足动力要求。要正确分析各传动机构和零件上的扭矩和有效作用力，正确计算机械产品所需的功率，确保机械产品有足够的动力克服阻力完成预定的任务。

（3）满足可靠性要求。机械产品应该能够在预定的寿命期限内可靠地工作，各零部件应具有足够的强度和刚度，确保机械产品的使用安全。

1.2满足经济性和工艺性要求

（1）提高设计和制造的经济性。设计中尽量考虑采用标准件、通用件或借用现成批量销售的部件；合理选择材料及用量，尽量避免自己加工、减少制造工时，改善制造和装配工艺性等，以便提高经济性。

（2）提高使用经济性。提高机械产品的自动化程度和降低功率损耗，以提高机械效率、减少动力和燃油损耗，达到绿色、节能和环保的目标。

（3）提高产品经济性。机械产品既要美观、实用，符合人体工程学原理，又要结构要简单，便于制造，降低制造成本和使用成本。

1.3满足劳动保护要求

（1）设计的机械产品要确保操作安全，使用可靠。

（2）机械产品操作轻巧简便，操纵件数量适当、位置集中且易达，便于观察，减少操作者的体力和脑力消耗。

（3）改善操作者的工作环境，如低噪声、空气清新、合理排污、减少粉尘、机械产品外形合理、色彩协调等。

1.4满足其它特殊要求

机器的使用场合和使用环境各不相同，特殊情况下使用的机器将有针对性的提出特殊要求。例如，长期在海边使用的机器要注意防碱、防腐蚀、防潮；在较寒冷的地方应考虑防冻或用低温油；飞机上的油箱、液体润滑的齿轮箱等除应考虑重量轻外，还要注意不让油液溢出，并考虑飞机翻滚对供油或润滑的影响。

2 机械设计的过程

机械产品设计的过程遵循工作过程的六步法，即资讯、计划、决策、主体设计、检查与评价。

2.1任务资讯

（1）任务书的提出。设计任务通常是根据生产需要或经市场调查发现某种机械产品有较大需求时提出的，设计的机械产品要确保一定的先进性，使其占有较大的市场份额和市场发展前景。

（2）任务书的内容。详细的任务书应包括机械产品的用途、主要性能参数、环境条件及有关特殊要求、生产量、承制单位、预期的总成本、提供的设计成果要求以及要求完成的日期等。

2.2计划决策

拟定计划就是根据任务书的要求，组织有关人员就设计任务书提出的各项要求进行全面分析和调查研究，以便理解任务的经济价值、技术要求、重点、难点、需攻关的方向、完成任务的主要途径和关键技术等，将设计过程涉及到的各项工作做出详细的计划，包括人员安排、时间节点和提交的成果要求等。

2.3主体设计

包括总体设计、结构设计和零件设计三个阶段，是机械设计的关键。

（1）总体设计。总体设计即从机械产品的工作原理设计到机构运动简图设计的阶段，也称方案拟定阶段，具体任务是选择机械产品的工作原理，本着简单、实用、经济、美观等原则，拟定实现预期功能工作原理和传动机构。

设计成果要达到经济实用的目标，需要进行多种传动方案的比较，以及具体传动机构的原理设计和分析，要求把机械产品各个部分之间的运动关系、动力关系以及主要零件在产品中的大体位置，用规定的简单符号表示在图纸上，构成机械产品的机构运动简图。利用机构运动简图分析该机构的自由度、受力状况，通过比较分析选取合理的传动方案进行下一步的设计。最后，以运动简图的形式体现本阶段的设计成果。

（2）结构设计。结构设计是把机构的运动简图变成装配图的阶段，具体任务是将运动简图中的符号变成具体的零部件。首先根据机械产品的运动特性、工作阻力、工作速度以及传动系统的总效率等具体情况初步选择原动机，再根据工作阻力或原动机的功率大小及运动参数，计算出各个主要零件的关键尺寸并选定材料；一些直接影响机械产品性能、运动精度、寿命或特殊的关键部位，还应考虑选定合适的公差配合、热处理等。最后，以装配图的形式体现本阶段的设计成果。

（3）零件设计。零件设计的具体任务是把要加工零件的结构要素、全部尺寸及加工要求等用零件图详细地表现出来，从总体要求出发，综合考虑零件的强度、刚度、寿命、制造工艺以及重量、体积、成本等因素，确定零件的材料、尺寸、结构要素、制造精度以及技术要求。最后，以零件图的形式体现本阶段的设计成果。

本体设计的完成，为机械产品的设计制造提供了运动简图、装配图和零件图，从原理、结构和制造上为一台机械产品的诞生做好了准备。应该注意，设计过程的三个阶段是密切联系的，前一阶段的工作为后一阶段提供依据，而后一阶段经深入的设计如果超出前一阶段的限制，就要求对前一阶段的设计作适当修改。因此，本体设计的三个阶段是互相牵连、互相影响的，需要互相交叉地反复进行。

2.4检查与评价

在设计过程中，因考虑不周造成的错误在所难免，为了减少不必要的浪费，应尽可能把错误扼杀在图纸阶段。为此，设计成果必须经过一定程序的审批手续，比如组织相关的专家组进行审核、答辩等，尽量找出问题或不合理的地方加以改进。本体设计完成之后，即可进行零件制造和产品装配。

所设计产品在试制、装配、试车、鉴定等过程中还会发现一些问题，即使是样机完成了，在此后的工业性试验中还可能发现新的问题，针对出现的问题还要做改进设计。

必须指出，一套完整的设计文件，除了上述设计成果外，还应包括如下内容：（1）工作循环图，即一个工作循环中各部分动作的协调配合关系图；（2）设计计算说明书；（3）调节顺序图；即电气、液压、气动、润滑、冷却等系统图；（4）使用说明书；（5）组合件、标准件、外购件、通用件及易损件的明细表。

3 机械传动装置设计的要点

传动装置的总体设计，主要是分析和拟定传动方案，选择电动机型号，计算传动装置的运动和动力参数，为设计传动件和装配草图提供依据。

3.1正确分析和拟定传动方案

机械产品通常由原动机、传动装置和工作装置三部分组成。传动装置是机械产品的重要组成部分，用来传递原动机的运动和动力、变换其运动形式以满足工作装置的需要，传动装置的传动方案是否合理将直接影响机械产品的工作性能、使用寿命、重量和成本。

满足工作装置的需要是拟定传动方案的最基本要求。同一种运动可以由几种不同的传动方案来实现，这就需要把几种传动方案的优缺点加以分析比较，从而选择出最符合实际情况的一种方案。合理的传动方案除了满足工作装置的功能外，还要求结构简单、制造方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。

3.2合理选择电动机

电动机具有结构简单、工作可靠、控制简便和维护容易等优点，是最常用的原动机。电动机的选择主要包括选择其类型和结构型式、容量（功率）和转速。

（1）选择电动机的类型。电动机已经系列化、标准化，在设计时应根据工作载荷（大小、特性及变化情况）、工作要求（转速高低、调速要求、启动和正反转的频繁程度）、工作环境（尘土、油、高温及爆炸气体等）、安装要求及尺寸重量的特殊限制等条件进行选择。工业上广泛应用三相交流电动机，尤以三相鼠笼型异步电动机应用最多，其中Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型异步电动机广泛应用于输送机、搅拌机等。煤矿井下及其他有易燃易爆气体的场合应选用防爆电动机，如YB系列电动机。

（2）选择电动机的容量。电动机的容量（功率）选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。容量小于工作要求，则不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期超载而过早损坏；容量选得过大，则电动机的价格高，传动能力又不能充分利用，而且由于电动机经常在轻载下运转，其效率和功率因数较低从而造成能源的浪费。

对于载荷比较稳定、长期运转的机械（例如运输机），通常按照电动机的额定功率选择，而不必校核电动机的发热和起动转矩。选择电动机容量时应保证电动机的额定功率等于或稍大于工作机所需的电动机功率。

3.3恰当选择联轴器类型和规格

在传动装置中一般有两个联轴器，一个联接电动机与减速器高速轴，另一个联接减速器低速轴与工作机。前者由于转速较高，为了减小起动载荷、缓和冲击，应选用具有较小转动惯量的弹性联轴器，如弹性柱销联轴器等；后者由于所联接的转速较低，传递的转矩较大，减速器与工作机经常不在同一底座上，要求有较大的轴向偏移，常选用无弹性元件的挠性联轴器，如十字滑块联轴器等。

在确定联轴器的类型后，对于标准联轴器，按传递转矩的大小和转速选择型号。选择时注意：每一种型号的联轴器都有几种孔径，孔径尺寸必须与两联接轴相适应。

3.4传动零件的设计计算

传动零件设计包括带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆蜗轮传动等。设计时注意：

（1）皮带已经标准化、系列化，设计的主要内容是确定带型号和根数，带轮的材料、直径和轮缘宽度，中心距等；注意带轮大小与其他机件的装配或协调关系，如小带轮直径与电动机中心高是否相称，其轴孔直径与电动机轴径是否一致，大带轮直径是否过大导致与机架相碰等。大小带轮直径及带长均应符合标准系列，如果有必要应重新修改前面的设计方案；

（2）齿轮的结构尺寸、计算，必须按《机械设计手册》等相关资料查阅并选取，以便于制造和测量。各级大小齿轮几何尺寸和参数计算的结果应及时整理并列表，同时画出结构简图，以备装配图设计时使用。

（3）轴的结构设计就是确定轴的结构形状、各部分的直径和长度等。设计时应满足：轴及轴上零件有准确工作位置，固定可靠；轴及轴上零件拆装和调整方便，具有良好的制造工艺性；轴的结构有利于提高轴的强度、减轻应力集中等。

4 结束语

在机械装置设计中，合理的传动方案除了满足机械产品的工作要求外，还应保证机械产品的工作性能和可靠性，具有高的传动效率、工艺性好、结构简单、成本低廉、结构紧凑和使用维护方便等。但同时达到这些要求是不容易的。因此在设计过程中，往往需要拟定多种方案以进行技术经济分析比较，确保设计结果能够转化为有价值的机械产品。

[1] 楼晓明.机电一体化产品设计问题探析[J].机电信息, 2010,(6):109-110.

[2] 梁建和.机械设计基础[M].郑州:黄河水利出版社,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

陈伟珍（1963－），女，广西南宁人，广西水利电力职业技术学院机电工程系工程师，研究方向为机械设计与制造。