機床的傳動設計2

機械制造裝備設計第二章機床的傳動設計第二章機床的傳動設計第二節(jié)擴大變速范圍傳動系統(tǒng)設計第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計第二節(jié)擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設計如果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

；為了滿足各種機床的工藝需求，必須擴大主傳動系統(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，最后擴大組必定是雙速變速組，即傳動副數(shù)P=2。一、擴大變速范圍的意義

變速范圍Rn擴大的理由主傳動系最后擴大組變速范圍：主傳動系主軸總變速級數(shù)：最后擴大組變速范圍與總變速級數(shù)之間關系：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)擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設計一、擴大變速范圍的意義

擴大變速范圍的機理：通過增加擴大組來增加主軸變速范圍。

結(jié)論

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

二、擴大變速范圍的方法

因總變速范圍，增加φ、P和傳動組，都可增大R，但φ

增大,導致A增大，影響機床的生產(chǎn)率；當機床類型一定時，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增加第三擴大組，理論Z=31×23×26×212，最后擴大組的轉(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6

級?？傋兯俜秶?/p>

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，并導致部分轉(zhuǎn)速重復?！痢獭磷兯俜秶拗铺蕹貜娃D(zhuǎn)速第二節(jié)擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設計

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

2.單回曲機構(gòu)當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)擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設計

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

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

來擴大R。第二節(jié)擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設計◆

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構(gòu)（背輪機構(gòu)），則r0≤1.2612

=16，

故取x’≤10?；旌瞎葌鲃酉到y(tǒng)的設計原則◆

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?！?/p>

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擴大4倍。第二節(jié)擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設計例

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)擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設計混合公比傳動與單回曲機構(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)論應用雙速電動機，縮短了傳動鏈，變相擴大了變速范圍。第二節(jié)擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設計

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

有嚴格的要求。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大組。雙速電動機驅(qū)動的結(jié)構(gòu)式第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速傳動零件設計的主要依據(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，進行強度設計。對于有幾種轉(zhuǎn)速的傳動件，必須確定一個經(jīng)濟合理的轉(zhuǎn)速nj，進行強度設計。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。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

當工件或刀具尺寸較小時，切削力矩小，主軸轉(zhuǎn)速高；當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床二、機床的功率轉(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。通用機床工藝范圍廣，變速范圍大，有些典型工藝只需采用小進給量，消耗的功率小，主傳動不需要傳遞電動機的全部功率。

傳動件設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。機床主傳動中常采用的無級變速裝置有：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。

1.變速電動機變速電動機有：直流復激電動機和交流變頻電動機，恒功率變速范圍僅2~3。為了擴大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機和主軸之間需串聯(lián)一個分級變速箱。變速電動機廣泛用于數(shù)控機床、大型機床中。通過改變單位時間內(nèi)輸入液壓缸或液動機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床中，如刨床、拉床等。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計

2.機械無級變速裝置機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，通常與分級變速機構(gòu)串聯(lián)使用。

應用于功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機床的主傳動中，更多用于進給變速傳動中。

3.液壓無級變速裝置第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計

二、無級變速主傳動系設計原則

（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械分級變速箱串聯(lián)，擴大變速范圍若機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)的機械分級變速箱的變速范圍Rf

應為機械分級變速箱的變速級數(shù)機械分級變速箱的公比

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

例

設機床主軸的變速范圍Rn=60，無級變速箱的變速范圍

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

解：機械分級變速箱的變速范圍為機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，分級變速為擴大組，理論上，因機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)控機床的主要變速形式。

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計交流電動機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)設計普通感應電動機的恒功率變速范圍為1.5

電動機在額定條件下工作時，磁場已達到近似飽和的程度，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6r/min。

交流變頻電動機額定轉(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)設計

二、直線運動無級變速伺服電動機和步進電動機是恒轉(zhuǎn)矩變速，功率不大。只能用于直線進給運動和輔助運動。如果調(diào)速電動機驅(qū)動載荷特性是恒轉(zhuǎn)矩負載，如龍門刨的工作臺等，可直接利用電動機的恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速拖動直線運動部件，使電動機的恒轉(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大于調(diào)速電動機的恒功率變速范圍，必須串聯(lián)分級變速系統(tǒng)來擴大電動機的恒功率變速范圍，以滿足機床需求。

電動機的額定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的計算轉(zhuǎn)速；電動機的最高轉(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恒轉(zhuǎn)矩變速范圍的大小，。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計分級傳動系統(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)設計第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計調(diào)速電動機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)設計調(diào)速電動機串聯(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)設計分級傳動系統(tǒng)的公比一般比電動機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)設計分級傳動的最小傳動比應采用前緩后急的原則；擴大順序應采用前密后疏的原則；串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)應遵循極限傳動比、極限變速范圍的原則。

例2-6某數(shù)控機床，主運動由變頻電動機驅(qū)動，電動機連續(xù)功率7.5kW，額定轉(zhuǎn)速，最高、最低轉(zhuǎn)速，機床主軸最高、最低轉(zhuǎn)速：，，計算轉(zhuǎn)速：。設計所串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計解：①主軸要求的恒功率變速范圍②電動機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)設計

取：④分級傳動系統(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)設計⑧調(diào)速電動機的最低工作轉(zhuǎn)速⑨電動機最低工作轉(zhuǎn)速時所傳遞的功率

第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設計五、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，應增大電動機的功率，增大的比率為，即將電動機的功率擴大