机械系统设计 p4

哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第4章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 本章主要内容 1传动系统的类型及应用2传动系统的组成3传动系统运动设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 传动的概念机械系统的传动是将动力源或某个执行系统 执行件 的速度 力矩传递给执行件 或另一执行件 使该执行件具有某种运动和出力的功能 传动环节又称传动链或传动系统 有两类 内联传动 主要考虑两执行件间的传动精度 外联传动 主要考虑执行件的速度 或转速 和传递动力的要求 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 4 1传动系统分类 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 有级变速和无级变速传动系统 1 无级变速传动系统 无级变速是指执行件的转速 或速度 在一定的范围内连续地变化 这样可以使执行件获得最有利的速度 能在系统运转中变速 也便于实现自动化等 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 1 机械无级调速 第四章传动系统设计 摩擦传动带来的问题 效率问题 磨损问题 可靠性问题 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 1 滚轮 平板式变速器 工作原理 调整主动轮的位置 就改变了r2的大小 从而实现无级变速 组成 主动轮从动盘弹簧主动轴I从动轴II 机械式无级调速 弹簧作用 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 2 钢球无级变速器 传动比 i12 R2r1 R1r2 r1 r2因为R1 R2 组成 锥轮钢球 通常为6个 支承轴主动轴I从动轴II 工作原理调整支承轴的倾角 可改变钢球的传动半径r1和r2 从而实现无级变速 特点 1 结构简单 传动平稳 相对滑动小 结构紧凑 2 要求钢球加工精度高 钢球 支承轴 从动锥轮 主动锥轮 机械式无级调速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 3 菱锥无级变速器 组成 主动轮从动轮锥菱支承架主动轴I从动轴II 从动轮 主动轮 菱锥 机械式无级调速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 4 宽V带无级变速器 传动比 i12 r2 r1 组成 固定锥轮活动锥轮宽V带 工作原理 同步调整活动锥轮的轴向位置 可改变锥轮的传动半径r1和r2 从而实现无级变速 机械式无级调速 锥轮怎么动 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 机械无级变速器的优点 结构简单 过载时可利用摩擦传动元件间的打滑而避免损坏机器 运转平稳 无噪声 可用于较高转速的传动 易于平缓连续的变速 机械式无级变速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 2 液压无级变速装置 第四章传动系统设计 液压无级变速装置 动力传输 利用油液为介质来传递动力 无级变速原理 通过连续地改变输入液动机 或油缸 的油液流量来实现无级变速 特点 传动平稳运动换向冲击小易于实现直线运动 常用装置 常用于执行件要求直线运动的机械系统中 如刨床 拉床的主传动以及组合机床的动力滑台等 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 3 电气无级变速装置 电气无级变速装置是以直流并激电动机 交流变频电动机或交 直流伺服电动机 步进电动机等为动力源 通过连续地变换这些电动机的转速来实现无级调速 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 2 有级变速传动系统 第四章传动系统设计 有级变速较广泛地应用于通用机床 尤其是中小型通用机床中 由滑移齿轮 交换齿轮 交换皮带轮等变速传动副组成的传动系统可使执行件得到若干个所需要的转速 这种变速在变速范围内不能连续地变换 属于有级变速 转速不连续 得不到最理想的转速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 如果加工某一工件所需要的合理切削速度为v 则相应的转速为n 通常 有级变速机构不能恰好得到这个转速 而是n处于某两级转速nj与nj 1之间 nj n nj 1 如果采用较高的转速nj 1 则必将提高切削速度 刀具的耐用度将要降低 为了不降低刀具耐用度 以采用较低的转速nj为宜 这时转速的损失为n nj 相对转速损失率为 A n nj n 最大相对转速损失率是当所需的转速n趋近于nj 1而实际却选用了nj时 转速损失反映了生产率的损失 转速损失的概念 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 CA7620型液压多刀半自动车床主传动系统及转速图 第四章传动系统设计 交换齿轮变速 29 4646 29 滑移齿轮变速 38 5328 63 交换齿轮位置 滑移齿轮位置 Why 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 3固定传动比的传动系统 如果机械系统的执行件要求以某一固定的转速 速度 工作 则连接动力源与执行件的传动系统属于固定传动比的传动系统 即该系统是由若干个固定传动比串联组成 起重机传动系统简图 注意制动器2的安装位置 位于高速轴上 制动器的制动力矩小 体积小 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 二 独立和联合传动系统 1 独立驱动传动系统 独立驱动系统指各执行件分别由各自的动力源单独进行驱动 独立驱动传动系统一般有以下三种情况 1 机械系统只有一个执行件 2 机械系统有多个运动不相关的执行件 3 数控机械系统 数控机械系统 一般都有多个执行件 各执行件的运动彼此有严格的速比和位置要求 以实现复杂的运动组合或加工复杂的表面 由于采用数字指令进行控制 故每个执行件都有各自的动力源单独驱动 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 独立驱动传动系统 1 机械系统只有一个执行件举例 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 独立驱动传动系统 1 机械系统只有一个执行件举例 曲柄压力机只有一个执行件 即曲柄滑块机构 1 操纵杆 2 滑块 3 连杆 4 曲柄5 制动器 6 离合器 7 8 齿轮副9 电动机 10 立柱 注意 1 制动 离合动作的协调2 离合器的作用3 离合器和制动器的安装位置 第四章传动系统设计 问题 如果让你设计 你选择7 8齿轮传动 带传动 实习时 注意一下 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 独立驱动传动系统 2 机械系统有多个运动不相关的执行件 龙门起重机运动简图 第四章传动系统设计 举例 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 独立驱动传动系统 3 数控机械系统举例 A4010装配机器人传动原理图 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 二 独立和联合传动系统 2 集中驱动传动系统 集中驱动系统指机械系统的多个执行件均由一个动力源驱动 集中驱动传动系统特点 1 执行件间有严格的传动比要求 2 各执行件间运动有顺序或协调的要求 3 各执行件的运动相互独立 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 集中驱动系统 执行件间有严格的传动比要求 SG8630型高精度丝杠车床传动系统图 主轴每转一转 刀具的移动距离S为工件的螺纹导程 第四章传动系统设计 转动和平动有严格的要求 主轴转动一周 刀具横向移动一个导程的距离 刀具横向移动丝杠的导程 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 二 独立和联合传动系统 联合驱动系统 由两个或多个动力源经各自的传动链联合驱动一个执行件的传动系统 主要用于低速 重载 大功率 执行件少而惯性大的机械 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 4 2传动系统组成 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置 作用 变速装置的作用是改变动力源的输出转速和转矩以适应执行件的需要 若执行件不需要变速 可采用固定传动比的传动系统或采用标准的减速器 增速器实现降速传动或升速传动 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置1交换齿轮变速 A B和C D为两对交换齿轮 改变齿轮A B和C D的齿数 就可得到不同的传动比 俗称挂轮 第四章传动系统设计 改变的是丝杠的转速 挂轮位置 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置2滑移齿轮变速 特点 能传递较大的转矩和较高的转速 变速方便 通过串联变速组的办法便可实现增多变速级数的目的 没有常啮合的空转齿轮 因而空载功率损失较小 滑移齿轮不能在运转中变速 为便于滑移啮合 多用直齿圆柱齿轮传动 因而传动的平稳性不如斜齿圆柱轮传动 第四章传动系统设计 交换齿轮 滑移齿轮 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置2滑移齿轮变速 设计滑移齿轮时应该考虑的两个问题1 滑移的灵活性 不能自锁 2 三联滑移齿轮中大小齿轮的外径差 齿数差 小齿轮的齿顶圆直径小于大齿轮的齿根圆直径 第四章传动系统设计 交换齿轮 滑移齿轮 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置3离合器变速 第四章传动系统设计 注意 离合器本身不能变速 它是靠齿轮来变速 类似滑移齿轮变速原理 靠离合器来改变啮合的齿轮 齿轮A C空套在轴上 且固定在离合器的定子上 离合器的转子固定在轴上哪个离合器吸合 就把与之相连的齿轮固定在轴上 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置3离合器变速 第四章传动系统设计 在离合器变速方式中 应用较多的有牙嵌式离合器 齿轮式离合器和摩擦片式离合器等 应用场合 当变速机构为斜齿或人字齿圆柱齿轮传动时 不便用滑移齿轮变速 则需用牙嵌式或齿轮式离合器变速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置3离合器变速 牙嵌式或齿轮式离合器变速机构的优点是 轴向尺寸小 可传递较大的转矩 传动比准确 变速时操纵省力等 缺点是 不能在运转中变速 各对齿轮经常处于啮合状态 磨损较大 传动效率低 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置3离合器变速 摩擦片式离合器变速特点是 可在运转过程中变速接合平稳 冲击小便于实现自动化轴向尺寸较长 结构复杂 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置3离合器变速 采用摩擦片式离合器变速时 离合器位置的安排应注意以下几个方面的问题 减小离合器尺寸 在没有特殊要求的情况下 应尽可能将离合器安排在转速较高的轴上 以减小传递的转矩 缩小离合器的尺寸 避免出现超速现象 超速现象是指当一条传动路线工作时 在另一条不工作的传动路线上出现传动件高速空转的现象 这种现象在两对齿轮传动比悬殊时更为严重 要考虑结构因素 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置3离合器变速 ZA 80ZB 40ZC 24ZD 96 图1 图2 图3 图4 图1M1吸合 ZC超速 I轴主动 II轴被动 图4ZC超速 I轴主动 II轴被动 离合器外片与小齿轮一起转 第四章传动系统设计 超速问题 M2 M1 M2 M1 M1 M2 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 一 变速装置4啮合器变速 同步啮合器的工作原理 在变速过程中先使将要进入啮合的一对齿轮的圆周速度相等 然后才使它们进入啮合 即先同步后变速 这可避免齿轮在变速过程中产生冲击 使变速过程平稳 目的是 4与1啮合方法 首先使4和1的转速相同 即先同步 后啮合 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 二 起停和换向装置 作用 用来控制执行件的起动 停止以及改变运动方向 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 二 起停和换向装置 选择起停 换向装置时应该考虑的因素 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 二 起停和换向装置 起停和换向装置的结构 齿轮 摩擦离合器换向机构 第四章传动系统设计 齿轮Z1 Z3均空套在轴 上 摩擦离合器向左接合时 通过Z2传动轴 轴II与轴I反向旋转 摩擦离合器向右接合时 通过Z0 Z4传动轴 与主动轴同向转动 摩擦离合器处于中间位置时 轴 不转 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 二 起停和换向装置 起停和换向装置的结构 齿轮换向机构 原理 惰轮机构 运动从轴 传入 轴 传出 当轴 上的滑移齿轮向右移动时 运动由轴 经齿轮1 Z30 的右半部和齿轮2 Z56 传出带动轴 转动 当滑移齿轮在图示位置时 运动由轴 经齿轮1 Z30 的左半部及其常啮合的惰轮3 Z30 传动轴 上的齿轮2 Z56 从而带动轴 转动 经过一惰轮3 使轴 反向运转 由于齿轮1与惰轮3的齿数相等 故输出的转速正反向相等 第四章传动系统设计 惰轮轴位置布置影响惰轮轴的受力 b 方案较好 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 三 制动装置 常用的制动方式 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 三 制动装置 常用的制动方式 对制动装置的基本要求 工作可靠 操纵方便 制动迅速平稳 结构简单 尺寸小 磨损小 散热好 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 制动器的设计与安装应考虑如下问题 制动器与离合器必需互锁 例 曲柄压力机 合理确定制动器的安装位置 若要求制动扭矩较小 则制动器应安装在转速较高的轴上 这样制动平稳 制动器体积也小 若要求制动时间短 制动灵活 则制动器可直接安装在执行件上 通常 制动器安装在转速较高 变速范围较小的轴上 闸带式制动器的操纵力应作用在制动带的松边 三 制动装置 常用的制动方式 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 三 制动装置 闸带式制动器 操纵杆杠杆制动带制动轮调节螺钉 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 四 安全保护装置机械系统在工作中若载荷变化频繁 变化幅度较大 可能过载而本身又无保护作用时 应在传动链中设置安全保护装置 以避免损坏传动机构 如果传动链中有带传动 摩擦离合器等摩擦副传动件 则具有过载保护作用 否则应在传动链中设置安全离合器或安全销等过载保护装置 当传动链所传递的转矩超过规定值时 靠安全保护装置中连接件的折断 分离或打滑来停止或限制转矩的传递 第四章传动系统设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 四 安全保护装置常用的安全保护装置 1 销钉安全联轴器2 钢珠安全离合器3 摩擦安全离合器 剪断销结构图 钢珠安全离合器 单圆锥摩擦安全离合器 第四章传动系统设计 注意 角度 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 传动系统设计补充内容 行星齿轮传动 基本组成 1太阳轮 2行星轮 3内齿轮 4行星架 行星传动 一个或一个以上齿轮的轴线绕另一齿轮的固定轴线回转的齿轮传动 行星轮 既绕自身的轴线回转 又随行星架绕固定轴线回转 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 太阳轮 行星架和内齿轮都可绕共同的固定轴线回转 并可与其他构件联结承受外加力矩 它们是这种轮系的三个基本件 行星传动的两种形式 差动轮系 行星轮系 差动轮系 太阳轮 行星架和内齿轮三者如果都不固定 确定机构运动时需要给出两个构件的角速度 这种传动称差动轮系 差动轮系可以把两个给定运动合成起来 也可把一个给定运动按照要求分解成两个基本件的运动 汽车差速器就是分解运动的例子 行星轮系 如果固定内齿轮或太阳轮 则称行星轮系 传动系统设计补充内容 行星齿轮传动 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 1 齿圈固定 太阳轮主动 行星架被动 动画演示 从演示中可以看出 此种组合为降速传动 通常传动比为2 5 5 且转向相同 行星轮系的几种形式 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 2 齿圈固定 行星架主动 太阳轮被动 动画演示 可以看出 此种组合为升速传动 传动比为0 2 0 4 且转向相同 行星轮系的几种形式 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 行星轮系的几种形式 3 太阳轮固定 齿圈主动 行星架被动 动画演示 可以看出 此种组合为降速传动 传动比为1 25 1 67 且转向相同 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 行星轮系的几种形式 4 太阳轮固定 行星架主动 齿圈被动 动画演示 可以看出 此种组合为升速传动 传动比为0 6 0 8 且转向相同 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 行星轮系的几种形式 5 行星架固定 太阳轮主动 齿圈被动 动画演示 可以看 出此种组合为降速传动 传动比为1 5 4 且转向相反 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 行星轮系的几种形式 6 行星架固定 齿圈主动 太阳轮被动 动画演示 可以看 出此种组合为升速传动 传动比为0 25 0 67 且转向相反 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 行星轮系的几种形式 7 把三元件中任意两元件接合为一体的情况 从演示中可以看出 行星齿轮间没有相对运动 作为一个整体运转 传动比为1 且转向相同 动画演示 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 谐波齿轮传动 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 谐波齿轮传动具有以下优点 1 传动比大 范围宽 一级传动比范围为50 500 二级传动可达2500 250000 且在传动比很大的情况下 仍具有较高的效率 2 结构简单 体积小 重量轻 与一般齿轮减速器相比 零件可减少约50 体积可减少20 50 3 由于同时啮合的轮齿对数多 齿面相对滑动速度低 加上多齿啮合的平均效应 承载能力强 传动平稳 运动精度高 4 还能实现密封空间的运动传递 谐波齿轮传动的缺点是柔轮易发生疲劳损坏 起动力矩大 动画仿真 谐波齿轮传动 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 当机械系统的执行件的转速或速度需要在一定范围内变化 而又允许有一定的转速损失时 基于经济性考虑 可采用有级变速系统 而机床有级变速系统的设计方法 原则比较系统而成熟 因此 以下介绍机床有级变速系统设计时应遵循的原则和规律 其他机械系统的传动设计 可参照进行 4 2传动系统的运动设计 第四章传动系统设计 一 有级变速传动系统的运动设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 一 有级变速传动系统的运动设计 有级变速传动系统 对于通用机床主运动的执行件 如普通车床 一般都有若干个按等比数列排列的转速 为什么按等比数列排列 当采用普通交流异步电动机时 它只能提供一个 或二 三个 转速 在该传动设计中 要解决的主要问题是应遵循一些什么原则和规律 才能使执行件 主轴组件 获得按等比数列排列的若干级转速 例如 如何得到12级转速 31 5rpm 45rpm 63rpm 90rpm 125rpm 180rpm 250rpm 355rpm 500rpm 710rpm 1000rpm 1400rpm分布特点 低转速分布较高转速密集 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 一 有级变速传动系统的运动设计 如果加工某一工件所需要的合理切削速度为v 则相应的转速为n 通常 有级变速机构不能恰好得到这个转速 而是n处于某两级转速nj与nj 1之间 比如理论转速为1200rpm 车床转速有1000和1400rpm nj n nj 1 如果采用较高的转速nj 1 则必将提高切削速度 刀具的耐用度将要降低 为了不降低刀具耐用度 以采用较低的转速nj为宜 这时转速的损失为n nj 相对转速损失率为 A n nj n 最大相对转速损失率是当所需的转速n趋近于nj 1而实际却选用了nj时 等比数列的比值 传动公比 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 一 有级变速传动系统的运动设计 31 5rpm 45rpm 63rpm 90rpm 125rpm 180rpm 250rpm 355rpm 500rpm 710rpm 1000rpm 1400rpm 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 一 有级变速传动系统的运动设计 指最高转速是最低转速的多少倍 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 一 有级变速传动系统的运动设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 一 有级变速传动系统的运动设计 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 一 有级变速传动系统的运动设计 通过以上的介绍 我们了解了一下信息 机床的转速是按等比数列排列的等比数列的比值就是传动公比为了使最大转速损失率不大于50 传动公比应该大于1 且小于等于2为了便于设计和使用机床 规定了7个传动公比传动公比的选用原则和经验数据 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 为什么要引入转速图 从图中可知 它有五根轴 电机轴和 轴 轴为主轴 轴之间有一传动组a 它有三对传动副 轴之间有传动组b 二对传动副 轴之间分传动组c 二对传动副 电动机的转速为1440r min 轴分别有1 3 6 12个转速 传动系统图虽然直观地表达了该传动系统的组成 但却有许多关键的东西并没有描述清楚 而且画起来比较麻烦 在设计传动系统时 用它来进行方案对比并不是最好的工具 于是出现了将上述内容完全表示清楚的线图 称为转速图 但是 每根轴的转速值 传动组内传动比之间的关系以及公比 值等均不知道 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 普通车床主传动系统有五根轴 电动机轴和 轴 其中 为主轴 电机轴为输入轴 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 12级主传动系统图 12级主传动系统转速图 转速图是由 三线一点 组成 轴线 转速线 传动线和转速点 转速图表示了轴的数目 主轴及传动轴的转速级数 转速值及其传动路线 变速组组数及传动顺序 各变速组的传动副数及传动比值 还表示了传动组内各传动比之间的关系以及传动组之间的传动比的关系等 转速图作用 1 对现有机床传动链进行分析比较 2 设计新的传动链 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 12级主传动系统转速图 1 转速图的概念 轴线轴线是用来表示轴的一组间距相等的竖线 从左向右依次画出五条间距相等的竖线 并标上与传动系统图对应的轴号 电动机轴号为0 竖线间的间距相等是为了使线图清晰 并不表示轴的中心距相等 轴线 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 转速线转速线是一组间距相等的水平线 用它来表示各级转速 与各竖线的交点代表各轴转速 12级主传动系统转速图 转速线 注意 按等比数列排列的转速 如果对转速取对数 绘制其对数坐标 则相邻两条水平线间距离相等 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 转速点转速点是指在轴线上画的圆点 或圆圈 用它来表示该轴所具有的转速值 在 轴 主轴 上画12个圆点 或圆圈 它们都落在水平线与竖线的交点上 表示主轴的12级转速值 并将数值写在圆点 或圆圈 右边 主轴转速从31 5至1400r min 相邻转速的比值是 传动公比 1 41 有时 转速点不落在水平线上 则应标出转速值 如电动机轴 0轴 的转速为1440r min 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 传动线传动线是指轴线间转速点的连线 它表示相应传动副及其传动比值 传动线 传动比线 的倾斜方向和倾斜程度分别表示传动比的升降和大小 传动比i按机床中的惯例来排比 即i 主动轮 被动轮 齿数 传动比线是水平的 表示等速传动 i 1传动比线向右上方倾斜 表示升速传动 i 1传动比线向右下方倾斜 表示降速传动 i 1 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 12级主传动系统转速图 电机轴与I轴之间的带传动为固定传动比传动 i 125 254 1 2 1 1 412 1 2 为降速传动 在转速图上传动线向右下方倾斜两格I轴转速710r min 传动线传动线是指轴线间转速点的连线 它表示相应传动副及其传动比值 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 12级主传动系统转速图 I轴与II轴之间有三个传动副ia1 24 48 1 2 1 1 412 1 2ia2 30 42 1 1 41 1 1 41 1 ia3 36 36 1 1 1 1 410 1 0 在转速图上I II轴之间有三条传动线 分别为 水平 向右下方倾斜一格 降速 向右下方倾斜两格 降速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 12级主传动系统转速图 II轴与III轴之间有两个传动副ib1 22 62 1 2 82 1 1 413 1 3ib2 42 42 1 1 1 1 410 1 0 在转速图上II III轴之间有两条传动线 分别为 水平 向右下方倾斜三格 降速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 1转速图 12级主传动系统转速图 III轴与IV轴之间有两个传动副ic1 21 84 1 4 1 1 414 1 4ic2 70 35 2 1 1 412 1 2 1 在转速图上III IV轴之间有两条传动线 分别为 向右上方倾斜两格 升速 向右下方倾斜四格 降速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 2变速组的级比和级比指数 12级主传动系统转速图 变速组a的级比指数 传动特性 用x0表示 级比 x0 1 故级比指数x0 1 变速组的级比指主动轴上同一点传往从动轴相邻两条传动线速比的比值 用 xi表示 xi中的指数xi称为级比指数 它相当于转速图上上述相邻两条传动线与从动轴交点之间相距的格数 变速组a的级比及级比指数 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 2变速组的级比和级比指数 12级主传动系统转速图 变速组b的级比指数 传动特性 用x1表示 级比 x1 3 故级比指数x1 3 变速组b的级比及级比指数 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 2变速组的级比和级比指数 12级主传动系统转速图 变速组c的级比指数 传动特性 用x2表示 级比 x2 6 故级比指数x1 6 变速组c的级比及级比指数 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 3基本组和扩大组 基本组变速组a有3个传动副 传动比比值为 由此可见 在变速组a中 相邻传动比连线之间相差一个公比 各传动比值是以 为公比的等比数列 通过这三个传动比的作用 使 轴获得的三个转速355r min 500r min 710r min 仍是以 为公比的等比数列 主轴能够获得按等比数列排列的转速是因为这个变速组首先起作用的结果 实质上 它使主轴获得了以 为公比的三个转速 因此 这个变速组是必不可少的最基本的变速组 称它为基本组 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 3基本组和扩大组 12级主传动系统转速图 基本组 将下式写成通式的形式 得到传动比分配方程 基本组的级比指数x0 1 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 3基本组和扩大组 只要满足传动比分配方程式 就能使主轴获得连续 不重复 不间断 的等比数列 扩大组基本组后面的变速组因起变速扩大作用 统称扩大组 第一扩大组的级比指数一般等于基本组的传动副数 p0 如第一扩大组b的级比指数为3 第二扩大组的作用是将第一扩大组的变速范围第二次扩大 第二扩大组c的级比指数一般等于基本组的传动副数 p0 和第一扩大组传动副数 p1 的乘积 如第二扩大组c的级比指数为3 2 6 好处 III轴和IV轴转速按等比数列排列 中间无间断 转速变化范围小 类推 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 4各变速组的变速范围与极限传动比 12级主传动系统转速图 变速组变速范围变速组内最大传动比imax与最小传动比imin之比 称为变速组的变速范围r r imax imin 任意一组的变速范围ri为 pi 该传动组的传动副数xi 级比指数 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 4各变速组的变速范围与极限传动比 12级主传动系统转速图 变速组变速范围 基本组的变速范围r0为 第一扩大组的变速范围r1为 第二扩大组的变速范围r2为 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 4各变速组的变速范围与极限传动比 12级主传动系统转速图 主轴变速范围 主轴的变速范围Rn为 对于右图的传动系统 写成通式 主轴的变速范围等于各级变速范围的乘积 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 4各变速组的变速范围与极限传动比 极限传动比 在设计机床的变速系统时 在降速传动中 为防止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸增大 常限制最小传动比 使imin 1 4 在升速传动中 为防止产生过大的振动和噪声 常限制最大传动比使imax 2 斜齿圆柱齿轮传动比较平稳 故imax 2 5 因此 主传动链任一变速组的变速范围一般应满足rmax imax imin 8 10对于进给传动系统 由于传动件的转速低 进给传动功率小 传动件的尺寸小 极限传动比的条件可取为1 5 i极 2 8 故rmax 14 在拟定转速图时 一般都应使每个变速组的变速范围不超过上述允许值 在通常情况下 由于最后一个扩大组的变速范围最大 因此 一般只要检查最后一个扩大组的变速范围即可 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 二 结构式和结构网 12级主传动系统转速图 设计有级变速系统时 为了便于分析和比较不同的设计方案 常采用结构式 如12 31 23 26式中 12 主轴转速级数 3 2 2 表示按传动顺序排列各变速组的传动副数 即该变速组由a b c三个变速组组成 其中a变速组有3个传动副 b变速组有2个传动副 c变速组有2个传动副 结构式中的下脚标1 3 6分别表示各变速组的级比指数 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 二 结构式和结构网 12级主传动系统转速图 变速组的传动副数pi和级比指数xi是它的两个基本参数 当这两个参数一旦确定 则该变速组就随之而定 如果将这两个参数紧密地写成这样的形式 则表示变速组的方式就简单得多 因此 如果按运动的传递顺序将表示每个变速组的两个基本参数写成乘积的形式 就是所谓的 传动结构式 简称 结构式 即 结构式 12 31 23 26 或12 3 1 2 3 2 6 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 二 结构式和结构网 基本组31 传动副p0 3 级比指数x0 1 第一扩大组23 传动副p1 2 级比指数x1 3 第二扩大组26 传动副p2 2 级比指数x2 6 结构式 12 31 23 26 主轴的12级转速 扩大顺序与传动顺序一致的情况 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 二 结构式和结构网 若将基本组 扩大组采取不同的排列次序 对于12 3 2 2的传动方案 可得如下结构式 12 31 23 26 12 31 26 23 12 32 21 26 12 32 26 21 12 34 21 22 12 34 22 21 结构式简单 但不直观 与转速图的差别太大 为此 若将结构式表示的内容用类似转速图那样的线图来表示 就形成了所谓的结构网 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 二 结构式和结构网 12 31 23 26 变速组1 基本组 传动副数3 级比1 变速组2 第一扩大组 传动副数2 级比3 变速组3 第二扩大组 传动副数2 级比6 从总体上讲 结构式或结构网表达了与转速图完全一致的传动特性 一个结构式对应唯一结构网 反之 亦然 而一个结构网或结构式可有多个转速图 但一个转速图只能对应一个结构式或一个结构网 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 由结构网的画法可知 结构网只表示传动组内传动比的相对关系 故传动线不表示传动比的实际值 轴上转速点只表示每根轴的转速数目 而不表示转速值 主轴除外 结构网还表示了每个变速组的变速范围 第四章传动系统设计 二 结构式和结构网 12 31 23 26 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 确定转速数列定传动组数和传动副数写传动结构式或画结构网选电机转速n0定中间轴转速 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 题目 设计一台中型车床的主传动系统 已知 主轴的最高转速nmax 1400r min 主轴的最低转速nmin 31 5r min 主轴级数z 12 主轴转速公比 1 41 这些已知数据都是总体设计时自定的 拟定转速图 解 1确定转速数列主轴转速数列 31 5r min 45r min 63r min 90r min 125r min 180r min 250r min 355r min 500r min 710r min 1000r min 1400r min 共12级 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 2定传动组数和传动副数这一步实质上是将主轴转速级数z分解因子 对于z 12可能有的方案是 12 4 3 12 3 4 12 3 2 2 12 2 3 2 12 2 2 3其他方案 12 12 12 6 2 12 2 6 传动方案选择对 方案 表示传动系统由两个变速组 有七对传动副 串联而成 可节省一根轴 但是有一个四联滑移齿轮 会增加轴向尺寸 如果将四联齿轮变成两个滑移齿轮 则操纵机构必须互锁 以防止两个滑移齿轮同时啮合 因此 方案一般不宜采用 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 2定传动组数和传动副数这一步实质上是将主轴转速级数z分解因子 对于z 12可能有的方案是 12 4 3 12 3 4 12 3 2 2 12 2 3 2 12 2 2 3 传动方案选择传动件传递的转矩T取决于所传递的功率P kW 和它的计算转速nc r min T 9550P nc 由于从电动机到主轴 一般均为降速传动 靠近电动机轴的传动件转速高 计算转速nc也高 传递的转矩小 传动件的尺寸也小 如果将传动副数多的变速组放在靠近电动机处 可使小尺寸的零件多 不仅节省材料 还可使变速箱的结构紧凑 这就是所谓的传动副 前多后少 原则 因此 后三种方案中 以取方案 为好 它表示传动系统由3个变速组共7对传动副 不含定比传动副 组成 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 3写传动结构式或画结构网 这一步实质是安排扩大顺序 即安排这三个变速组的哪一个作基本组 哪个作第一扩大组等 对于12 3 2 2的传动方案 可能有的传动结构式和结构网有6个 12级的6种结构式和结构网 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 3写传动结构式或画结构网 变速范围验算对上述6种方案都应验算每个变速组的变速范围 如前述 只验算每种方案的最后一个扩大组即可 在 a b c d 方案中 最后一个扩大组是26 在 e f 方案中 最后一个扩大组是34 对于26变速组 对于34变速组 主传动链任一变速组的变速范围一般应满足rmax imax imin 8 10 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 3写传动结构式或画结构网 传动方案选择在 a b c d 四方案中选择一个最好的方案 其原则是 选择中间轴 变速范围最小的方案 原因 如果同轴号的最高转速相同 则变速范围小的方案最低转速高 可使传动件 轴和齿轮 的尺寸减小 变速箱的结构紧凑 反之 如果同轴号的最低转速相同 则变速范围小者最高转速低 可减小振动和噪声 提高了变速箱的使用质量 或降低了制造成本 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 3写传动结构式或画结构网 通过比较 四方案中以 a 方案的 轴的变速范围最小 故以 a 方案最佳 该方案的特点是扩大顺序与传动顺序一致 因此 在没有特殊要求的情况下 在安排扩大顺序 写结构式或画结构网 时应尽量与传动顺序一致 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 4选电动机转速n0 普通交流异步电动机在额定功率相同时 其同步转速一般有3000r min 2级 1500r min 4级 1000r min 6级 和750r min 8级 等几种 在无特殊要求的情况下 应选成本低 容易购买的2极或4极电动机 尤为重要的是应使所选电动机的同步转速与主轴最高转速相接近 如果n0远低于nmax 则升速多 会使变速箱的振动和噪声增加 如果n0远高于nmax 则传动链太长 会使变速箱结构复杂 尺寸庞大 同时 增加了空载功率 对于本例 选电动机的转速为1500r min 满载时为1440r min 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 5定中间轴转速 这一步的实质是在升速的传动比imax 2 降速的传动比imin 1 4 直齿圆柱齿轮传动 的条件下 分配各传动组的传动比 以确定中间轴的转速 定中间轴转速的一般原则 对于降速传动要遵循 前慢后快 的原则 在分配传动比时 按传动顺序 前面变速组的降速要慢些 后面变速组的降速要快一些 即所谓的降速要 前慢后快 故要求iamin ibmin icmin 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 5定中间轴转速 对于中型车 钻 铣等机床 中间轴的最高转速不宜超过电动机转速 对于小型机床和精密机床 由于功率较小 传动件不会太大 这时振动 发热和噪声是要考虑的主要问题 因此 要注意限制中间轴的转速不要过高 由于从电动机轴到主轴的总趋势是降速传动 如果中间轴的转速定得高一些 会使传动件的尺寸小一些 但是 如果中间轴的转速过高 将会引起过大的振动 发热和噪声 通常 希望齿轮的线速度不超过12 15m s 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 5定中间轴转速 电动机到主轴是升速传动 分配变速组的传动比 前慢后快 前快后慢 即按传动顺序 在前面的变速组的传动比升得慢一些 传动比小 后面的变速组升得快一些 传动比较大 这样可压低中间轴的最高转速 以降低中间轴传动件的精度等级 对于中间轴转速不是太高时 基于减小传动件尺寸的要求 则升速宜采用 前快后慢 的原则来分配传动组的传动比 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 5定中间轴转速 在电动机轴到 轴间可有一级定比传动这样 不仅为本设计提供方便 也为变型机床的设计提供了灵活性 因为只要改变该定比传动的传动比 在其他三个传动组的传动比不变的情况下 就可将主轴的12级转速同时提高或降低 以满足不同用户的需要 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 5定中间轴转速 定中间轴转速的方法 从电机轴 0轴 往后推 从IV轴 主轴 往前推 较方便 从IV轴 主轴 往前推 即首先定 轴的转速 首先分配第二扩大组c的传动比 第二扩大组c 传动结构式12 31 23 26 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 第四章传动系统设计 三 转速图的拟定 5定中间轴转速 第二扩大组c 传动组c的变速范围 则传动组c的两对传动副的传动比是 于是确定III轴的6级转速是 125r min 180r min 250r min 355r min 500r min 710r min 可见III轴的最低转速是 125r min两条传动副的连线如图中hj和hk所示 1 确定III轴的最低转速 升速的传动比imax 2 降速的传动比imin 1 4 哈尔滨工业大学机械电子工程教研室 三 转速图的拟定 5定中间轴转速 2 确定II轴的转速 传动组b是第一扩大组 级比指数x1 3 可知 轴的最低转速可以是 为避免升速 同时不使最小传动比太小 并满足降速符合递减原则 因此取 即 轴的最低转速定为355r min 两对传动副的连线如图中fh和fg所示 轴的三级转速