機(jī)床的傳動設(shè)計2

機(jī)械制造裝備設(shè)計第二章機(jī)床的傳動設(shè)計第二章機(jī)床的傳動設(shè)計第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍傳動系統(tǒng)設(shè)計第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計如果r最后=8，φ

=1.41，則x最后=6，結(jié)構(gòu)式12=31×23×26

,變速范圍R=φ

z-1=1.4112-1=1.4111=45；如果r最后

=8，φ=1.26，則x最后

=9，結(jié)構(gòu)式18=31×33×29，變速范圍R=

φ

z-1=1.2618-1=1.2617=50；一般常用機(jī)床的變速范圍都在R=80以上。如，CA6140，R=140（10-1400r/min）；XK5040-1，R=125

（12-1500r/min）

；Z3040，R=80

；為了滿足各種機(jī)床的工藝需求，必須擴(kuò)大主傳動系統(tǒng)的變速范圍。根據(jù)傳動系統(tǒng)前多后少的傳動順序原則，最后擴(kuò)大組必定是雙速變速組，即傳動副數(shù)P=2。一、擴(kuò)大變速范圍的意義

變速范圍Rn擴(kuò)大的理由主傳動系最后擴(kuò)大組變速范圍：主傳動系主軸總變速級數(shù)：最后擴(kuò)大組變速范圍與總變速級數(shù)之間關(guān)系：由于極限傳動比的限制：所以總變速級數(shù)Z：主軸變速范圍Rn：第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計一、擴(kuò)大變速范圍的意義

擴(kuò)大變速范圍的機(jī)理：通過增加擴(kuò)大組來增加主軸變速范圍。

結(jié)論

增加一個變速組能使R擴(kuò)大8倍，主軸轉(zhuǎn)速增加6級。第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計

二、擴(kuò)大變速范圍的方法

因總變速范圍，增加φ、P和傳動組，都可增大R，但φ

增大,導(dǎo)致A增大，影響機(jī)床的生產(chǎn)率；當(dāng)機(jī)床類型一定時，φ是定值；因此，為便于操作和控制，常取傳動副數(shù)P≤3。

1.增加變速組的傳動系統(tǒng)

例

已知φ

=1.41，結(jié)構(gòu)式12=31×23×26，x2=6，r2=8增加第三擴(kuò)大組，理論Z=31×23×26×212，最后擴(kuò)大組的轉(zhuǎn)速范圍r3=φ12×(2-1)=64>8，不符合要求，此時必須減小x3，使。則實際轉(zhuǎn)速為24-6=18

級，重復(fù)6

級。總變速范圍：

方法：在原有變速傳動系內(nèi)再增加一個變速組。特點：由于受變速組極限變速范圍的限制，增加變速組的級比指數(shù)不得不小于理論值，并導(dǎo)致部分轉(zhuǎn)速重復(fù)?！痢獭磷兯俜秶拗铺蕹貜?fù)轉(zhuǎn)速第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)論采用單回曲機(jī)構(gòu)，R可擴(kuò)大4倍；若增加的變速組為單回曲機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)式為則R可擴(kuò)大16倍。擴(kuò)大變速范圍的機(jī)理通過擴(kuò)大極限變速范圍來擴(kuò)大總變速范圍。第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.單回曲機(jī)構(gòu)當(dāng)M與z1結(jié)合時，輸入軸的運動直接由軸Ⅰ輸出，傳動比為i2=1，極限變速范圍為

r’=i2/i1=16。

當(dāng)M與z4結(jié)合時，運動經(jīng)z1、z2、z3、z4傳遞，傳動比為若

例如

φ

=1.41，結(jié)構(gòu)式為16=21×22×24×28原結(jié)構(gòu)式為：12=31x23x26變速范圍：第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計

3.對稱混合公比傳動系統(tǒng)

如圖，主軸轉(zhuǎn)速列中段公比φ不變，增大不常用的轉(zhuǎn)速公比。采用大公比為φ’=1.58=1.262，高速端大公比轉(zhuǎn)速級數(shù)與低速端相等，形成兩端對稱的大公比傳動系統(tǒng)。

如

結(jié)構(gòu)式

12=31×23×26

轉(zhuǎn)變成混合公比后得到：12=32×26×27

擴(kuò)大變速范圍的機(jī)理在不增加主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)的前提下，增大不常用的φ

來擴(kuò)大R。第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計◆

因大公比格數(shù)必須是偶數(shù)，而變形基本組的r0≤1.269

=8，故取x’≤8。若變形基本組是單回曲機(jī)構(gòu)（背輪機(jī)構(gòu)），則r0≤1.2612

=16，

故取x’≤10?；旌瞎葌鲃酉到y(tǒng)的設(shè)計原則◆

因系統(tǒng)大公比是小公比的平方，考慮相對轉(zhuǎn)速損失率，故取小公比φ

=1.26。◆

因基本組的傳動副數(shù)P0=2；故級比指數(shù)x0=x’+1。

結(jié)論

對稱混合公比傳動系統(tǒng)，是改變傳動副數(shù)為2的基本組形成的，能使R擴(kuò)大4倍。第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計例

某搖臂鉆床的主軸轉(zhuǎn)數(shù)范圍為n=25~2000r/min，公比

φ

=1.26，主軸轉(zhuǎn)數(shù)級數(shù)Z=16，確定該鉆床的傳動系統(tǒng)。

解（1）鉆床需要的總變速范圍是

（2）鉆床的理論轉(zhuǎn)數(shù)級數(shù)應(yīng)為

（4）鉆床的結(jié)構(gòu)式為鉆床采用混合公比傳動，其大公比格數(shù)為按前密后疏原則整理得第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計混合公比傳動與單回曲機(jī)構(gòu)相結(jié)合，能產(chǎn)生極大的變速范圍。結(jié)構(gòu)式中，第三變速組

c為基本組，大公比格數(shù)為8，第四變速組d為單回曲機(jī)構(gòu)。總變速范圍為混合公比傳動結(jié)構(gòu)式結(jié)合后的結(jié)構(gòu)式結(jié)論應(yīng)用雙速電動機(jī)，縮短了傳動鏈，變相擴(kuò)大了變速范圍。第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計

4、雙速電動機(jī)傳動系統(tǒng)機(jī)床采用雙速電動機(jī)時，傳動順序與擴(kuò)大順序不一致。由于第一擴(kuò)大組的x1=P0，所以雙速電動機(jī)對基本組的傳動副數(shù)P0

有嚴(yán)格的要求。因2≈1.263≈1.412，則

φ

=1.26

時，P0=3；φ

=1.41時，P0=2。雙速電動機(jī)是動力源，為第一變速組（電源變速組），但級比是2

，只能作為變形基本組或第一擴(kuò)大組。雙速電動機(jī)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)式第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速傳動零件設(shè)計的主要依據(jù)是所能承受的載荷大小。載荷取決于所傳遞的功率和轉(zhuǎn)速。當(dāng)外載一定，轉(zhuǎn)速越高，傳遞的轉(zhuǎn)矩越小。對于轉(zhuǎn)速恒定的傳動件，可算出傳遞的轉(zhuǎn)矩大小，進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計。對于有幾種轉(zhuǎn)速的傳動件，必須確定一個經(jīng)濟(jì)合理的轉(zhuǎn)速nj，進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計。一、研究計算轉(zhuǎn)速的意義

計算轉(zhuǎn)速的意義：根據(jù)傳動件需要傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速，來確定傳動件能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，作為強(qiáng)度計算和校核依據(jù)。第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速傳動件傳遞的轉(zhuǎn)矩與切削力、工件和刀具的半徑有關(guān)。①

粗加工時采用大吃刀深度、大走刀量，即較大的切削力矩，較低轉(zhuǎn)速；精加工時則相反。②

當(dāng)工件或刀具尺寸較小時，切削力矩小，主軸轉(zhuǎn)速高；當(dāng)工件或刀具尺寸較大時則相反。

2.主運動為旋轉(zhuǎn)運動的機(jī)床

因功率是轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積，故主傳動屬于恒功率傳動。機(jī)床的最大切削力存在于所有可能的切削速度中，因此，驅(qū)動直線運動的傳動件，忽略摩擦力因素時，在所有轉(zhuǎn)速下承受的最大轉(zhuǎn)矩相等。即主傳動屬于恒轉(zhuǎn)矩傳動。

1.主運動為直線運動的機(jī)床二、機(jī)床的功率轉(zhuǎn)矩特性

nj

~nmin（恒轉(zhuǎn)矩變速范圍）主軸每級轉(zhuǎn)速都能傳遞計算轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩，輸出功率隨轉(zhuǎn)速線性下降。第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速

3.計算轉(zhuǎn)速（nj

）概念

計算轉(zhuǎn)速

指主軸或傳動件傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速。

nj

~

nmax（恒功率變速范圍）主軸每級轉(zhuǎn)速都能傳遞全部功率，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增高而降低。通用機(jī)床工藝范圍廣，變速范圍大，有些典型工藝只需采用小進(jìn)給量，消耗的功率小，主傳動不需要傳遞電動機(jī)的全部功率。

傳動件設(shè)計必須找出需要傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速，依此確定所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩。各類機(jī)床主軸的nj可查表計算確定。第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速

步驟：①先確定主軸計算轉(zhuǎn)速；②再按傳動順序由后往前依次確定各傳動軸的計算轉(zhuǎn)速；③最后確定各傳動件的計算轉(zhuǎn)速。

例

已知某通用車床轉(zhuǎn)速圖，試確定變速系中傳動件的計算轉(zhuǎn)速。

1.主軸的計算轉(zhuǎn)速

三、主變速系統(tǒng)傳動件計算轉(zhuǎn)速的確定第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速

2.各傳動軸的計算轉(zhuǎn)速變速組c

有兩個傳動副，nj主=90

是軸Ⅲ通過18/72獲得，軸Ⅲ相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為355。軸Ⅲ的最低轉(zhuǎn)速為125，通過60/30使主軸獲得轉(zhuǎn)速為250

>nj主，且能傳遞全部功率。故njⅢ=125

r/min

njⅢ是經(jīng)軸Ⅱ的最低轉(zhuǎn)速355獲得，故

njⅡ=355

r/min同理njⅠ=710

r/min第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速

3.各傳動副的計算轉(zhuǎn)速

①變速組c

傳動副z18/z72產(chǎn)生nj主，則軸Ⅲ的相應(yīng)轉(zhuǎn)速355就是主動齒輪z18的計算轉(zhuǎn)速，即njcz18=355r/min。

z60/z30產(chǎn)生的最低主軸轉(zhuǎn)速250>nj主，所對應(yīng)的軸Ⅲ最低轉(zhuǎn)速125，為主動齒輪z60的計算轉(zhuǎn)速，即njcz60=125r/min。

②變速組b

主動齒輪z22，z42的計算轉(zhuǎn)速為njbz22,24

=355r/min

③變速組a

主動齒輪z24，z30，z36的計算轉(zhuǎn)速為njaz24

=710r/min第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速

（1）主軸計算轉(zhuǎn)速：采用通用機(jī)床中車床類的主軸計算轉(zhuǎn)速公式：（2）各傳動軸計算轉(zhuǎn)速：第Ⅲ軸：若由18:72傳動主軸，其轉(zhuǎn)速中355、500和710需傳遞全部功率；若由60:30傳動主軸，則所有轉(zhuǎn)速需傳遞全部功率。因此計算轉(zhuǎn)速為125rpm。采用相同方法可求Ⅱ軸nj.60:30(3)各齒輪副計算轉(zhuǎn)速齒輪Z18：若經(jīng)齒輪副18:72使主軸得到三級轉(zhuǎn)速90、125、180，需傳遞全部功率，此時Z18齒輪轉(zhuǎn)速為355、500、710，因此最低轉(zhuǎn)速355為其計算轉(zhuǎn)速。采用同法可求其余齒輪nj。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

一、無級變速主傳動系統(tǒng)的分類

何謂無級變速？無級變速是指在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速（或速度）能連續(xù)地變速，從而獲取最有利的切削速度。機(jī)床主傳動中常采用的無級變速裝置有：變速電動機(jī)、機(jī)械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。

1.變速電動機(jī)變速電動機(jī)有：直流復(fù)激電動機(jī)和交流變頻電動機(jī)，恒功率變速范圍僅2~3。為了擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機(jī)和主軸之間需串聯(lián)一個分級變速箱。變速電動機(jī)廣泛用于數(shù)控機(jī)床、大型機(jī)床中。通過改變單位時間內(nèi)輸入液壓缸或液動機(jī)中液體的流量來實現(xiàn)無級變速。特點是變速范圍較大、變速方便、傳動平穩(wěn)、運動換向時沖擊小、易于實現(xiàn)直線運動和自動化。常用于主運動為直線運動的機(jī)床中，如刨床、拉床等。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

2.機(jī)械無級變速裝置機(jī)械無級變速裝置有柯普型、行星錐輪型等多種結(jié)構(gòu)。利用摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副工作半徑來實現(xiàn)無級變速。變速范圍小，通常與分級變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用。

應(yīng)用于功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機(jī)床的主傳動中，更多用于進(jìn)給變速傳動中。

3.液壓無級變速裝置第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

二、無級變速主傳動系設(shè)計原則

（1）選擇功率和轉(zhuǎn)矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置

（2）將無級變速裝置與機(jī)械分級變速箱串聯(lián)，擴(kuò)大變速范圍若機(jī)床主軸要求的變速范圍為Rn，選取的無級變速裝置范圍為Rd，串聯(lián)的機(jī)械分級變速箱的變速范圍Rf

應(yīng)為機(jī)械分級變速箱的變速級數(shù)機(jī)械分級變速箱的公比

①如龍門刨床的工作臺，應(yīng)選擇恒轉(zhuǎn)矩為主的無級變速裝置—直流電動機(jī)。②再如車床、銑床的主軸，應(yīng)選擇恒功率無級變速裝置—機(jī)械無級變速裝置、變速電動機(jī)串聯(lián)機(jī)械分級變速箱。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

例

設(shè)機(jī)床主軸的變速范圍Rn=60，無級變速箱的變速范圍

Rd=8，設(shè)計機(jī)械分級變速箱，求出其級數(shù)，并畫出轉(zhuǎn)速圖。

解：機(jī)械分級變速箱的變速范圍為機(jī)械分級變速箱的公比為通常無級變速裝置為傳動系的基本組，分級變速為擴(kuò)大組，理論上，因機(jī)械變速裝置是摩擦傳動，為獲得連續(xù)的無級變速，取。由得機(jī)械分級變速箱的級數(shù)為252.7lg/5.7lg1=+=Z一、無級變速的特點

無級變速能使機(jī)床獲得最佳切削速度，無相對轉(zhuǎn)速損失；且能夠在加工過程中變速，保持恒速切削；無級變速器通常是電變速組，恒功率變速范圍為2—4，恒轉(zhuǎn)矩變速范圍大于100，這樣，縮短了傳動鏈長度，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計；無級變速系統(tǒng)容易實現(xiàn)自動化操作。因而是數(shù)控機(jī)床的主要變速形式。

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計交流電動機(jī)定子電動勢與磁通量和定子電流頻率的乘積成正比，忽略定子繞組電阻和漏感抗時，定子電動勢數(shù)值等于定子繞組相電壓；三相假想轉(zhuǎn)子電動勢為定子電動勢與轉(zhuǎn)差率的乘積；在額定相電壓、額定載荷下工作時轉(zhuǎn)差率不變（1~9%），轉(zhuǎn)子電流亦為恒定值；當(dāng)頻率高于額定頻率時，定子電動勢不變，磁通量隨定子電流頻率的增高而降低，轉(zhuǎn)速隨定子電流頻率的增大而線性增大，假想轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩與磁通量成正比而線性下降，輸出功率維持額定條件下的大小不變，故定子電流頻率高于額定頻率的調(diào)速為恒功率調(diào)速。

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計普通感應(yīng)電動機(jī)的恒功率變速范圍為1.5

電動機(jī)在額定條件下工作時，磁場已達(dá)到近似飽和的程度，故頻率低于額定頻率時，磁通量近似不變，轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，定子電動勢隨電流頻率的降低而線性降低，假想轉(zhuǎn)子的輸出功率隨定子電流頻率的降低而線性降低，故稱定子頻率低于額定頻率的調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩變速范圍超過二百，最低轉(zhuǎn)速可達(dá)6r/min。

交流變頻電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min或2000r/min，恒功率變速范圍為3、4；第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

二、直線運動無級變速伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩變速，功率不大。只能用于直線進(jìn)給運動和輔助運動。如果調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動載荷特性是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如龍門刨的工作臺等，可直接利用電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速拖動直線運動部件，使電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍等于直線運動部件的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍，電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生直線運動部件的最高速度。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計三、主運動為旋轉(zhuǎn)運動的無級變速主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于調(diào)速電動機(jī)的恒功率變速范圍，必須串聯(lián)分級變速系統(tǒng)來擴(kuò)大電動機(jī)的恒功率變速范圍，以滿足機(jī)床需求。

電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的計算轉(zhuǎn)速；電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的最高轉(zhuǎn)速。主軸的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍則決定了電動機(jī)恒轉(zhuǎn)矩變速范圍的大小，。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計分級傳動系統(tǒng)，液壓缸控制滑移齒輪自動變速?？侩姶艙Q向閥控制齒輪滑移方向，為使滑移齒輪定位精確，使液壓缸結(jié)構(gòu)及控制程序簡單，串聯(lián)的滑移齒輪變速組都是雙速變速組（所有變速組都具有兩對傳動副），即采用雙作用液壓缸控制雙聯(lián)滑移齒輪的方案。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計調(diào)速電動機(jī)的恒功率變速范圍為，在保證輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)前提下，串聯(lián)一個雙速變速組，獲得的最大變速范圍為，此時:

串聯(lián)兩個雙速變速組后，能得到的連續(xù)無級轉(zhuǎn)速的最大變速范圍是，這時:

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計調(diào)速電動機(jī)串聯(lián)級雙速變速組后，能獲得的最大變速范圍是：串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)的公比等于電動機(jī)恒功率變速范圍時，輸出的無級轉(zhuǎn)速的變速范圍最大。換言之，變速范圍一定，當(dāng)分級傳動系統(tǒng)的公比時，需串聯(lián)的變速組數(shù)最少。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計為自然數(shù)，且采用收尾法圓整，即：

?。喝。旱谒墓?jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計分級傳動系統(tǒng)的公比一般比電動機(jī)的恒功率變速范圍小，分級傳動系統(tǒng)的實際公比為:第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計分級傳動的最小傳動比應(yīng)采用前緩后急的原則；擴(kuò)大順序應(yīng)采用前密后疏的原則；串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)應(yīng)遵循極限傳動比、極限變速范圍的原則。

例2-6某數(shù)控機(jī)床，主運動由變頻電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)連續(xù)功率7.5kW，額定轉(zhuǎn)速，最高、最低轉(zhuǎn)速，機(jī)床主軸最高、最低轉(zhuǎn)速：，，計算轉(zhuǎn)速：。設(shè)計所串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計解：①主軸要求的恒功率變速范圍②電動機(jī)的恒功率變速范圍是3，即③該系統(tǒng)至少需要的轉(zhuǎn)速級數(shù)、變速組數(shù)

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

?。孩芊旨墏鲃酉到y(tǒng)的實際公比為⑤結(jié)構(gòu)式為

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計⑥分級傳動系統(tǒng)的最小傳動比

根據(jù)前緩后急的原則分配最小傳動比：

⑦其它傳動副的傳動比

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計⑧調(diào)速電動機(jī)的最低工作轉(zhuǎn)速⑨電動機(jī)最低工作轉(zhuǎn)速時所傳遞的功率

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計五、增大恒功率無級變速范圍的方法如果要求每段轉(zhuǎn)速的無級變速范圍，應(yīng)增大電動機(jī)的功率，增大的比率為，即將電動機(jī)的功率擴(kuò)大