机械制造装备设计-第2_3讲.ppt

重庆理工林园分校 毛国平副教授 机械制造装备设计 第三章金属切削机床设计 第二章金属切削机床设计 返回主页 退出 上一页 下一页 第四节主传动系设计 第三章金属切削机床设计 2 4主传动系设计 一 主传动系设计应满足的基本要求 二 主传动系分类和传动方式 三 分极变速主传动系 上一页 下一页 退出 返回主页 四 无极变速主传动系 返回本章 五 数控机床主传动系设计特点 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 1主传动系设计概述 一 满足机床使用性能要求 二 满足机床传递动力要求 三 满足机床工作性能的要求 四 满足产品设计经济性的要求 五 维修调整方便 结构简单 合理 便于加工和装配 机床的主传动系统实现机床的主运动 其末端件直接参与切削加工 形成所需的表面和加工精度 且变速范围宽 传递功率大 是机床中最重要的传动链 设计时应满足下述基本要求 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 1主传动系设计应满足的基本要求 主要设计 外联传动链 内联传动链设计外联传动链时 主要考虑保证要求的速度 或转速 和所传递的功率 设计内联传动链时 主要考虑保证传动精度 主传动功用及组成 1 把一定功率从运动源传递给执行件 2 保证执行件的一定转速和一定的调速范围 3 根据需要 能够方便地进行运动的启动 停止 换向和制动 方便地进行运动的转换 组成 1 定比传动结构 常采用齿轮 胶带 链传动 2 变速装置 适应一定工艺范围要求 3 主轴组件 它是执行件 它由主轴 主轴支承和主轴上的传动件组成 4 开停装置 控制主运动执行件的启动和停止 通常采用离合器或电机直接开停 5 制动装置 机械 液压 电气 6 换向 7 操纵 8 润滑与密封 9 箱体 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 1主传动系设计应满足的基本要求 主传动设计原则 1 机床的主轴须有足够的变速范围和转速级数 2 主电动机和传动机构须能供给和传递足够的功率和转矩 并且有较高的传动效率 3 执行件 如主轴组件 须有足够的精度 刚度 抗振性和小于许可限度的热变形和温升 4 噪声应在许可范围内 5 操纵要轻便灵活 迅速 安全 可靠 并便于调整和维修 6 结构简单 润滑与密封良好 便于加工和装配 成本低 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 2主传动系分类和传动方式 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 换向和制动机构等部分组成 一 主传动系分类 1 按驱动主传动的电机类型 交流电动机驱动 直流电动机驱动 2 按传动装置类型 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 分极变速传动 无极变速传动 二 主传动系的传动方式集中传动方式 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 图11分离传动方式 主传动系中的大部分传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中 图12 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 一 拟定转速图和结构式 1 转速图转速图表示主轴各转速的传递路线和转速值 各传动轴的转速数列及转速大小 各传动副的传动比的线图 转速图包括一点三线 转速点 转速线 传动轴线 传动线 通常 我们按照动力传递的顺序 从电动机到执行件的先后顺序 即传动顺序分析机床的转速图 按传动顺序 变速组依次为第一变速组 第二变速组 第三变速组 分别用a b c 表示 设一中型卧式车床 其变速传动系图2 13 转速点主轴和各传动轴的转速值 用小圆圈或黑点表示 转速图中的转速值是对数值 主轴转速线由于主轴的转速数列是等比数列 所以主轴转速线是间距相等的水平线 相邻转速线间距为 传动轴线距离相等的铅垂线 从左到右按传动的先后顺序排列 轴号写在上面 铅垂线之间距离相等是为了图示清楚 不表示传动轴间距离 传动线两转速点之间的连线 传动线的倾斜方式代表传动比的大小 传动比大于1 其对数值为正 传动线向上倾斜 传动比小于1 其对数值为负 传动线向下倾斜 倾斜程度表示了升降速度的大小 一个主动转速点引出的传动线的数目 代表该变速组的传动副数 平行的传动线是一条传动线 只是主动转速点不同 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 级比等于公比或级比指数等于1的变速组称为基本组 基本组的传动副数 用表示 级比指数用表示 变速范围表示 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第二变速组b 轴 间的变速组 Pb 2 传动比分别是 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 经第一扩大组后 机床得到P0P1级连续而不重复的等比数列转速 级比指数等于基本组传动副数的变速组称为第一扩大组 其传动副数 级比指数 变速范围分别用表示 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 级比指数等于的变速组称为第二扩大组 第二扩大组的传动副数 级比指数 变速范围分别用表示 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 经第二扩大组的进一步扩大 使主轴 轴 得到级连续等比的转速 总变速范围是 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 变速主传动系统规律 总变速范围为 第扩大组的级比指数为 第传动组的变速范围 称为基型传动系统或常规传动系统 既无空缺又无重复的常规传动系统 必须遵守级比规律 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 一 拟定转速图和结构式 2 结构式变速组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值 用表示 级比中的指数值称为级比指数 相当于上述相邻两传动线与被动轴交点之间相距的格数 结构网只表示传动比的相对关系 而不表示传动轴 主轴除外 转速值大小的线图称为结构网 由于不表示转速值 结构网画成对称的形式 结构式各变速组的传动副数的乘积等于主轴转速级数Z 将这一关系按传动顺序写出数学式 级比指数写在该变速组传动副数的右下角 就形成结构式 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 要点 传动线相对于主轴的转速数列是对称的 定比传动线不画 左边第一传动轴线为 轴 轴号写在相应传动轴上方 轴 轴 轴 轴间为第一 二 三 四变速组 在两轴中间下方位置写上该变速组的组成 传动副数和级比指数 传动副数为阿拉伯数字 级比指数作为传动副数的下角标 电变速组电动机轴为0 变速组组成写在0轴下方 转速点用圆点标出 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 二 各变速组的变速范围及极限传动比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 即 i 0 1 2 j 在设计机床主传动系时 一般限制降速最小传动比直齿圆柱齿轮的最大升速比斜齿圆柱齿轮可取一般最小传动比1 4 最大传动比2 极限变速范围8 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 三 主变速传动系设计的一般原则 1 传动副确定的原则 前多后少 2 传动顺序与扩大顺序相一致的原则 前密后疏 3 变速组的变速要前慢后快 中间轴的转速不宜超过电动机的转速 前缓后急 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 4 转速图中传动比的分配转速图的拟定原则根据已确定尺寸参数 运动动参数和动力参数后 拟定出机床主传动的转速图 设计步骤是 根据转速图的拟定原则 确定结构式 画出结构网 然后分配各传动组的最小传动比 拟定出转速图 转速图的绘制根据转速图的拟定原则 确定结构式和结构网后 确定是否需要有定比传动 若需要定比传动 首先确定定比传动比的大小 应尽量保证轴 为主轴转速线上的一个转速点 然后分配各传动组的传动比 并确定其它中间轴的转速 这样就可画转速图了 画出转速线 传动轴线 标出转速点 标注转速值 在传动轴上方注明传动轴号 电动机轴用0标注 在传动轴线 上用圆圈标出转速点 计算电动机额定转速点在传动轴线0上的位置 画出各变速组最小传动线 画出基本组其它传动线 三条传动线在轴 上相距一格 画出第一扩大组第二条传动线 两传动线在轴 上相距3格 作第二扩大组第二条传动线 与第一条传动线相距6格 在各传动线上标出传动比或齿数比 直径之比 的大小 如图所示 作扩大组传动线的平行线 转速图绘制步骤 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 一个规律 级比规律两个限制 齿轮极限传动比限制imax 2 2 5 imin 齿轮变速组的变速范围Ri 8 10 三项原则 传动副 前多后少 传动线 前密后疏 降速 前慢后快 四项注意 传动链短 转速和小 齿轮线速小 空转件少 变速系统设计 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 根据机床特点 定 计算Z n 根据 前多后少 前密后疏 的原则 拟定结构式 根据 升早降晚 的原则 拟定转速图 根据转速图拟定传动系统图 设计步骤 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 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采用多速异步电机和其它方式联合使用 可以简化机床的机械结构 使用方便 多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图 16在传动系统中 多速电机就相当于具两个三个传动副的变速组 当n电 2时 传动系统的公比只能是1 06 1 12 1 26 1 41和2 因为这些公比的整数次方等于2 n电 2 1 412 1 263 所以电变速组通常为第一扩大组 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 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交换齿轮的变速组应设计成对称分布的 交换齿轮可用较少的齿轮 得到多级转速 变速箱结构大大简化 液压多刀半自动车床主变速传动系 17变速的特点是结构简单 不需要操纵机构 轴向尺寸小 变速箱结构紧凑 变换齿轮适用于不需要经常变速或变速时间的长短对生产率影响不大 却要求结构简单 紧凑的机床 如用于成批或大量生产的某些自动或半自动机床 专用机床及组合机床 交换齿轮一般放在传动链前面 交换齿轮及传动轴尺寸小 结构紧凑 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 四 主变速传动系的几种特殊设计 3 采用公用齿轮的变速传动系采用公用齿轮可以减少齿轮的数目 简化结构 缩短轴向尺寸 铣床主变速传动系图 11在传动系统中 既是前变速组的从动齿轮 又是后一变速组的主动齿轮 这种同时可与前 后传动轴上两个齿轮啮合的齿轮叫公用齿轮 优点 可减少齿轮个数 简化传动结构 缩短了轴向尺寸 缺点 可能引起径向尺寸增大 并且由于公用齿轮使用机会较多 齿轮磨损较快 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 五 扩大传动系变速范围的方法 1 增加变速组 2 采用背轮机构 3 采用双公比的传动系 4 采用分支传动 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 六 齿轮齿数的确定对于定比传动的齿轮齿数和带轮直径 可依据机械设计手册推荐的方法确定 确定齿轮齿数时 选取合理的齿数和是很关键的 各队传动副的齿数和应该是相同的 齿轮的中心距取决于传递的扭矩 扭矩越大 中心矩越大 一般在主传动中 取最小齿轮齿数三联滑移齿轮的最大于此大齿数之间的齿数差应大于或等于4 齿轮齿数确定后 还应验算转速误差 式中 n 主轴实际转速n 主轴的标准转速 公比 确定齿轮齿数时应注意以下问题 齿轮的齿数和S不应过大 以免加大两轴之间的中心距 使机床结构庞大 一般推荐齿数和S 100 120 同时 增加齿数和还会提高齿轮线速度 而增大噪音 最小齿轮要尽可能小 但应该考虑到 最小齿轮不产生根切现象 机床变速箱中 对标准直齿圆柱齿轮 一般取最小齿数Z 18 20 受结构限制的最小齿数的各齿轮 应尽可能可靠地装到轴上进行套装 齿轮的齿槽到孔壁或键槽的壁厚a 2m m为模数 以保证有足够的强度避免出现变形和断裂现象 Zmin 6 5 T 齿轮键槽顶面到轴心线的距离 两轴间最小中心距应取得适当 若齿数和Sz太小 则中心距过小 将导致两轴轴承及其它结构的距离过近或相碰 另外 确定齿数时 应符合转速图上传动比的要求 实际传动比与理论传动比之间允许误差 但不过大 n 10 1 确定齿轮齿数的计算法 UZA SZA ZB SZB S 一般说 Sz主要受最小齿轮的限制 显然 最小齿轮是在变速组内降速比或升速比最大的一对齿轮中 因此先确定该小齿轮的齿数Zmin 根据传动比求S 然后按各齿轮副 再分配其它齿轮副的齿数 U1 U2 U3 1Zmin Z1Z1 24 视具体情况 Z 24 2 48Sz 24 48 72Z2 Sz 72 30Z 72 30 42Z3 Z 36 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 七 计算转速 1 机床的功率扭转特性驱动直线运动工作台的这类机床的主运动属恒扭矩传动 如刨床的工作台 主运动是旋转运动的机床基本上是恒功率传动 如车床 铣床的主轴 主轴或各传动件传递全部功率的最低转速为它们的计算转速 2 变速传动系中传动件计算转速的确定变速传动系中的传动件包括轴和齿轮 它们的计算转速可根据主轴的计算转速和转速图确定 确定的顺序是先定出主轴的计算转速 再顺次由后往前 定出各传动主轴的计算转速 然后再确定齿轮的计算转速 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 3分级变速主传动系 八 变速箱内传动件的空间布置与计算 1 变速箱内各传动轴的空间布置各传动轴是空间布置 卧式车床主轴箱横截面图 23 展开图 24 各传动轴在一个铅直平面内 卧式铣床变速箱 25 2 变速箱内各传动轴的轴向固定轴向固定的方法有 一端固定 26 两端固定 27 3 各传动轴的估算和验算按扭转刚度估算轴的直径按弯曲刚度验算轴的直径 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 4无级变速主传动系 一 无级变速装置的分类机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类 变速电动机 机械无级变速装置 液压无级变速装置 二 无级变速主传动系设计原则 1 尽量选择功率和扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置 2 无极变速系统装置单独使用时 其调速范围较小 满足不了要求 尤其是恒功率调速范围往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 下一页 2 4 5数控机床主传动系设计特点 一 主传动采用直流或交流电动机无级调速 1 直流电动机无级调速一般直流电动机恒扭矩调速范围较大 达30 甚至更大 而恒功率调速范围较小 仅能达到2 3 2 交流电动机无级调速一般交流电动机体积小 转动惯性小 动态响应快 采用全封闭结构 具有空气强冷 保证高转速和较强的超载能力 具有很宽的调速范围 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 未完待续 2 4 5数控机床主传动系设计特点 二 数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计在设计数控机床主传动时 必须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题 由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机恒功率变速范围 所以在电动机于主轴之间要串联一个分级变速箱 以扩大其恒功率调速范围 满足低速大功率切削对电动机的输出功率的要求 设计分级变速箱时 考虑机床结构的复杂程度 运转平稳性要求等因素 变速箱公比的选取有下列三种情况 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 未完待续 2 4 5数控机床主传动系设计特点 二 数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计 1 取变速箱的公比等于电动机的恒功率调速范围 即 功率特性图是连续的 无缺口和无重合 2 若要简化变速箱结构 变速级数应少些 变速箱公比可取达于电动机的恒功率调速范围 即 图31 32 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 未完待续 2 4 5数控机床主传动系设计特点 二 数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计 3 如果数控机床为了恒线速切削需在运转中变速时 取变速公比小于电动机的恒功率变速范围 即 在主传动系功率特性图上有小段重合 这时变速箱的变速级数将增多 图33 34 第三章金属切削机床设计 退出 返回本节 返回主页 未完待续 2 4 5数控机床主传动系设计特点 二 数控机床驱动电动机和主轴功率特性