关于机械设备传动系统的设计探讨

冯炎宏（欧姆龙（广州）汽车电子有限公司，广东 广州 510507）



关于机械设备传动系统的设计探讨

冯炎宏
（欧姆龙（广州）汽车电子有限公司，广东 广州 510507）

机械设备传动系统是机械系统的重要组成部分，其传动系统的好坏对整个机械设备的良好运行起到至关重要的作用。本文对机械设备传动系统中的组成部分、传动方式、设计与校验等内容进行了分析，并简要探讨了其未来的设计发展趋势，为国内机械设备传动系统的设计提供一定的借鉴。

机械设备；传动系统；设计

1 机械设备传动系统设计

1.1 机械设备传动系统组成

机械设备传动系统是一项兼具复杂性与系统性的技术，用途与类型千变万化，但通常都会包含以下几个部分，即变速、起停、换向、制动以及安全保护等部分。变速装置是机械设备传动系统的核心功能，用以改变动力机构的输出转速与转矩以适应工作机构的需求。对于不需要变速的机构，通常采用固定传动比的方式或者使用标准减速器来实现传动。常见的变速方式有交换齿轮变速、滑移齿轮变速、离合器变速以及啮合器变速等。不论采用哪种变速方式，其目的主要是对功率与扭矩进行传递，在传递过程中达到较高的传动效率。此外，变速装置还应满足变速范围与级数、噪音控制以及制造装配与维修的良好性。

起停与换向装置主要作用是对执行机构的起动、停车与运动方向的改变进行控制，其基本要求是在控制过程中省时省力，操作安全可靠，在设计过程中通常考虑执行机构的换向与起停的频繁程度来进行装置方案的选择。常见的起停与换向结构有齿轮-摩擦离合器式、齿轮式等。制动装置主要用于起停十分频繁或者运动构建惯性大、速度高的装置，用于节省辅助时间，有时也会用于机械设备的紧急停车或运动构件的可靠停靠。其设计的要求主要是可靠稳定、操作方便且制动时间短、易于维护、散热良好等。

常见的制动类型有带式、外抱块式、内张蹄式、盘式以及磁粉制动式。安全保护装置主要对传动设备进行保护，避免传动机构损坏。安全保护装置主要是以其中连接件的折断、分离或者打滑等来起到停止或限制扭矩、速率的传递的作用。常见的保护装置有销钉安全联轴器、钢珠安全离合器、摩擦式安全离合器等。

1.2 机械设备传动方式类别

机械设备传动方式的分类方法有多种，可按照传动比变化情况、工作原理、输出速度变化情况等进行分类，以传动比变化情况来进行分类，机械设备传动方式可分为固定传动比的传动系统与可调传动比的传动系统，前者适用于工作机构的转速或者工作模式固定的情况，只需解决动力机构与工作机构之间的转速不一致问题即可，后者则需要依据实际的工作机构运行情况与经济性能来确定其传动方式。常见的可调传动比传动系统有三种：有级变速传动系统、无级变速传动系统以及周期性变速传动系统。而按照驱动形式则可以分为独立驱动、集中驱动以及联合驱动等形式。

表1 输入参数表

1.3 机械设备传动系统设计与校核

机械设备传动系统的设计过程主要包括设计的输入与输出、设计思路规划、设计方案选择与评价、传动性能计算、主要零部件的强度计算以及设计结果主要零部件的校核过程。设计的输入主要是对系统的输入功率、转速以及输出负载进行确认，以回转支承为主要结构的齿轮传动系统为例，其输入参数表如表1所示。

设计输出则是对传动系统的主要结构功能、关键零部件与外购件进行力学性能计算，为选型做好准备。设计方案选择与评价主要采用模糊综合评价方法来进行，其原理是利用模糊变换的思想对传动系统设计方案进行综合评价。

设计过程主要按照因素集与隶属度确定、评价集与评价因素权重建立、等级评价矩阵建立、模糊决策的计算以及后续指标的处理分析等来进行。此案例中主要参照传动系统参数表对减速机、联轴器、过渡轴等进行最优方案选择。完成方案选择评价后，对回转支承受力、连接螺栓强度、传动链传动性能以及齿轮强度进行计算，最后对回转支承传动中的关键部件如过渡轴等的强度进行校核。其中，设计计算过程需注意回转支承安全系数的选择。

1.4 机械传动系统的可靠性分析

机械传动系统的可靠性分析主要是将整个系统作为一个串联系统进行考虑，其整体的可靠性是在传动系统各个组成部件的失效事件相互独立的基础上所计算的各零件的可靠度的连乘积。可靠性分析过程需考虑同一系统的各零件的规律变化、功能函数的极限应力以及相关的影响因素等。

2 机械设备传动系统设计趋势

2.1 自动化设计趋势

在机械设备传动系统设计过程中，越来越倾向采用自动化模型来进行设计，该模型的基础是传动功能矩阵，在自动化模型设计过程中，传动功能可简化分成单级与多级两种形式。对于单级形式，只需按照单级传动功能原理，对其特征矢量形式进行判断与确认即可，对于多级传动形式，则需综合考虑级数、特征矢量、输入功能循环等多种因素，实现自动化设计。

2.2 信息化设计趋势

信息化设计趋势主要是随着信息化技术的发展而逐渐发展的，其目标是提高传动系统的传动效率，信息化的主要内容包括测量与控制、计算机以及数据通信这几个方面，在传动系统设计中的表现如下：首先是传统的传动信息逐渐由流体或者机械的形式转化为微电子形式，例如，在液压技术中微电子控制的部分比重逐渐增大。其次，是传统的复杂阀控制元件逐渐被总线与分立电控元件取代，尤其是总线技术，在系统可靠性与抗干扰性上比阀控制系统表现突出。最后，是越来越多的以节能为特点的电传动系统的应用，以及动力源的输出逐渐向功率恒定输出的方向发展,如液压混合动力工程机械与电混合动力机械，在制动回收率与整机节能方面都有一个较好的表现。

2.3 非接触式传动技术的发展

非接触式传动技术的发展是近年发展成熟的一种传动技术，主要利用电磁感应来进行动力传递。该技术最早出现在20世纪30年代，经过几十年的发展，逐渐得到广泛应用。磁力传动特点是没有摩擦，传递过程没有震动且无需润滑，同 时具有很高的传动效率与使用寿命，在高速列车等领域应用较多，相信在不久的将来还会得到更多的发展。

3 结语

综上所述，机械设备传动系统的设计是一门综合性的学科，涉及到力学、材料科学、信息技术、电磁技术等多门领域。设计过程中需要综合考虑传动方式与性能、传递效率、动力传递元件的计算与校核等多种因素，同时还要考虑制造与应用效果。未来的机械设备传动设计方向必然从机械零件特性、降低摩擦性上提高机械设备传动功率，同时陶瓷、高分子聚合物、纳米等材料也会越来越多的应用到机械设备传动系统中来。

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[3] 樊菊梅.机械设备传动系统的设计及校核[J].砖瓦，2013(7):9~12.

TU522.05

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1671-0711（2016）08（上）-0050-02