關于機械設備傳動系統的設計探討

馮炎宏（歐姆龍（廣州）汽車電子有限公司，廣東 廣州 510507）

?

關于機械設備傳動系統的設計探討

馮炎宏
（歐姆龍（廣州）汽車電子有限公司，廣東 廣州 510507）

機械設備傳動系統是機械系統的重要組成部分，其傳動系統的好壞對整個機械設備的良好運行起到至關重要的作用。本文對機械設備傳動系統中的組成部分、傳動方式、設計與校驗等內容進行了分析，并簡要探討了其未來的設計發展趨勢，為國內機械設備傳動系統的設計提供一定的借鑒。

機械設備；傳動系統；設計

1 機械設備傳動系統設計

1.1 機械設備傳動系統組成

機械設備傳動系統是一項兼具復雜性與系統性的技術，用途與類型千變萬化，但通常都會包含以下幾個部分，即變速、起停、換向、制動以及安全保護等部分。變速裝置是機械設備傳動系統的核心功能，用以改變動力機構的輸出轉速與轉矩以適應工作機構的需求。對于不需要變速的機構，通常采用固定傳動比的方式或者使用標準減速器來實現傳動。常見的變速方式有交換齒輪變速、滑移齒輪變速、離合器變速以及嚙合器變速等。不論采用哪種變速方式，其目的主要是對功率與扭矩進行傳遞，在傳遞過程中達到較高的傳動效率。此外，變速裝置還應滿足變速范圍與級數、噪音控制以及制造裝配與維修的良好性。

起停與換向裝置主要作用是對執行機構的起動、停車與運動方向的改變進行控制，其基本要求是在控制過程中省時省力，操作安全可靠，在設計過程中通常考慮執行機構的換向與起停的頻繁程度來進行裝置方案的選擇。常見的起停與換向結構有齒輪-摩擦離合器式、齒輪式等。制動裝置主要用于起停十分頻繁或者運動構建慣性大、速度高的裝置，用于節省輔助時間，有時也會用于機械設備的緊急停車或運動構件的可靠停靠。其設計的要求主要是可靠穩定、操作方便且制動時間短、易于維護、散熱良好等。

常見的制動類型有帶式、外抱塊式、內張蹄式、盤式以及磁粉制動式。安全保護裝置主要對傳動設備進行保護，避免傳動機構損壞。安全保護裝置主要是以其中連接件的折斷、分離或者打滑等來起到停止或限制扭矩、速率的傳遞的作用。常見的保護裝置有銷釘安全聯軸器、鋼珠安全離合器、摩擦式安全離合器等。

1.2 機械設備傳動方式類別

機械設備傳動方式的分類方法有多種，可按照傳動比變化情況、工作原理、輸出速度變化情況等進行分類，以傳動比變化情況來進行分類，機械設備傳動方式可分為固定傳動比的傳動系統與可調傳動比的傳動系統，前者適用于工作機構的轉速或者工作模式固定的情況，只需解決動力機構與工作機構之間的轉速不一致問題即可，后者則需要依據實際的工作機構運行情況與經濟性能來確定其傳動方式。常見的可調傳動比傳動系統有三種：有級變速傳動系統、無級變速傳動系統以及周期性變速傳動系統。而按照驅動形式則可以分為獨立驅動、集中驅動以及聯合驅動等形式。

表1 輸入參數表

1.3 機械設備傳動系統設計與校核

機械設備傳動系統的設計過程主要包括設計的輸入與輸出、設計思路規劃、設計方案選擇與評價、傳動性能計算、主要零部件的強度計算以及設計結果主要零部件的校核過程。設計的輸入主要是對系統的輸入功率、轉速以及輸出負載進行確認，以回轉支承為主要結構的齒輪傳動系統為例，其輸入參數表如表1所示。

設計輸出則是對傳動系統的主要結構功能、關鍵零部件與外購件進行力學性能計算，為選型做好準備。設計方案選擇與評價主要采用模糊綜合評價方法來進行，其原理是利用模糊變換的思想對傳動系統設計方案進行綜合評價。

設計過程主要按照因素集與隸屬度確定、評價集與評價因素權重建立、等級評價矩陣建立、模糊決策的計算以及后續指標的處理分析等來進行。此案例中主要參照傳動系統參數表對減速機、聯軸器、過渡軸等進行最優方案選擇。完成方案選擇評價后，對回轉支承受力、連接螺栓強度、傳動鏈傳動性能以及齒輪強度進行計算，最后對回轉支承傳動中的關鍵部件如過渡軸等的強度進行校核。其中，設計計算過程需注意回轉支承安全系數的選擇。

1.4 機械傳動系統的可靠性分析

機械傳動系統的可靠性分析主要是將整個系統作為一個串聯系統進行考慮，其整體的可靠性是在傳動系統各個組成部件的失效事件相互獨立的基礎上所計算的各零件的可靠度的連乘積。可靠性分析過程需考慮同一系統的各零件的規律變化、功能函數的極限應力以及相關的影響因素等。

2 機械設備傳動系統設計趨勢

2.1 自動化設計趨勢

在機械設備傳動系統設計過程中，越來越傾向采用自動化模型來進行設計，該模型的基礎是傳動功能矩陣，在自動化模型設計過程中，傳動功能可簡化分成單級與多級兩種形式。對于單級形式，只需按照單級傳動功能原理，對其特征矢量形式進行判斷與確認即可，對于多級傳動形式，則需綜合考慮級數、特征矢量、輸入功能循環等多種因素，實現自動化設計。

2.2 信息化設計趨勢

信息化設計趨勢主要是隨著信息化技術的發展而逐漸發展的，其目標是提高傳動系統的傳動效率，信息化的主要內容包括測量與控制、計算機以及數據通信這幾個方面，在傳動系統設計中的表現如下：首先是傳統的傳動信息逐漸由流體或者機械的形式轉化為微電子形式，例如，在液壓技術中微電子控制的部分比重逐漸增大。其次，是傳統的復雜閥控制元件逐漸被總線與分立電控元件取代，尤其是總線技術，在系統可靠性與抗干擾性上比閥控制系統表現突出。最后，是越來越多的以節能為特點的電傳動系統的應用，以及動力源的輸出逐漸向功率恒定輸出的方向發展,如液壓混合動力工程機械與電混合動力機械，在制動回收率與整機節能方面都有一個較好的表現。

2.3 非接觸式傳動技術的發展

非接觸式傳動技術的發展是近年發展成熟的一種傳動技術，主要利用電磁感應來進行動力傳遞。該技術最早出現在20世紀30年代，經過幾十年的發展，逐漸得到廣泛應用。磁力傳動特點是沒有摩擦，傳遞過程沒有震動且無需潤滑，同 時具有很高的傳動效率與使用壽命，在高速列車等領域應用較多，相信在不久的將來還會得到更多的發展。

3 結語

綜上所述，機械設備傳動系統的設計是一門綜合性的學科，涉及到力學、材料科學、信息技術、電磁技術等多門領域。設計過程中需要綜合考慮傳動方式與性能、傳遞效率、動力傳遞元件的計算與校核等多種因素，同時還要考慮制造與應用效果。未來的機械設備傳動設計方向必然從機械零件特性、降低摩擦性上提高機械設備傳動功率，同時陶瓷、高分子聚合物、納米等材料也會越來越多的應用到機械設備傳動系統中來。

[1] 王著文. 機械傳動技術的改進與發展探討[J].科技創新與應用，2015(35):98~99.

[2] 姚輝波. 機械系統傳動設計中方案的評價與選擇[J].煤炭技術，2010(9):25~27.

[3] 樊菊梅.機械設備傳動系統的設計及校核[J].磚瓦，2013(7):9~12.

TU522.05

A

1671-0711（2016）08（上）-0050-02