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2023-06-26
机器人传动机构设计与优化
【摘要】：机器的工作性能和运转费用也在很大的程度上决定于传动装置的优劣。现简述下列数点，供选择一般机械传动类型时参考。在机械传动中，功率的损失主要由于轴承摩擦、传动零件间的相对滑动和搅动润滑油等原因，所损失的能量绝大部分将转化为热量。如果损失过大，将会使工作温度超过允许的限度，导致传动的失效。由表6-9可以看出，在传动比不大的情况下，从尺寸与质量来看，蜗杆传动质量最小。
1.传动的重要性
工作机一般都要靠原动机供给一定形式的能量（绝大多数是机械能）才能工作。但是，把原动机和工作机直接连接起来的情况很少，往往需在二者之间加入传递动力或改变运动情况的传动装置。其主要原因有以下几点：
（1）工作机所要求的速度，一般与原动机的最优速度不相符合，故需增速或减速，通常多为减速。
（2）很多工作机都需要根据生产要求而进行速度调整，但依靠调整原动机的速度来达到这一目的往往是不经济的，甚至是不可能的。
（3）原动机的输出轴通常只做均匀回转运动，而工作机要求的运动形式则是多种多样的，如直线运动、螺旋运动等。
（4）在有些情况下，需要用一台原动机带动若干组速度不同的机构。
（5）为了工作安全及维护方便，或因机器的外廓尺寸受到限制等其他原因，有时不能把原动机和工作机直接连接在一起。
由此可见传动装置是大多数机器或机组的主要组成部分。实践证明，传动装置在整台机器的质量和成本中都占有很大的比例。机器的工作性能和运转费用也在很大的程度上决定于传动装置的优劣。因此，不断提高传动装置的设计和制造水平就具有极其重要的意义。
2.传动的分类
根据工作原理的不同，可将传动分为两类：①机械能不改变为另一种形式的能的传动——机械传动；②机械能改变为电能或电能改变为机械能的传动——电力传动。机械传动又分为摩擦传动、啮合传动、液力传动和气力传动。
现代机器中，往往综合采用上述各类传动。它们的特性对比如表6-5所示，以供对各类传动做一般比较时参考。
表6－5 各类传动特性的对比
摩擦传动与啮合传动的形式很多，发展甚为迅速，新型的高速、大功率或大传动比的传动不断涌现。这里只就常用的一般形式及其基本性能和特点做简要的阐述与对比。它们的概括分类如图6-74所示。
图6-74 机械传动的概括分类
3.传动类型选择概要
当设计传动时，如传递的功率P、传动比i和工作条件为已定，则不同类型的传动各有其优缺点，因而就产生了怎样合理选择传动类型的问题。
概括地说，选择传动类型时所应根据的主要指标是：效率高，外廓尺寸小，质量小，运动性能良好及符合生产条件（生产的可能性、预期的生产率及生产成本）等。至于在具体情况下，究竟应选择哪种传动形式，只有综合对比若干方案的技术经济指标后才能做出结论。现简述下列数点，供选择一般机械传动类型时参考。
1）功率与效率
各类传动所能传递的功率取决于其传动原理、承载能力、载荷分布、工作速度、制造精度、机械效率和发热情况等因素。
一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗杆传动工作时的发热情况较为严重，因而传递的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须具有足够的压紧力，故在传递同一圆周力时，其压轴力要比齿轮传动的大几倍，因而一般不宜用于较大功率的传动；链传动和带传动为了增大传递功率的能力，必须增大链条和带的剖面面积或列数（根数），这就要受到载荷分布不均的限制；齿轮传动在较多的方面优于上述各种传动，因而应用也就最广。
效率是评定传动性能的主要指标之一。不断提高传动的效率，就能节约动力，降低运转费用。效率的对立面是传动中的功率损失。在机械传动中，功率的损失主要由于轴承摩擦、传动零件间的相对滑动和搅动润滑油等原因，所损失的能量绝大部分将转化为热量。如果损失过大，将会使工作温度超过允许的限度，导致传动的失效。因此，效率低的传动装置一般不宜用于大功率的传递。
各种传动传递功率的范围及效率值如表6-6所示。
还应指出，不同的传动类型，在传递同样的功率时，通过传动零件作用在轴上的压力也不同。这个力在很大程度上决定着传动的摩擦损失和轴承寿命。摩擦轮传动作用在轴上的压力最大，带传动次之，斜齿轮及蜗杆传动再次之，链传动、直齿齿轮和人字齿齿轮传动则最小。
表6－6 各种传动传递功率的范围及效率值
2）速度
速度是传动的主要运动特性之一，提高传动速度是机器的重要发展方向。
表示传动速度的参数是最大圆周速度和最大转速。传动速度的提高，在不同传动形式中要受到不同因素的限制，如动力载荷、传动的热平衡条件及离心力等。
表6-7所示为各类传动的最大允许速度与转速，以供参考。
表6－7 各类传动的最大允许速度与转速（参考值）
注：①在缩短寿命的条件下，可达到的数值。
②指滑动速度。
3）外廓尺寸、质量和成本
传动的外廓尺寸和质量与功率和速度的大小密切相关，也与传动零件材料的机械性能有关。但当这些条件一定时，传动装置的外廓尺寸和质量基本上取决于传动的形式。在大传动比的多级传动中，传动比的分配对外廓尺寸起着很大的影响。
传动比是传动的运动特性之一。各类单级传动的传动比（主动轮与从动轮的转速比）值如表6-8所示。
表6－8 各类单级传动的传动比值
注：①由于振动及噪声的原因，增速传动的工作情况较差，增速不宜过大。
②括弧中的数值是指只传递运动时。
③对于齿轮传动来说，当传动比大于8时，一般不宜采用一级传动。
在同样功率和传动比的条件下，各类传动装置外廓尺寸的差异是很可观的。由表6-9可以看出，在传动比不大的情况下，从尺寸与质量来看，蜗杆传动质量最小。当传动比很大时，虽然蜗杆传动便于实现大传动比，但由于蜗轮的增大和轴承结构尺寸的增大，其外廓尺寸就不能保持最小。显然，这时采用齿轮传动较为适宜。
表6－9 各类传动
的尺寸，质量和成本对比
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