情境三 机械传动装置综合设计 任务1 ：卷扬机传动装置设计
教学目标 知识目标 了解二级减速器结构，熟悉各零件的名称、形状、用途及各零件之间的装配关系。 熟悉更为复杂的二级斜齿传动件等的设计计算熟练使用画图软件进行零件工作图及装配体的绘制进一步熟悉机械传动装置的结构和特征。 掌握总体方案设计的方法和机械传动装置的一般设计方法和步骤。
能力目标 锻炼学生观察事物能力，学会课内观察、课外观察。 能够综合运用所学的知识，进行一个真实的传动装置系统的结构设计。 能对一般的机械传动装置进行工作能力设计和结构设计，实现预定的功能； 培养学生综合运用所学的理论知识与实践技能，树立正确的设计思想，掌握机械设计一般方法和规律，提高机械设计能力 通过设计实践，熟悉设计过程，学会准确使用资料、设计计算、分析设计结果及绘制图样，更进一步训练学生的机械设计基本技能的运用
素质目标 学生在巩固所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机械工程设计的内涵。 培养学生职业兴趣 培养学生吃苦耐劳的精神 提高学生沟通能力与团队协作精神 提高学生创新能力。
训 练 项 目 对企业中的真实项目进行设计综合设计，有四种不同的设备——卷扬机（在金工实训场）、绞车、盘磨机、矿用链板输送机，其传动装置不尽相同，但都比前面设计的带式输送机中的传动装置要复杂。学生根据给定的原始数据和机械设备应实现的功能要求自主选择传动装置设计项目。学生可以根据自己的能力选择设计其中的一个传动装置。
1、卷扬机传动装置设计 原始条件和数据： 如图卷扬机提升的最大重量为Q＝10000N，提升的线速度为V＝0.5m/s，卷筒的直径D＝250mm，钢丝绳直径d＝11mm，卷筒长度＝400mm。卷扬机单班制室内工作，经常正反转、起动和制动，使用期限10年，大修期3年。该机动力来源为三相交流电，在中等规模机械厂小批量生产，提升速度容许误差为±5％。
2、绞车的传动装置设计 1—电动机；2—联轴器；3—圆柱齿轮减速器；4—开式齿轮；5—卷筒
参 数 题 号 1 2 3 4 5 6 7 卷筒圆周力F/N 5000 7500 8500 10000 11500 12000 12500 卷筒转速n/（r/min） 60 55 50 45 40 35 30 卷筒直径D/mm 350 400 450 500 注：间歇工作，载荷平稳，传动可逆转，起动载荷为名义载荷的1.25倍。传动比误差为±5%，每隔2min工作一次，停机5min，工作年限为10年，两班制。 设计工作量 1.设计说明书1份；2.减速器装配图1张（A0或A1）；3.零件工作图1~3张。
3、盘磨机传动装置
注：传动不逆转，有轻微的振动，起动载荷为名义载荷的1.5倍，主轴允许误差为±5%。 设计工作量 参 数 题 号 1 2 3 4 5 主轴转速n/（r/min） 30 40 32 45 50 远锥齿轮传动比i 3.5 电动机功率P/kW 7.5 5.5 电动机转速n/（r/min） 1500 每日工作时数/h 8 传动工作年限/a 注：传动不逆转，有轻微的振动，起动载荷为名义载荷的1.5倍，主轴允许误差为±5%。 设计工作量 1.设计说明书1份；2.减速器装配图1张（A0或A1）；3.零件工作图1~3张。
4、矿用链板输送机的传动装置
矿用链板输送机传动装置设计 1、设计条件： （1）机器用途：煤矿井下运煤； （2）工作情况：单向运输，中等冲击； （3）运动要求：输送机运动误差不超过7%； （4）工作能力：储备余量15%； （5）使用寿命：十年，每年300天，每天8小时； （6）检修周期：半年小修，一年大修； （7）生产批量：小批量生产； （8）制造厂型：矿务中心机厂，中小型机械厂； 2、原始数据： 运输机链条速度：0.5m/s； 运输机链条拉力：28KN； 主动星轮齿数：9； 主动星轮节距：64mm； 3、设计任务： （1）设计内容：①电动机选型②传动件设计③减速器设计④联轴器选型设计； （2）设计工作量：①装配图1张②零件图2张；
设计指导 （一）、传动方案的设计
（二）．电动机选择 1．确定电动机的功率 2.确定电动机的转速 3.根据电动机的功率和转速选择电动机的型号。（查表见指导书P8） 注意:电动机的额定功率P额 ≥输出功率Pd ，满载转速nm 尽量为电动机转速的可选范围为：ndˊ=i nW = (6～20)×nW 的中间值
（三）、总传动比的计算及传动比的分配 1、传动装置总传动比 i = nm / nw （nm为电动机的满载转速，nw为滚筒轴的工作转速） 2、分配传动装置各级传动比 i = i带·i齿轮 式中：i带、i齿轮 从附表1中选值 最后确定 i带= i齿轮 =
i带ˊ=2～4，i齿轮ˊ=3～5
带的传动过程 原动机转动 驱动主动轮 主动轮转动 带与轮的摩擦 从动轮转动
V带传动的设计准则 由于带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏，因此带传动的设计准则是：在保证带传动不打滑的条件下，使V带具有一定的疲劳强度。
V带的设计步骤 (参照教材105页例子)
【例7-1】试设计带式输送机的V带传动，采用三相异步电机Y160L—6，其额定功率P＝11kW，满载转速n1＝970r/min，传动比i=2 (传动比即分配传动装置各级传动比 i = i带·i齿轮中的i带 ) 解 (1) 确定计算功率PC，选取V带类型。 查表7-7得工作情况系数KA=1.2，根据式(7-17)有 PC=KAP=1.2×11=13.2kW 根据PC＝13.2 kW、n1＝970r/min，从图7-9中选用B型普通V带。
图7-9 普通V带选型图
表7-7 工作情况系数KA
按截面尺寸的不同，我国的普通V带分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号。
(2) 确定带轮基准直径dd1 与dd2 。 从图7-9知，选用B型普通V带，dd1=160~200mm，由表7-8查得主动轮的最小基准直径dd1min=125 mm，根据带轮的基准直径系列，取dd1＝160 mm。 根据式(7-13)，计算从动轮基准直径 dd2=dd1i=160×2.5=400 mm 根据基准直径系列，取dd2=400 mm。
表7-8 V带轮的最小直径 注： 带轮的基准直径系列是 20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 56 63 71 75 80 85 90 95 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 200 212 224 236 250 265 280 300315 335 375 400 425 450 475 500 530 560 600 630 670 710 750 800 9001000 1060 1120 1250 1600 2000 2500
(4) 确定普通V带的基准长度和传动中心距。 根据式(7-19) a0=(0.7～2)(dd1+dd2) 初步确定中心距a0=800 mm。 根据式(7-20)计算带的初选长度 （尽量取中间值,以5，0结尾的数）
根据表7-3选带的基准长度Ld=2500 mm。
(5) 计算V带的根数z。 取z=5根。 带的根数z应圆整，为使各根带受力均匀，其根数不宜过多， 一般取z＝2～5根为宜，最多不能超过8～10根，否则应加大带轮直径后重新设计。
(六)、齿轮传动设计 参考教材168页步骤设计这一对齿轮的尺寸； 注意事项：教材第168页 【例8-2】设计一单级闭式斜齿圆柱齿轮传动，由电动机驱动，已知传递功率P1＝7.5 kW，n1=1450r／min，i＝u＝3.8，单向运转，载荷轻微冲击。 P1、 n1为高速轴的PⅠ、nⅠ（指导书第5页） i为齿轮传动比i齿
Mn应取标准值，而且应取大值。 精度与速度相关。
画大齿轮时应注意： dS孔径应根据轴的设计来定。
表8-15 齿轮传动推荐用的润滑油运动粘度 见表8-7
轴的设计 参考教材中关于《轴的设计》的例子中的设计步骤进行设计，不必进行强度计算。要求简单设计高速轴并画高速轴或齿轮轴；要求低速轴的设计并绘制低速轴的结构图。
【例10-1】试设计如图10-11所示斜齿圆柱齿轮减速器的低速轴。已知轴的转速n=80r/min， 传递功率P=3 【例10-1】试设计如图10-11所示斜齿圆柱齿轮减速器的低速轴。已知轴的转速n=80r/min， 传递功率P=3.15 kW。齿宽b=72 mm。 （1） 选择轴的材料。 减速器功率不大，又无特殊要求，故选最常用的45钢并作正火处理。
图10-11 带式输送机
(2) 按转矩估算轴的最小直径。 应用式(10-2)估算。由表10-3取A＝107～118于是得 80 36.40 40.14 对有一个键槽的轴段应增大3%， 故d＝37.49~41.34 mm，取40 mm。
表10-3 轴常用材料的［τ］T和A值
(3) 轴的结构设计
轴端挡圈 当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求L轴<L毂
2 10 10~15 滚动轴承、联轴器、键是标准件，要查表 （指导书P12、P10、P9）。
(八)、滚动轴承的选择 首先考虑深沟球轴承，选取轻型。其内径大小应根据相应轴段的直径进行选择。 代号 62** 内径代号*5=轴承内径尺寸（即对应轴段直径） 滚动轴承是成对的，必须一模一样。
(九)、键的选择 请认真阅读指导书中的详细说明
(十)、联轴器的选择（低速轴） 型号：弹性柱销联轴器 HL**，轴孔选择J或J1型。
四、探索与实践 参照关节型机械手的结构设计方法，设计如图所示的 具有3个转动关节的机械手臂驱动结构。
分组 允许3－5人自由组合成一个小组，小组的成员间进行分工协作，每位成员分别完成一个传动装置的设计计算和画图。 各小组之间的技术参数例如传动比、负载等会有所不同。 同时还欢迎同学们积极开动脑筋，提出新的构思，或查阅相关资料，采用不同于上述的结构设计，甚至可以设计成三自由度的直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手或球坐标型机械手。
五、学生成果展示 各小组推选一人将本组设计情况向大家介绍， 本组成员可作补充
六、评价 1、学生评价 2、教师评价 找出每组学生在活动中的闪光点，对选择合适的成员进行口头表扬鼓励，对学生发主进行归纳总结，对学生发言中的不足之处提出自己的看法。
学生课外创新设计指导
创新设计项目 机械手臂的结构设计 龙门式上下料机械手的设计
任务内容 机械手的特点和作用 转动关节型机械手臂的结构设计的方法 机构零件的设计与选用 第一关节的装配 第一关节的工程图
一、提出设计任务 根据给定的自由度和技术参数， 设计三自由度转动关节型机械手臂的结构。
二、设计目的 （1）培养学生的机械设计能力，树立正确地设计思想，掌握机械产品设计的基本方法和步骤；扩展学生的知识结构，帮助学生培养综合运用所学知识，解决实际问题的能力。 （2）通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、设计手册、图册和规范，熟悉有关国家标准和部颁标准。 （3）巩固绘图能力和计算机软件应用能力。
三、相关知识的学习
工业机械手的概述 机械手是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业地机械装置，它能部分地代替人地手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业 。
机械手的组成
一般工业机械手的技术指标 1、结构形式 2、自由度数和类型 3、运动范围 4、最大速度 5、负载能力 6、重复精度 7、控制方式 8、驱动方式
应用机械手的意义 1、可以提高生产过程的自动化程度 2、可以改善劳动条件、避免人身事故 3、可以减少人力，并便于有节奏地生产
机械手臂的作用 机械手上将物件从某一个位置和方位，按一定的运动轨迹传送到另一个指定的位置和方位上去的机构即称为传送机构。它主要包括手臂和手腕。 目前所应用的手臂多数是由活塞和缸体、齿条和齿轮等所组成，而模拟人的手臂——多关节式的还占少数。手腕是连接手部和臂部的构件。通过手臂和手腕的配合，既可完成物体的传送，又可在传送过程中根据需要改变物件的方位。
对机械手臂的要求 1、要有足够的承载能力，亦即所谓的臂力。 2、动作要灵活、迅速（速度快）、准确（定位精度高），这是机械手的重要技术指标。 3、要有足够的强度和刚度。这一指标直接影响臂力的大小、动作的平稳性和动作的快慢以及定为精度。 4、结构简单、紧凑，制造容易，维修方便。
5、合理地配置传动件、导向件和定位件的布局，正确地选择手腕、手臂与主柱以及回转、升降等部件的连接形式，还应考虑管路的配置方式要尽量隐蔽、整齐和美观。 6、手臂伸缩部分的重量要轻。设计时手臂伸缩运动件的重量可按下述关系预选，即物件重量与伸缩件自重之比：高速时物重/自重＝15％，低速时物重/自重＝30％，以减少惯性力和手臂对其回转中心的转动惯量和偏重力矩等。
机械手臂的自由度和运动形式 关节型机械手由于结构上的原因，其关节通常只有转动型（简记作R型）和移动型（简记作P型）两类。这些关节之中，凡单独驱动的称主动关节，反之称从动关节。单独驱动的主动关节数目称作关节型机械手的自由度数目。
直角坐标型机械手
圆柱坐标型机械手
球坐标型机械手
关节型机械手
1－机（躯）体 2－肩部 3－大臂 4－肘部 5－小臂 6－腕部 7－手指 人的手臂与多关节型机械手的比较 1－机（躯）体 2－肩部 3－大臂 4－肘部 5－小臂 6－腕部 7－手指 8－传动缸（肌肉） 9－握紧缸
PUMA-262关节型机器人本体结构简图
关节型机器人腰关节驱动器和齿轮传动机构简图
关节型机器人大、小臂关节驱动器和齿轮传动机构简图
关节型机器人大小臂关节驱动结构
机械手臂的各传动链的主要特征归纳于下表1、2、3。
材料 手臂承受载荷时，不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料有尼龙6、聚乙烯（PEH）和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主。