主传动系统设计

第三章第四节主传动系统设计主传动系组成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、换向和制动机构等组成。动力源：给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；变速装置：传递动力以及变换运动速度；执行件：执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。3.4主传动系统设计3.4.1必须满足的设计基本要求3.4.2主传动系统分类与传动方式3.4.3分级变速主传动系统3.4.4无级变速主运动传动系统设计3.4.5数控机床主传动系统设计3.4.1须满足的设计基本要求1)满足机床使用性能要求。机床的末端执行件(如主轴)应有足够的转速范围和变速级数。2)机床传递动力要求。机床的动力源和传动机构应能够输出和传递足够的功率和转矩，并有较高的传动效率。3)机床工作性能要求。机床的传动结构，特别是末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)产品设计经济性要求。应该合理地满足机床的自动化程度和生产率的要求。5)机床的操作和控制要灵活，安全可靠，噪声小，维修方便。机床的制造要方便，成本要低。3.4.2主传动系统分类与传动方式(一)主传动系分类：(1)按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。(2)按传动装置类型可分为机械传动装置、-液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合。(3)按变速的连续性可以分为分级变速传动和无级变速传动。3.4.2主传动系统分类与传动方式分级变速传动在一定的变速范围内只能得到某些转速，变速级数一般不超过20～30级。传动方式有滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器(如摩擦式、牙嵌式、齿轮式离合器)变速。传递功率较大，变速范围广，传动比准确，工作可靠，广泛应用于通用机床。缺点是有速度损失，不能在运转中进行变速。无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转负载中变速，便于实现变速自动化。无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和电气无级变速器实现。3.4.2主传动系统分类与传动方式(二)主传动系的传动方式：1．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，称为集中传动方式。通用机床中多数机床的主变速传动系都采用这种方式。适用于普通精度的大中型机床。特点是结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便。缺点是运转的传动件在运转过程中所产生的振动、热量，会使主轴产生变形，使主轴回转中心线偏离正确位置而直接影响加工精度。3.4.2主传动系统分类与传动方式2．分离传动方式主传动系中的大部分的传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，称为分离传动方式。特点是变速箱各传动件所产生的振动和热量不能直接传给或少传给主轴，从而减少主轴的振动和热变形，有利于提高机床的工作精度。运动由皮带经齿轮离合器直接传动，主轴传动链短，使主轴在高速运转时比较平稳，空载损失小；当主轴需作低速运转时，运动则由皮带轮经背轮机构的两对降速齿轮传动后，转速显著降低，达到扩大变速范围的目的。3.4.3分级变速主传动系统分级变速主传动系设计的内容和步骤：根据已确定的主变速传动系的运动参数，拟定结构式、转速图，合理分配各变速组中的传动副的传动比，确定齿轮数和带轮直径等，绘制主变速传动系图。（一）转速图与结构式（二）各变速组的变速范围及极限传动比（三）主传动系统设计的基本原则与方法（四）主传动系统的几种特殊设计（五）扩大传动系变速范围的方法（六）齿轮齿数的确定（七）计算转速（八）变速箱内传动件的空间布置与计算1.转速图—设计和分析主传动系统的工具转速图的作用：（1）表示出传动轴的数目；（2）传动轴之间的传动关系；（3）主轴的各级转速值及其传动路线；（4）各传动轴的转速分级和转速值；（5）各传动副的传动比。转速图由一组相互平行和垂直的格线组成。1)距离相等的竖直线代表传动系统的各轴。从左到右依次标注。2)距离相等的横直线与竖直线相交点，代表各级转速。3)坐标取对数坐标，在相交点直接写出转速的数值。4)相邻两轴之间相应转速的连线代表相应传动副的传动比，从左向上斜是升速传动，从左向下斜是降速传动。（一）转速图与结构式1.转速图传动线31.5-1400：12级公比：41.15.314522/141.1/12/1256126u电-I轴I轴-II轴：变速组a223112001/141.1/12/14824/141.1/141.1/1423041.113636aaauuuII轴-III轴：变速组b332001/141.1/182.2/1622241.114242bbuuIII轴-IV轴：变速组c442221/141.1/14/1721841.123060ccuuIV轴转速：12223转速图的基本规律1)变速系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积。2)机床的总变速范围Rn是各变速组变速范围的乘积。3)变速组的传动比之间关系变速的基本规律是:变速系统是以基本组为基础，再通过扩大组(可以有第一扩大组、第二扩大组……)把转速范围(级数)加以扩大。若要求变速系统是一个连续的等比数列，则基本组的级比等于，级比指数X。＝1；扩大组的级比xj，级比指数xj应等于该扩大组前面的基本组传动副数和各扩大组传动副数的乘积。2.结构式—比较和分析不同传动方案结构式简单、直观，能清楚地显示出变速传动系中主轴转速级数Z、各变速组的传动顺序、传动副数（Pi）和各变速组的级比指数Xi，一般表达式为12级转速，传动方案12＝312326传动系由a/b/c三个传动组组成；a传动组，传动副为3；b传动组，传动副为2；c传动组，传动副为2；下标表示各变速组的级比指数。级比：主动轴上同一点，传往从动轴相邻两条传动线的比值，用xj表示，其中xj，称为级比指数，相当于相邻两传动线与从动轴交点之间相距的格数。2.结构式—比较和分析不同传动方案以12级转速为例，传动方案有：12＝43；12＝34；12＝322；12＝232；12＝223要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为1，此变速组称为基本组。应尽量使变速组的扩大顺序和传动顺序一致。基本组的级比指数用X0表示，即X0=1，（31）；后面的变速组因起变速扩大作用，统称为扩大组；第一扩大组的级比指数为X1一般等于基本组的传动副数P0，即X1=P0；第二扩大组的作用是将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，其级比指数X2等于基本组的传动副数与第一扩大组传动副数的乘积，即X2=P0P1。（二）各变速组的变速范围及极限传动比(1)变速组中最大与最小传动比的比值，称为该变速组的变速范围:(2)变速组的极限传动比一般限制降速的最小传动比min≥1／4，对升速的最大传动比max≤2～2.5。这样主传动系统各变速组的变速范围限制在r＝8～10之间。为使最后传动组的变速范围不超出允许值，最后扩大组的传动副一般取P=2较合适。检查变速组的变速范围是否超过极限值，只需要检查最后一个扩大组。变速组c841.1)12(62R63122312421322121641.1)13(42R确定左图的转速图、结构式及各级变速范围（三）主传动系统设计的基本原则1．传动副前多后少原则主变速传动系从电动机到主轴，通常为降速传动，接近电动机的传动件转速较高，传递的扭矩较小，尺寸小一些；反之，靠近主轴的传动件转速较低，传递的扭矩较大，尺寸就较大。在拟定主变速传动系时，应尽可能将传动副较多的变速组安排在前面，传动副数少的变速组放在后面，使主变速传动系中更多的传动件在高速范围内工作，尺寸小一些，以便节省变速箱的造价，减小变速箱的外形尺寸。按此原则，12＝3X2X2，12＝2X3X2，12＝2X2X3第一种传动方案中为好。（三）主传动系统设计的基本原则1．传动副前多后少原则在变速级数Z一定时，减少变速组个数势必增加各变速组的传动副数，并且降速过快而导致齿轮的径向尺寸增大，为使变速箱中的齿轮个数最少，每个变速组的传动副数最好取2～3个。当机床的传动功率为定值时，转速n越高，转矩就小，零件尺寸就较小。所以应该尽量选择传动副数多的变速组放在传动顺序前面的高速范围，而把变速组传动副数少的放在传动顺序的后面。（三）主传动系统设计的基本原则2．传动顺序与扩大顺序相一致的原则（前密后疏）•后种方案因第一扩大组在最前面，Ⅱ轴的转速范围比前种方案大。•如两种方案Ⅱ轴的最高转速一样，后种方案Ⅱ轴的最低转速较低，在传递相等功率的情况下，受的扭矩较大，传动件的尺寸也就比前方案大。•将图3-14a所示方案与其它多种扩大顺序方案相比，可以得出同样的结论。（三）主传动系统设计的基本原则3．变速组的降速要前慢后快（前慢后快）从电动机到主轴之间的总趋势是降速传动，在分配各变速组传动比时，为使中间传动轴具有较高的转速，以减小传动件的尺寸，前面的变速组降速要慢些，后面变速组降速要快些，但中间轴的转速不应过高，以免产生振动、发热和噪声。中间轴的最高转速不超过电动机的转速。上述原则在设计主变速传动系时一般应该遵循。但有时还须根据具体情况加以灵活运用。I轴上装有双向摩擦片式离合器，轴向尺寸较长，为使结构紧凑，第一变速组采用了双联齿轮，而不是按照前多后少的原则采用三个传动副。(四)主变速传动系的几种特殊设计1.具有多速电动机的主变速传动系设计多刀半自动车床采用双速电动机，电动机变速范围为2，转速级数共8级。公比1．41，其结构式为电变速组作为第一扩大组，I一Ⅱ轴间的变速组为基本组，传动副数为2，Ⅱ一Ⅲ轴间变速组为第二扩大组，传动副数为2可简化机床的机械结构，使用方便，并可在运转中变速，适于半自动、自动机床及普通机床。机床上常用双速或三速电动机，多速电动机总是在变速传动系的最前面，作为电变速组。当电动机变速范围为2时，变速传动系的公比应是2的整数次方根。1.具有多速电动机的主变速传动系设计(四)主变速传动系的几种特殊设计1.具有多速电动机的主变速传动系设计缺点就是当电动机在高速时，没有完全发挥其能力。(四)主变速传动系的几种特殊设计2.具有交换齿轮的变速传动系设计2.具有交换齿轮的变速传动系设计为了减少交换齿轮的数量，相啮合的两齿轮可互换位置安装，即互为主、被动齿轮。反映在转速图上，交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。可用少量齿轮，得到多级转速，不需要操纵机构，变速箱结构大大简化。缺点是更换交换齿轮较费时费力；如果装在变速箱外，润滑密封较困难，如装在变速箱内，则更换麻烦。对于成批生产用的机床，加工中一般不需要变速或仅在较小范围内变速；但换一批工件加工，需要变换成别的转速或在一定的转速范围内进行加工。为简化结构，常采用交换齿轮变速方式，或将交换齿轮与其它变速方式(如滑移齿轮、多速电动机等)组合应用。交换齿轮用于每批工件加工前的变速调整，(四)主变速传动系的几种特殊设计3.采用公用齿轮的传动系设计在变速传动系中，即是前一变速组被动齿轮，又是后一变速组主动齿轮，称为公用齿轮。可减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。按相邻变速组内公用齿轮的数目，常用的有单公用和双公用齿轮。采用公用齿轮时，两个变速组的模数必须相同。因为公用齿轮轮齿受的弯曲应力属于对称循环，弯曲疲劳许用应力比非公用齿轮要低，因此应尽可能选择变速组内较大的齿轮作为公用齿轮。(五)扩大传动系变速范围的方法主变速传动系最后一个扩大组的变速范围为：设主变速传动系总变速级数为Z：通常最后扩大组的变速级数为2，则最后扩大组的变速范围为：由于极限传动比的限制，总的变速范围有限，不能满足通用机床的要求。(五)扩大传动系变速范围的方法1．增加变