1.2 机械基础知识
1.2.1 机械传动系统
如图1-1所示，一部完整的机器是由原动机部分、传动部分和执行部分组成。原动机（电动机或内燃机）是机器的动力源，如交流电动机，转速为750r/min、1000r/min、1500r/min、3000r/min；执行部分直接完成生产所需的工艺动作；传动部分将动力部分的功率和运动传递给执行部分的中间环节，把高速运动变成低速运动，把连续运动变成间歇运动，把小转矩变成大转矩。运动的传递可以由不同的装置来完成。
图1-1 机器系统的组成
①机械传动类型按其工作原理可分为机械传动、流体（液体、气体）传动、电力传动和磁力传动。其中机械传动最为常见。
②按传力方式，机械传动分为摩擦传动、啮合传动和推压传动：摩擦传动依靠构件的接触面的摩擦力来传递动力和运动的，如带传动；啮合传动依靠构件间的相互啮合传递动力和运动的，如齿轮传动、蜗杆传动；推压传动按传动的结构分为直接接触传动和有中间挠性件的传动。
③按传动比能否改变，机械传动分为定传动比传动、变传动比传动。机械传动的常用类型如图1-2所示。
图1-2 机械传动的常用类型
1.2.2 传动原理
（1）摩擦轮传动
它利用主动轮与从动轮在直接接触处所产生的摩擦力来传递转矩和运动。
（1-1）
式中 i——传动比；
n主动，n被动——主动轴、被动轴转速r/min；
d主动，d被动——主动、被动轮直径mm。
摩擦轮传动优点：①由于摩擦轮轮面没有轮齿，故制造简单，运转平稳，噪声小。②超载时发生打滑，能防止机器中重要零件的损坏。③无级改变传动比。缺点：①效率低。②当传递同样大的功率时，轮廓尺寸和作用在轴与轴承上的载荷都比齿轮传动大。③不宜传递很大的功率。④不能保持准确的传动比。⑤干摩擦时磨损快，寿命低。⑥必须采用压紧装置。
（2）带传动
它利用张紧在带轮上的柔性带，借助它们间的摩擦或啮合，在两轴 （或多轴）间传动运动或动力的机械传动。
（1-2）
式中 i——传动比；
n1——主动轮转速，r/min；
n2——从动轮转速，r/min；
D1——主动轮直径，mm；
D2——从动轮直径，mm。
带传动优点：a.具有良好弹性，能起吸振缓冲作用，传动平稳，噪声小。b.超载时，带与带轮会出现打滑，防止其他零件损坏。c.结构简单，成本低，加工和维护方便。d.适用于两轴中心距较大的传动。缺点：a.外廓尺寸较大，结构不够紧凑。b.由于带的弹性滑动，不能保证准确的传动比。c.带的寿命较短，一般为2000～3000h；d.摩擦损失较大，传动效率较低，一般平带传动为0.94～0.98，V带传动为0.92～0.97。
带传动又可分为平带传动、V带传动和齿形带（楔形带）传动。
①平带传动。当两轴中心距较远时，可采用平带传动。在平带传动中，如果需要使两轮旋转方向相同，则可采用开口带，如图1-3（a）所示；如果需要两轮旋转方向相反，可采用交叉带，如图1-3（b）所示；如果两轮轴线既不相交叉不平行，可采用半交叉带，如图1-3（c）所示。在平带传动中，带的拉力大小与带轮的包角有关。包角越小，拉力越小，反之就越大。一般包角不得小于150°。
图1-3 平带传动
平带传动的结构简单，成本低，更换方便，但它所占空间较大，使用安全装置麻烦。此外，由于在传动时容易打滑，所以得不到要求的速比。平带传动用于电梯时，为了防止打滑，有的在带上做了齿，称为齿形带或楔形带，并在带轮上做了槽。例如，目前在电梯上应用的带传动曳引机以及电梯的测速发电机带或井道内传感器带。
②V带传动。当两轮的轴心线之间距离不大时，可采用V带传动。V带传动在一般机械传动中应用也最为广泛。V带的横截面呈等腰梯形，传动时，以两侧为工作面，但V带与轮槽槽底不接触。在同样的张紧力下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，这是V带传动性能上的最大优点。V带传动具有传动平衡、不易振动的特点，如要增加传动力，只要增加带的根数就可以。V带与带轮之间的摩擦力较大，不易打滑，它的包角一般不小于70°。电梯轿厢的门机传动装置，以及电梯的测速发电机传动装置有的就采用了V带传动。普通V带分Y、Z、A、B、C、D、E七种型号，其截面形状如图1-4所示。
图1-4 普通V带的截面形状
各型号普通V带的截面尺寸见表1-1。 Y型V带的截面积最小，E型V带的截面积最大。V带的截面积越大，其传递的功率也越大。
表1-1 普通V带的截面尺寸
V带轮的轮槽截面形状如图1-5所示。
图1-5 V带轮的轮槽截面形状
图1-5中bd为基准宽度，基准宽度通常和所配用的V带的节面处于同一位置，即基准宽度等于节宽，bd=bp。dd为基准直径，即轮槽基准宽度处带轮的直径。带轮的基准直径不能太小，基准直径越小，传动时带在带轮上的弯曲变形越严重，弯曲应力越大。因此，对各型号的普通V带带轮都规定有最小基准直径dmin。普通V带传动带轮的基准宽度bd和最小基准直径dmin见表1-2。
表1-2 普通V带传动带轮的基准宽度bd和最小基准直径dmin mm
图1-5中φ为槽角，即轮槽横截面两侧边的夹角。由于V带与带轮接触时处于弯曲状态，除节圆的周长和节宽bp保持不变外，V带节面与顶面间的伸张层在弯曲时周线被拉长，横截面内宽度变窄；V带节面与底面间的压缩层在弯曲时周线被压短，横截面内宽度变宽。因此，处于弯曲状态的V带横截面内两侧边的夹角（楔角）α会变小。带轮直径越小，V带弯曲越严重，楔角α越小。为了保证变形后的V带两侧工作面与轮槽工作面紧密贴合，轮槽的槽角φ应比V带的楔角α略小，对于α=40°的V带传动，槽角φ常取34°、36°、38°。小带轮上V带变形严重，φ取小一些，大带轮则φ取较大值。
③同步齿形带传动。同步齿形带传动简称同步带传动，它综合了带传动和齿轮传动的优点，如图1-6所示。同步带是以钢丝绳为强力层，外面用氯丁橡胶或聚氨酯包覆，带的工作面压制成齿形，与齿形带轮做啮合传动。由于钢丝绳在承受负荷后仍能保持同步带的节距不变，故带与带轮之间无相对滑动，因此主动轮和从动轮能做同步传动。同步带传动时，线速度可达40m/s，甚至可高达80m/s，传动比达10（有时达20），传递功率可达100kW，传功效率达98%。电梯的开门机构中，现在多选用同步带传动方式。
图1-6 齿形带传动
1—节线；2—节圆
（3）链传动
链传动的组成由主动轮、从动轮和绕在链轮上的链条组成，如图1-7所示。靠链条与链轮之间的啮合来传递两平行轴之间的运动和动力，属于具有啮合性质的强迫传动。在两轴相距较远，而速比又要保持正确时，可采用链传动。链传动时，被动轮圆周速度波动不定，但其平均值不变，因此可以在轴距大而传动精度要求不高的地方使用。其传动比i为：
（1-3）
图1-7 链传动（一）
1—主动链轮；2—从动链轮；3—链条
链传动的主要特点：①与带传动相比，能保证准确的平均传动比。②作用在轴上的压力较小。③能在高温、油污等恶劣环境工作。④不能保证瞬时传动比恒定，有冲击和噪声。⑤链传动的传动比i≤8，中心距a≤5～6m，传递功率P≤100kW，圆周速度v≤15m/s，传动效率闭式η=0.95～0.98、开式0.9～0.93。
按用途的不同，链条可分为传动链、起重链和曳引链。用于传递动力的传动链又有滚子链和齿形链两种，如图1-8所示。齿形链运转较平稳，噪声小，又称为无声链。它适用于高速、运动精度较高的传动中，链速可达40m/s，但缺点是制造成本高、重量大。当传动速度较大时，一般多采用齿形链。滚子链由内链板、外链板、套筒销轴和滚子组成。相邻两滚子轴线间的距离称为链节距，链节距是传动链的重要参数。电梯的开门机构中，有的选用链传动方式。自动扶梯也用链传动。
图1-8 链传动（二）
（4）齿轮传动
齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。在齿轮传动装置中，装在原动机轴上的齿轮叫主动齿轮，装在工作机轴上的齿轮叫从动齿轮。主动齿轮和从动齿轮互相啮合。当主动齿轮和从动齿轮的两根轴互相平行的时候，采用圆柱形齿轮。其传动比i为：
（1-4）
式中 n1——主动轮转速，r/min；
n2——从动轮转速，r/min；
Z1——主动轮齿数；
Z2——从动轮齿数。
齿轮传动与带传动相比主要优点是：①结构紧凑、效率高、传递动力大、效率高；②寿命长，工作平稳，可靠性高；③能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动；④制造、安装精度要求较高，因而成本也较高；⑤不宜做远距离传动。
圆柱齿轮有直齿［见图1-9（a）］、斜齿［见图1-9（b）］和内齿轮［见图1-9（c）］三种。直齿轮传动适用于中、低速传动，其加工方便，用途广泛，但齿上载荷集中，传动不平稳。斜齿圆柱齿轮的特点是传动平稳，载荷分别均匀，但有轴向力产生，因此要用平面轴承。内齿圆柱齿轮的特点是两根轴的旋转方向相同，所占空间小，但是加工困难。人字齿轮传动适用于传递大功率和大转矩的传动。
图1-9 圆柱齿轮和圆锥齿轮
标准直齿圆柱齿轮如图1-10所示。
图1-10 直齿圆柱齿轮
当主动轴和从动轴两轴线相交时，常采用圆锥齿轮传动，如图1-9（d）和图1-9（e）所示。圆锥齿轮有直齿和螺旋齿两种。直齿圆锥齿轮加工方便，但传动时噪声较大。螺旋齿圆锥齿轮的特点是传动圆滑、噪声小，但加工复杂。标准直齿圆锥齿轮示意图如图1-11所示。
图1-11 标准直齿圆锥齿轮
在2.5～4.5m/s的交流调速电梯减速器中，采用了螺旋齿圆锥齿轮（斜齿轮）传动方式。螺旋齿轮采用的螺旋线有多种，最常见的是渐开线和阿基米得螺线。在电梯减速器中，一般采用阿基米得螺线圆锥齿轮传动方式。
（5）蜗杆蜗轮传动
蜗杆蜗轮传动由蜗杆和蜗轮组成，用以传递交错轴间的运动和动力，交错角一般为90°，如图1-12所示。一般蜗杆为主动件、蜗轮从动，具有自锁性，做减速运动。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆蜗轮传动特点是：蜗杆为主动的，蜗轮为被动的，因此广泛应用于防止倒转的装置上。它最大特点是：传动比大，噪声小，占空间小。一般应用在减速装置上。梯速为2.5m/s以下，电梯在减速器中一般采用此种传动方式。
图1-12 蜗杆蜗轮传动
蜗杆传动主要特点：①传动比大，结构紧凑。蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。一般传动比i=10～40，最大可达80。若只传递运动（如分度运动），其传动比可达1000。②蜗杆传动结构紧凑，体积小、重量轻。③传动平稳、噪声小。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的。④具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。⑤蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具有自锁性的蜗杆传动，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。⑥发热量大，齿面容易磨损，造价高。⑦蜗杆的螺旋有单头与多头之分。
蜗杆蜗轮传动i为：
（1-5）
式中 n1——蜗杆的转速，r/min；
n2——蜗轮的转速，r/min；
Z1——蜗杆头数；
Z2——蜗轮的齿数。
蜗杆头数就是蜗杆上螺旋线的条数，一般为1～4头，在曳引减速器中均有应用。单头蜗杆能得到大的传动比，其螺旋升角小，传动效率低，但自锁能力强，一般用在低速电梯上。而双头螺杆则较常采用。快速电梯的减速装置一般选用4头蜗杆。蜗轮轴与蜗杆轴的轴向游隙应符合表1-3所列的数值。
表1-3 蜗轮轴与蜗杆轴的轴向游隙 mm
蜗杆传动的齿侧间隙：互相啮合的轮齿在不工作齿侧存在的间隙称齿侧间隙，这个间隙用以补偿加工后的齿厚误差，同时也满足工作时齿的弹性变形和膨胀。为防止齿间被卡住，保持齿面上的润滑油膜，均需有适当的齿侧间隙。但齿侧间隙过大时，会使传动不平稳，换向时产生冲击。国产曳引机用标准保证侧隙的要求，即这个侧隙能在蜗杆蜗轮温升达80℃时，保证齿间不被卡住。标准保证侧隙见表1-4。
表1-4 标准保证侧隙
曳引机减速器中的蜗杆与蜗轮的中心距经常采用可调形式。当齿面磨损而使齿侧间隙过大时，可缩小中心距以减小侧隙。中心距的调整方法是减少主轴两端轴承座底部垫片，改变主轴两端偏心套或偏心轴的位置。蜗杆蜗轮示意图如图1-13所示。
图1-13 蜗杆蜗轮
（6）齿条传动
要把螺旋运动转变为直线运动，也可采用齿条传动方式，如图1-14所示。齿条传动时，齿轮沿着齿条，或齿条在齿轮上移动一定距离。齿条的各部分尺寸计算基本上与直齿圆柱齿轮相同。建筑工程用梯，一般采用齿条传动方式。随着建筑物的升高，而不断延伸齿条，使轿笼不断提升高度。
图1-14 齿条传动
（7）螺旋传动
螺旋传动主要是将旋转运动变成直线运动，同时进行能量和力的传递，或调整零件的相互位置，也有将直线运动变成旋转运动的。根据螺纹副摩擦性质不同，可分为滑动螺旋、滚动螺旋。根据用途分类可分为传力螺旋、传动螺旋和调整螺旋。
1.2.3 轴承
要使轴绕自己的轴线旋转，那么它的两端必须放在轴承架上，轴承架孔内所衬的套筒叫做轴承。轴承有滑动轴承和滚动轴承两种。
（1）滑动轴承
图1-15所示的滑动轴承由轴承座、轴瓦和并紧螺母组成。主轴在轴瓦中旋转，发生滑动摩擦。轴瓦一般用青铜制成，为了减小摩擦，在工作时必须添加充分的润滑油。润滑油可用油杯或飞溅方式进入，通过油槽分布于各处。
图1-15 滑动轴承
1，3，5，8—并紧螺母；2—轴承座；4—轴瓦（外锥）6，9—主轴；7—轴瓦（内锥）；10—油杯管子；11—油槽；12，15—轴瓦；13—盖子；14—底座
轴瓦有整体式和对开式两种，目前多采用整体式。整体式轴瓦有外锥式和内锥式两种［见图1-15（a）］，它与主轴之间的间隙可用并紧螺母调节。外锥式轴瓦内孔是圆柱孔，外圆是圆锥体，因此轴承座内孔必须是锥孔。内锥式轴瓦的外圆是圆柱体，内孔是锥孔，因此主轴外圆必须是圆锥体，但不能承受轴向推力，否则会使轴与轴承咬住。如果一定要承受轴向力，那么要采取止推措施。
整体式轴瓦过于磨损时，就产生过大的间隙，无法调整，只能更换一个。整体式轴瓦一般安装在整体式轴承座孔内。
对开式滑动轴承如图1-15（b）所示，轴承由底座14、盖子13和两片轴瓦组成。轴转动时，循着轴瓦的内表面旋转滑动。为了减小摩擦、发热和磨损，轴必须在充分润滑的条件下工作。润滑油顺着油杯管子10注入，通过轴瓦上的油槽11分布到轴瓦上。
滑动轴承的轴瓦用各种不同的材料制成，选择这种材料要使它能减少轴的摩擦和磨损。低速时用铸铁轴瓦，高速时用青铜、铸铁或钢的轴瓦，而在轴瓦的工作面上覆一层特种合金——锡基轴承合金或铅基轴承合金。滑动轴承，它的摩擦系数大，效率低，耗油多，在机器开动时阻力比转动以后的阻力更大，因此一般应用于转速不太高的地方。但滑动轴承制造方便，并且容易调节。
（2）滚动轴承
在高速旋转的机器上，为了减小摩擦和磨损，可用滚动轴承（见图1-16）。滚动轴承有滚珠和滚柱两种。
图1-16 滚动轴承
1—内圈；2—外圈；3—分离器；4—滚珠
滚珠轴承由内圈1和外圈2组成［见图1-16（a）］，在1和2之间放着淬硬的滚珠4，为了减小滚珠间的摩擦，就用分离器3隔开。滚柱轴承是在内外圈之间放滚柱［见图1-16（d）］。滚动轴承按排列不同分为单列和双列［见图1-16（b）］两种。按受力不同分为径向和轴向两轴。图1-16（a）和图1-16（b）所示为径向轴承，承受径向力。图1-16（c）所示为轴向推力轴承，用来承受轴向推力。此外，还有锥形滚动轴承［见图1-16（e）］和自位滚动轴承［见图1-16（f）］。锥形滚动轴承既承受径向力，又承受轴向力。自位轴承能稍许调整轴两端中心偏差。滚动轴承摩擦系数小，耗油少，阻力小，转动灵活，但制造复杂，制造成本高。