机械制造装备设计第2章-2b

第二章金属切削机床设计2.4主传动系设计一、主传动系设计应满足的基本要求二、主传动系分类和传动方式三、分级变速主传动系四、无级变速主传动系五、数控机床主传动系设计特点第二章金属切削机床设计2.4.1主传动系设计应满足的基本要求1、满足机床使用性能要求：速度、操控性2、满足机床传递动力要求：功率、转矩、效率3、满足机床工作性能的要求：精度、刚度、抗振性…4、满足产品设计经济性的要求:简单、降成本5、维修调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配。第二章金属切削机床设计2.4.2主传动系分类和传动方式主传动系一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。1、主传动系分类按驱动主传动的电动机类型：交流电动机驱动(单级、多级、调速)、直流电动机驱动按传动装置类型：机械传动：电机+机械变速液压传动：液压站+液压油缸/马达电气传动：调速电机+机械变速以及它们的组合按变速的连续性：分级变速传动、无级变速传动第二章金属切削机床设计2.4.2主传动系分类和传动方式2、主传动系的传动方式—按布置型式分集中传动方式：主传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内。分离传动方式：主传动系中的大部分传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中。第二章金属切削机床设计集中传动方式•紧凑•集中操作•安装调整方便•振动•热变形铣床主轴箱精度不高的通用机床常用第二章金属切削机床设计分离传动方式•振动小•热变形小•背轮：扩大变速范围但：占地大、安装调整不方便、非集中操作。第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系的设计问题：已知Nmax、Nmin、Rn、φ、Z，如何用齿轮系统去实现？步骤：拟定转速图和结构式：合理分配各变速组中传动副的传动比确定齿轮齿数和带轮直径绘制主变速传动系图12=31×23×26第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系的设计1、拟定转速图和结构式转速图–分级变速主传动系统设计工具，可表示出传动轴的数目，传动轴之间的传动关系，主轴的各级转速值及其传动路线，各传动轴的转速分级和转速值，各传动副的传动比等。第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系的设计转速图由相互平行与垂直的格线组成竖线代表各轴等距水平线代表各级转速，与竖线的交点代表轴的转速各级转速以φ为公比，采用对数坐标，所以等距转速点：该轴具有的转速转速点之间连线称为传动线传动比为公比φ的整数次方输出轴转速级数Z为各传动轴间传动副数的乘积思考：如何保证终端输出等比、不空、不重？第二章金属切削机床设计传动比为公比φ的整数次方最后一级传动比跨度等于上一级级数--各传动轴间传动副数的乘积必须有一级传动比跨度是φ的一次方！第二章金属切削机床设计12=31×23×262.4.3分级变速主传动系的设计结构式—关于转速级数的表达式第二章金属切削机床设计结构式12=31×23×2612：转轴转速级数3,2,2按顺序的各变速组的传动副数，用P表示；级比指数：结构式中的下标，用X表示，主动轴每个转速点发出的相邻传动线的比值/或夹持空格数基本组：要想输出轴转速为连续等比数列，则必须有一个变速组的级比指数为1，此变速组就是基本组扩大组：级比指数为基本组传动副数的传动组第二扩大组：级比指数为前两个组传动副数的乘积基本组不一定放在最先：12=32×21×26，但一般也不放最后：12=22×24×21。第二章金属切削机床设计练习：1.画转速图12=21×22×34第二章金属切削机床设计练习：2.写结构式第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系2、各变速组的变速范围及极限传动比变速组变速范围：变速组中最大最小传动比的比值。主轴变速范围：总变速范围是各变速组变速范围的乘积：超限检查：为避免从动齿轮尺寸过大，一般限制1/4≤u，而为避免振动与噪声u≤2。因此对于某个变速组：R主=8-10，R进≤14一般只需检查最后一个扩大组如果：12=21×22×34，则超限12=21×22×34第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系3、主变速传动系设计的一般原则传动副前多后少的原则：更多传动件在高速条件下工作，尺寸小，降低造价，因此：P1P2P3…12=21×32×26？第二章金属切削机床设计传动顺序与扩大顺序相一致的原则：基本组→第1扩大组→第2扩大组……便于减小零件尺寸，又称“前密后疏”原则。第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系变速组速降前慢后快，中间轴转速不超过电机转速：前慢后快：便于减小中间轴零件尺寸；中间轴转速不超过电机转速：防止振动、发热与噪声第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系特例：如图所示，PIPII，另外如双速电机……但总目的只有一个，满足功能条件下简化结构，降低成本……第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系例：设计一个12级转速的车床主传动系统，公比φ=1.41，主轴最高转速1440rpm，电机转速1440rpm，电动机与主轴箱之间带传动，设计其转速图。Z=12根据Z、公比、最大转速求出最小转速为31.5主轴速降1/4≤u，轴间最多只能跳4格，所以最少分三次降速，考虑皮带传动则一共为5轴第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系基本组在前原则12=31×23×26考虑到前缓后快，最后一级速降四格跳6格，所以升速为2也满足要求第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系考虑到前缓后快，第二级速降3格第一级速降2格最后2格给皮带传动第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系其他情况？速比大从动轮尺寸大皮带不起作用？第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系4、主变速传动系的几种特殊设计具有多速电动机的主变速传动系设计：采用多速异步电动机和其他方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方便。多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图电机第一扩大组缺点：高低速功率不同，能力无法全部发挥具有交换齿轮的主变速传动系图第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系具有交换齿轮的变速传动系：交换齿轮变速组对称分布可实现用较少齿轮得到多级转速，并使变速箱结构大大简化。适用：不常变速场合—批量生产机床人工换齿铣床主变速传动系图第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系采用公用齿轮的变速传动系：采用公用齿轮可以减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。既是前一变速组的主动轮，又是后一变速组的从动轮两变速组模数必须相同抗疲劳失效能力下降—常选大齿轮公用第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系5、扩大传动系变速范围的方法由于极限传动比的限制，一般变速范围很难超过50，如前面的12速车床，变速范围45。但通用机床一般需要140-200，甚至更多--有需求。增加变速组：受极限传动比的限制，可能会出现转速重复。右图理论结构式应该为：24=31×23×26×212实际：18=31×23×（26×26-1）右图实际速比范围：45*2*4=360第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系采用背轮机构：又称回曲机构。图中结构经背轮最大降速比为1/16。速比范围：45*16=720第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系采用双公比的传动系：经常使用的中段采用小公比，不常用的低、高速区采用大公比。实现办法：将基本组的级比指数从1增大到1+2n。今有16级变速系统公比1.26。常规：16=22×21×24×28变速范围：R=1.26^15=32第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系双公比：将基本组的级比指数从1增大到1+2n，n取2。两个公比：小公比1.26，大公比1.26^2=1.58。变速范围：R=1.26^19=80图2-15第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系采用分支传动：增加并联分支，扩大变速范围，缩短高速传动线路、提高效率24=21×32×[1+(26×26-1)]第二章金属切削机床设计课后思考题：什么是传动组的级比和级比指数？级比指数选取有何规律？试从公比1.26，Z=18的各种传动方案中确定最佳方案，写出结构式，画出转速图。第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系6、齿轮齿数的确定定比传动（非变速组）的齿轮齿数和带轮直径，可依据机械设计手册推荐的方法确定。变速组则由表2-8确定：同一传动副，为保证中心距相同，则模数相同，齿数和Sz也相同。第二章金属切削机床设计6、齿轮齿数的确定(续)齿轮的中心距取决于传递的转矩。扭矩越大，中心矩越大。通常不超过2-3种模数，所以越往后，Sz越大。在主传动中，一般取最小齿轮齿数三联滑移齿轮的最大与次大齿数之间的齿数差应大于或等于4。齿轮齿数确定后，还应验算转速误差：式中：n’---主轴实际转速n--主轴的标准转速φ--公比注：齿轮齿数必须是正整数，在保证Sz相同情况下，很难保证传动比(两个整数相除)刚好是标准公比φ（1.12、1.25、1.41…..）20~18minZ)%1(10/)'(nnn第二章金属切削机床设计三个传动比：1/11/1.411/2表2-8第二章金属切削机床设计表2-8第二章金属切削机床设计第二章金属切削机床设计显然，实际结构选的是72。第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系7、计算转速机床的功率扭转特性驱动直线运动工作台的这类机床的主运动属恒转矩传动。如刨床的工作台。主运动是旋转运动的机床基本上是恒功率传动。如车床、铣床的主轴。计算转速：主轴或各传动件传递全部功率的最低转速为它们的计算转速nj，如图所示。计算转速是设计各传动轴直径、验算齿轮强度的依据—在最大功率/最低转速时扭矩最大。第二章金属切削机床设计第二章金属切削机床设计变速传动系中传动件计算转速的确定先定出主轴的计算转速，再顺次由后往前，定出各传动主轴的计算转速，然后再确定齿轮的计算转速。注意：计算转速—需传递全部功率的最低转速第二章金属切削机床设计解：（1）表2-9，低速第一1/3中的最高转速得：185rpm（2）轴II最低315rpm，对应主轴345、90；由于345185，所以315是II的计算转速，同样I轴的710也是计算转速。（3）齿轮计算转速：只计算各传动副内最小—最薄弱齿轮的计算转速：II-III间最小为Z25，主轴185，对应Z25为640rpm；I-II轴间最小为Z36，轴II计算转速315，所以Z36对应710rpm。第二章金属切削机床设计第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系8、变速箱内传动件的空间布置与计算变速箱内各传动轴的空间布置：满足机床总体布局对变速箱形状和尺寸的限制，并考虑各轴受力情况、装配调整、润滑、操作维修的方便性。复杂工作，无定规三角布置可节省空间为缩短轴向尺寸而增加轴的数目支撑墙减小跨距…….第二章金属切削机床设计第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系变速箱内各传动轴的轴向固定一端固定深沟球轴承另一端自由无热应力适用于长轴a-便于加工但结构复杂b-箱体上台阶孔，少用c、d-弹性挡圈，简单，工艺性好e-简单，专用轴承f-外环轴向未定位第二章金属切削机床设计两端固定圆锥滚子轴承必须两端固定a-间隙调整方便（2、3实现）b、c-改变垫圈的厚度来调整间隙第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系各传动轴的估算和验算需具备足够的抗弯刚度与抗扭刚度。按抗扭刚度估算时：K-键槽系数、A-系数，根据许用扭转角度情况而确定，表2-10.许用扭转角一般为（0.5-1.0）°/m，要求高时（0.25-0.5）°/m，P-电机功率，η传动效率，nj计算转速。第二章金属切削机床设计2.4.3分级变速主传动系按抗弯刚度验算：先受力分析验算：中部齿轮处轴的挠度、边部齿轮倾角、端部轴承倾角等许用值见表2-11建议采用有限单元法进行仿真计算。第二章金属切削机床设计分级变速主传动系