机械传动设计与机械系统性能分析.pptx

第2章 机电一体化机械系统设计理论 ;2.1 概述; 2.1.2 机械系统的组成 1.传动机构  机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。 ? 2.导向机构  导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。 3.执行机构  执行机构是用来完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作。 ; 2.1.3 机械系统的设计思想 1. 静态设计 静态设计是指依据系统的功能要求,通过研究制定出机械系统的初步设计方案。 2.动态设计  动态设计是指研究系统在频率域的特性,借助静态设计的系统结构,通过建立系统各组成环节的数学模型,推导出系统整体的传递函数,并利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。 ;2.2 机械传动设计的原则 ;2.2.2 总传动比的确定 在伺服系统中,通常采用负载角加速度 最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。传动模型如图2-1所示。 图中：   Jm——电动机M的转子的转动惯量；  θm——电动机M的角位移；  JL——负载L的转动惯量；  θL——负载L的角位移；  TLF ——摩擦阻抗转矩；  i——齿轮系G的总传动比。 ;图2-1 电机、传动装置和负载的传动模型; 根据传动关系有 式中: ——电动机的角位移、角速度、角加速度； ——负载的角位移、角速度、角加速度。 ; TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF / i ； JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。 设Tm为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta为 ; 式(2-2)中若改变总传动比i,则也随之改变。根据负载角加速度最大的原则,令 ,则解得 若不计摩擦,即TLF＝0, 则  ; 式(2-3)表明,得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到??动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻,此时,电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。 2.2.3 传动链的级数和各级传动比的分配 1. 等效转动惯量最小原则 齿轮系传递的功率不同, 其传动比的分配也有所不同。 1） 小功率传动装置 电动机驱动的二级齿轮传动系统如图2-2所示。  ;图2-2 电动机驱动的两级齿轮传动; 由于功率小,假定各主动轮具有相同的转动惯量J1,轴与轴承转动惯量不计,各齿轮均为实心圆柱齿轮,且齿宽b和材料均相同,效率不计, 则有 式中： i1、 i2 ——齿轮系中第一、第二级 齿轮副的传动比； i——齿轮系总传动比, i = i1 i2。 ; 同理,对于n级齿轮系,则有 由此可见, 各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。 ?; 例2-1 设有i =80,传动级数n= 4的小功率传动, 试按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解 验算I= i 1 i 2 i 3 i 4≈80。 ; 若以传动级数为参变量,齿轮系中折算到电动机轴上的等效转动惯量Je与第一级主动齿轮的转动惯量J1之比为Je/J1,其变化与总传动比i的关系如图2-3所示。 ? ;图2-3 小功率传动装置确定传动级数曲线; 2） 大功率传动装置 大功率传动装置传递的扭矩大,各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加,各级齿轮的转动惯量差别很大。大功率传动装置的传动级数及各级传动比可依据图2-4、图2-5、图2-6来确定。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。 ;图2-4 大功率传动装置确定传动级数曲线;图2-5 大功率传动装置确定第一级传动比曲线;图2-6 大功率传动装置确定各级传动比曲线 ?; 例2-2 设有i=256的大功率传动装置,试按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解 查图2-4,得n=3,Je/J1=70； n=4, Je / J1 =35； n=5, Je / J1 =26。兼顾到Je / J1值的大小和传动装置的结构,选n＝4。查图2-5,得i1＝3.3。查图2-6,在横坐标i k-1上3.3处作垂直线与A线交于第一点,在纵坐标ik轴上查得i2＝3.7。通过该点作水平线与B曲线相交得第二点i3＝4.24