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

1、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、快速退岀，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： 液压传动容易实现无级变速； 电气传动容易实现无级变速； 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

2、：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： 机床的未端执行件应有足够的转速范围和变速级数。 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。 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。 机床的自动化程度和生产率的要

3、求，应该合理地满足。 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cp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72a为龙门铳床铳刀主轴变速箱的传动系统图，图72b为该变速箱的转速图。其转速范围：50630r/min,公比cp =1.26,转速级数 z=12z主电动机功率13kw,转速1460r/mino在转述图

4、中： 距离相等的竖直线代表传动系统的各轴； 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Igriz-lgnlgcp=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lg cp 9 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。5八勺灯帀曾d=z : 3?Br|/- 乙xgx二乙LRI1亘巨呀爰国筋乙-厶園屋 E诲fit购菊岳虱筋多音n 嘩5至朗骏霆氧至(-)& 劉解伞脣轴密至、二乂6 =6ri=85/09=nL=952/k=i79/=Pn(瞄/7I)臣g6e/6S=sqn型)豳迂

5、 kW=S/SS=eene J.上/円g J/管P/Z乙n*J:(m-n) W-W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 到公比为的等比数列转速，相邻转速成倍关系，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cp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 a Ual: Ua2: Ua3=l/（p2: l/cp :l = l:cp:cp2将上式写成 Ua

6、i：Um2：Ua3= 1 ：（PX ：（P2x0X。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HI轴得到三级连续等比数列的 转速，这种具有级比指数的变速组称为基本组。 第二变速组:P=Pb=2ubl:ub2=26/52:39/39 = l/(p3:1 = 1:(p3=l: cpxl 故屮 X=Po=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xx=p0的变 速组称为第一扩大组，其转速级数扩大为p0-Pi=6o 第三变速组:p2=pc=2uc1:uc2=24/54: 50/28 =l/(p3-5:(p

7、2-5=l:(p6=l:cpx2 故 屮 X2=Pq p=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=p0 Pi的变速组称为第二扩大组，其转速级 数扩大为Po，Pl，P3= 12o任意变速组中的传动比 基本变速组级比xx0第1扩大组级比 3 ,出现转速空缺；图b) x=2 v 3 ,出现转速重复；图c) x1=1.53 ,出 现非正常的转速数列。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73中的图变速组按基本组、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”。ro =(pxo(p

8、o-i)= po_i r1=(p(Pi-D=(pPo(p1-1)2 =(P x?(P2-1)二山 POP1 (P2-1) 0=(pxj(Pj-i)min变速组的变速范围与其级比的关系，r=Umax/Umi z S -、=m xl (PIT)二 gj=(p 1 vr丄丄丿=(p POP1 Pjl(Pjl).min=Pz_1=PP0P1-,Pj3卩2=2乂2=62=申 &12=31x23x2 6 其中：Z=3x2x2=12结构式和结构网一样只表 示变速特性的相对关系。结构网又可简化为结构式, 本例的结构式为：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

9、可按下列步骤进行：1）根据已定的Rn、及乙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=9X2 （11 对齿）2）18=6X3 （9对齿）3）18=3X3X2 （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

10、, 可得若干不同的方案：12=3X2X2 （好）12=2X3X212 = 2X2X3M = 9550xN/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 = 3X2X2共有六种方案：见图7 512=31X23X26(好)12=31X26X2312=32X21X2612=34X21X2212=32X26X2112=34X22X213各变速组的变速范围不应超过最大的变速范对于主传动系统：因Umin Umax=2(斜齿Uax = 2.5)故 r=(2-2.5)/(l/4)=8-10对于进给传动系统：因umin=l/5 umax=2.8故r=1412=31X23X261

11、2=21 X22 X34当申（p=l26日寸,“ 26 ” ,r= L266（2J）=4（合格）“ 34 ” ,r= l264（3-i）=632（合格）当9=1.41 时,“ 26 ”1.416（27）=8（合格）“ 34 ” 尸L44i）=68（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。TI-slu,)、q 二 126（巧或1.41图了6降速传动比连线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, 应遵循刖缓后急的原则。即uaminubminucmin，Rn= nmax/nmin=1500/30=50z=1 +lgR

12、n/lg cp 二 1 +lg50/lg1.26=17.9 取 z=18 ,转速数列见下图1-7各变速组连线比为1/64 z这样无需增 加降速的定比传动副, 为備比IH1的亦凑幺日禱速缓慢,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f拟定转速图1）决定轴-2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ISL-8铳床主传动转速图图J9 X62W铳床传动系统图五、扩大变速范围的几种方法变速级数 Z = P0P1P2.Pj_1Pj

13、变速范围：n =(p(pj-i)popip2.pj-i=(p Z/2而最后扩大组的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。如Pj = 2 ,贝姑故Z=2（lgj /lg（p）怯W8 Zmax=2（lg8/lg（p） 变速系统的变速范围为：Rn=（pz-1屮当 0=1.26时，由 Zmax=18,由 Rnmax =50 =1.41 时，由 Zmax=12,由 Rnmax =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。増加一个变速组增加一个变速组显然可以增加总变速个限制的变速组固然可以扩大变速范围鬆豔速

14、重复因而如 4 =1.41 , Z=12 z Rnmax =45的变 速系统：其结构式：12=323x26增加一个P二2变速组，其结构式:24=31x23x26x212但最后扩大组的变速范围：4)12=1.4112=648 ,应为 b 二 4 =1.416 =8 z其结构式为：其结构网如图220示z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17=14卩7二344图2-20 6级重复转速的结构图增加背轮机构原理图见图721以賈轮机构作为一个变速组,其变 技理可以作为懸羞址的最寻广大 组、 从而可遽篙麦速系统的变速 aXT_I aZ；aT图2-21

15、背轮机构级数Z和变速范围Rn。*从结构上看，背轮机构仅占两排轴 孑b位置，可以缩小变速箱的轴向尺 寸;在高速传动时,直接合上离合 器，缩短了高速传动链，这时应使 背轮脱开。=(P (pj-l)p0plp2.pj-l如Pj = 2 ,贝！z-1=(p Z/2 Kmax=2(lgl6/lg(p) Rn= (p 若 cp =1. 41 Zmax=16 Rn= 180为CM6132型精密车床的主传动系统,该传动 是采用分离传动。采用了背轮机构,且位于主轴箱，传 动比为：2刀63x1刀58=1/8采用分支传动*其原理图见图2 - 23CA6140、C6201车床为其具体应用。为CA6140车床的主传动系

16、统图和转速图。 低速分支：4)=1.26 , Z=18(10-500r/min) , R =50 ,其结构式 为：18=21x32x2x2126,出现了6级重复转速。 高速分支：4)=1.26 , Z=6(450-1400r/min) z R =3.11 其结构式为：6=21x32* 从图可见450560r/min 4级转速交叉,实际总变速范围140少于 Rn=Rz R=195.9O此转速图的特点： 传动链上第一变速组2个传动副而第二变速组3个传动副。电动机经I轴至n轴是先降速后升速。*显然,采用分支传动既扩大变速范围又能缩短高速传动链。Z=Z0Z1Z二ZoZj+ZoZf+zozfA图| 23

17、采用分支传动原理图RoJI-R0Rf采用混合公比 图7 - 25为Z3040型摇臂钻 床的双公比的主传动变速 系统。日.26 (中间12 转速)(P 2=1 -262=1.58(咼、 低各空2级转速)正常：16=21x22x24x28如 把基本组的级比指数由1改 为5 ,则结构式为：16=2 5x22x24x28改变扩大顺序，使结构式 改为：16=2 2x25 x24x2 8其 结构网见其变速系统的变速范围Rn=(p2(p5(p4(p8 = vIZ50圏片25摇骨钻床主传动系统图7-26双公比结构网二者相差（P 4倍,其中指数4是 基本组级比指数增加值,也是 转速数列中转速空缺的格数。由此可见

18、，增大基本组的级比 指数,可以得到混合公比的变 速系统,增大的差值,恰好是 结构网的空缺格数。但增加后 的基本组的级比指数不能为基 本组传动副数的整数倍。如 Po=2 ,贝収0=3,5,7 ,而空缺级 数分别为2,4,6。为CM6132车床的主传 动系统也是采用混合公比。有 三公比,其结构式为： 18=33x31,4x29非对称混合公比的变速系统说轮离合囁4010110III12546474修5。伽jWUMt*Lz17S匚旳85JL50h 2500 2W9 :$00 1250 100 aoo 辭o12=23X31X26六 几种特殊变速的主传动系统（一）多速电动机变速系统双速电机和三速电机的同步

19、转速为1500/3000r/min或750/1500r/min, 750/1500/3000r/min,即同步转速比申电=2,由于电动机本身能得到二级或三级转速，因此在传动系统中 多速电动机相当于具有二或三个假想传动副的变速组，可以称为“电变速组” O应用多速电动机时，要使变速系统仍然连续等比数列的转速数列， 则要求电变速组在扩大顺序中的特性仍然要遵守级比规律。即电变 速组的级比为：P（Pxi=2这样传动系统的公比只能采用9=1-06,1.12,1.26,1.41,2,同时相 应的级比指数x-12,6,3,2,1当9=1.26时，xi = 3,为第一扩大组，且要求基本组的传动副数P0=3,例：

20、12= 23X31X26见图7 27当（p=lAl时，xi = 2,为第一扩大组，且要求基本组的传动副数P0=2,例：8= 22X21X24 见图7 27*图7 - 28为C7620型多刀半自动车床的主传动系统,其公比,结构式为：8= 22x21x24电1440Q-1804807100b)图7-28 C7620型多刀半自动车床主传动系统runlx（二）采用交换齿轮的变速系统*采用交换齿轮变速,其特点是结构简单,不需要操纵机构,轴向 尺寸小;由于交换齿轮的主动轮和被动轮可以倒换使用,因而可以 减小齿轮的个数。且U降m/u升,在转速图上传动比的连线呈对称分 布,见图7 29 Un= （P（2nT）

21、/2由于umax5kW1450r/min如图7 - 30的车床主传动系统：其结构式：4=22X21I -30 CA7620型液压多刀半自动车床主传动链图731为回轮转塔式车床的主传动系统z应用了交换齿轮,其结构式：8=26-4x31x23图I 31 C336-1型转塔车床主传动系统二2F =/垛七、齿轮齿数的确定注意下列几点:1）齿轮齿数和Sz不能太大z 般SzW100120 ,常选用在100以内。2）同一变速组中的各对齿轮z其中心距必须保持相等。3）最小齿轮的齿数应保持不产生根切。4）应保证最小齿轮装到轴上或套筒上具有足够的强度。一般a2m ,见图7105）保证主轴的转速误差在规定范围之内。

22、机 床主轴的实际转速对于优先数列的理论值 的总误差应在2%+6%范围之内。（一）同一变速组内模数相同的齿轮齿数的确定 适用于各齿轮副的速度变化不大,受力情 况差别不大的情况。1 .计算法Zf + Zj=Sz=常数Zj/Zjz =Uj =3j/bj古攵 Zj=Sz- aj / （aj+bj）Zf =Szb/ （aj+bj）图10齿轮的壁厚以图1为例说明计算方法，其中4）=1.41U=1 /1.412 =1/2u2 = 1 /22U1=1/2=22/44 Szmin66 齿数和Sz= 12x6=72 Z1=1/(2+1 )x72=24 Z1 =72-24=48 则 Z2二Sz 5 / (7+5)二

23、 307.2 =SZ - z2=42Z3=Sz* 1 / (1+1)二 36Z2 =Sz Z3=36齿数确定后,还要检查三联齿轮块相邻齿轮的齿数关系,以保证其 左右移动过程中,不会发生碰撞。如下图,当三联齿轮块由中间向左移动时z必须保证齿轮zf的齿 顶不碰撞乙的齿顶z当z/Z2 z3时,m(Zi+2)/引m(Z2 +2)/2vA,又 A=m(z1+z/)/ 要求ZZ2 4 , 即三联齿轮的 最大齿轮与相 邻的次大齿轮 之间的齿数差 应大于4。2查表法图11三联滑移齿轮变速组传动比是标准公比的整次方，变速组内模数相同U=l4. 73Sz二40-420U二1/2 查2这一行U?二1/141查1.

24、41这一行禺二1 若 Z込22 UR/2 查得 Zmin=22 Szmin66 从Szmin66开文台查同时满足三个传动龙的SzminU二 1/2Sz二66, 69, 72, 75, 7& 81, 84, 86, 87U 2=1/1.41S 二67, 68, 70, 72, 73, 75, 77, 79, 80, 82, 84UZ3=1Sz二66, 68, 70, 72, 74, 76, 7& 80, 82, 84, 86- 向时满足三个传动比的有72, 84U二 1/2二24/48,匕二 1/1.41 二30/42 U3=36/36（二）采用公用齿轮的变速系统在变速系统中，相邻的两个变速组中

25、，前一个变速组的被 动齿轮兼作后一个变速组的主动齿轮，这一齿轮称为公用 齿轮。可分为单公用、双公用、三公用、多分用齿轮变速 系统。采用公用齿轮可以减小齿轮的个数和缩短变速箱的轴向尺 寸，但给选择传动比带来一定的困难，径向尺寸一般也较 大，且所受到的弯曲应力是对称循环变应力。图7 2为单公用齿轮的X2010A型龙门铳床的主传动系统c 图7 32为一铳床的主传动系统,采用了双公用齿轮。有其特点:（双公用）如是降速庙动这时扩大组在前，基本组在后； 如为“升速传动”则基本组在前，扩大组在后。1.单公用齿轮齿数的确定1）首先要确定公用齿轮所在的传动付，确定原则:a）选较大的齿轮作为公用齿轮，公用齿轮使用

26、的机会较多；b）使前后两个传动组的齿数和相加，在结构允许的前提下数值最小.2）确定最小齿数齿轮所在的传动副及最小齿数Z m - 2 0 查表：min山二1/2二20/40 Sza=60 Ua2=l/1.41二25/35 Ua3=l/l=30/30 由公用齿轮Z公用二35 Ub2=l. 41/1=35/25 S 二 35 + 25 二 60 Uy 二 1/2 二 20/402.双公用齿轮齿数的确定1）首先要确定公用齿轮所在的传动付，确定原则:一个公轮所处的传动副为:升一-降另一公轮所处的传动副为:降-一升；这样选公用齿轮可使轴间距较小确定最小齿数齿轮所在的传动副及最小齿数一个公用齿轮在&1 ub

27、3 另一个在Ua3 Ubl最小齿轮在Ual中的主动轮Z=17Uai 二 1/2.52 查表二 17/43 Sza=17+43=60 Ua2=l/1. 26 查表 Sza=60, u=L 26为空 故mua2=l/l. 26=26/33 Sza=59Ua3二 1 58/1=37/23 变速组b的齿数及Qb以两个公用齿轮为准 Uhl=l/2=23/46 故S加=23+46=69 &3二1 58/1=43/27$府43+27二70查表 Sza=70, u二 1 26为2二1 26/1 二39/31*图7 - 33是采用二公用齿轮传动。*三公用齿轮传动即 使采用变位齿轮也 难以得到连续的等 比数列的转

28、速数列。*能实际采用的三公 用齿轮变速系统只 有部分转速重复和 混合公比两种,混合公比是理想的设图了 33混合公比的三公用齿轮变速系统（三）变速组内模数不同时齿轮齿数的确定传动副的中心距A必须相等A/2 (Z1+Z17 )=01A=m2/2 (Z2+Z2 ) -m2Sz2 miSzC m2Sz2Szl/ SZ2= m2/ 叫=e2/ei 即 Szl=Ke2Sz2=Ke】U=l/4U2=2 mi=4 m2=3Szl/ Sz2= m2/ 叫=3/4 取K=30 Szl=30 X 3=90Sz2=30 X 4=12u=l/4=18/72 U2=2/l=80/40II丿I.变速箱和进给箱（一）变速传动部分的组成（二）变速传动部件必须满足的要求1）一定的变速范围和级数2）能传递动力参数规定的功率3）运动平稳噪音小4）结构简单重量轻5）制造使用维护方便6）抗振性好外形美观等（三）变速箱的型式1）主轴箱2）分离传动变速箱3）以床身作为箱体的变速箱（四）变速机构的类型选择1）滑移齿轮2）齿式离合器3）摩擦离合器九、齿轮的布置为使变速箱结构紧凑,在齿轮的布置时应注意下列问题:1）应使一对齿轮完全脱开之后,另一对齿轮才能开始进入 啮合。如图7-13中的L = B + 24O变速组中的滑移齿轮最好布置 在主动轴上（降速传动时）, 也可把两个相邻的滑移齿轮放在同一根轴上。图1-13滑动