金属切削机床设计分级变速设计.ppt

DesignofMechanicalManufacturingMachining,机械制造装备设计,第四节主传动系统设计,一、主传动系统设计应满足的基本要求1）满足机床使用性能要求应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数，传动系统设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等。,2）满足机床传递动力要求主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和扭矩，具有较高的传动效率。3）满足机床工作性能要求主传动系统中所有零、部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。,4）满足产品设计经济性要求传动链尽可能简短，零件数目要少，以便节省材料，降低成本。5）调整维修方便，结构合理简单，便于加工装配等。,二、主传动系统分类和传动方式（一）主传动系统分类（1）按驱动主传动的电动机类型分类,主电动机,（2）按传动装置类型分类可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合。（3）按变速的连续性分类1）分级变速传动在一定变速范围内只能得到某些转速，一般ZZ2Z1。,三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于4。,齿轮齿数的确定，往往需反复多次计算才能确定，合理与否还要在结构设计中进一步检验，必要时还须改变。若按传动比要求，按上述方法确定的齿数和过大以及传动比误差过大时，可采用变位齿轮的方法来凑中心距，以获得要求的传动比值。,（八）计算转速机床上的传动件在设计时应该校核其强度，决定零件强度的条件之一是零件所受的载荷，而载荷则取决于零件所传递的功率和转速。机床变速传动链中的零件，有的转速是恒定的，有的转速则是变化的。下面将讨论变速传动件应根据哪个转速进行动力计算的问题。,1.机床的功率转矩特性从机械制造技术基础课程中得知，在背吃刀量和进给量不变的情况下，切削速度对切削力的影响较小。因此，作直线运动机床的执行机构，可以认为不论在什么速度下都可能出现最大转矩，即主运动为直线运动的机床主传动应属于恒转矩传动。,而执行机构作旋转运动的机床主传动链则有所不同。其主轴转速不仅取决于切削速度的高低，还取决于工件或刀具直径的大小。对于主运动为旋转运动的通用机床，其较低的转速多用于大直径的刀具或加工大直径的工件，此时要求输出较大的转矩，即输出转矩与主轴转速成反比，基本上是属于恒功率的。,但由于主轴最低的几级转速常用于光整加工、车螺纹、铰大孔、精镗等，并不需要传递全部功率，即主轴一般在最低转速段所消耗的功率都较小。而主轴在高转速段又由于受到电动机功率的限制，传动件所受的转矩随转速的增高而减小。,由以上分析得知，主运动为旋转运动的通用机床主轴虽然是在很多级不同的转速下工作的，但主轴并不是在所有的转速下都传递着全部功率。机床主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为机床的功率转矩特性。,综上所述，主运动为旋转运动的通用机床主轴或传动件在传递全部功率时的最低转速，能够传递最大转矩。因此，将传递全部功率时的最低转速，称为该主轴或传动件的计算转速。主运动是直线运动的机床主传动属恒转矩传动；而主运动是旋转运动的机床基本上属恒功率传动。,图3-22主轴的功率转矩特性图,从机床的“主轴的功率转矩特性图”中可见，主轴从nj起至nmax间的所有转速下都能传递全部功率（即电动机为满载），而nj是主轴传递全,部功率时的最低转速，而其输出的转矩则随转速的增加而减少，此为恒功率区；,图3-22主轴的功率转矩特性图,低于主轴nj的各级转速所能输出的转矩与主轴在nj时输出的转矩相等，即为该机床的最大输,图3-22主轴的功率转矩特性图,出转矩，而传递的功率则随转速的减低而减少，此为恒转矩区。,不同类型机床主轴的计算转速选取是不同的。对于大型机床，由于应用范围很广，调速范围很宽，计算转速可取得高一些；对于精密机床、钻床、滚齿机等，由于应用范围较窄，调速范围较小，计算转速应取得低一些；通用机床及专门化机床可根据调查分析和测定。各类机床主轴的计算转速统计公式见表3-7。,表3-7各类机床的主轴计算转速（部分）,2.变速传动系统中传动件计算转速的确定主轴从nj起至nmax间的所有转速都能传递全部功率。因此，实现上述主轴转速的其他传动件的实际工作转速也在传递着全部功率，这些传动件实际工作转速中的最低转速，就是其计算转速。,当主轴的计算转速确定后，就可以从转速图上确定其他各传动件（传动轴与齿轮）的计算转速。确定顺序通常是按传动顺序由后到前，先确定传动轴的计算转速，再确定各齿轮的计算转速。,在确定传动件的计算转速时：首先找出该传动件共有几级实际工作转速；再找出其中能传递全部功率时的那几级转速；最后确定出能传递全部功率的最低转速，即为该传动件的计算转速。,【例】试确定下图所示X6132型铣床的主轴、各传动轴和齿轮的计算转速。,提高传动件的计算转速，可使其尺寸缩小、结构紧凑。因此，在主传动系统中，有某些重复转速时，应采用传动件计算转速较高的传动路线，并由操纵机构予以保证。,图3-20CA6140型普通车床的主传动系统图及转速图,图3-20CA6140型卧式车床传动系统图（局部）,轴与轴上滑移齿轮在不同轴向位置时的组合情况,【作业】拟设计一台普通（卧式）车床的主变速传动系统。已知：=1.26，主电动机转速n电=1500r/min，主轴最低转速nmin=31.5r/min，最高转速nmax=1600r/min。求：1.计算主轴的转速范围Rn；2.利用公式确定主轴的转速级数Z；3.用标准数列表确定主轴的各级标准转速值；4.写出三个不同的可供选择的结构式；5.确定一个合理的结构式并说明理由；6.画出一个合理的转速图；7.试画出该主变速传动系统图；8.用查表法确定第一个变速组的各齿轮齿数。9.确定主轴、各传动轴以及最末扩大组中各齿轮的计算转速。,（九）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变速箱内各传动轴的空间布置首先要满足机床总体布局对变速箱形状和尺寸的限制，还要考虑各轴的受力情况，装配调整和操纵维修的方便。其中变速箱的形状和尺寸限制是影响传动轴空间布置最重要的因素。,图3-23CA6140型普通车床横截面图,主轴,轴,轴,轴,轴,各轴按三角形布置,各轴按三角形布置,、轴轴线重合,图3-24CA6140型普通车床主轴箱展开图,各轴的布置顺序大致如下：首先确定主轴的位置；然后确定传动主轴的轴，以及与主轴有齿轮啮合关系的轴的位置；接着确定电动机轴或运动输入轴（轴）的位置；最后确定其它各传动轴的位置。为缩小箱体的径向尺寸，各传动轴常按三角形布置，有时还可以使箱内某些传动轴的轴线重合。,图3-25X6132卧式铣床主轴变速箱剖面图,主轴,床身,中间支承壁,中间支承壁,利用铣床立式床身作为变速箱体。床身内部空间较大，所以各传动轴可以排在一个垂直平面内，不必过多考虑空间布置的紧凑性，以方便制造、装配、调整和维修，以及便于布置变速操纵机构。床身较长，为减少传动轴轴承间的跨距，可在中间加一个支承墙。,2.变速箱内各传动轴的轴向固定传动轴通过轴承在箱体内轴向固定的方法有一端固定和两端固定。采用单列向心球轴承时可以单端或两端固定，但采用圆锥滚子轴承时则必须两端固定。一端固定适用于长轴，其优点是轴受热后可以向另一端自由伸长，不会产生热应力。,图3-26传动轴一端固定的几种方式（一）a）衬套和端盖固定b）孔台和端盖固定c）弹性挡圈和端盖固定,图3-26传动轴一端固定的几种方式（二）d）两个弹性挡圈固定e）轴承外圈上的挡圈f）另一端的结构,图3-27传动轴两端固定的方式,调整螺钉,调整垫片,调整垫片,3.齿轮在轴上的布置与排列1）滑移齿轮的轴向布置在变速组内，应尽量使较小的齿轮成为滑移齿轮，使滑移省力。有时为了使变速操作方便，将两个变速传动组的滑移齿轮都安放在同一根轴上。,滑移齿轮必须使原处于啮合状态的齿轮完全脱离啮合后，另一个齿轮才开始啮合。即要求两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度，即留有一定的间隙（=12mm）。,2.一个变速组内齿轮轴向位置的排列如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸。滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，一般窄式排列轴向长度较小。,附图滑移齿轮采用窄式排列,宽式排列占用轴向尺寸较大，以致在相同的载荷条件下，传动轴轴径需增大，轴上的小齿轮齿数增加，相应使齿数和与径向尺寸加大。因此，一般不宜采用宽式排列。,附图滑移齿轮采用宽式排列,如前所述，三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于4。,若相邻齿数差小于4，除了采用增加齿数和（此时径向尺寸增大）或采用变位齿轮的方法解决外，还可采用如图所示排列方案解决。,前述三级变速传动组的排列方式中转速的变换顺序是混杂变换的，如果希望转速的变换能有顺序进行，齿轮排列方式如下图所示。,将三联或四联滑移齿轮拆成两组进行排列，以减少移动距离和缩小轴向长度，且对齿数差也无要求，但需要互锁装置，操纵机构较为复杂。,3.两个变速组内齿轮轴向位置的排列如图所示为两个变速组的齿轮并行排列方式，其总长度等于两变速组的轴向长度之和。,如图所示为两个变速组的齿轮交错排列方式，其总的轴向长度较短，但对固定齿轮的齿数差有要求。,若采用公用齿轮，其轴向总长度将更为缩短。如下图所示，采用公用齿轮，不仅减少了齿轮数量，还缩短了轴向尺寸。,4.缩小径向尺寸与轴间距离在强度允许的条件下，尽量选用较小的齿数和且使齿轮的降速传动比大于1/4，以避免采用过大的齿轮。这样，既缩小了本变速组的径向尺寸与轴间距离，又不致妨碍其他变速传动组轴间距离。,另外，采用轴线相互重合，则径向尺寸可大为缩小。,如果一对齿轮副采用最小降速传动比1/4，则齿轮的径向尺寸可达5d1（d2=4d1），致使径向尺寸过大。,如果采用两对定比齿轮副串联形式，降速传动比仍为1/4，若三轴在同一平面内布置，则齿轮在该平面的径向尺寸可缩短0.5d1，但在该平面的垂直方向上可缩短径向尺寸2d1。,如果在上述传动形式基础上，将三根传动轴按三角形布置，则无论在任何方向上，其径向尺寸都可以大为缩短。,但采用这种传动方式将增加传动件的数目。,4.各传动轴的估算和验算机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度。轴在弯矩作用下，如产生过大的弯曲变形，则装在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的压强分布不均，产生不均匀磨损和加大噪声；也会使滚动轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命。,如果轴的扭转刚度不够，则会引起传动轴的扭振。所以在设计开始时，要先按扭转刚度估算传动轴的直径，待结构确定之后，定出轴的跨距，再按弯曲刚度进行验算。,（1）按扭转刚度估算轴的直径式中：K键槽系数（查表38）；A扭转角系数；从电动机到所计算轴的传动效率。,表38估算轴径时系数A、K值,一般传动轴的每米长允许扭转角取，要求高的轴取，要求较低的轴取,（2）按弯曲刚度验算轴的直径1）进行传动轴的受力分析，根据轴上滑移齿轮不同位置，选出受力变形最严重的位置进行验算。如较难准确判断滑移齿轮处于哪个位置受力变形最严重，则需要多计算几种位置。2）如情况严重时，对轴中部的齿轮处应验算其挠度，对轴两端的齿轮处应验算其倾角。还应验算轴承处的倾角。,3）按材力中的公式计算轴的挠度或倾角，并检查是否超出允许值。允许值可从表39查出。,表39轴的刚度允许值,四、无级变速主传动系统无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变换，从而获取最有利的切削速度。（一）无级变速装置的分类机床主传动系统中常采用的无级变速装置主要有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。,1.变速电动机机床上常用的变速电动机有直流复激电动机和交流变频电动机，在额定转速以上为恒功率变速，调速范围较小，一般仅为23；在额定转速以下为恒转矩变速，调速范围很大，可达30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，往往在变速电动机和主轴之间串联一个机械分级变速箱。变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。,2.机械无级变速装置机械无级变速装置有柯普（Koop）型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型、宽带型等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转矩，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。由于它的变速范围小，多数是恒转矩传动，通常较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围。机械无级变速器通常应用于要求功率和变速范围较小的中小型车床、铣床等机床的主传动中，更多地是用于进给变速传动中。,3.液压无级变速装置液压无级变速装置通过改变单位时间内输入油缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。它的特点是变速范围较大、变速方便、传动平稳、运动换向时冲击小、易于实现直线运动和自动化。液压无级变速装置常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。,（二）无级变速主传动系统设计原则1.尽量选择功率和转矩特性符合传动系统要求的无级变速装置如主传动系统的主运动为直线运动，对变速装置的要求是恒转矩传动，则应选择恒转矩传动为主的无级变速装置，如龙门刨床的工作台采用直流电动机；如主传动系统要求恒功率传动，例如车床或铣床的主轴，就应选择恒功率无级变速装置，如采用机械无级变速装置、变速电动机串联机械分级变速箱等。,2.为满足机床实际需要的恒功率变速范围，应将无级变速传动装置与机械分级变速箱串联使用。无级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。为此，常把无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。,若机床主轴要求变速范围为，选取无级变速装置的变速范围为，则串联的机械分级变速箱的变速范围应为：式中Z机械分级变速箱的变速级数；机械分级变速箱的公比。,通常，机械分级变速装置与机械式无级变速器串联使用，若机械分级变速装置的公比值等于无级变速器的变速范围，则理论上可使机床主轴获得连续的无级调速。,图328无级变速分级变速箱转速图,通常，无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组，其公比理论上应等于无级变速装置的变速范围。在实际设计中，考虑到机械式无级变速器多属摩擦传动，有相对滑动现象，可能得不到理论上的转速值，故取,【例3-2】设机床主轴的变速范围Rn60，无级变速箱的变速范围Rd8，设计机械分级变速箱，求出其级数，并画出转速图。解：机械分级变速箱的变速范围为RfRn/Rd60/87.5机械分级变速箱的公比为（0.900.97）Rd0.9487.52由式（315）可知分级变速箱的级数为Z1+lg7.5/lg7.522无级变速分级变速箱转速图如图328所示。,图328无级变速分级变速箱转速图,由于分级变速器的公比取值小于无级变速装置的变速范围，其结果使转速中间出现一小段重复，进而确保主轴转速连续。,五、数控机床主传动系统设计特点现代切削加工正朝向高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求，如主轴转速高；调速范围大，恒扭矩调速范围达1:1001:1000，恒功率调速范围达1:10以上；功率范围达2.2250kW；能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单；噪声要小；动态性能要好；可靠性要高等。,（一）主传动采用直流或交流电动机无级调速数控机床、重型机床和精密机床已广泛地采用直流或交流电动机无级调速。直流并激电动机从额定转速nd至最高转速nmax，采用调节磁场电流（调磁）的方法调速，属恒功率调速；从额定转速nd至最低转速nmin，采用调节电枢电压（调压）的方法调速，属恒转矩调速。普通直流电动机的额定转速nd为10002000r/min，恒功率调速范围为24，恒转矩调速范围达几十甚至100以上。,交流（变频）调速电动机的额定转速为1500r/min，从额定转速至最高转速属恒功率调速，调速范围为35；从额定转速,至最低转速属恒转矩调速，调速范围同样高达几十甚至超过100。两种电动机的功率转矩特性见图。,图3-29直流、交流调速电动机的功率转矩特性图,如果采用上述直流或交流电动机驱动作旋转运动的主轴实现无级调速，则由于主轴所要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围，因此，常用串联分级变速箱的方法来扩大其恒功率调速范围。变速箱的公比f原则上应等于电动机恒功率调速范围。如果为了简化变速机构，应取fRp，但电动机的功率应选取比要求的功率大些。,（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系统时，因主轴要求的恒功率变速范围要远远大于电动机的恒功率变速范围，即，所以在电动机与主轴间要串联一个分级变速箱，以扩大其功率调速范围，满足机床在低速大功率切削时对电动机输出功率的要求。,对串联分级变速箱公比的选取有下列三种情况：1）取如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围为则特点：功率特性图是连续的，无缺口、无重合。,【例】有一数控机床，主轴nmax=4000r/min，nmin=30r/min，nj=145r/min。最大切削功率Pmax=5.5kW，采用交流调频主轴电动机，额定转速nr=1500r/min，ndmax=4500r/min。试设计分级变速箱的传动系统并选择电动机的功率。,【解】1）取变速箱公比等于电动机恒功率调速范围，即，主轴要求的恒功率调速范围电动机的恒功率调速范围可见，取，无级变速时,变速箱的变速级数如取总效率=0.75，则电动机功率（kW）可选P额=7.5kW。,附图数控机床采用三级变速箱的功率特性图,附图数控机床采用三级变速箱的传动系统图,若要简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比可取大于电动机的恒功率调速范围2）取这时，变速箱每档内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统功率特性图中将出现“缺口”，称为功率降低区。使用“缺口”范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率。,主轴的恒功率变速范围等于即因，使主轴的恒功率区降低了范围：在该功率降低区电动机输出的最小功率为若使该区电动机能输出额定功率，就需增大电动机的功率。,【解】2）为简化变速箱结构和操纵机构，拟取Z=2，则，可见由该功率特性图中可看出，BC段和DE段出现缺口，要求电动机在870r/min时能得到,附图数控机床采用二级变速箱的功率特性图,附图数控机床采用二级变速箱的传动系统图,故电动机在1500r/min时的输出功率应为（kW）可选