自动扶梯设计说明书正式版

中 文 摘 要

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。

本设计通过对自动扶梯的基本结构的认识，考虑了各方面的因素，对自动扶梯的传动机构做了选择。进行了自动扶梯的功率计算，蜗杆轴的设计计算，低速轴的设计计算，刚度校核计算等，最后设计了自动扶梯的电气控制系统。 关键词：自动扶梯；电动机；驱动机装置；低速轴；电气控制

I

Abstract

Abstract

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.

Based on the escalator understanding of the basic structure, and considering the various factors,we decide the transmission of escalator. We have maked the power calculation of escalator, the designing of worm shaft, the designing of Low-speed shaft, calculation of stiffness checking and so on. At last, designed the electricity control system.

Keywords : Escalator; moror; Driver device; worm shaft; low-speed shaft; electricity contor

II

目 录

目 录

摘 要 ................................................... I Abstract ................................................ II 目 录 .................................................. III 引 言 .................................................... 1 第一章 自动扶梯的基本结构 ............................... 2

1.1 支承部分 .................................................... 2

1.2 驱动系统 .................................................... 2 1.3 运载系统 .................................................... 4 1.4 扶手系统 .................................................... 6 1.5 电气控制系统 ................................................ 6 1.6 安全保护系统 ................................................ 7 1.7自动扶梯的类型 .............................................. 7

第二章 驱动机的类型 ..................................... 8

2.1 驱动机应具备的条件 .......................................... 8

2.1.1驱动机的组成 .......................................... 8 2.1.2 驱动机的技术要求 ...................................... 9 2.2 驱动机主传动机构的选用 ...................................... 9

2.2.1主传动机构的选择原则和依据 ........................... 10 2.2.2传动机构的性能及对比分析 ............................. 10 2.2.3现列举主要的齿轮传动类型 ............................. 11 2.3 驱动机的机构形式 ........................................... 12

2.3.1立式和卧式驱动机 ..................................... 12 2.3.2整轴式和分轴式驱动机 ................................. 12

第三章 自动扶梯驱动功率计算 ............................ 13

3.1自动扶梯的主要参数 ......................................... 13 3.2 自动扶梯阻力计算 ........................................... 14 3.3 自动扶梯的功率计算 ......................................... 17 3.4 电机的选择 ................................................. 17

第四章 驱动机主传动结构的设计 .......................... 18

4.1 选择蜗杆传动的类型 ......................................... 18

4.1.1ZC蜗杆副的类型 ....................................... 18 4.1.2圆弧圆柱蜗杆副的啮合特性 ............................. 19 4.2 ZC1蜗杆副的设计与计算 ...................................... 20

4.2.1蜗杆传动类型、精度等级 ............................... 20 4.2.2选择材料 ............................................. 20

III

目 录

4.2.3初选几何参数 ......................................... 20 4.2.4初步估算传动的中心距 ................................. 20 4.2.5确定传动的主要几何尺寸 ............................... 21 4.3 齿面接触疲劳强度校核 ....................................... 21 4.4 齿根强度校核 ............................................... 23 4.5 ZC1蜗杆副的几何尺寸计算 .................................... 23 4.6 精度等级公差和表面粗糙度的确定 ............................. 25 4.7 热平衡计算 ................................................. 27

第五章 驱动机的结构设计 ................................ 28

5.1 驱动机结构设计应达到的技术要求 ............................. 28 5.2 驱动机整体设计考虑的问题 ................................... 28

5.2.1选择机型确定基本结构尺寸 ............................. 28 5.2.2外观布置 ............................................. 29 5.3 整轴式蜗杆副驱动机蜗杆轴的结构 ............................. 29

5.3.1轴承及轴承在轴蜗杆上的位置 ........................... 30 5.4 蜗杆轴的设计 ............................................... 30

5.4.1蜗杆轴的材料 ......................................... 30 5.4.2确定蜗杆轴的最小直径 ................................. 30 5.4.3轴承的选择 ........................................... 32 5.4.3轴的扭转刚度校核计算 ................................. 32 5.5 低速轴的设计 ............................................... 33

5.5.1确定低速轴的最小直径 ................................. 33 5.5.2按弯扭合成强度条件进行轴强度校核 ..................... 34 5.5.3轴的刚度校核计算 ..................................... 36 1.轴的弯曲刚度校核计算 ..................................... 36 2.轴的扭转刚度校核计算 ..................................... 37 5.6 键的联接强度计算 ........................................... 37 5.7 轴承寿命校核 ............................................... 38 5.8 制动系统的设计 ............................................. 39

1.块式摩擦制动系统 ......................................... 40 2.磁力器 ................................................... 40 5.9 合理设计通气孔 ............................................. 40 5.10 排油孔的设计 .............................................. 40

第六章 驱动机的安装工艺 ................................ 42

6.1 驱动机安装中应实现的技术指标 ............................... 42

6.1.1精心调整传动机构的啮合斑点 ........................... 42 6.1.2完成图样要求的轴窜量 ................................. 42 6.1.3精心装配，达到“最佳”配合 ........................... 42 6.1.4提高表面质量 ......................................... 42 6.1.5制动器，限速器和防逆运转器的安装 ..................... 42 6.1.6重视跑合工艺 ......................................... 42

IV

目 录

6.2 驱动机安装工艺流程 ........................................ 43

6.2.1测量一批零件精度，择优组合 ........................... 43 6.2.2对主要的大尺寸旋转零件做净平衡 ....................... 43 6.2.3彻底清砂，涂防锈底漆 ................................. 43 6.2.4安装轴系零件 ......................................... 43 6.2.5轴蜗杆与箱体配合 ..................................... 44 6.2.6电动机定子与箱体配合 ................................. 44 6.2.7装轴承支承压盖和上轴承 ............................... 44 6.2.8装配蜗轮，初测驱动机性能 ............................. 44 6.2.9跑合 ................................................. 45 6.2.10装限速器与防逆运转器 ................................ 45 6.2.11装制动器 ............................................ 45 6.2.12油漆 ................................................ 45 6.3 安装补充： ................................................. 45

A.蜗杆副的安装 ............................................. 45 B.安装轴承 ................................................. 46 C.制动器的安装 ............................................. 46

第七章 控制电路的设计 .................................. 47

7.1 PLC的选择 ................................................. 47 7.2变频器的选择 ............................................... 47

7.2.1MM440的接线： ........................................ 47 7.2.2变频器参数设定 ....................................... 48 7.3 红外传感器的选择及作用 ..................................... 50 7.4 自动扶梯系统硬件电路设计 ................................... 50

7.4.1系统硬件设计 ......................................... 52 7.4.2变频器与电机之间的连接 ............................... 52 7.4.3控制系统的连接 ....................................... 53 7.5 系统软件设计 ............................................... 55

7.5.1多段速频率的选择 ..................................... 55 7.5.2加减速模式的选择 ..................................... 56 7.6 自动扶梯调速节能系统PLC程序设计 ........................... 56

7.6.1PLC程序设计 .......................................... 56 7.6.2梯形图 ............................................... 57

结 论 .................................................. 59 参考资料 ................................................ 60 致 谢 ................................................. 61 附录1 扶梯系统程序设计 ................................. 62 附录2 硬件设计电路 ..................................... 64

V

引 言

引 言

自动扶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，不仅满足了各部门的需要，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。

自动扶梯是带有循环运动梯路向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。它是由一台特种结构形式的输送机和两台特殊结构形式的胶带输送机组合而成的，用以建筑物的不同高度间运载人员上下的一种连续循环输送的机械设备。

一系列的梯级与两根牵引链条连接在一起，在按一定线路布置的导轨上运行即形成自动扶梯梯路。牵引链条绕过上牵引链轮、下张紧装置并通过上、下分支的若干直线、曲线区段构成闭合环路。这一环路的上分支中的各个梯级（也就是梯路）应严格保持水平，以供乘客站立。上牵引链轮（也就是主轴）通过减速器与电动机相连以获得动力。扶梯两旁装有与梯路同步运行的扶手装置，以供乘客扶手之用。扶手装置同样由上述电动机驱动。为了保证自动扶梯乘客绝对安全，要求装设多种安全装置。

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。

自动扶梯有动力源、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，带动梯级循环运动，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，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。

本设计主要设计自动扶梯驱动机的涡轮蜗杆减速器和PLC控制系统。

1

第一章 自动扶梯的基本结构

第一章 自动扶梯的基本结构

自动扶梯由支撑部分、驱动系统、运载系统、扶手系统、电气控制系统、安全保护系统等若干部分组成。

1.1 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。

1.2 驱动系统

驱动系统的作用是将动力传递给予梯路系统及扶手系统。一般由电动机、减速器、制动器、传动链条、传动链轮、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。按驱动系统所在自动扶梯的位置可分为端部驱动系统和中间驱动系统两种。端部驱动结构形式生产时间已久，工艺成熟，维修方便，我国绝大多企业均生产这种形式结构。

端部驱动是常用的一种驱动装置。驱动机组通过传动链条带动主驱动轴，主驱动轴上装有两个牵引链轮、两个扶手驱动轮、传动链轮以及紧急制动器等。牵引链轮上装有一系列梯级，由主轴上的牵引链轮带动。主轴上的扶手驱动轮通过扶手传动链条使扶手驱动轮驱动扶手胶带。另有扶手胶带压紧装置，以增加扶手胶带与扶手驱动轮间的摩擦力，防止打滑。

（1）主机 ：扶梯的动力，通过主驱动链使主轴转动。

2

第一章 自动扶梯的基本结构

（2）主驱动轴：轴使的梯级链轮带动梯级链，使安装在梯级链条上的梯级运功；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。

（3）梯级链轮张紧装置：使自动扶梯的牵引链条获得必要的初张紧力，以保证自动扶梯正常运转。

（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。

3

第一章 自动扶梯的基本结构

1.3 运载系统

运载系统由梯级、牵引链条、梯路导轨系统、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，又称为梯级主轮；梯级滚轮则被称为副轮。 （2）牵引链条

4

第一章 自动扶梯的基本结构

牵引链条是自动扶梯主要的传递动力构件，其质量直接影响自动扶梯的运行平稳和噪声高低。

（3）梯路导轨系统

自动扶梯梯路导轨系统包括主轮和辅轮的全部导轨、反轨、导轨支架及转向壁等。导轨系统的作用在于支承由梯级主轮和辅轮传递来的梯路载荷，保证梯级按一定的规律运动以及防止梯级跑偏等。

5

第一章 自动扶梯的基本结构

（4）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。

1.4 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：与梯级以相同速度运动，供人扶手的部件。 (2)扶手带驱动装置：其功能是驱动扶手带。

(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。

6

第一章 自动扶梯的基本结构

1.6 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：

主驱动链破短保护：当驱动链松弛或破断时，使扶梯停止。 扶手带入口保护：防止手伸入扶手带入口的保护。

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。 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。 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。 防逆转保护：当扶梯在运行中发生逆向运动时，使扶梯停止。

1.7自动扶梯的类型

自动扶梯产品分类：按外形可分为平面式和空间式两种；按场合可分为室内和室外（有棚和无棚）两种；按载荷和规格可分为轻型、中型、重型三种；按传动方式可分为链条式和齿条式两种；按功能可分为商用型和公共交型。 平面式：结构较简单，造价较低，占地面积较大，应用比较广泛。空间式：它与平面式恰恰相反，造型优美，应用比较少。

链条式传动：用一定节距的链条将梯级连成一个循环，即驱动装置带动链轮，再由链轮带动链条，从而驱动梯级，使梯级做循环运动。驱动装置设置在上端（上机房），在下端设置一组链轮张紧装置。随着提升高度的提高，驱动装置和链条的负荷随之增加，扶梯结构随之庞大、重量增加。

齿条式传动：用若干根齿条将梯级连成一个循环。即驱动装置的链轮、链条与齿条啮合，从而直接驱动齿条使梯级运行。驱动装置设置在上下分支间（扶梯中间部分），根据这一特点，可以设置多个驱动装置进行驱动，可以克服链条式驱动装置的缺陷。

7

第二章 驱动机的类型

第二章 驱动机的类型

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，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。

2.1 驱动机应具备的条件

2.1.1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

8

第二章 驱动机的类型

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

（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 v＝0。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

9

第二章 驱动机的类型

2.2.1主传动机构的选择原则和依据

驱动机主传动机构选择的原则是：

梯级驱动机的工况条件。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。 环境良好，但通风条件差。

制造，安装，维修的工艺性，成本，利润。

主传动机构的技术含量及发展前景。 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，构成了扶梯的传动装置。驱动机的减速器部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。

传动形式有机械传动，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，

10

第二章 驱动机的类型

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。

2.2.3现列举主要的齿轮传动类型

(1)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。 (2)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。

(3)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20~40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。

(4)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。

(5)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

11

第二章 驱动机的类型

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

2.3.1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100~150mm）、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。

12

第三章 自动扶梯驱动功率计算

第三章 自动扶梯驱动功率计算

自动扶梯的驱动装置是扶梯的主要部件，其作用是将动力传递给梯路系统及扶手系统。在驱动机功率时，要用到自动扶梯的各个参数，需要了解自动扶梯的运动。

3.1自动扶梯的主要参数

自动扶梯的主要参数有：提升高度H，理论输送能力Ct，额定速度v，梯级宽度Z1，及梯级的倾斜角度?等。

1) 提升高度H：建筑物上，下楼层间的高度。取H＝5m，为小提升高度。 我国目前生产的自动扶梯系列为：小提升高度H=3~10m，中提升高度H>10~45m，大提升高度H>45~65m。

2）理论输送能力Ct：设备每小时内理论上能输送的人数。当自动扶梯的各梯级均站满人时，就达到了其理论输送能力，由下式计算：

Ct?3600kv Y1式中：Ct——理论输送能力（人/h）

k——承载系数，与踏板名义宽度Z1有关。取k=2.

当Z1＝0.6m时，k=1；当Z1＝0.8m时，k=1.5； 当Z1＝1.0m时，k=2。

v——额定速度（m/s），取v=0.50m/s

Y1——梯级深度（m），梯级深度一般为0.4m，取Y1=0.4m

所以 Ct=3600×

2?0.50=9000(人/h) 0.43) 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。如果太快，影响乘客顺利登梯，满载系数反而下降。反之，速度太慢时，则不必要地增加了乘客在梯上的停留时间。因此，正确选用额定速度十分重要。

扶梯额定速度v一般为0.50m/s、0.65m/s、0.75m/s三种。取v=0.50m/s扶

13

第三章 自动扶梯驱动功率计算

梯运行速度与满载系数?密切相关，根据现场实测数据并经线性回归，得

?＝1.1－0.6v=1.1-0.6×0.50＝0.80

所以，实际输送能力C实=Ct?=9000?0.80=7200（人/h）

4) 梯级名义宽度Z1 ：目前我国自动扶梯梯级名义宽度有三种规格：

0.6m、0.8m、1.0m， 取Z1=1.0m

5) 倾角?为 30o

3.2 自动扶梯阻力计算

为方便起见，扶梯自重的线载荷qt表示，

Q级qt??2ql

t级qt——扶梯自重线载荷（N/m） Q级——单个梯级自重（N）

t级——梯级节距（m）

ql——牵引链条的线载荷（N/m）

经过估算每个梯级的重量为70kg 梯级的节距大约是400mm；每个滚子的重量约为2.5kg,牵引链条的节距是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。

qt=

70?10?2.5?10?11?2=2300N/m 0.4乘客的线载荷用qr表示， 其计算公式如下

qr=

kQ? t级Q——估计平均每个乘客的重量大约600N,

t级——表示梯级的节距大约是400mm；

k——每一梯级上可站立的人数；

14

第三章 自动扶梯驱动功率计算

（取0.80） ? ——满载系数。

代值计算结果是 qr=2400N/m

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) 梯路上分支倾斜区段乘客载荷形成的阻力。

W1= qr?Lm （sin???cos?）

(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：

W2=2qrl?

(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）。

W3=2qtLm?

(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。

W4=4qtl?

(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

15

第三章 自动扶梯驱动功率计算

以

cos

?因子，而平行梯路方向的载荷则应乘以sin?因子。经过分析可以得出梯路

曲线区段运动阻力应为：2

2W?5=[2qr(?cos?2?sin?2)+4qt?cos2]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

W6= qt??

(7) 扶手系统阻力

W7=4qf (Lm+2l)??f

上面各个式中的参数为

W1~W7——阻力（N）；

qr——乘客线载荷（N/m）2400N/m qt——梯路线载荷（N/m）2300N/m

? ——梯级车轮的摩擦因子，取?=0.025~003，取?=0.03；

l——进出端水平端长度（m）

，小提升高度取0.6m. Lm——倾斜区段梯路水平投影长度(m)，Lm=3H=8.66m

l?——梯路曲线区段水平投影长度(m)取0.6m

?——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

qf——扶手胶带的线载荷（N/m）,可以取qf=25N/m;

?f——扶手胶带阻力系数，可取?f=0.3 ?——自动扶梯倾角 30

经过计算得 W1=10932N W2=86N W3=1195N W5=989N W6=138N W7=444N

扶梯系统的总阻力就是上述各项阻力之和，即

16

W4=166N

第三章 自动扶梯驱动功率计算

W?W1?W2?W3?W4?W5?W6?W7

W=13950N

3.3 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=

Wv 1000?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）；0.50m/s

? ——传动系统的效率

（传动效率0.98）；两个链传动副（传动效率0.92）； ?的计算由四对滚动轴承副，一对蜗轮副传动（传动效率0.9）。 则 ?=0.984?0.922?0.90=0.703 代值计算总功率N=10.73KW

3.4 电机的选择

根据自动扶梯的功率N=10.73kw，选取Y160M-4型电动机，功率为11kw，转速为1460 r/min。（根据参考文献9选取）

17

第四章 驱动机主传动结构的设计

第四章 驱动机主传动结构的设计

蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为90。

4.1 选择蜗杆传动的类型

ZC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。ZC蜗杆与其直接或间接展成加工的蜗轮相配所组成的蜗杆副称圆弧圆柱蜗杆副，简称ZC蜗杆副。

4.1.1ZC蜗杆副的类型

（1）轴向圆弧圆柱蜗杆副（ZC3蜗杆）（齿形C3）

当导程角较小时，蜗杆有良好的切削工艺。若采用硬齿蜗杆，所用磨齿砂轮的刃面不是环面，其刃廓是近似圆弧的复杂平面曲线，故砂轮刃面不好修形，ZC3蜗杆磨齿工艺不佳，精度较低。

（2）圆环面圆柱蜗杆副（ZC2蜗杆）（齿形C2）

属于半包络曲纹面圆柱蜗杆副。该蜗杆在加工过程中砂轮修正后直径减小，不影响蜗杆螺旋面形状，齿面磨削工艺良好，可采用硬齿面蜗杆副，但在生产实践中保证刀具的理论安装位置较为困难。所以这种蜗杆副仅认为有理论上的研究价值，在生产中很少用。

（3）圆环面包络圆柱蜗杆副（ZC1蜗杆）（齿形C1）

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

18

第四章 驱动机主传动结构的设计

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?0??1。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。ZC1蜗杆与其共轭蜗轮组成蜗杆副。我国以ZC1蜗杆副为传动机构制订了标准GB9147-88.该标准是圆柱蜗杆副的高科技更新换代产品，是驱动机主传动机构中“最佳”传动型式之一。

4.1.2圆弧圆柱蜗杆副的啮合特性

(1)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

蜗杆、蜗轮的加工工艺性良好，勿需专用设备。 (4)必须采用径向正变位 (5)具有灵活的设计方案

可灵活的选择“最佳”几何参数和啮合参数，并可通过不同的设计方案，大幅度地提高传动质量；亦可通过可控点啮合理论设计，使其传动效率、承载能力明显提高。驱动机用ZC蜗杆副采用非标准设计十分有利。 (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，啮合状态变劣。

圆弧圆柱蜗杆副是高科技新型蜗杆副，经实践证明：它和同样几何参数工艺条件和工作条件的普通圆柱蜗杆副相比，其承载能力可提高50%--100%，传动效率可提高10%--15%，同时显示出传动平稳、振动小、噪声低的优点。

通过对比，本设计选用ZC1蜗杆副作为驱动机的主传动机构。

19

第四章 驱动机主传动结构的设计

4.2 ZC1蜗杆副的设计与计算

4.2.1蜗杆传动类型、精度等级

由于传递功率不大，速度也不太高，用ZC1蜗杆传动，精度8C GB10089-88.

4.2.2选择材料

考虑到蜗杆传递的功率不大，速度中等，故蜗杆用45号钢，因希望传递功率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45—55HRC。

考虑到铸锡磷青铜耐磨性最好，用于滑动速度≥3m/s的重要传动，故蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用铸锡磷青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。

4.2.3初选几何参数

蜗杆输入功率P=11kw，蜗杆速度n1=1460r/min 电动机转速n1=1460r/min，, ZC1蜗杆副驱动机设计。 根据输出轴转速的一般要求,一般蜗轮转速n2?73r/min, 所以，蜗杆传动理论传动比：i12?推荐蜗杆头数z1：2～3 确定传动齿数：z1=2，z2=40

z40实际传动比：i12?1??20

z22自动扶梯使用寿命为10年，每天工作10小时 所以，LH=10×365×10=36500h

n11460??20 n2734.2.4初步估算传动的中心距

按齿面接触强度的要求，参考文献【3】查图16.5-17得中心距a=160mm 按热平衡条件，在蜗轴上装风扇，参考文献【3】查图16.5-18得 中心距a=180mm

由参考文献【3】表16.5-39，取标准值a=180mm。

20

第四章 驱动机主传动结构的设计

4.2.5确定传动的主要几何尺寸

按参考文献【3】表16.5-39，当a=180mm，i=19.5得m=7.1mm，d1=70.8，z1=2，z2=39，x2=0.866，??11?20'28\。

按参考文献【3】表16.5-38及表16.5-40求其他几个主要几何尺寸。

名称 中心距 ZC1蜗杆副（计算公式） 结果 180 备注 由强度确定 a?1m(q?z2?2x) 2传动比 i12??1z239?==19.5 ?2z12z1?2 z2?39 19.5 蜗杆头数 蜗轮齿数 变位系数 模数 蜗轮分度圆直径 蜗杆分度圆直径 蜗杆法向齿形角 蜗轮平均宽度 蜗轮宽度 蜗杆圆周速度 2 39 0.866 7.1 276.9 70.8 x2 m d2=mz2 d1?qm?9.97?7.1 ?n1=??=23?0.5 bm2?0.45（d1?6m） b2?bm2 23 51.03 51.03 v1?v2?v(12)??d1n160?1000 5.4 蜗轮圆周速度 ?d2n260?1000 1 相对速度 mn1(q?2x)2?z12 190005.5 4.3 齿面接触疲劳强度校核

（1）求传动效率?

21

第四章 驱动机主传动结构的设计

???1?2?3

?tan?tan11.341蜗杆传动的啮合效率?1= =0.894 ??tan????v?tan（11.341?1.26667）搅油损耗的效率?2，一般?2=0.94～0.99，取?2=0.96。 轴承效率?3，每对轴承效率?3=0.98～0.99，取?3=0.98。 所以，???1?2?3?0.894?0.96?0.98=0.841 （2）求所在齿上的切向力Ft2

T2?9550p1?11?0.841?9550?N?m?1180N?m n274.87Ft2?2000T22000?1180?N?8161N

d2?2x2m276.9?2?0.866?7.1（3）求齿面上的接触应力 按参考文献【3】中，式16.5-13

?H?Ft2

ZmZzbm2(d2?2x2m)Zm=

10m10?7.1??1 d170.8Zz——齿形系数，查参考文献【3】表16.5-41；取Zz =0.638

bm2————蜗轮平均宽度；

?H?所以，

Ft2ZmZzbm2(d2?2x2m)?8161?0.867N/mm21?0.638?51.03?（276.9?2?0.866?7.1）

（4）求接触疲劳极限

按查参考文献【3】中式16.5-16

?fnfhfw ?Hlim??Hlim

22

第四章 驱动机主传动结构的设计

??7.84N/mm2 查表16.5-42，得?Hlim查表16.5-43，按工作小时

按工作小时36500??36.5，得fh=0.7

10001000查表16.5-44，按vs?d1n170.8?1460??5.5m/s，得fn?0.35

19100cos?19100?0.98fw——载荷系数，当载荷平稳时fw=1

所以，?Hlim??Hlim?fnfhfw?7.84?0.7?0.35?1?1.92N/mm2 （5）安全系数校核

按参考文献【3】中，式16.5-12

SH??Hlim1.92??2.2>SHmin?2.0 合格 ?H0.867（由v2?1m/s查表16.5-45，可选用8级精度，SHmin?2.0）

4.4 齿根强度校核

按参考文献【3】式16.5-19， SF?查表16.5-46 得CFlim?39.2N/mm2 按式16.5-20

CFlim?1 CFmaxCFmax?Ft2max2Ft22?8161?N/mm2 ??mn?b2?mcos??1.1b2??7.1?0.98?1.1?51.03=13.3N/mm2 代入上式SF?CFlim39.2??2.9?1 通过。 CFmax13.34.5 ZC1蜗杆副的几何尺寸计算

名称 ZC1蜗杆副（计算公式） 23

结果 备注

第四章 驱动机主传动结构的设计

中心距 a?1m(q?z2?2x) 2180 由强度确定 传动比 i12??1z239?==19.5 ?2z1219.5 蜗杆头数 蜗轮齿数 变位系数 模数 蜗杆分度圆直径 蜗轮分度圆直径 一般取z1?1～4 2 39 0.866 7.1 70.8 276.9 z2?39 x2 m d1?qm?9.97?7.1 d2=mz2 蜗杆节圆直径 d1??d1?2x2m?70.8?2?0.866?7.1 83.1 蜗轮节圆直径 蜗杆法向齿形角 d2?=d2 276.9 ?n1=??=23?0.5 23 蜗杆轴向齿形角 ?x1=arctantan?n1= cos?23.41 蜗杆齿顶高 顶隙 蜗杆齿根高 蜗杆齿顶圆直径 蜗杆齿根圆直径 蜗杆导程 蜗杆齿宽 砂轮圆弧半径 ha1=m 7.1 1.14 8.24 85 54.33 22.29 116 41 c=0.16m hf1=ha1?c da1?d1?2ha1 df1?d1?2hf1 px=?m b1?2.5mz2?2?2x2 m≤10mm时， 24

第四章 驱动机主传动结构的设计

?=（5.5~6）m=39.05~42.6 砂轮轴截面圆弧中心坐标 a0??cos?0,b0? d1??sin?0a?37.74，b?51.002 蜗轮齿顶高 蜗轮齿根高 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮顶圆直径 蜗轮平均宽度 蜗轮宽度 蜗轮端面齿厚 蜗轮齿顶圆弧半径 ha2=m?x2m hf2=ha2?c?x2m 13.25 8.24 da2?d2?2ha2 df2?d2?2hf2 de2?da2?（0.6~1.0）m bm2?0.45（d1?6m） b2?bm2 s2?0.6?m?2x2tan?x1 303.40 260.43 310 51.03 51.03 14.13 28.3 Ra2?df1?c 2蜗轮齿根圆弧半径 Rf2?da1?c 2mz1) d143.64 导程角 ?1?arctan(11.341? 蜗杆轴向齿厚 蜗杆法向齿厚 蜗杆圆周速度 sx?0.4?m sn?sxcos? 8.92 8.74 5.4 v1?v2??d1n160?1000 蜗轮圆周速度 ?d2n260?1000 1 相对速度 v(12)?mn1(q?2x)2?z12 190005.5 4.6 精度等级公差和表面粗糙度的确定

25

第四章 驱动机主传动结构的设计

考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选8级精度，侧隙种类为c，标注为8cGB/T10089-198。

蜗杆主要参数

蜗杆类型 模数 头数 导程 导程角 轴向齿形角 齿形高系数 螺旋方向 配对蜗轮 精度等级 公差组 齿数z2 8cGB/T10089-1988 检验项目 公差或极限偏差 ±0.025 ±0.045 0.040 0.2228.744??0.132 ZC1 m 7.1 2 22.30 z1 px ? ? ha1? 右旋 11.341? 23° 1 39 fpx Ⅱ fpxL Ⅲ 法向齿厚及偏差 ff1 蜗轮主要参数

模数 头数 分度圆直径 蜗杆齿向齿形角 m 7.1 39 276.9 23° z2 d2 ? 26

第四章 驱动机主传动结构的设计

齿形高系数 螺旋方向 配对蜗杆 精度等级 公差组 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 分度圆齿厚及其偏差 ha1? 右旋 齿数z1 8cGB/T10089-1988 检验项目 1 2 公差或极限偏差 0.125 ±0.032 0.028 Fp fpt Ff2 0.22212.376??0.132 4.7 热平衡计算

1）取环境温度t2 ：取t=20℃ 2）散热系数K：

可取K（8.15～17.45）W/(m2.℃),当周围空气流通良好时取偏大值，所以取K=16W/(m2.℃)。

3）初步估算散热面积A：

?a?A?0.33??100??1.75180? 所以，A?0.33???100??1.75?0.923m2

4）计算油的工作温度t1：

t1?1000p?1???1000?11?1?0.841??t2=?20=138.4℃

KA16?0.923油温工作温度超过许用值（80℃～90℃），所以不能满足要求，现采取在蜗杆轴上装置风扇通风，提高散热能力。装风扇后K=55W/(m2.℃)

所以，t1?1000p?1???1000?11?1?0.841??t2=?20=54.5℃

KA55?0.923所以油的工作温度在许用值内。

27

第五章 驱动机的结构的设计

第五章 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

（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具及辅助设备，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

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

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

28

第五章 驱动机的结构的设计

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。 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）蜗轮轴轴伸方向

蜗杆副立式驱动机，蜗轮轴是输出轴，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

29

第五章 驱动机的结构的设计

5.3.1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蜗杆轴是整体，长度几乎等于驱动机的总高度。蜗杆轴上装有轴承，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。而首先要设计轴承的选择和安装。

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（1000~1500r/min）属于较低转速，输出轴属于低转速（73r/min左右）；承受的轴向力较大，并大于径向力，蜗杆轴的尺寸细而长，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，在上部安装两个圆锥滚子轴承，并将它们固结在箱体上，中间和下部各安装一个能游动的深沟球轴承。上部轴承采用正（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

5.4.1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圆钢和锻件，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

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

30

第五章 驱动机的结构的设计

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＝1460r/min、 工作功率 p1=11kw

轴的扭转强度条件为

95500000.2d3pn?[?]

T?T?T?WT由上式可得轴的直径

d?3950000p95500003pP?3?A030.2[?T]n0.2[?T]nn

式中： d——轴的直径

p——轴传递的功率为11kw n——轴的转速，1460r/min

A0?395500000.2[?T] ??T?一般取25～45MPa，取35MPa ∴A0?39550000=111

0.2?35∴d?A03

P11=111?3=21.76mm n146031

第五章 驱动机的结构的设计

对于直径d≤100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%～7%。

∴dmin=21.76（1+7%）=23.3mm

所以，取定轴的最小直径为35mm,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。

尺寸定为下：

在蜗杆轴的上端，和两个圆锥滚子轴承配合的轴直径为35mm, 和中间轴承配合的轴径为55mm,下端和轴承配合的轴径为35mm. 整个轴长669mm。

5.4.3轴承的选择

上部圆锥滚子轴承代号为30207,中间深沟球轴承代号为6011，下端深沟球轴承代号为6007. （GB/T297-1994）

5.4.3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()/m]的计算公式为：

1zTlii对阶梯轴： ??5.73?10 ?LGi?1Ipi4G——轴的材料的剪切弹性摸量，单位为Mpa,对于钢材，G=8.1?104MPa； 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。

Ti、li、Ipt——分别代表阶梯轴第I段上所受的扭矩、长度和极惯性矩。 Ip——轴截面的极惯性矩，单位为mm4，对于圆轴，

Ip??d432???70.8432=2.4655?106mm4

分析并进行计算可得出：?=0.167()/m 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[?]=0.25~0.5()/m

32

第五章 驱动机的结构的设计

所以刚度校正合格。

5.5 低速轴的设计

5.5.1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。

确定低速轴的最小直径

低速轴上的功率：p2?p1?=11×0.841＝9.251kw

p1——蜗杆轴输入功率 ；?——蜗杆副的传动效率

作用在低速轴上的转矩：

T2?9550000p2p?9.251?19.5?95500001?9550000?＝1.18?106N?mm n2n1/i121460T2——作用在低速轴上的力矩

已知低速轴上蜗轮的分度圆直径为276.9mm，所以有作用在低速轴上的力：

Ft?2T22?1180000?＝8523N d2276.9F?=Fttan23tan23＝3690N ?8523?cos?cos11.341Fa=Fttan??8523?tan11.341＝1704.6N

Ft——圆周力，Fr——径向力，Fa——轴向力，?——蜗轮导程角11.341

按扭转强度条件计算的最小直径： dmin?A03

p1?i11?0.841?19.5?111?3＝55.3mm n1146033

第五章 驱动机的结构的设计

对于直径d≤100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%～7%。 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

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。 根据受力分析，有以下关系；

FH1?FH2?Ft FV1?FV2?Fr FH1?0.304?Ft?0.152 FV1?0.304?Fa?D?Fr?0.152 2Ma?Fa?D 2其中Ft、Fr、Fa已知，D=276.9mm （0.304m、0.152m是按低速轴上的受力点确定的）

根据计算可得： 载荷 支反力 弯矩 总弯矩 扭矩

水平面H FH1=FH2=4261.5N 垂直面V FV1=1068N、FV2=2621.5N MVmax=398470N?mm MH=647750N?mm M?6477502?3984702=760500N?mm T2＝1.18?106N?mm 34

第五章 驱动机的结构的设计

低速轴受力分析

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

M12?(?T2)2 ?ca?W?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；W表危险截面的抗弯和抗扭截面系数，W?0.1?D3=0.1?863。 代值计算得：?ca=16.3MPa，

前已选定轴的材料为45钢，可查???1?=60MPa。因此?ca

35

第五章 驱动机的结构的设计

5.5.3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

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：

dV?L4li?4i?1diZ

li——阶梯轴第i段的长度，单位为mm； di——阶梯轴第i段的直径，单位为mm；

L——阶梯轴的计算长度，单位为mm； Z——阶梯轴计算长度内的轴段数；

由低速轴的零件图可知：L=427，d1=75、l1=35，d2=82、l2=77，d3=86、l3=90，

d4=82、l4=82，d5=75、l5=34，d6=70、l6=102 单位mm

代值计算当量dV为：dV=78mm 挠度、偏转角的计算公式：

pL3PL2y?? ?A??

48EI16EIE——材料的弹性模量对钢材E=210Gpa；

I——轴截面的极惯性矩，单位为mm，对于圆轴，I??d464；

L——阶梯轴的长度；

P——阶梯轴所受的力，P=3690N

36

第五章 驱动机的结构的设计

经计算得：

y?7.2?10?9<<(0.02-0.05) ?ma

?A?0.7?10?10<<(0.001-0.002) 所以弯曲刚度校核合格。

2.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?[单位为(?)/m]的计算公式为：

1ZTili??5.73?10?

LGi?1Ipi4G——轴的材料的剪切弹性摸量，单位为Mpa,对于钢材，G=8.1?104MPa； 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。

Ti、li、Ipt——分别代表阶梯轴第I段上所受的扭矩、长度和极惯性矩。 Ip——轴截面的极惯性矩，单位为mm4，对于圆轴，

Ip??d432???86432=725.7mm4

代值进行计算得出：??0.30

轴的扭转刚度条件为??[?]，式中[?]为每米长的允许转角，与轴的使用场合有关，对于一般传动轴，可取[?]=0.5~1()/m；对于精密传动轴，可取

[?]=0.25~0.5()/m；对于精度要求不高的轴，[?]可大于1()/m。

可见轴的扭转刚度校核也合格。

5.6 键的联接强度计算

平键联接传递转矩，对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压力进行强度校核计算。

普通平键的强度条件为：

37

第五章 驱动机的结构的设计

2T?103?p???p

kld??T——传递的转矩 为1.18?106N?mm l——键的工作长度为50mm d——轴的直径为86mm

k——键的工作长度单位mm,k=0.5h，此外h为键的高度，单位为mm 键宽b?键高h——25?24mm

2T?1032?1180000?＝39.2Mpa??故 ：?p???p??＝60Mpa kld14?86?50[?p]——键、[?p]＝60～90MPa 轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，

5.7 轴承寿命校核

根据文献【7】，滚动轴承的寿命Lh：

16670?C??Lh???

n?P?式中 n——轴承的转速；为73r/min

C——基本额定动载荷； P——当量动载荷；

?——指数，对于球轴承，?=3

当量动载荷：

P=fp(XFr?YFa)

式中：X、Y——分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数；

Fr——径向载荷； Fa——轴向载荷；

fp——载荷系数；对于无冲击或轻微冲击，fp为1.0~1.2，取1.0 （1）7015C轴承寿命校核

38

第五章 驱动机的结构的设计

基本数据：d=75，D=115，Cor=35.8KN，C=38.2KN

Fa1.705??0.048，查表得e=0.42 Cor35.8Fa1705??0.924>e，查表得X=0.44，Y=1.33 Fr1845 P=fp(XFr?YFa)=1?=3080N （0.44?1845?1.33?1705）16670?C??1667038.23所以，Lh?（）?435663h > 36500h。 ???n?P?733.08所以，校核通过。

（2）蜗杆轴上部圆锥滚子轴承（代号30207）校核

基本数据：d=35mm，D=72mm，?=15.3°基本动载荷C=54.2KN。 e=1.5tan?=0.41,

Fa1705??1.386＞e, Fr1230 P=fp(XFr?YFa)=1?=3.018KN （0.4?1230?0.4?cot??1705）16670?C??1667054.23Lh?（）?67331h > 36500h。 ???n?P?14603.018所以，校核通过。

（3）蜗杆轴中间和下端深沟球轴承（代号分别为6211和6307）

由于中间和下端轴承是游动的，所以承受的轴向力很小，由参考资料【7】查表18.7易知：

Fa?e， X=1，Y=0:；所以P=fp(XFr?YFa)=1.845KN。 Fr16670?C??16670C3所以， Lh?（）?36500h，C≥27.2KN。 ???n?P?14601.845又 轴承6211：C=43.2KN≥27.2KN；轴承6307：C=33.2KN≥27.2KN。 所以，校核合格。

5.8 制动系统的设计

39

第五章 驱动机的结构的设计

1.块式摩擦制动系统

组成主要包括磁力器、推杆、压力弹簧、抱闸臂、抱闸轮等。驱动机运转的同时磁力器中的电磁铁吸合，两个推杆同时推动两抱闸臂向外张开压缩弹簧，制动带与抱闸轮均匀的分开，驱动机高速轴带动抱闸轮转动进入正常工作。断电停车过程中，磁力器迅速去磁失去吸合力，这时压力弹簧释放能量，弹簧伸长压迫两抱闸臂向内移动，使制动带压迫抱闸臂产生摩擦力，两摩擦力形成力偶与电动机输入转矩相平衡，达到制动效果。

2.磁力器

选双向推力磁力器，用交流电源通过硅桥变成直流进入绳圈产生直流磁性，一般用220v起动，并在110v下正常工作。

抱闸肩是与制动带固定闸臂在一起的杠杆构件，两抱闸臂是对称的，通过两个弹簧压力把抱闸轮抱紧产生摩擦力偶，抱闸臂的结构要对称，美观，两抱闸臂应结合一起加工，摩擦带与摩擦轮的接触面不得小于70%。

5.9 合理设计通气孔

驱动机工作一段时间后，油温升高，蒸发的水蒸汽及油雾必须及时排出，否则油温升高要加速，箱内压力增大，将产生严重后果。所以必须设计出通气性好，防尘性优的通气孔。

5.10 排油孔的设计

40

第五章 驱动机的结构的设计

要注意：油孔要低于箱底，保证把箱内的油排净；孔要大，排油速度要快，能抱油中金属粉末和金属屑带出；油塞处不漏油。

41

第六章 驱动机的安装工艺

第六章 驱动机的安装工艺

6.1 驱动机安装中应实现的技术指标

安装是获得高质量驱动机的最关键的工序，驱动机的很多重要综合技术指标都是靠安装工艺完成的，故安装的每道工序都要认真处理，不可马虎。

6.1.1精心调整传动机构的啮合斑点

由于啮合斑点对承载能力，传动效率，振动和噪声均有影响，所以蜗杆副对其啮合斑点的面积大小和部位都有明确的规定。对于圆柱蜗杆副要绝对避免入口接触，可用调整蜗轮相对蜗杆的位置来实现。若安装没法实现“最佳”啮合状态，则允许采用轻微的，细心刮研的方法完成。

6.1.2完成图样要求的轴窜量

轴窜量对驱动机的质量影响很大，轴向窜动量大小不但影响轴承寿命，而且是驱动机保持正常工作的关键技术指标。轴窜量对输出轴扭振影响较大，是引起振动和噪声的重要因素，因此控制轴窜量尤为重要。

6.1.3精心装配，达到“最佳”配合

装配的重点不在装而在配。合格的零件不一定能装配出高质量的驱动机。只有按图样要求，精心调配各零件间的相对位置，实现“最佳”配合，才能生产出合格的产品。

6.1.4提高表面质量

除重视设计外观造型外，更要照技术要求对铸件表面的缺陷细心修整，油漆质量应遵照有关标准操作和检验。

6.1.5制动器，限速器和防逆运转器的安装

制动器，限速器和防逆运转器是驱动机的重要组成部分，装配后应灵活可靠，出厂前一定要试车，验证。

6.1.6重视跑合工艺

跑合一定要整机进行，不允许作为中间工序。

42

第六章 驱动机的安装工艺

6.2 驱动机安装工艺流程

驱动机安装工艺流程没有严格的规定。就整轴式蜗杆副驱动机的安装工艺流程简述如下：

6.2.1测量一批零件精度，择优组合

对蜗杆轴，蜗杆副齿形、箱体、各止口的配合尺寸、各配合端面与轴的垂直度，相配旋转零件的同轴度，各装配尺寸、电动机转子和定子的内孔尺寸等都有精心测量，分门别类，择优组合。

6.2.2对主要的大尺寸旋转零件做净平衡

在驱动机安装前，要对制动轮，蜗轮，风扇等零件做净平衡，直到随意平衡为止。对所以零件进行清洗，然后用不起毛的布擦干，放在没有污染的架子上并盖好，以备安装时应用。

6.2.3彻底清砂，涂防锈底漆

所有铸件在机加工前都应把余砂清理干净。在安装前，还要对所有铸件，进行彻底的检查，清砂一定要彻底干净，决不能留有后患。清砂完毕后立刻涂上防锈漆。

6.2.4安装轴系零件

（1）安装蜗杆轴系零件

步骤：1)制动轮要装在蜗杆轴上（不许用重锤击打）；

2)转子在300～350的恒温下，保持2h后也装在蜗杆轴上（一次到位）； 3)精车后精磨转子外圆达到尺寸要求，同时精磨制动轮外圆0.05mm； 4)冷压装入靠近蜗杆轮齿的两个角接触球轴承； 5)安装风扇（动平衡后拆下来）进行动平衡试验 。 （2）安装蜗轮轴系零件

步骤：1)蜗轮压装在轴上（不许用铁锤直接击打）；

2)装上套类零件；

3)热装轴承（不许直接用铁锤击轴承内，外圈）。

43

第六章 驱动机的安装工艺

6.2.5轴蜗杆与箱体配合

步骤：1)蜗杆轴自重落下放入箱体内，使两个轴承与箱体孔配合（不许用锤击入，配合过紧时可修箱体孔）；

2)测量制动轮的径向圆跳动； 3）测量蜗杆轴的全跳动（测三点）； 4）测量电动机转子的全跳动（测三点）。

6.2.6电动机定子与箱体配合

步骤：1）电动机机壳和箱体止口配合固定；

2）测定定子孔的径向圆跳动； 3）测量定子孔与轴的同轴度；

4）测定定子和转子之间的气隙大小（要符合图样要求）。

6.2.7装轴承支承压盖和上轴承

步骤：1）轴承支承压盖与电动机用止口配合固定；

2）测量支承压盖内孔的同轴度与径向圆跳动； 3）热装轴承（一次到位）； 4）装轴承盖；

5）测量和调整图样要求的轴窜量； 6）开车转动，耳测轴承是否有异常声响； 7）测量噪声。

6.2.8装配蜗轮，初测驱动机性能

步骤：1）轴向装入蜗轮轴，使蜗杆和蜗轮啮合；

2）装轴承盖； 3）测量轴窜量；

4）检查齿面啮合部位和啮合面积； 5）反复调整和修研啮合部位和面积；

44

第六章 驱动机的安装工艺

6）测量轴窜量； 7）装密封圈； 8）测量噪声； 9）测量有效振动值。

6.2.9跑合

步骤：1）逐级加载跑合；

2）测量油温升； 3）检查漏油和渗油现象；

4）测量振动，噪声及轴窜量等应测量的项目。

6.2.10装限速器与防逆运转器

步骤：1）安装限速器与防逆运转器；

2）测量其灵活性及技术指标。

6.2.11装制动器

步骤：1）装磁力器与箱体；

2）装抱闸臂； 3）装拉杆及压簧； 4）整压簧力； 5）测量制动效果； 6）固定弹簧压缩量。

6.2.12油漆

步骤：1）驱动机表面油漆；

2）检查油漆质量。

6.3 安装补充：

A.蜗杆副的安装

45

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9klo.html