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传动链
传动链
外联传动链
内联传动链
内联传动：两执行件间的传动精度
外联传动：执行件的速度(转速)和传递动力
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4.1.1 传动系统的类型
电机驱动 1.动力源 内燃机驱动
① 交流异步电动机 ② 直流并激电动机 ③ 交流调速主轴电动机 ④ 交、直流伺服电动机 ⑤ 步进电动机
机械无级变速 无级变速 液压无级变速 电气无级变速 交换齿轮变速 转速可变 2.输出速度 滑移齿轮变速 有级变速 离合器变速 上述的组合 啮合器变速 转速不可变（固定传动比传动系统）
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典型驱动和传动方式的功率、精度关系
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1. 多介质多形式高效驱动与传动
多介质：机、电、液、气、磁、声、光等介质； 多形式：机械、机电、机液、电液、电气、光电 、功能材料等两种或多种能量转换与传 递形式集成化；
高效：低摩擦损耗、高效率、工况和环境变化适 应性强的空间运动和功率传递方式
核心问题：高效能量转换与传递特性作用机理
作用：
(1) 齿轮—摩擦离合器换向机构
齿轮Z1、Z3均空套在轴Ⅰ上，摩擦离合器向左接合时，通过
Z1、Z2、传动轴Ⅱ实现正转；摩擦离合器向右接合时，通过Z3、 Z0、Z4、传动轴Ⅱ实现反转，摩擦离合器处于中间位置时，轴Ⅱ 不转。从而实现了轴Ⅱ的起停和换向。
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(2) 齿轮换向机构
运动从轴Ⅰ传入，轴Ⅲ传出。当轴Ⅲ上的滑移齿轮向右移动时， 运动由轴Ⅰ经齿轮1(Z30)的右半部和齿轮2(Z56)传出,带动轴Ⅲ转动。 当滑移齿轮在图示位置时，运动由轴Ⅰ经齿轮1(Z30)的左半部及其常 啮合的惰轮3(Z30)传动轴Ⅲ上的齿轮2(Z56)从而带动轴Ⅲ转动，经过 一惰轮3，使轴Ⅲ反向运转。由于齿轮1与惰轮3的齿数相等，故输出 的转速正反向相等。
传递的功率大
特点： 变速范围宽
传动比准确
工作可靠 有转速损失
CA7620型液压多刀半自动车床主传动系统及转速图
交换齿轮变速（29/46 46/29）滑移齿轮变速（38/53 28/63） 由于速度不连续，存在转速损失
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三、固定传动比的传动系统
如果机械系统的执
行件要求以某一固定的
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2. 滑移齿轮变速
特点： 能传递较大的转矩和较高的转速； 变速方便，通过串联变速组的办法便可实现增多变速级数的目的； 没有常啮合的空转齿轮，因而空载功率损失较小。 滑移齿轮不能在运转中变速，为便于滑移啮合，多用直齿圆柱齿轮传动，因 而传动的平稳性不如斜齿圆柱轮传动。 29
3. 离合器变速
• 减小离合器尺寸 要求省力、可靠、结构简单、有足够的动力 • 避免出现超速现象 (三）制动装置 • 考虑结构因素
要求可靠、方便、平稳、结构简单、尺寸小、磨损小、 散热好 • 制动器与离合器必须互锁
(四）安全保护装置 • 确定合理安装位置 销钉安全联轴器，钢珠安全离合器，摩擦安全离合器 • 闸带式制动器的操纵力应作用在制
基本要求 工作可靠，操纵方便，制动迅速平稳，结构简单，尺寸小，磨损小， 散热好。
牙嵌式离合器、齿轮式离合器和摩擦片式离合器。 当变速机构为斜齿或人字齿圆柱齿轮传动时，不便用滑移齿 轮变速，则需用牙嵌式或摩擦片式离合器变速。 优点：轴向尺寸小，可传递较大的转矩，传动比准确，变速
时操纵省力等。
缺点：不能在运转中变速，各对齿轮经常处于啮合状态，磨 损较大，传动效率低。
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摩擦片式离合器
的创新设计、制造工艺与智能控制方法等
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基于功能材料的新型驱动研究内容
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重要意义 1 深化对机械的驱动与传动科学本质规律的 理解和探索 2 提升我国机械驱动与传动部件的产品设计与 创新能力 3 提高重大装备研制所需的高效、高可靠功率 传动技术的支撑能力
4 提高精密、智能驱动与传动技术的创新能力
动带的松边
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（一）变速装置
作用： 变速装置的作用是改变动力源的输出转速和 转矩以适应执行件的需要。若执行件不需要变速，
可采用固定传动比的传动系统或采用标准的减速
器、增速器实现降速传动或升速传动。
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1. 交换齿轮变速
A、B和C、D为两对交换齿轮，改变齿轮A、B和C、 D的齿数，就可得到不同的传动比。 （俗称挂轮）
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研究范围：
基于功能材料的新型驱动系统中能量转换的内在
机理、多物理场耦合特性及其变化规律；
研究各种尺度及适应不同环境的高性能新型驱动
系统原理； 研究复合和多相等新型结构形式下的功能材料多 场、多相耦合作用规律，以及建模、分析、优化 和控制的理论和方法； 研究具有状态感知、多场能量调节、智能控制和 自修复能力的驱动原理，以及适应新型驱动原理
特点： 可在运转过程中变速 接合平稳，冲击小
便于实现自动化
轴向尺寸较长，结构复杂 注意的问题： ①减小离合器尺寸 ②避免出现超速现象 ③要考虑结构因素
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4 .啮合器变速
工作原理：在变速过程中先 使将要进入啮合的一对齿轮的圆
周速度相等，然后才使它们进入
啮合，即先同步后变速。这可避 免齿轮在变速过程中产生冲击， 使变速过程平稳。
4
研究范围： 基于机、电、液、气、磁、光等介质的机械、机 电、电液、光电、直驱等多种形式集成的能量转 化和功率传递理论； 载荷作用下低摩擦界面、最佳油膜、 高效传动设 计理论； 特殊条件下的传动摩擦副界面相互作用机理、振 动特性和优化控制方法； 基于载荷工况累积的摩擦副磨损规律、自适应密 封件特性分析理论； 电控、泵 控直驱和“近零传动”新原理； 具有故障感知、自补偿和容错重构的功率传递系 统多学科优化和可靠性设计理论。
3.动力源驱动执行件的数目 独立驱动 有多个运动不相干执行件 数控机械系统 联合驱动
机械传动 液压传动 4.传动装置 电气传动 集中驱动 机电液混合传动 只有一个执行件
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一、无级变速传动系统
无级变速是指执行件的转速(或速度)在一定范围内连续 地变化，这样可以使执行件获得最有利的速度，能在系 统运转中变速，也便于实现自动化等。 1.机械无级调速器：
主动轮 主动轮
组成： 主动轮 从动盘 弹簧
I I
潘存云教授研制
r1 从动平盘 工作原理： 调整主动轮的 弹簧 弹簧 r2 II
接触点的速度：v =ω2 r2 = r1 ω1 传动比： i12 =ω1 / ω2 =r2 / r1
位置，就改变了r2 的大小，从而实现 无级变速
特点： 1）结构简单、制造方便； 2）因为存在较大相对滑动，故磨损严重，传递功率不大
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精密驱动与传动研究内容
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3.基于功能材料的新型驱动
功能材料：压电陶瓷、电流变液、磁流变液、形状记忆合 金(SMA)、磁致伸缩材料及离子金属聚合物 新型驱动：指电磁驱动、功能流体驱动、光驱动、生物化 学驱动、无线能量驱动、自感知智能驱动、
功率电传一体化驱动等新原理和新结构形式
特征： 可以通过电能、机械能、磁能、热能等能量转换形式 实现高频响、大行程的驱动。 易于直接实现驱动与执行机构的集成化、小型化和微 型化。
目的：4与1啮合
方法：首先使4与1的转速相同， 即先同步，后啮合
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(二)起停换向装置
方便省力 操作安全可靠 用来控制执行件的起动、 基本要求 结构简单 停止及改变运动方向 能传递足够的动力 不需换向且起停不频繁 机械系统工况 需换向但不频繁 换向起动都很频繁 电动机直接起停换向 电动机 离合器起停换向 考虑的因素 动力源类型及功率 摩擦离合器、液力偶合器起停 内燃机 反向机构换向 齿轮 摩擦离合器换向机构 起停换向装置的结构与操纵方式 齿轮换向机构 33
第四章
传动系统设计
4.1 传动系统的类型和组成
4.2 传动系统的运动设计
4.3 内联传动系统的设计原则
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4.1 传动系统的类型和组成
动力系统
传动系统 执行系统
传动系统: 将动力源(或某个执行件)的速度、力矩传递
给执行件(或另一执行件），使该执行件具有
某种运动和出力的功能。
作用
1 运动和动力的传递； 2 运动和动力的变换。
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多介质多形式高效驱动与传动研究内容
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2. 精密驱动与传动研究内容 定义：采用精密机械、气浮、液浮、电磁、静电 等直接或间接的驱动与传动方式 特点：结合传感及控制单元，可以实现精确的运
动变换和负载功率匹配
应用：微电子、光电子、生物医学、航空航天、 先进制造、机器人、微/纳米等领域 发展趋势：机构、传感、控制一体化
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2) 钢球无级变速器
钢球
支承轴
工作原理 调整支承轴的倾 角，可改变钢球 的传动半径r1和 r2 ，从而实现无 级变速。
组成： 锥轮 钢球（通常为6个） 支承轴
潘存云教授研制
r1 r2
I
R1
R2
II
主动锥轮 从动锥轮
传动比： i12 = R2 r1 / R1 r2 = r1 / r2 特点：1）结构简单、传动平稳，相对滑动小，结构紧凑； 2）要求钢球加工精度高。
3) 菱锥无级变速器
组成： 主动轮 从动轮 菱锥 支承架 II 菱锥 从动轮 菱锥
r2
R2
潘存云教授研制 支承架 r1
R1 I
主动轮 工作原理： 调整支架的水平位置，可改变菱锥的传动半径r1和r2 ，
从而实现无级变速。
传动比： i12 = r1 R2 / R1 r2 利用接触点线 速度相等计算
I R1 菱锥 r1 菱锥 r2 II R2
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精密驱动与传动的研究范围：
能实现多自由度直线或回转运动的精密驱动与传动新原 理新机构，包括啮合、摩擦、柔性/柔顺、宏微复合、 气浮、液浮、磁浮、电浮等原理； 轻量化、无摩擦、无间隙、无润滑驱动与传动原理； 精密驱动与传动部件和系统的运动、力与能量变换特性 及调控理论； 传动精度与快速响应特性的创成设计理论和方法；面向 尺度和性能约束的精密驱动与传动的动力学分析与集成 优化； 多自由度精密驱动与传动及其控制的一体化设计理论； 精密驱动与传动的制造精度体系设计理论，精密制造工 艺和质量保证方法，特殊环境下精密驱动与传动的服役 性能演变机理。