16 5 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装及辅助设备，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
17 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
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
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（1000~1500r/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。
18 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 p1=6.45kw 轴的扭转强度条件为
T?WT95500000.2d3?T? 由上式可得轴的直径
d?pn?[?]T式(5.1)
3 式中d——轴的直径
950000p9550000?30.2[?T]n0.2[?T]3pP?A03nn式(5.2)
p——轴传递的功率为6.45kw n——轴的转速，1440r/min
19 式中A0?395500000.2[?T] 取A0?120 ?T?25~45 代值计算得 dmin=19.78mm
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：
1zTl对阶梯轴： ??5.7?310?iiLGi?1Ipi4式(5.3)
式中G——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???77432=3.449?106mm4 式(5.4)
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
[?]=0.25~0.5()/m
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?=6.45×0.90＝5.81kw 式5.5)
20 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?5.81?40.5式(5.6) ?95500001?9550000?＝1.56?106Nmmn2n1/i121440
T2——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238.5mm，所以有作用在低速轴上的力：
Ft?2T22?1560530?＝11009.0N d2283.5Fv=Fttan23tan23＝4692.4N ?11009.0?cos?cos5.2Fa=Fttan??11009.0?tan5.2＝1001.9N
Ft——圆周力，Fr——径向力，Fa——轴向力，?——蜗轮导程角5.2
按扭转强度条件计算的最小直径：
dmin?A03p1?i6.45?0.9?40.5?120?3＝65.59mm n11440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
?Fa?FH1?0.304?Ft?0.152 FV1?0.304Ma?Fa?D 2D?Fr?0.152 2其中Ft、Fr、Fa已知，D=238.5mm （0.304m、0.152m是按低速轴上的受力点确定的）
根据计算可得：