机械毕业设计（论文）-自动扶梯驱动机及其PC可编程控制系统设计【全套图纸】

自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计1 毕业设计（论文）书毕业设计（论文）书 设计题目：自动扶梯驱动机及其 PC 可编程控制系统设计 （英文）： design of the control system by PC for the escalator and the system of drive 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 2000 级机制（6）班 学生姓名： 指导教师： 职称： 教授 职称： 讲师 职称： 讲师 20*年 6 月 9 日 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计2 题目：自动扶梯驱动机及其题目：自动扶梯驱动机及其 PCPC 可编程控制系统设计可编程控制系统设计 中文摘要 自动扶梯应用日益广泛，大型商场，宾馆都已离不开它，且在火车站，机场 等也愈大显身手。一个完整的扶梯系统包括电动机，主传动机构，链条机构，以 及滚轮，梯级，扶手等。通常把电动机，主传动机构，链条机构以及制动，限速 机构设计成一整体，叫做驱动机。驱动机是自动扶梯最为重要的机构，它的质量 直接决定了自动扶梯的工作性能，工作状态，工作寿命等。 关键词：自动扶梯；电动机；机构；制动；驱动机 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 英语摘要 The range of Escalators includes products for commercial use - in department stores, hotels or offices, as well as those for use in public areas such as railway stations, airports or the underground.A comprehensive system of escalator includes the electric moror,the main Transmission mechanism ,the chain transimission mechanism and steps,handrails. Usually,get the elector motor,the main transmission mechanism and additional brakes into one ,called the drive.The drive is the most important part of the escalator ,which effects directly the quality of the escalator.for example ,the drive is the origin of the noise and the vibration produced when the escaltor works. 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计3 Keywords : Escalator; moror; mechanism; brake; drive 目目 录录 第一篇 自动扶梯驱动机的结构设计 概述5 第一章 自动扶梯扶梯的基本结构 1.1 支承部分5 1.2 驱动系统6 1.3 运载系统8 1.4 扶手系统11 1.5 电气控制系统12 1.6 安全保护系统12 第二章 驱动机的类型13 2.1 驱动机应具备的技术条件13 2.2 驱动机主传动机构的选用15 2.3 驱动机的机构形式17 第三章 自动扶梯功率计算18 3.1 自动扶梯的主要参数18 3.2 自动扶梯的阻力计算18 3.3 自动扶梯的功率计算20 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计4 第四章 驱动机主传动机构的设计21 4.1 ZC 蜗杆副的定义和传动特点21 1 4.2 ZC 蜗杆副的设计与计算22 1 4.3 蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算22 4.4 ZC 蜗杆副的几何尺寸计算24 1 第五章 驱动机结构设计27 5.1 驱动机结构设计应达到的技术要求27 5.2 驱动机整体设计考虑的问题27 5.3 整轴式蜗杆副驱动机蜗杆轴的结构28 5.4 蜗杆轴的设计29 5.5 低速轴的设计31 5.6 键的联接强度计算36 5.7 制动器系统的设计36 5.8 合理设计通气孔37 5.9 排油孔的设计38 第六章 驱动机的安装工艺38 6.1 驱动机安装应实现的技术指标38 6.2 驱动机安装工艺流程39 第二篇 自动扶梯 PC 控制系统设计42 第一章 PC 简述43 第二章 自动扶梯的 PC 控制44 2.1 自动扶梯的主电路44 2.2 自动扶梯控制线路45 2.3 自动扶梯梯形图46 总结53 参考资料54 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计5 第第 一一 篇篇 驱动机的结构设计驱动机的结构设计 概述概述 电梯是机电一体化的典型产品。近年来自动扶梯的高速度发展，不仅满足 了各部门得到需要，而且促进了各行业的兴隆发达，效益倍增。 “自动扶梯热” 的 形成和持续，将进一步促使新产品的开发和产品质量的提高。在这种形式下， 普及电梯技术，研究电梯技术已成为当务之急。 自动扶梯多用于人流密集的公共场所如：商场、大厦、地铁、车站、机场、 码头等，其特点是在较短时间内输送大量的客流。 第一章第一章 自动扶梯的基本结构自动扶梯的基本结构 1.1 支承部分支承部分 自动扶梯的支承部分即扶梯的桁架，桁架架设在建筑物结构上，能支承 全部部件和乘客的重量，用型钢焊接而成。 桁架上所有的弦，柱及对角支承均可采用角钢、方形钢管焊接而成。要求刚度 好、重量轻。根据设计需要和便于运输，桁架一般分成三段，即上水平段框架、 倾斜段框架。下水平段框架。提升高度较大时，再对倾斜段分段。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计6 1.2 驱动系统驱动系统 驱动系统由主机、主驱动轴、主驱动链、扶手带驱动链、扶手带驱动轴、 梯级链张紧装置等组成。其功能是驱动梯级和扶手带的运动。 （1）主机 。扶梯的动力，通过主驱动链使主轴转动。 （2）主驱动轴。轴使的梯级链轮带动梯级链，使安装在梯级条上的梯级运功； 轴上的扶手带驱动链以相同的方式驱动扶手带驱动轮，使扶手带运功。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计7 （3）梯级链轮张紧装置。该装置安装在扶梯下部，作用使拉紧梯级链。 （4）自动润滑装置。其功能是定时、定量对梯级、主驱动链等运动部件进行润 滑。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计8 1.3 运载系统运载系统 运载系统由梯级、梯级链、导轨、地板和梳齿板等组成，其功能是运送乘客。 梯级链将主机的动力传送给梯级，使梯级沿着导轨运动 (1) 梯级。梯级的功能是用来运送乘客，是扶梯的工作部件。梯级上有四个轮子， 二个直接装在梯级上，称为梯级滚轮；另二个装在梯级链上，使梯级与梯级 相连，称为梯级链滚轮。由于梯级链滚轮受的力要大一些，有称为梯级主轮； 梯级滚轮则被称为副轮。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计9 (2) 地板与梳齿板。地板为乘客在扶梯两端提供站立平台，同时又是机房的盖板， 梳齿板位于梯级的出入口。梳齿板上的梳齿与梯级的齿槽相啮合，保证梯级 在回转时的安全性。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计10 (3) 导轨：导轨是梯级运动的导向，并起到支撑梯级及梯级链的作用。由支承梯 级工作的工作导轨和使梯级回转的返回导轨、防止梯级在工作时脱轨的压轨 及相应的支撑件组成。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计11 1.4 扶手系统扶手系统 扶手系统由扶手带，扶手带驱动装置。扶手装置等组成。 （1） 扶手带。是与梯级以相同速度运动的，供人扶手的部件。 （2） 扶手带驱动装置。其功能是驱动扶手带。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计12 （3） 扶手装置。扶手装置是乘客乘扶梯时扶手用的，同时起到护栏的作用。 它由扶手带、扶手带导轨、扶手支架、扶手栏板、内外盖板及裙部组成。 1.5 电气控制系统电气控制系统 电气控制系统实现对扶梯的运行控制，主要由控制柜，控制按钮、开关等组成。 1.6 安全保护系统安全保护系统 安全保护系统的功能是当自动扶梯处于不安全状态，安全装置使之停止。最常 见的保护装置有： （1） 主驱动链破短保护。当驱动链松弛或破断时，使扶梯停止。 （2） 扶手带入口保护。防止手伸入扶手带入口的保护。 （3） 梯级链的安全保护。当梯级链过分伸长或断裂时，使扶梯停止。 （4） 梳齿板安全保护。当梯级在通过梳齿板受到阻碍时使扶梯停止。 （5） 梯级运行安全保护。当梯级滚轮破损导致梯级塌陷时迫使梯级停止。 （6） 防逆转保护。当扶梯在运行中发生逆向运动时，使扶梯停止。 为了使乘客舒适，对公共场所不产生噪声污染，对扶梯的主要要求使运行 平稳，噪声小。故降低噪声和振动是扶梯技术的主要攻关项目。 扶梯由动力源，传动机构，执行机构三部分组成。其工作原理是：电动机 驱动主传动机构，链传动机构及多个滚轮，带动梯级循环运行，执行输送任务， 往往把电动机，主传动机构及附加的制动与限速装置设计成一个整体，这个整 体就称为驱动机。 驱动机是自动扶梯的驱动和减速机构，是其主要组成部分。主要功能是驱 动扶梯减速运行，完成停车制动，限制超速和逆转运行。驱动机的产品质量直 接影响整个扶梯的工作性能，工作状态，运载能力，工作寿命，所以扶梯对驱 动机提出了极高的技术要求，研究驱动机，采用高技术设计驱动机，高质量地 生产驱动机已成为开发和发展自动扶梯的重要课题。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计13 第二章第二章 驱动机的类型驱动机的类型 2.1 驱动机应具备的技术条件驱动机应具备的技术条件 2.1.1 驱动机的组成驱动机的组成 驱动机主要由交流电动机，主减速器，制动器，限速器，防逆运转器及机 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计14 架组成。 电动机和主减速器通过同轴线止扣用螺栓固联在一起。电动机轴和主减速 器的高速主动轴为一体；制动器放在高速轴上，以获得较小的制动力矩；防逆 运转器放置在低速从动轴上，接通电源，制动器打开，电动机运转将功率输入 给主传动机构，通过主传动机构的从动轴将功率传人链机构，带动梯级和扶手 带运行工作。切断电源时，制动器通过弹簧由包闸臂包紧包闸轮，产生摩擦力 矩，使主轴减速停车。当电动机超速时，限速器切断电源，制动器工作，扶梯 随之停车，同样逆运转时亦可体车。整个驱动机固联在机架上。 2.1.2 驱动机的技术要求驱动机的技术要求 (1）具有较高的强度 即在设计驱动机时，应首先满足在设计寿命内，不产生任何失效形式 的强度要求。 （2）具有较高的传动效率 传动效率体现了输入功率在驱动机中有效利用的程度。在输入功率相 同的情况下，克服生产阻力矩的大小直接影响驱动机传动效率的高低，也反映 了能量损耗的多少。 （3）具有较高的体积载荷 体积载荷是指驱动机传递的功率除以驱动机体积所得的商。即要求驱 动机所占的空间较小，在扶梯运载量不变的条件下，驱动机必须具有小体积， 大功率的特性。 （4）要满足扶梯的要求 即驱动机须较大的减速比，恒定的运动速度（慢速 v0。5m/s）,及 满足连续，起动次数较少的正反运动。且正反运转具有相同的工作特性。 （5）具有较低的噪声和振动 为了达到人乘舒适，减少噪声对公共场所的污染，扶梯应具有噪声低， 振动小，工作运行平稳的特性。 （6）应具有合理的结构设计 主要评定条件是：满足强度和刚度的要求；外观朴实大方；制造与安装工 艺好；装拆方便；成本低廉。 （7）具有灵活，可靠的制动性能 驱动机附设的制动器是为了缩短停车时间，加速停车。其制动力矩应大 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计15 于轴的输入转矩。制动技术应先进，强度高，寿命长，灵活可靠，机构紧凑。 （8）限速器和防逆运转器要灵活可靠 2.2 驱动机主传动机构的选用驱动机主传动机构的选用 2.2.1 主传动机构的的选择原则和依据主传动机构的的选择原则和依据 驱动机主传动机构选择的原则是： 1梯及驱动机的工况条件。驱动机属于起动次数较少，空载起动，连续运 行，传动比恒定，速度较低，工作冲击小，所需功率小，要求体积载荷 大，传动效率高，振动小，噪声低，能正反运行的传动装置。 2环境良好，但通风条件差。 3制造，安装，维修的工艺性，成本，利润。 4主传动机构的技术含量及发展前景。 5虑结构形式及结构布置上的要求。 2.2.2 传动机构的性能及对比分析传动机构的性能及对比分析 传动装置是把动力机产生的机械能，传送到执行机构上的装置。驱动机中 的传动机构和链传动机构，构成了扶梯和人行道的传动装置。驱动机的件速器 不分是扶梯传动装置的主要部分。本设计将驱动机的传动装置称为主传动机构。 传动形式友机械传动，液压传动，电传动三种类型。其中机械传动是驱动 机的最佳选择。 机械传动有多种形式，主要有摩擦轮传动，链传动，带传动，齿轮传动等。 其中摩擦轮传动过程中速度不恒定，滑动率较大，要设有加压装置，故承 受的径向力大，体积载荷小，传动比范围小，使用寿命短，所以不适合驱动机 的主传动机构。 带传动传动可实现大中心距，工作平稳、缓冲击、吸震、噪音低，有过载 保护能力、结构简单、工艺性好、成本低，但传动比不恒定，滑动率大，传动 不范围小、轴承受径向力较大、体积载荷小、寿命短等不足之外，不宜在驱动 机上应用。特别指出，齿形带吸取了链传动及带传动的优点，克服了其不足， 已成为有发展前途的传动机构。 链传动由于具有多边形效应，传动中产生周期性加速度，引起振动和噪声， 轴的径向力较大，磨损后易产生振动和脱链，只能用于低速传动，所以不能用 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计16 于驱动机的主传动机构。 齿轮传动是机械传动中用途最广的传动形式，它具有其他传动机械形式不 可比拟的许多特点，如传动效率高，传动比和速度范围大，传动比恒定，寿命 长，体积载荷大，工作安全可靠，而且种类很多。通过以上机械传动类型特性 简单比较，认为齿轮传动是驱动机的主传动机构的在目前的技术条件下，要优 于其他传动形式。是“最佳”方案。 齿轮传动种类很多，其啮合特点、应用范围、设计技术、结构特性等各不 相同，所以用于主传动机构也必须认真研究，特别是结合工艺、设备条件加以 选择。国内外驱动机所选用的主传动机构差异较大，国内以选用蜗杆副为主， 国外正向齿轮副以及行星齿轮系方向发展。 现列举主要的齿轮传动类型 渐开线圆柱齿轮副。斜齿圆柱齿轮副具有重合度大、瞬时接触线长、承载能 力大、工作平稳、噪音较低等特点，很大程度上满足了驱动机所要求的技术指 标，得到广泛的应用。 目前国外多用同轴式二级斜齿圆柱齿轮传动作为主传动机构，这样驱动机结 构紧凑、体积小、重量轻、体积载荷大其设计技术用的较合理。采用展开式二 级斜齿圆柱传动作为驱动机的主传动机构这种设计方法，未能更好的结合驱动 机的技术要求加以体现，仅是一般的设计方法，机构不够 紧凑，体积载荷较小。 圆柱蜗杆及圆柱斜齿轮的混合应用。圆柱蜗杆副在大传动比时，传动效率较 低。为提高传动效率和使驱动机机构紧凑，又便于交错轴传递转矩，将渐开线 斜齿圆柱齿轮副和圆柱蜗杆副联合应用作为主传动机构，也是较合理的设计方 案。 圆锥齿轮副。驱动机主传动机构可选用曲线齿圆锥齿轮副。因为它具有传动 平稳、振动小、噪音低、承载能力大、安全可靠、传动效率高等优点。由于驱 动机所用的传动比在 2040 之间，用单级圆锥齿轮副四不能实现的，用二级传 动机构设计较困难，故用圆锥齿轮副和圆柱齿轮副联合应用比较合理。输入轴 和输出轴垂直，显得机构紧凑，使用也更加方便。 形星齿轮传动。行星齿轮在驱动机上的应用，也是驱动机设计的一大突破。 行星齿轮传动为主传动机构的驱动机具有机构紧凑，体积载荷大，噪音低、振 动小、传动效率高的工作性能。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计17 带传动与齿轮传动、蜗镐传动的混合机构。利用齿形带的工作特性，特别是 吸振、缓振的特点，可把齿形带放置在第一级，从而带动同轴式齿轮传动机构 或一级蜗杆传动机构的驱动机将是一种良好的设计方案。 齿轮传动中的圆柱蜗杆副具有传动比范围大，速度恒定，体积载荷大，机构 紧凑，工艺性好，机构简单，成本低，噪声低，便于设计成立式驱动机等一系 列优点。分析各种蜗杆传动的啮合特性及工艺等综合因素，采用圆柱蜗杆副为 主传动机构较为合适。通过蜗杆类型及几何参数、啮合参数的选择，可以克服 传动效率低的不利因素。 2.3 驱动机的机构形式驱动机的机构形式 2.3.1 立式和卧式驱动机立式和卧式驱动机 目前广泛应用的驱动机有；立式和卧式驱动机两大类。立式和卧式在使用 上没有什么区别，而在机构上有较大差异。从整体机构分析，蜗杆副驱动机多 用立式，立式一般情况下比卧式占有面积小，在扶梯上的安装较为方便。 2.3.2 整轴式和分轴式驱动机整轴式和分轴式驱动机 整轴式就是电动机轴和主传动机构的高速轴为一体。不是一体而用联轴器 联接成一体时，为分轴式驱动机。目前所用的驱动机中，卧式齿轮副驱动机都 是分轴式的。立式蜗杆副驱动机分两种，一种是整轴式蜗杆副驱动机，一种是 分轴式蜗杆副驱动机。 目前西欧各国生产的自动扶梯普遍采用整轴式驱动机。国内整轴式蜗杆副 驱动机也被广泛应用。九三太工大电梯实业公司也设计生产整轴式蜗杆副的驱 动机，由于机构合理，安装工艺严谨而达到了较高质量。 整轴式蜗杆副驱动机与分轴式驱动机相比其主要特点是：降低了高度 （一般低 100150mm） 、成本和售价低（一般低 20%） ，结构比较简单，就目前 驱动机发展的方向，正向小型化发展，尽量要求驱动机的尺寸小，所以选用整 轴式结构。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计18 第第 3 章章 自动扶梯的驱动功率计算自动扶梯的驱动功率计算 3.1 自动扶梯的主要参数自动扶梯的主要参数 1) 提升高度 H：建筑物上，下楼层间的高度。取 H5m，为小提升高度。 2）理论输送能力，设备每小时内理论上能输送的人数。当自动扶梯的各梯 t C 级均站满人时，就达到了其理论输送能力，由下式计算： 1 3600 t KV C Y 理论输送能力（人/h） t C K承载系数，与踏板名义宽度 Z1 有关。当 Z11.0m 时，k=2 V额定速度（m/s）取 v=0.65m/s 梯级深度（m）取 Y1=0.4m 1 Y 所以=3600=11700(人/h) t C 2 0.65 0.4 3) 额定速度 v 自动扶梯运行速度的快慢，直接影响到乘客在扶梯上的停留 时间。与满载系数密切相关，根据现场实测数据并经线性回归，得 1.10.6V=1.1-0.60.650.71 4) 梯级名义宽度 取=1.0m 1 Z 1 Z 5) 倾角为 o 30 3.23.2 自动扶梯阻力计算自动扶梯阻力计算 为方便起见，扶梯自重的线载荷表示，经过估算每个梯级的重量为 70kg t q 梯级的宽度大约是 400mm；每个滚子的重量约为 2.5kg,梯级的节距是 100mm。 那么可以算出梯级的线载荷为，取 g=10, 11 个滚轮才间隔 1.0m。 =2700N t q 70 10 2.5 10 11 2 0.4 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计19 乘客的线载荷用表示， r q 其计算公式如下 = r q 0.4 KQ Q估计平均每个乘客的重量大约 60kg, 0.4表示梯级的宽度大约是 400mm； k每一梯级上可站立的人数； 满载系数。 （取 0.71） 代值计算结果是=2200N r q 总阻力法总阻力法 总阻力法求自动扶梯阻力的思路是：分别计算自动扶梯驱动装置所需要克服 的各项阻力，包括扶手系统的阻力，然后求出扶梯系统的总阻力。 (1) 路上分支倾斜区段乘客载荷形成的阻力。 = 1 W r q m Lsincos、 (2) 乘客载荷形成的阻力 梯路上水平分支区段共有 2 个，乘客载荷形成的相应阻力为： =2 2 W r ql (3) 上分支与下分支倾斜区段梯级自重形成的阻力，可认为上、下分支的阻力 相等。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计20 =2 3 W t q m L (4) 上分支与下分支 4 个水平区段梯级自重形成的阻力这个阻力可看作相等。 =4 4 W t ql (5) 梯路曲线区段的运动阻力 这个阻力可看作乘客与梯级自重共同形成，每个曲线区段内的载荷均可分 解为垂直梯路方向的载荷和平行梯路方向的载荷两部分。垂直梯路方向的载荷 应乘以 因子，而平行梯路方向的载荷则应乘以因子。经过分析可以得出梯cos 2 sin 2 路曲线区段运动阻力应为： =2()+4 5 W r qcossin 22 t qcos 2 l (6)梯路转向区段运动阻力 这个区段的阻力主要通过摩擦传递，即 = 6 W t q (7) 扶手系统阻力 =4 (+2 ) 7 W r q m Ll f 上面各个式中的参数为 阻力（N） ； 71W W 乘客线载荷（N/m）2200N r q 梯路线载荷（N/m）2700N t q 梯级车轮的摩擦因子，取=0.025003； 进出端水平端长度（m） ，小提升高度取 0.6m.l 倾斜区段梯路水平投影长度(m)计算的 4.33m m L 梯路曲线区段水平投影长度(m)取 0.6m l 梯路转向时，梯级所经路径的曲线长度（m） ；取 2m 乘客手握扶手胶带的附加阻力系数，取=1.5 扶手胶带的线载荷（N/m）,可以取=25N/m; f q f q 扶手胶带阻力系数，可取=0.3 f f 自动扶梯倾角 30 经过计算得 =5239N =80N =702N =195N =266 1 W 2 W 3 W 4 W 5 W =195N =240 6 W 7 W 扶梯系统的总阻力就是上述各项阻力之和，既 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计21 7654321 WWWWWWWW =6915NW 3.3 自动扶梯的功率计算自动扶梯的功率计算 自动扶梯的总功率计算可以用总阻力法求出，其具体公式如下： N= 1000 WV N自动扶梯的总功率（KW） W用总阻力法求出的自动扶梯总阻力 V自动扶梯额定速度（m/s） ；0.65m/s 传动系统的效率 的计算由四对滚动轴承副， （传动效率 0.98） ；两个链传动副（传动效率 0.92） ； 一对蜗轮副传动（传动效率 0.9） 。 则 =0.703 42 0.980.920.90 代值计算总功率 N=6.45 第四章第四章 驱动机主传动结构的设计驱动机主传动结构的设计 4.14.1 ZCZC 蜗杆副的定义和传动特点蜗杆副的定义和传动特点 1 ZCZC 蜗杆副其定义如下：一个圆柱蜗杆，其轴平面或法平面的齿廓是一段圆弧 或是圆环面包络面的平面截线时，称这种蜗杆为圆弧圆柱蜗杆，简称 ZC 蜗杆， 齿形 C。ZCZC蜗杆副属于 ZC 蜗杆副的一种。 1 圆环面包络圆柱蜗杆副（ZCZC蜗杆） 1 该蜗杆属于包络型曲面纹面圆柱蜗杆，刀具是圆环面的砂轮，在刀具的轴平 面内，产形线是圆环面母圆的一段凸圆弧，将刀具轴线置在过齿槽中与分度圆 螺旋线平行的假想螺旋线的法面内，刀具轴线与蜗杆轴线的轴交角为。 01 当刀具一边绕自身轴线转动，一边又相对蜗杆毛坯做螺旋运动是，刀具刃面的 包络面，既蜗杆螺旋面。ZC1 蜗杆磨齿工艺良好，可获得高精度硬齿面，是圆 弧圆柱蜗杆最有发展前途的蜗杆。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计22 圆弧圆柱蜗杆副的啮合特性 （1） 具有较大的诱导曲率半径 蜗杆副共轭齿面呈凸凹公轭啮合，较大，赫尔兹应力就小，同时动压润滑 条件改善，齿面强度和传动效率提高 （2） 有良好的接触线形状 ZC 蜗杆副的接触线形状有利于动压油膜形成，为40 75 约占理论啮合区的 60%以上。良好的润滑，使传动效率可达到（） ，0.97 0.98 油温低，磨料磨损小，齿面强度高，承载能力大，工作平稳，噪音低的主要原 因。 （3） 具有良好的工艺性 （4） 必须采用径向正变位 （5） 具有灵活的设计方案可快活的选择“最佳”几何参数也啮合参数。 （6） 对中心距偏差较敏感 中心距偏差增大时，回引起蜗杆齿顶也蜗轮齿面呈线接触，造成宏观接触 面积减少， “最佳”啮合部位无法实现。 4.24.2 ZCZC蜗杆副的设计与计算蜗杆副的设计与计算 1 电动机转速=1440r/min，按强度校核 a=180mm, ZC蜗杆副驱动机设计。 1 n 1 根据驱动机输出轴转速的一般要求40r/min,可得公称传动比=40 2 n 12 i 按一般设计方案取，、m=7mm、为好。但是为了提高设计质量推荐 1 139z 2 、z 方案为：初选 q=20, =2, =80,于是 1 z 2 z m= =3.6mm 取 3.5mm 2 1 zq az a=m(q+) q+ = 1 z 2 z 2 z m a2 q+=102.85714, 取 q=22 =81 2 z 2 z 4.3 蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算 蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况，都发生在蜗轮齿数较多 （）时，或开式传动中，因此，对闭式蜗杆传动通常只作弯曲强度的校 2 90Z 核计算，这种计算是必须的。因为校核蜗轮轮齿的弯曲强度不仅只是为了判断 弯曲断裂的可能性，对那些承重载的动力蜗杆副，蜗轮轮齿的弯曲变形还要直 接影响到蜗杆副的运动平稳性精度。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计23 考虑到蜗杆传递的功率不大，速度较低，故蜗杆选用 45 钢，因希望效率高 些，耐磨性好些。故蜗杆螺旋齿面要求表面淬火，硬度为 4555HRC。蜗轮用 铸锡磷青铜 ZCuSn10p1,金属模制造。为了节约贵重有色金属，仅齿圈用青铜制 造，而轮芯用灰铸铁 HT100 制造。 齿根弯曲疲劳强度验算 FFaF YY mdd KT 2 21 2 53 . 1 蜗轮齿根弯曲应力，单位为 F a MP 蜗轮的许用弯曲应力，单位为。=，其中 F a MP F FFN K A 为计人齿根应力校正系数后蜗轮的基本许用应力，可查表得出， F 2sa Y 寿命系数，=，其中 N 为应力循环次数。 FN K FN K 6 9 10 N （当时，需将表中乘以；当时，取； 6 10N FN K 7 25 10N 7 25 10N 时，取。 ） 5 10N 5 10N 根据此说明可以计算=0.541 FN K 6 9 7 10 25 10 为蜗杆公称直径 77mm 1 d 蜗轮的公称直径 283.5mm 2 d m蜗杆模数为 3.5 蜗轮齿形系数，可由蜗轮的当量齿数及蜗轮的变位系 2Fa Y 2 3 2 cos v z z 数查出。 2 x 根据此公式可计算蜗轮当量齿数=82 2 3 2 cos v z z 螺旋角影响系数， Y1 140 Y 5.2 蜗轮的是的公称转矩，其计算公式如下： 2 T = 2 T 66 21 2112 9.55 109.55 10 / pp nni 蜗杆轴的输入功率 6.45kw 1 p 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计24 蜗杆的转速 1440r/min 1 n 蜗轮功率输入功率 2 p 蜗轮的转速 2 n 蜗杆副的转动效率 0.90 代值可计算出=1.56 2 T 6 10 K载荷系数，K=，其中为使用系数，为齿向载荷分布 AV K K K A KK 系数，当蜗杆传动平稳载荷下工作时，载荷分布不均匀现象将由于工作表面良 好的磨合而得到改善，此时可取。为动载荷系数，由于蜗杆传动一般1K V K 较平稳，动载荷要比齿轮传动的小得多，故值可取定如下，当蜗轮的圆周速 V K 度时，取=1.01.1；时，=1.11.2。取=1.05 2 3/vm s v K 2 3/vm s v K v K 其计算公式如下： K=111.05=1.05 A K K V K 当量齿数 82 2v z 根据 = 0.07143, 82，可差得齿形系数2.26 2 x 2v z 2Fa Y 螺旋角系数 0.963，0.541 Y FN K 560.54130.32MPa F =24.66 F 1.53 1.05 1560000 0.963 2.26 77 283.5 3.5 、 F 所以合格 F 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计25 4.4 ZCZC 蜗杆副的几何尺寸计算蜗杆副的几何尺寸计算 1 序号名称 ZC 蜗杆副（计算公式） 1 结果备注 1变位系数最佳 0.71.20.9 2齿形角 230.5 23 3齿形圆弧半径 m(5.5 6、 20.3 4齿顶高系数 =1 a h 1 5顶隙系数 =0.16c 0.16 6齿厚 =0.4 1x sm 4.40 7齿距 x pm 10.99 8齿廓圆弧中心 cos n c 18.69 9齿廓圆弧中心 1 cos n br 10砂轮直径 1 sin n dar 11齿顶厚 12齿根厚 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计26 13全齿高 (20.16) a hhm 7.56 14最小齿廓圆弧 半径 min min sin sin a h m mx 8.96两者之中取 大值 15中心距 2 1 (2 ) 2 am qzx 180由强度确定 16蜗杆齿数 1 2z 2 17蜗轮齿数 2 81z 81 18蜗杆直径系数 1 22 d q m 22 19变位系数 2 1 () 2 a xqz m -0.0175 20模数 2 2 (2 ) x a m qzx 3.5 21法向模数 1 cos nx mm 3.486 22蜗杆导程 1zx pm z 21.98 23蜗杆导程角 1 1 arctan() z q 5.2 24蜗杆节圆柱导 程角 1 1 arctan() 2 z qx 5.227 25蜗杆分圆柱半 径 1 1 2 x rm q 35.5 26蜗轮分圆柱半 径 22 1 2 x rm z 141.75 27蜗杆节圆柱半 径 1 1 (2 ) 2 x rm qx 38.26 28蜗轮节圆柱半 径 22 1 2 rmz 145.75 29蜗轮喉圆半径 22 2 aa rrh 143.23 30蜗杆顶圆柱半 径 1 1 (2) 2 axa rm qh 77 31蜗轮根圆半径 1 1 2() 2 fa rm qhc 34.44 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计27 32蜗轮根圆半径 22 1 ()2 2 fa rm zhcx 139.46 33蜗轮顶圆直径 2 (11.5) Hax ddm 288.05 34蜗轮咽喉母圆 半径 22ga rar 35 35蜗轮齿宽 21 (0.65 0.7) a bd 53 36蜗杆齿宽 12 (12.50.1 ) x bz m 72 37法向齿形角 1 tantancos nx aa 0.4227 38蜗杆螺旋参数 1 1 2 pmz 3.5 39传动比 =40 11 12 22 n i n 40.5 40蜗杆圆周速度 1 1 1 60 1000 d n v 5.88 41蜗轮圆周速度 22 2 60 1000 d n v 0.535 42相对速度 (12)22 1 1 (2 ) 19100 mn vqxz 5.71 第第 5 章章驱动机的结构设计驱动机的结构设计 驱动机的结构设计，在驱动机的设计质量中举足轻重，自动扶梯与自动人行 道对驱动机的技术要求，在很多方面要由结构设计完成或体现。 驱动机的结构设计涉及到大量计算和复杂的公式推导，本设计仅针对驱动机 结构设计中的一般典型问题作扼要论述。 5.1 驱动机结构设计应达到的技术要求驱动机结构设计应达到的技术要求 （1）所有零件都要满足驱动机使用性能 使用性能主要包括，运动与速度，功能的可靠性，强度与寿命，体积与重 量，安装尺寸，操作及维修方便，简易，体形美观，大方。 （2）充分考虑制造工艺和安装工艺 主要包括：在达到使用要求的条件下，零件结构尽可能简单，实用，毛坯制 造，机械加工，装配，维修的工艺性好，无需增加专用设备和过多的专用工装 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计28 及辅助设备，尽量合理选用材料及热处理方法；尽可能选用新材料，新工艺， 新技术；尽可能选用标准件，通用件，设计应达到系列化，通用化，标准化。 （3）满足驱动机的特殊技术要求 主要指：制动机构灵活、可靠；限速器，防逆转器简便，实用；小振动， 低噪声。 5.2 驱动机整体设计考虑的问题驱动机整体设计考虑的问题 整体设计的总目的是，在满足自动扶梯对驱动机技术要求的前提下，设计出 布局合理，操作方便、美观大方的结构形式。 5.2.1 选择机型确定基本结构尺寸选择机型确定基本结构尺寸 驱动机放在机房内，机房的体积是有严格规定的，驱动机的高度一般超过 1m，甚至有的用户要求不超过 0.85m。 自动扶梯和自动人行道的制造和安装规 范中规定“在需要对运动维修和检查的地方应有一块至少为 0.5X0.6m 的自由 空间”而事实上在面临自动扶梯向结构紧凑、小型化发展的今天，要留出 0.3 平方米的自由空间是比较困难的。驱动机设计必须实现结构紧凑，体积小的目 标。然而驱动机体积要受各个方面约束，如主传动机构的中心距，电机外廓尺 寸，箱体盛油量等。为此驱动机的体积不可能设计的太小。满足上述设计条件、 并保证安装和维修人员所占空间的前提下，通过设计对比证实，将正交轴主传 动机构的驱动机设计成立式要优于卧式，而将平行轴主传动机构的驱动机设计 成卧式则优于立式，我国目前用的蜗杆副驱动机多采用立式。 5.2.2 外观布置外观布置 外观布置首先要保证各个零部件有效地完成其功能，并达到“最佳”的受 力状态，另外外观协调、美观大方也十分重要。 （1） 动系统的布置 整轴式驱动机，采用块式摩擦制动系统，放置在箱体和电机联接处的高速 轴上。这种布置的特点是制动力矩非常靠近蜗杆副的啮合部位，受力十分合理。 制动系统的磁力器安装位置有三种情况，放在驱动机的前面，结构紧凑，体积 小，外观对称，美观大方，但应注意制动系统不得与运动着的梯级干涉，目前 几乎都采用这种布置，本设计也是采用这种布置。该机型不专门设置飞轮，而 把飞轮和制动轮合为一个构件。这种设计不但减少了零件，降低了成本，而且 减少了驱动机的高度。 （2）蜗轮轴伸方向 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计29 蜗杆副立式驱动机，蜗杆轴是输出轴，直接与自动扶梯的其他传动系统相 联接，不同的自动扶梯机型要求不同的驱动机输出轴伸方向（左或者右） 。为了 安装，维修方便，具有良好的通用性，蜗轮轴系零件的设计，相对箱体应具有 对称性结构。 （3）驱动机散热肋合箱体加强肋的布置 蜗杆副驱动机摩擦损耗功率较大，油温升较高，为此除增大箱体盛油量外， 增加散热面积，增加散热肋式必要的。为增加箱体刚度，设加强肋同样是必要 的，把散热肋和加强肋合为一体是重要的设计原则，故在箱体外表面设置肋板 时，要考虑散热面积，增强刚度和美观大方。一般设置成竖直肋。 （4）限速器和防逆运转器的布置 在自动扶梯和人行道上，设置这两个附加机构是有标准要求的，一般把限 速器设置在高速轴上，把防逆运转器设置在低速轴上。 5.3 整轴式蜗杆副驱动机蜗杆轴的结构整轴式蜗杆副驱动机蜗杆轴的结构 5.3.1 轴承及轴承在轴蜗杆上的位置轴承及轴承在轴蜗杆上的位置 整轴式蜗杆副驱动机的最大特点是电动机的转子轴及轴蜗杆是整体，长度 几乎等于驱动机的总高度。轴蜗杆上装有轴承，抱闸轮，转子，风扇等零件， 很多功能构件都在这根轴上，形成了驱动机最重要的心脏组件。该轴的精度体 现了驱动机的精度，所以设计轴蜗杆的结构十分重要。而首先要涉及轴承的选 择和安装。 选轴承要考虑到承受载荷的性质和大小，运行速度的高低，调心性能，轴 承游动和位移，安装拆卸的方便等。驱动机一般用滚动轴承，驱动机输入轴 （10001500r/min）属于较低转速，输出轴属于低转速（40r/min 左右） ；承受 的轴向力较大，并大于径向力，轴蜗杆的尺寸细而长，工作温度较高（在 70 度90 度间）调心和拆卸没有特殊要求。故根据这些情况，确定下列几个问题： 其一，轴向力和径向力同时存在，必须选用向心推力轴承（角接触球轴承或圆 锥滚子轴承） 。其二，在较高温度下工作的细长杆，应采用固游式安装形式，不 能采用全固式，也不能采用全游式。 由于轴蜗杆细长，电动机及减速器又是两个功能机构，故应采用三支点结 构，亦既要上中下三处安置轴承。通过分析，在上部安装两个向心推力轴承， 并将它们固结在箱体上，中间和下部各安装一个能游动的向心推力轴承。轴承 采用正（面对面）安装或者反（背对背）安装，应由结构型式而定。正安装或 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计30 反安装对整轴上支承点位置影响不大，为了安装及控制轴窜动量，采用正安装 优于反安装。 5.4 蜗杆轴的设计蜗杆轴的设计 5.4.1 蜗杆轴的材料蜗杆轴的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制和锻件，有的直接用 圆钢。 由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或 化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛， 其中最常用的是 45 钢。 分析蜗杆轴的机械性能采用 45 钢能达到其各项要求，且经济。 5.4.2 确定蜗杆轴的最小直径：确定蜗杆轴的最小直径： 轴的强度校核计算是，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方 法，并恰当地选取其许用应力。对于蜗杆轴来说，其受径向的力较小，轴向力 较大，承受的扭矩很大，承受的弯矩较小（后述的蜗杆轴采用两对滚动轴承来 支承，在径向是固定的，轴向可以有小幅度的游动。 ） 所以按扭转强度校核 这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度，如果还受有不大的弯矩时， 则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在轴的结构设计时，通常用这种方 法初步估算轴径。 电动机的转速如下：n 额1500r/min、 n 满1440r/min、 额定功率 p=7.5kw, 工作功率=6.45kw 1 p 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计31 轴的扭转强度条件为 3 9550000 0.2 TT T p T n Wd 由上式可得轴的直径 33 33 0 9500009550000 0.20.2 TT ppP dA nnn A A d轴的直径 p轴传递的功率为 6.45kw n轴的转速，1440r/min 式中 3 0 9550000 0.2 T A 取 0 120A 25 45 T 代值计算得 =19.78mm min d 所以，取定轴的最小直径为 25mm,因轴所受主要为扭据，几乎不承受弯曲载 荷，故不需要进行弯曲校核。 当轴截面有键槽或轴上装配轴承时，轴径要适当增加，以增强轴的强度。故 经慎重考虑，尺寸定为下： 在轴蜗杆的上端，和两个角接触球轴承配合的轴直径为 35mm, 和中间轴承 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计32 配合的轴径为 55mm,下端和轴承配合的轴径为 50mm. 整个轴长 650mm 5.4.3 轴的扭转刚度校核计算轴的扭转刚度校核计算 轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。圆轴扭转角单位的计( )/m 算公式为： 对阶梯轴： 4 1 1 5.73 10 z i i i pi Tl LGI G轴的材料的剪切弹性摸量，单位为 Mpa,对于钢材， G=； 4 8.1 10 MPa L阶梯轴所受扭矩作用的长度，单位为 mm; Z阶梯轴受扭矩作用的轴段数。 分别代表阶梯轴第 I 段上所受的扭矩、长度和极惯性矩。 iipt TlI、 轴截面的极惯性矩，单位为，对于圆轴， p I 4 mm =3.449 44 77 3232 p d I 64 10 mm 分析并进行计算可得出：=0.011 轴的扭转刚度条件是： 式中为轴每米长的允许扭转角，与轴的使用场合有关。对于精密传动轴， 可取=0.250.5 ( )/m 所以刚度校正合格。 5.5 低速轴的设计低速轴的设计 5.5.1 确定低速轴的最小直径：确定低速轴的最小直径： 低速轴的材料：45 钢，选择理由同蜗杆轴的相同。 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计33 确定低速轴的最小直径 低速轴上的功率：=6.450.905.81kw 12 pp 蜗杆轴输入功率 ；蜗杆副的传动效率 1 p 作用在低速轴上的转矩： 6 21 2 2112 5.81 40.5 9550000955000095500001.56 10 /1440 pp TN mm nni A、 作用在低速轴上的力矩 2 T 已知低速轴上蜗轮的分度圆直径为 238.5mm，所以有作用在低速轴上的力： 2 2 22 1560530 11009.0 283.5 t T FN d 、 =4692.4N v F tan23tan23 11009.0 coscos5.2 t F =1001.9N a Ftan11009.0 tan5.2 t F 圆周力，径向力，轴向力，蜗轮导程角 t F r F a F5.2 按扭转强度条件计算的最小直径： 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计34 0 1 3 3 min 1 6.45 0.9 40.5 120 1440 p i dAmm n 、65.59 所以定轴的最小直径为 70mm, 和轴承配合处的轴径为 75mm。 5.5.2 按弯扭合成强度条件进行轴强度校核按弯扭合成强度条件进行轴强度校核 通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上的零件的位置，以及外载荷和 支反力的位置均已经确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求出。 轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为 集中点，其作用力取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动轮 毂宽度的中点算起。在作计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷，将其分 解成水平分力和垂直分力。现作出本设计低速轴的弯矩、扭矩图。 106 根据受力分析，有以下关系； tHH FFF 21rVV FFF 21 152 . 0 304 . 0 1 tH FF152 . 0 2 304 . 0 1 raV F D FF 2 DF M a a 其中、已知，D=238.5mm （0.304m、0.152m 是按低速轴上 t F r F a F 的受力点确定的） 根据计算可得： 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可编程控制系统设计35 载荷水平面 H垂直面 V 支反力=5504.5N 1H F 2H F=1950.47、=2742N 1V F 2V F 弯矩=836.68 H MmmN =416.78 maxV MmmN 总弯矩=934.74 22 836.68416.78M mmN 扭矩 2 T 6 1056 . 1 mmN 校核轴的强度 已知轴的弯矩和扭矩后，对其危险截面作出弯扭合成校核计算。按第三强度 理论，计算应力 W TM ca 2 21 )( 考虑弯、扭矩两者循环特性不同的影响，而引入折合系数。根据分析取 =0.6；表危险截面的抗弯和抗扭截面系数，。W 3 1 . 0DW 代值计算得：=14.7， ca MPa 前已选定轴的材料为 45 钢，可查=60。因此故安全。 1 MPa ca 1 5.5.3 轴的刚度校核计算轴的刚度校核计算 轴在载荷的作用下，将产生弯矩或者扭矩变形。若变形量超过允许的限制， 就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的功能。安装蜗轮的轴， 若弯曲刚度（或者扭转刚度）不足而导致挠度（或扭转角）过大时，会影响蜗 轮的正确啮合使蜗轮齿宽和齿高方向接触不良。造成载荷在齿面上的严重不均 匀分布。 1. 轴的弯曲刚度校核计算轴的弯曲刚度校核计算 低速轴是阶梯轴校核其弯曲刚度时，应先求出其当量直径，再用当量直径作 近似计算。有计算公式如下： 4 1 4 Z i i i V d l L d 阶梯轴第 段的长度，单位为 mm； i li 阶梯轴第 段的直径，单位为 mm； i di 自动扶梯的驱动机装置及其 PC 可