机械制造装备设计(第二章)

第二章机床的传动设计§2-1分级变速主传动系统设计§2-2扩大变速范围的传动系统设计§2-3计算转速§2-4无级变速系统设计§2-5进给传动系统设计§2-6结构设计本章基本要求与重点：1、理解转速图的概念，能根据转速图和公比求出各传动比的数值；2、掌握结构式和结构网的拟定方法。能根据给定条件，拟定出合理的结构式，画出结构网及转速图；3、掌握主传动运动设计要点：一个规律、二个限制、三个原则和四项措施；4、掌握计算转速的概念以及机床传动件计算转速的确定方法；5、了解无级变速系统和进给传动系统的设计特点，以及齿轮的布置方法。本章难点：计算转速的确定。功用组成动力传递；速度传递；满足运动的需要。定比传动机构变速机构开停装置制动装置运动方式转换装置润滑装置密封装置操纵机构主轴组件箱体图2-1X6132万能升降台铣床主传动系统装配图设计要求工作性能要求动力要求经济性要求使用要求运动要求变速范围转速级数功率扭矩传动效率精度刚度抗振性噪声热变形操纵调整维修润滑密封结构加工装配成本设计要求设计步骤⑴调研须有足够的设计原始资料，在明确机床应满足的要求(机床主轴的变速范围，转速级数和电机功率等)的同时，还应收集国内、外有关技术文献，现有同类型机床的设计图纸及经验总结。⑵传动链运动设计根据机床的主要技术参数要求，拟定可能的转速图，并从中选择合理的方案；然后计算齿轮齿数和皮带轮直径等，最后绘制机床的传动系统图。⑶传动系统结构设计根据传动系统图设计变速箱或主轴箱装配图，并进行必要的动力验算。⑷零件设计§2-1分级变速主传动系统设计运动设计：运用转速图的基本原理，拟定满足给定的转速或速度要求的合理传动系统方案。内容拟定结构式或结构网；拟定转速图；合理分配各传动副的传动比；确定齿轮齿数和皮带轮直径；绘制机床的传动系统图。（a）传动系统图（b）转速图图2-2卧式车床主运动的传动系统图与转速图一、转速图1、转速图的概念⑴定义：把各轴(包括主轴)的转速画在对数坐标中，并把有关转速之间的传动比也画出来的一种线图。⑵组成转速线传动轴线转速点传动线⑶基本概念1）变速组的级比和级比指数级比x－变速组中两相邻传动比的比值；级比指数x－转速图上两相邻传动线相距的格数。2）基本组和扩大组基本组—x＝1的变速组。扩大组—x＞1的变速组。扩大顺序—变速组按x值由小到大依次排列的顺序。3）变速组的变速范围基本组：第一扩大组：第二扩大组：)1(111pxr)1(222pxr)1(000pxr第二扩大组c级比：6x2＝6r2＝6第一扩大组b级比：3x1＝3r1＝3基本组a级比：x0＝1r0＝2abc1400100071050035525018012590634531.5电动机ⅠⅡⅢⅣ⑷功用1）主轴各级转速的传动路线；2）传动顺序；3）变速组数目；4）变速组传动副数、变速范围；5）基本组和扩大组；6）传动轴数目、转速级数、转速大小；7）各传动副级比关系、传动比的数值；⑴主轴转速级数Z与变速组传动副数p的关系2、转速图的基本原理（基本规律）例：主轴转速为连续等公比数列，主轴转速级数Z=12。a、b、c三个变速组的传动副数：pa＝3、pb＝2、pc＝2。主轴转速级数：Z＝pa×pb×pc＝3×2×2＝12主轴转速为连续等公比数列时（即无转速的重复或空缺），主轴转速的变速级数等于各变速组传动副数的乘积。即：Z＝pa×pb×pc×pd×……pm要得到连续的等比数列，各变速组的传动比数列应是等比数列；必须有一个变速组的级比指数x0＝1；其余变速组的级比指数为：xn＝xn-1×pn-1。⑵变速组的级比规律变速组abc传动比数列11/1.411/211/2.821/4公比1.412.88x136例：主轴转速数列为连续等比数列时，主轴转速的变速范围等于各变速组变速范围的乘积。即：Rn＝ra×rb×rc×……×rm⑶主轴变速范围Rn与变速组变速范围rm的关系例：主轴转速的变速范围：Rn＝Z－1＝11a、b、c三个变速组的变速范围：ra＝2、rb＝3、rc＝6满足条件：Rn＝ra×rb×rc＝2×3×6＝11总之，机床的传动系统通常是由几个变速组串联所组成的，其中以基本组为基础，再通过第一、第二、……扩大组将各轴的转速级数和变速范围逐步扩大。通常，将这样的传动系统称为常规传动系统。常规传动系统的特点：1）单公比的连续等比数列；2）单速电机为动力源；3）采用滑移齿轮或齿轮离合器变速；4）没有采用公用齿轮。⑴结构网与转速图的区别1）结构网只表示各变速组内传动比的相对关系；2）结构网上代表传动比的射线常画成对称形式；3）结构网是转速图的通式；4）结构网也可用结构式来表示,即：12＝31×23×263、结构网和结构式1）传动系统的组成情况变速组数目、各变速组的传动副数和各变速组的级比指数；2）传动顺序和扩大顺序；3）各变速组的传动副数；4）各变速组的变速范围；5）各变速组中相邻传动比的关系（级比）。⑵结构网(式)表达的内容12＝31×23×261、原始依据机床类型；主轴最高、最低转速nmax、nmin；主轴转速级数Z；公比；电动机转速n电。二、主传动链转速图的拟定2、具体步骤变速组的数目及其传动副数结构网(式)变速组传动比齿数或皮带轮直径绘制转速图传动线齿数或皮带轮直径转速图传动轴线转速线x、rm中型车床，主轴转速级数Z＝12级，＝1.41，nmin＝31.5r.p.m、nmax＝1400r.p.m，n电＝1440r.p.m。3、示例⑴确定变速组的数目及其传动副数1）确定变速组的数目根据转速图的基本规律一，可能的方案：12＝4×312＝3×412＝3×2×212＝2×3×212＝2×2×3原始依据：主轴最低转速通常要比电动机转速低得多，通过增加了一个变速组来承担降速比，可减少各变速组中的最大齿轮的径向尺寸和专门用于降速的定比传动副数量。确定依据：四联滑移齿轮变速，箱体轴向尺寸太大；两个双联滑移齿轮变速，操纵机构需有互锁装置，增加了操纵机构的复杂性。确定结果：12＝3×2×212＝2×3×212＝2×2×32）确定变速组的传动副数确定原则：“前多后少”原则：pa≥pb≥pc≥…≥Pm。可选方案：12＝3×2×212＝2×3×212＝2×2×3nNM9550确定依据：传动件尺寸的大小。确定结果：变速组的数目及其传动副数：12＝3×2×2⑵拟定结构网（式）可选方案：图2-4。拟定原则：①极限传动比和极限变速范围极限传动比降速imin≥1/4；直齿轮：imax≤2升速斜齿轮：imax≤2.5极限变速范围：rmax＝8～10。图2-4结构网a、b、c、e方案:x2＝6，p2＝2，r2＝6＝8≤8～10。d、f方案：x2＝4，p2＝3，r2＝8＝16＞8～10。检验：最后扩大组的变速范围小于8～10。max)1(rrmmpxm结果①：满足极限变速范围要求的方案为：a、b、c、e。b、c、e三个方案的中间轴变速范围远大于a方案。a方案的扩大顺序又与传动顺序相同，且中间轴的变速范围小。综合结果：结构式：12＝31×23×26结构网：图2-4a检验：拟定原则：②“前密后疏”原则：各传动组的变速范围逐渐扩大，表现为前面传动组传动比连线较密，后面较疏。从而尽可能保证扩大顺序与传动顺序一致。⑶拟定转速图1）分配传动比时，应考虑的问题：②为了便于设计及使用机床，传动比最好选取标准公比的整数幂次，即i＝±E，其中E为整数。①各中间轴的最低转速应适当高些。依据：中间轴的转速高，相应的传动件尺寸也小。原则：降速采用“前慢后快”，升速采用“前快后慢”。iamin≥ibmin≥icmin≥……。2）决定变速组c的传动比变速组c的变速范围：6＝1.416＝8＝rmax，该变速组的两对传动副的传动比只能是极限值，即:ic1＝1/4＝1/4ic2＝2＝23）决定其余变速组的传动比根据“前慢后快”的原则变速组b的最小传动比为1/3变速组a的最小传动比为1/2固定传动比为1/24、改善传动性能措施零件尺寸和材料↓提高传动件转速空载功率、噪声、振动和发热↑1）传动链要短依据：缩短传动链→减少传动件→提高传动效率，减少振动和噪声。措施：合理选择电动机转速，使其尽量接近主轴最高转速；采用背轮传动或分支传动；减少变速组数量。2）转速和要小依据：在主轴转速一定时，减少各传动轴转速之和，可减少空载功率，同时对降低噪声也有显著作用。3）齿轮线速度要小依据：齿轮线速度是影响噪声的重要因素。措施：应兼顾缩小结构尺寸和减少空载功率及噪声的要求，适当选择中间传动轴的转速。措施：在拟定转速图时，除适当降低传动轴的转速外，还应减少齿轮的节圆直径。4）空转件要少依据：空转件是产生空载功率和噪声的因素之一。措施：尤其是在高速传动链工作时，应避免不起传动作用的齿轮出现超速空转现象。主轴上尽量不安装空套齿轮，或者将空套齿轮安装在滚动轴承上。一个规律：级比规律传动比限制imax＝2～2.5，imin＝1/4两个限制变速组的变速范围限制rmax＝8～10传动副→“前多后少”三项原则传动比线→“前密后疏”降速→“前慢后快”传动链要短转速和要小齿轮线速度要小空转件要少四项措施主轴最高转速nmax＝1800r/min，最低转速nmin＝40r/min，电动机转速n电＝1500r/min。主轴转速公比φ＝1.41。φ＝1.06的标准数列为：1.用公式求出主轴的变速范围Rn、主轴转速级数Z；2.确定主轴各级标准转速、写出至少4个不同的结构式；3.确定一个合理的结构式，并说明其合理性；4.画出合理结构式对应的结构网和合理的转速图。11.061.121.181.251.321.41.51.61.71.81.922.122.242.362.52.652.833.153.353.553.7544.254.54.7555.35.666.36.77.17.588.599.5§2-2扩大变速范围的传动系统设计常规传动系统由于极限变速范围的限制，其最后扩大组通常是由两个传动副组成，变速范围不太大（当＝1.26或＝1.41时，Rn＝45～50），往往不能满足现代通用机床发展的要求。例如，有些新型车床和镗床的主轴变速范围甚至达到或超过200，因此，需采用相应的措施来扩大机床传动系统的变速范围。一、增加变速组的传动系统依据：Rn＝Ra·Rb·Rc·……·Rm。特点：转速重叠，传动副不能得到充分利用。原因：变速组的变速范围受到极限变速范围的限制。例：公比＝1.41的常规传动系统最后扩大组的极限变速范围r2＝z/2＝1.416＝8主轴转速的最大变速范围：Rmax＝z-1＝1.4111=45主轴转速的最大变速级数：Zmax＝12相应的结构式：12＝31×23×26现增加一个变速组，设其传动副数为2，则按转速图的基本规律，该传动系统的结构式变为：24＝31×23×26×212该传动系统最后扩大组的变速范围为：措施：将新增加的变速组的变速范围缩小到极限值，即Rn‘＝6＝8。这时，有6级转速出现重复，主轴转速只有18级（即24－6）。Rn＝12＝64＞8～106级转速重复的结构网6级转速重复3123262(12-6)二、采用背轮机构(单回曲机构)离合器MⅠ轴Ⅲ轴4321ZZZZ整个背轮机构一个变速组，则该变速组的极限变速范围为:16114141max4321ZZZZr注意点:1）如果采用分离式传动，主轴箱和变速箱之间用皮带传动，高速时可以直接传动主轴减少主轴振动，提高传动平稳性；并可缩短高速传动链，提高传动效率。同时应尽可能提高皮带传递的最低转速，以避免皮带轮尺寸太大。2）合上离合器后，应使背轮脱开，也就是Z3/Z4传动副脱开，否则在主轴高速旋转时，通过Z3/Z4传动副将使Ⅱ轴以高于主轴的转速空转，增加机床空载功率损失，同时又增加齿轮噪声并加剧磨损。三、采用对称混合公比传动系统主轴转速数列采用几个公比的传动系统，称为混合公比或多公比的传动系统。对称型混合公比排列：在