第七章机床变速传动系统设计-机械制造装备与设计-西北工业大学

第七章传动设计机床的传动系统通常由下列几种传动系统的全部或一部分所组成:1．表面成形运动传动系统1)主运动传动系统;(用于传动切下切屑的运动)2)进给运动传动系统;3)切入运动传动系统。2．辅助运动传动系统快速趋近、快速退出，刀架和工件的自动装卸和夹紧等辅助运动的传动；分度运动传动系统、控制运动传动系统、校正运动传动系统等。第一节有级变速主传动系统的组成和要求机床的主传动系统用于实现机床的主运动。机床的主运动往往需要变换速度，实现变速的方法有：①液压传动容易实现无级变速；②电气传动容易实现无级变速；③机械传动有无级变速，目前常见的是有级变速。特别是以齿轮变速箱应用最为广泛。其优点：变速范围可较大，传动功率也可较大，传动比准确，工作可靠等；但也存在一些缺点：如不能实现无级变速，齿轮传动不够平稳，变速机构的结构复杂，不宜用于高速精加工机床上。主传动系统的功用是将电动机的恒定转速改变为所需的主轴各级转速，在实现变速的同时，还要传递扭矩。图7－1为CA6140卧式车床的主传动系统图。在设计机床的主传动系统时，必须满足的基本要求：①机床的未端执行件应有足够的转速范围和变速级数。②机床的动力源和传动机构需要能够输出和传递足够的功率和扭矩。并有较高的传动效率。③机床的传动机构，特别是未端执行件必须有足够的精度、刚度、抗振性能和较小的热变形。④机床的自动化程度和生产率的要求，应该合理地满足。⑤机床的操作和控制要灵活，安全可靠，噪声要小，维修方便，成本要便宜。第二节有级变速主传动系统的设计机床的运动参数如Rn、公比φ基本确定后，就可进行传动系统的设计，通常采用图解的方法，即转速图来解决。转速图可直观地表达出传动系统中各轴转速的变化规律和传动副的速比关系。它不仅可以用来拟定新的传动系统，也可用来对现有机床的传动系统进行分析和比较。一、分级变速的一般规律图7-2a为龙门铣床铣刀主轴变速箱的传动系统图，图7-2b为该变速箱的转速图。其转速范围：50~630r/min,公比φ=1.26,转速级数z=12,主电动机功率13kw,转速1460r/min。在转速图中：①距离相等的竖直线代表传动系统的各轴；②距离相等的横线与竖直线的交点（用圆圈表示）用来代表各级转速。因lgnz-lgnz-1=lgφ=常数，转速图上的纵坐标取为对数坐标，则代表各级转速的横线的间距相等，且等于lgφ③相邻两轴之间的相应转速的连线代表相应传动副的传动比。从图可见，由三个变速组互相串联使变速系统获得12级转速。第一变速组（Ⅱ-Ⅲ轴）：ua1=27/43=1/1.58=1/φ2ua2=31/39=1/1.26=1/φua3=35/35=1•第二变速组（Ⅲ-Ⅳ轴）：ub1=26/52=1/2=1/φ3ub2=39/39=1•第三变速组（Ⅳ-Ⅴ轴）：uc1=24/54=1/2.25=1/φ3.5uc2=50/28=1.79=φ2.5二、变速的基本规律（一）变速系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积•图7－2变速系统可写为：12＝3×2×2•通式：z＝papbpc…pm在结构上，变速组按照从电动机到主轴传动的先后排列顺序称为“传动顺序”变速组a的三个传动比的连线间相差一格，可使Ⅲ轴上得到公比为φ的等比数列转速，相邻转速成φ倍关系，Ⅲ－Ⅵ轴有四条传动路线，通过每一条均可使主轴Ⅵ得到三级转速，且相邻转速也成φ倍关系，这样通过四条传动路线就可使主轴获得四段，每段和Ⅲ轴上的三级转速一样成等比数列转速，称变速组a为基本变速组．变速组内相邻传动比之比称为级比故变速组aUa1:Ua2:Ua3=1/φ2:1/φ:1=1:φ:φ2将上式写成Ua1:Ua2:Ua3＝１：φx0：φ2x0X０称为级比指数即转速图中，变速组内相邻两传动比相距的格数称为级比指数通过a变速组变速后，可使Ⅲ轴得到三级连续等比数列的转速，这种具有级比指数x0=1的变速组称为基本组。第二变速组：p1=pb=2ub1:ub2=26/52:39/39=1/φ3:1=1:φ3=1:φx1故x1=p0=3此变速组的作用是将基本组的变速范围进行第一次扩大，这种级比指数等于基本组的传动副数，即x1=p0的变速组称为第一扩大组，其转速级数扩大为p0·p1=6。第三变速组：p2=pc=2uc1:uc2=24/54:50/28=1/φ3.5:φ2.5=1:φ6=1:φx2故x2=p0p1=3x2=6此变速组的作用是将基本组的变速范围进行第二次扩大，这种级比指数等于基本组和第一扩大组的传动副数连乘积，即x2=p0p1的变速组称为第二扩大组，其转速级数扩大为p0·p1·p3=12。任意变速组中的传动比U1:U2:U3···Up=1:φxφ2x···φ(p-1)xx＝p0p1p2…pj-1基本变速组级比φx0x0=1第1扩大组级比φx1x1=p0第2扩大组级比φx2x2=p0p1……第j扩大组级比φxjxj=p0p1p2…pj-1级数Ｚ＝P0P1P2···Pj上面即为级比规律。从上面分析可知，为了获得连续等比数列的转速，必须使几个变速组串联而成的传动系统符合级比规律，否则会出现转速重复或空缺的现象。如图7－3中的图a)x1=4＞3，出现转速空缺；图b)x1=2＜3，出现转速重复；图c)x1=1.53，出现非正常的转速数列。变速组按基本组、第一扩大组、第二扩大组…即X由小到大的排列顺序，称为“扩大顺序”。变速组的变速范围与其级比的关系,r=Umax/Umin基本组:r0=φx0(p0-1)=φP0-1第一扩大组:r1=φx1(P1-1)=φP0(P1-1)第二扩大组:r2=φx2(P2-1)=φP0P1(P2-1)第J扩大组:rj=φxj(Pj-1)=φP0P1···Pj-1(Pj-1)主轴Rn与变速组r:Rn=nmax/nmin=φz-1=φP0P1···Pj-1=r0r1r2···rj由此得出结论：由于等比数列可以由等比数列乘以等比数列得到，机床的传动系统中，转速数列是由定比传动副和变速组组成的，几个变速组互相串联，其中以基本组为基础，然后通过第一、第二、…、扩大组把各轴的转速级数和变速范围逐步扩大，并且各变速组相邻传动比之间又遵循上述的级比规律，则机床的传动系统的转速数列是连续的等比数列，级数Z=P0P1P2P3···Pj称为“多轴乘积式传动系统”。二、结构网和结构式•将转速图画成对称形式就成为结构网。•结构网中两轴间连线仅表示传动关系，而不表示传动比值，轴上各圆点也不表示该轴的具体转速。结构网和转速图有一致的变速特性。•图7－2的转速图可画成图7－4的结构网。•结构网又可简化为结构式，本例的结构式为：12=3[1]×2[3]×2[6]其中:Z=3×2×2=12p0=3x0=1r0=φ2p1=2x1=3r1=φ3p2=2x2=6r2=φ6•结构式和结构网一样只表示变速特性的相对关系。三、转速图拟定的一般原则拟定变速系统的任务是为了寻找最佳的变速系统方案，拟定变速系统一般可按下列步骤进行：1)根据已定的Rn、φ及z，选择合适的变速组个数及其传动副数，选择合理的结构式或结构网；2)绘制转速图，合理地分配各传动比；3)计算各变速组各对齿轮的齿数。画出传动系统图。(一)变速组及其传动副数的选择比较下列三种方案：1)18=9×2(11对齿)2)18=6×3(9对齿)3)18=3×3×2(8对齿)４）18=18(18对齿)从减少传动副数目及其它方面分析方案3)应是最好的。(二)结构式或结构网的选择从减小传动件的结构尺寸和降低传动系统的噪声和振动两方面去综合考虑，应遵循下列两原则：1.传动副的“前多后少”原则把不同传动副数的变速组在传动顺序上的排列加以改变，可得若干不同的方案：12=3×2×2（好）12=2×3×212=2×2×3M=9550N/n2.传动副的“前紧后松”原则当传动顺序与扩大顺序一致或不一致，对于变速系统12=3×2×2共有六种方案：见图7－５12=3[1]×2[3]×2[6](好)12=3[1]×2[6]×2[3]12=3[2]×2[1]×2[6]12=3[4]×2[1]×2[2]12=3[2]×2[6]×2[1]12=3[4]×2[2]×2[1]3.各变速组的变速范围不应超过最大的变速范围对于主传动系统：因umin=1/4umax=2(斜齿umax=2.5)故r=(2~2.5)/(1/4)=8~10对于进给传动系统：因umin=1/5umax=2.8故r=1412=3[1]×2[3]×2[6]12=2[1]×2[2]×3[4]当φ=1.26时,“2[6]”,r=1.266(2-1)=4(合格)“3[4]”,r=1.264(3-1)=6.32(合格)当=1.41时,“2[6]”,r=1.416(2-1)=8(合格)“3[4]”,r=1.414(3-1)=168(不合格)故通常大多数机床的最后扩大组的传动副数为２，可以减小最后扩大组的变速范围。(4分配传动比，合理安排降速为了减少传动件尺寸，在传动顺序上各变速组的最小传动比，应遵循“前缓后急”的原则。即uaminubminucmin…另还应注意下列两点：1)各传动副的最大、最小传动比应尽可能不超出级限传动比。2)选用标准的传动比，尽量是取公比的整数次方，即u=φ±E(E为整数），这样可以简化计算。四转速图的拟定拟定万能卧式中型铣床的主传动系统转速图，已知主轴的转速范围为30~1500r/min,异步电动机的转速为1440r/min。1．选定公比及确定转速级数和各级转速φ＝1.26(√)或1.41Rn=nmax/nmin=1500/30=50z=1+lgRn/lgφ=1+lg50/lg1.26=17.9取z=18，转速数列见下图2.选择结构式1)由“前多后少”原则得18=3×3×22)由“前密后疏”原则得18=3[1]×3[3]×2[9]3)其最后扩大组的变速范围r=φ9(2-1)=8在允许的变速范围内。3.确定是否需要增加降速的定比的传动副总降速比为：30/1450=1/48三个变速组的最小传动比都为1/4，则总降速比为1/64，这样无需增加降速的定比传动副，为使中间的二变速组降速缓慢，以减小结构的径向尺寸，在变速组的最前面增加一对26/54的齿轮副。4.分配各变速组的最小传动比，拟定转速图1)决定轴Ⅳ–Ⅴ的最小传动比最后扩大组的最小传动比取极限值1/4。2)决定其余变速组的最小传动比根据“前缓后急”的原则，两变速组均降4格。3)画出各变速组的传动比连线见右图。5.画出主传动系统图如右图所示，这个传动系统就是X62W型铣床的主传动系统。五、扩大变速范围的几种方法由于最后扩大组的变速范围不允许超过极限范围，变速系统的变速级数Z和总变速范围R都将受到一定的限制。变速级数Z＝P0P1P2…Pj-1Pj而最后扩大组的变速范围：rj=φ(pj–1)p0p1p2…pj-1如Pj=２，则rj=φZ/2故Z=2(lgrj/lgφ)rmax≤8Zmax=2(lg8/lgφ)···①变速系统的变速范围为：Rn=φz–1···②当φ=1.26时，由①Zmax=18，由②Rnmax=50当φ=1.41时，由①Zmax=12，由②Rnmax=45而现代通用机床的变速范围常常超过上述范围，这时可用下列的方法扩大变速范围。㈠增加一个变速组增加一个变速组显然可以增加总变速范围Rn，但各变速组的变速范围又受到rmax≦8~10的限制，因此增加不超过这个限制的变速组固然可以扩大变速范围Rn，但又会出现部分转速重复，因而并没有充分利用传动副。如φ=1.41，Z=12，Rnmax=45的变速系统：其结构式：12=31×23×26增加一个P＝2变速组，其结构式：24=31×23×26×212但最后扩大组的变速范围：r3=φ12=1.4112=648，应为r3=φ12－6=1.416=8，其结构式为：18=31×23×26×2(12-6)其结构网如图2－20示，从图可知，出现了6级转速重复。变速级数有所增加，但没有达到应有的级数，只是总变速范围增加到Rn=φ17=1.4117=344㈡增加