第二章_机床的传动设计2

1、机械制造装备设计,第二章,机床的传动设计,第二章,机床的传动设计,第二节,扩大变速范围传动系统设计,第三节,计算转速,第四节,无级变速系统设计,第二节,扩大变速范围的传动系统设计,一、扩大变速范围的意义,根据传动系统前多后少的传动顺序原则，最后扩大组必定是双,速变速组，即传动副数,P,= 2,。,如果,r,最后,= 8,，,= 1.41,，则,x,最后,= 6,，结构式,12=3,1,2,3,2,6,变速范围,R,=,z,-,1,=1.41,12,-,1,=1.41,11,= 45,；,如果,r,最后,= 8,，,= 1.26,，则,x,最后,= 9,，结构式,18=3,1,3,3,2,9,，

2、,变速范围,R,=,z,-,1,= 1.26,18,-,1,= 1.26,17,= 50,；,一般常用机床的变速范围都在,R,=80,以上。如，,CA6140,，,R=140,（,10-1400r/min,）；,XK5040-1,，,R=125,（,12-1500r/min,）,Z3040,，,R=80,；为了满足各种机床的工艺需求，,必须扩大主传动系统的变速范围。,第二节,扩大变速范围的传动系统设计,一、扩大变速范围的意义,R,j,?,?,变,?,主传动系最后扩大组变速范围：,速,?,主传动系主轴总变速级数：,Z,?,P,P,P,?,P,P,0,1,2,j,?,1,j,范,围,?,最后扩大组

3、变速范围与总变速,Z,2,R,j,?,?,Rn,级数之间关系：,扩,6,9,?,由于极限传动比的限制：,大,R,j,?,8,?,1,.,41,?,1,.,26,的,?,所以总变速级数,Z,：,Z,?,12,(,?,?,1,.,41,),18(,?,?,1,.,26,),理,由,12,?,1,?,主轴变速范围,Rn,：,?,?,1,.,41,?,45,(,?,?,1.41),Rn,?,?,18,-,1,?,?,1.26,?,50,(,?,?,1.26),P,0,P,1,P,2,?,P,j,?,1,(,P,j,?,1,),第二节,扩大变速范围的传动系统设计,二、扩大变速范围的方法,1.,增加变速组

4、的传动系统,因总变速范围,R,?,?,Z,?,1,，增加,、,P,和传动组，都可增大,R,，但,增大,导致,A,增大，影响机床的生产率；当机床类型一定时，,是定,值；因此，为便于操作和控制，常取传动副数,P,3,。,例,已知,=1.41,，,结构式,12 = 3,1,2,3,2,6,，,x,2,= 6,，,r,2,= 8,增加第三扩大组，理论,Z=3,1,2,3,2,6,2,12,，最后扩大组的转速,范围,r,3,=,12,(2,-,1),=648,，不符合要求，此时必须减小,x,3,，,使,r,3,?,?,x,3,(2,?,1),?,1,.,41,6,?,8,。则实际转速为,24,-,6=1

5、8,级，重复,6,级。,总变速范围：,扩大变速范围的机理：,通过增加扩大组来增加主轴变速范围。,R,?,(,r,0,r,1,r,2,),r,3,?,?,12,?,1,?,?,6,?,(2,?,1),?,45,?,8,?,360,结论,增加一个变速组能使,R,扩大,8,倍，主轴转速增加,6,级。,第二节,扩大变速范围的传动系统设计,方法：在原有变速传动系内再增加一个变速组。,特点：由于受变速组极限变速范围的限制，增加变速组的,级比指数不得不小于理论值，并导致部分转速重复。,12,?,3,1,?,2,3,?,2,6,24,?,3,1,?,2,3,?,2,6,?,2,12,变速范围限制,24,?,3

6、,1,?,2,3,?,2,6,?,2,6,R,n,:,45,?,344,剔除重复转速,18,?,3,1,?,2,3,?,(,2,6,?,2,6,?,1,),第二节,扩大变速范围的传动系统设计,2.,单回曲机构,当,M,与,z,4,结合时，运动经,z,1,、,z,2,、,z,3,、,z,4,传递，传动比为,当,M,与,z,1,结合时，输入轴的运动直接由,轴输出，传动比为,i,2,= 1,，极限变速范围,z,1,z,3,1,1,1,i,1,?,?,若,i,1,?,?,?,z,2,z,4,4,4,16,为,r,=,i,2,/,i,1,= 16,。,例如,=1.41,，结构式为,16 = 2,1,2,

7、2,2,4,2,8,R,?,?,?,1,.,41,?,180,Z,?,1,12,?,1,?,1,.,41,?,45,原结构式为：,12=3,1,x2,3,x2,6,变速范围：,R,?,?,r,3,?,?,x,3,(,P,3,?,1,),?,1,.,41,8,?,(,2,?,1,),?,16,Z,?,1,16,?,1,扩大变速范围的机理,通过扩大极限变速范围来扩大总变速范围。,结论,采用单回曲机构，,R,可扩大,4,倍；若增加的变速组为单回曲,机构，结构式为,30,?,3,1,?,3,3,?,2,9,?,2,12,则,R,可扩大,16,倍。,第二节,扩大变速范围的传动系统设计,3.,对称混合公比

8、传动系统,如图，主轴转速列中段公比,不变，,增大不常用的转速公比。采用大公比为,=1.58,=,1.26,2,，高速端大公比转速级数,与低速端相等，形成两端对称的大公比传,动系统。,如,结构式,12 = 3,1,2,3,2,6,转变成混合,公比后得到：,12 = 3,2,2,6,2,7,R,?,?,Z,?,1,?,6,扩大变速范围的机理,在不增加主轴转速,?,1,.,26,?,1,.,26,?,12,.,5,?,4,?,50,11,6,级数的前提下，增大不常用的,来扩大,R,。,结论,对称混合公比传动系统，是改变传动副数为,2,的基本组形,成的，能使,R,扩大,4,倍。,第二节,扩大变速范围的

9、传动系统设计,混合公比传动系统的设计原则,因系统大公比是小公比的平方，考,虑相对转速损失率，故取小公比,=1.26,。,因基本组的传动副数,P,0,= 2,；故级,比指数,x,0,=,x,+1,。,因大公比格数必须是偶数，而变形,基本组的,r,0,1.26,9,= 8,，故取,x,8,。,若变形基本组是单回曲机构（背轮机,构），则,r,0,1.26,12,= 16,，,故取,x,10,。,第二节,扩大变速范围的传动系统设计,例,某摇臂钻床的主轴转数范围为,n,=25 2000 r/min,，公比,=1.26,，主轴转数级数,Z,=16,，确定该钻床的传动系统。,解,（,1,）,钻床需要的总变速

10、范围是,（,2,）,钻床的理论转数级数应为,2000,R,?,?,80,25,lg,80,Z,?,?,1,?,20,?,16,lg,?,钻床采用混合公比传动，其大公比格数为,x,?,20,?,16,?,4,x,?,8,（,4,）,钻床的结构式为,16,?,2,1,?,4,?,2,2,?,2,4,?,2,8,按前密后疏原则整理得,16,?,2,2,?,2,4,?,2,5,?,2,8,第二节,扩大变速范围的传动系统设计,混合公比传动与单回曲机构相结合，能产生极大的变速范围。,混合公比传动结构式,12,?,3,2,?,2,6,?,2,7,11,6,R,?,?,Z,?,1,?,6,?,1,.,26,?

11、,1,.,26,?,12,.,5,?,4,?,50,结合后的结构式,24,?,3,2,?,2,6,?,2,9,?,2,12,结构式中，第三变速组,c,为基本组，大公比格数为,8,，第四变速,组,d,为单回曲机构。总变速范围为,R,?,?,24,?,1,?,8,?,1,.,26,?,1,.,26,?,203,?,6,.,35,?,1290,23,8,第二节,扩大变速范围的传动系统设计,4,、双速电动机传动系统,双速电动机是动力源，为第一变速组（电源变速组），,但级比,是,2,，只能作为变形基本组或第一扩大组。,机床采用双速电动机时，传动顺序,与扩大顺序不一致。由于第一扩大组,的,x,1,=,P,

12、0,，所以双速电动机对基本组,的传动副数,P,0,有严格的要求。,因,21.26,3,1.41,2,，则,= 1.26,时,，,P,0,= 3,；,= 1.41,时,，,P,0,= 2,。,双速电动机驱动的结构式,8,?,2,2,?,2,1,?,2,4,结论,应用双速电动机，缩短了传动链，变相扩大了变速范围。,第三节,计算转速,一、研究计算转速的意义,传动零件设计的主要依据是所能承受的载荷大小。载荷取决于,所传递的功率和转速。当外载一定，转速越高，传递的转矩越小。,对于转速恒定的传动件，可算出传递的转矩大小，进行强度设,计。对于有几种转速的传动件，必须确定一个,经济合理的转速,n,j,，,进行

13、强度设计。,计算转速的意义：,根据传动件需要传递全部功率的最低转速，,来确定传动件能传递的最大转矩，作为强度计算和校核依据。,第三节,1.,主运动为直线运动的机床,计算转速,二、机床的功率转矩特性,机床的最大切削力存在于所有可能的切削速度中，因此，驱动,直线运动的传动件，忽略摩擦力因素时，在所有转速下承受的最大,转矩相等。,即主传动属于恒转矩传动,。,2.,主运动为旋转运动的机床,传动件传递的转矩与切削力、工件和刀具的半径有关。,粗加,工时采用大吃刀深度、大走刀量，即较大的切削力矩，较低转速；,精加工时则相反。,当工件或刀具尺寸较小时，切削力矩小，主,轴转速高；当工件或刀具尺寸较大时则相反。,

14、因功率是转矩与角速度的乘积，故主传动属于恒功率传动。,第三节,3.,计算转速（,n,j,）概念,计算转速,通用机床工艺范围广，变速范围大，有些典型工艺只需采用小,进给量，消耗的功率小，主传动不需要传递电动机的全部功率。,传动件设计必须找出需要传递全部功率的最低转速，依此确定所,能传递的最大转矩。,计算转速,指主轴或传动件传递全部功率,的最低转速。,n,j,n,max,（,恒功率变速范围,）,主轴每级转,速都能传递全部功率，输出转矩随转速增高,而降低。,n,j, n,min,（,恒转矩变速范围,）,主轴每级转速都能传递计算转速,时的转矩，输出功率随转速线性下降。,各类机床主轴的,n,j,可查表计

15、算确定。,第三节,计算转速,三、主变速系统传动件计算转速的确定,步骤：,先确定主轴计算转速；,再按传动顺序由后往前依次,确定各传动轴的计算转速；,最后确定各传动件的计算转速。,例,已知某通用车床转速图，试,确定变速系中传动件的计算转速。,1.,主轴的计算转速,n,j,?,n,1,?,Z,?,1,3,?,31,.,5,?,1,.,41,12,?,1,3,?,90,r,/,min,第三节,计算转速,2.,各传动轴的计算转速,变速组,c,有两个传动副，,n,j,主,= 90,是轴通过,18,/,72,获得，轴,相应的转速为,355,。轴的最低转速为,125,，,通过,60,/,30,使主轴获得,转速

16、为,250,n,j,主,，且能传递全部功率。,故,n,j,=,125,r/min,n,j,是经轴的最低转速,355,获,得，故,n,j,=,355,r/min,同理,n,j,=,710,r/min,第三节,3.,各传动副的计算转速,计算转速,变速组,c,传动副,z18,/,z72,产生,n,j,主,，则轴的相应转速,355,就是主动齿轮,z18,的计算转速，即,n,jcz,18,=355r/min,。,z60,/,z30,产生的最低主轴转速,250 ,n,j,主,，所对应的轴最低转速,125,，,为主动齿轮,z60,的计算转速，,即,n,jcz,60,=125r/min,。,变速组,b,主动齿

17、轮,z22,，,z42,的计算转速为,n,jbz,22,24,= 355r/min,变速组,a,主动齿轮,z24,，,z30,，,z36,的计算转速为,n,jaz,24,= 710r/min,第三节,计算转速,（,1,）主轴计算转速：,速公式：,采用通用机床中车床类的主轴计算转,Z,n,?,?,1,12,j,?,n,1,3,=31.5,?,1.41,3,?,1,=90rpm,（,2,）各传动轴计算转速：,速中,第轴：若由,若由,355,、,500,和,18:72,710,需传递全部功率；,传动主轴，其转,递全部功率。因此计算转速为,60:30,传动主轴，则所有转速需传,采用相同方法可求轴,12

18、5rpm,。,(3),各齿轮副计算转速,nj.,得到三级转速,齿轮,Z18,：若经齿轮副,全部功率，此时,90,、,18:72,使主轴,500,Z18,125,齿轮转速为,、,180,，需传递,355,、,算转速。采用同法可求其余齿轮,、,710,，因此最低转速,355,为其计,nj,。,第四节,无级变速系统设计,一、无级变速主传动系统的分类,何谓无级变速？,无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变速，,从而获取最有利的切削速度。无相对转速损失；且能够在加工过程,中变速，保持恒速切削；缩短了传动链长度，简化了结构设计；,机床主传动中常采用的无级变速装置有：变速电动机、机械无,级变速装

19、置和液压无级变速装置。,1.,变速电动机,变速电动机有：直流复激电动机和交流变频电动机，恒功率变,在变速电动机和主轴之间需串联一个分级变速箱。,速范围仅,24,。恒转矩变速范围大于,100.,为了扩大恒功率调速范围，,变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。,第四节,无级变速系统设计,2.,机械无级变速装置,机械无级变速装置有柯普型、行星锥轮型等多种结构。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。变速范围小，通常与分级变速机构串联使用。,应用于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，更多用于进给变速传动中。,3.,液压无级变速装置,通过改变单位时

20、间内输入液压缸或液动机中液体的流量来实现,无级变速。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。,常用于主运动为直线运动,的机床中，如刨床、拉床等。,第四节,无级变速系统设计,二、无级变速主传动系设计原则,（,1,）,选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置,如龙门刨床的工作台，应选择恒转矩为主的无级变速装,置,直流电动机。,再如车床、铣床的主轴，应选择恒功率无级,变速装置,机械无级变速装置、变速电动机串联机械分级变速箱。,（,2,）,将无级变速装置与机械分级变速箱串联，扩大变速范围,若机床主轴要求的变速范围为,R,n,，选取的无级变速装置范围为

21、,R,d,，串联的机械分级变速箱的变速范围,R,f,应为,R,f,?,R,n,/,R,d,?,?,f,Z,?,1,机械分级变速箱的变速级数,机械分级变速箱的公比,第四节,无级变速系统设计,通常无级变速装置为传动系的基本组，分级变速为扩大组，理,论上,?,f,?,R,d,，因机械变速装置是摩擦传动，为获得连续的无级变,速，取,?,f,?,(,0,.,90,0,.,97,),R,d,。,例,设机床主轴的变速范围,R,n,=60,，无级变速箱的变速范围,R,d,=8,，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,R,f,?,R,n,/,R,d,?,60,/,8,

22、?,7,.,5,机械分级变速箱的公比为,由,R,f,?,R,n,/,R,d,?,?,f,Z,?,1,?,f,?,0,.,94,R,d,?,0,.,94,?,8,?,7,.,52,得,机械分级变速箱的级数为,Z,?,1,?,lg,7,.,5,/,lg,7,.,52,?,2,第四节,无级变速系统设计,三、主运动为旋转运动的无级变速系统设计,主轴要求的恒功率变速范围,R,Pn,远大于调速电动机的恒功,率变速范围,R,m,，,必须串联分级变速系统来扩大电动机的恒功率,变速范围，以满足机床需求。,电动机的额定转速产生主轴的计算转速；电动机的最,高转速产生主轴的最高转速。主轴的恒转矩变速范围,R,T,决定

23、了电动机恒转矩变速范围,R,Tm,的大小,R,，,T,?,R,Tm,则,。,第四节,无级变速系统设计,?,m,，在保证输出转速,2,m,调速电动机的恒功率变速范围为,连续前提下，串联一个双速变速组，获得的最大变速范围为,?,此时,:,Z,?,P,a,?,2,?,2,m,?,?,Z,F,?,F,?,?,m,串联两个双速变速组后，能得到的,4,，,连续无级转速的最大变速范围是,?,m,这时,:,Z,?,P,a,P,b,?,4,?,?,?,4,m,Z,F,第四节,R,Pn,?,?,Z,F,无级变速系统设计,Z,?,2,k,调速电动机串联,k,级双速变速组后，能获得的最大变速范围是：,?,F,?,?,

24、m,串联的分级传动系统的公比等于电动机恒功率变速范围时，,输出的无级转速的变速范围最大。换言之，变速范围一定，,当分级传动系统的公比,?,F,?,?,m,时，需串联的变速组数最少。,Z,m,in,lg,R,Pn,?,lg,?,m,k,m,in,lg,Z,m,in,?,lg,2,k,为自然数，且采用收尾法圆整，即：,1,?,Z,min,?,2,取：,Z,?,2,2,?,Z,min,?,4,取：,Z,?,4,第四节,无级变速系统设计,分级传动系统的公比一般比电动机的恒功率变速范,围小，分级传动系统的实际公比为,:,?,F,?,Z,?,1,R,pF,R,Pn,R,Pn,?,Z,?,1,?,z,?,1

25、,R,Pm,?,m,分级传动的最小传动比应采用前缓后急的原则；,扩大顺序应采用前密后疏的原则,；,串联的分级传动系统应遵循极限传动比、极限变速范围的原则。,第四节,无级变速系统设计,例,2-6,某数控机床，主运动由变频电动机驱动，电动,机连续功率,7.5kW,，额定转速,n,0,?,1500,r,/,m,in,，最,高、最低转速,n,0,max,?,4500,r,/,m,in,，,n,0,min,?,6,r,/,m,in,机床主轴最高、最低转速,：,n,max,?,3550,r,/,m,in,，,n,min,?,37,.,5,r,/,m,in,，计算转速：,n,j,?,150,r,/,min,

26、。,设计所串联的分级传动系统。,第四节,无级变速系统设计,解：主轴要求的恒功率变速范围,R,?,3550,Pn,150,?,23,.,7,?,24,电动机的恒功率变速范围是,3,，即,R,Pm,该系统至少需要的转速级数、变速组数,Z,?,lg,R,Pn,min,lg,?,?,lg,24,?,2,.,89,m,lg,3,?,?,m,?,3,第四节,无级变速系统设计,k,?,lg,2,.,89,min,lg,2,?,1,.,53,取,：,k,?,2,Z,?,4,分级传动系统的实际公比为,?,?,Z,?,1,R,Pn,R,?,4,?,1,24,F,m,3,4,?,2,1,?,2,2,?,2,结构式为

27、,第四节,无级变速系统设计,分级传动系统的最小传动比,i,150,1,1,min,?,1500,?,10,?,2,3,.,322,根据前缓后急的原则分配最小传动比：,i,1,i,1,b,1,?,2,.,82,a,1,?,2,i,1,0,?,1,.,77,i,a,2,?,i,?,1,a,1,F,?,2,?,2,?,其它传动副的传动比,1,第四节,无级变速系统设计,i,b,2,调速电动机的最低工作转速,1,2,?,i,b,1,?,?,?,2,?,1,.,41,2,.,82,2,F,n,m,min,?,37,.,5,?,10,r,/,m,in,?,375,r,/,m,in,电动机最低工作转速时所传递

28、的功率,P,m,min,n,m,min,375,?,P,m,?,?,7,.,5,?,kW,?,1,.,875,kW,n,0,15,0,0,第四节,无级变速系统设计,4500,0,1,.,4,1,:,1,3550,1:1,1800,1200,900,600,450,375,1,:,1,.,7,7,300,1,:,2,150,1,:,2,.,8,2,37.5,图2-12 某数控机床转速图,4500,1500,375,0,3550,1800,P,1200,900,600,450,M,300,150,37.5,1500,第四节,无级变速系统设计,R,Fj,?,?,m,，应增大电动,四、增大恒功率无级变

29、速范围的方法,如果要求每段转速的无级变速范围,机的功率，增大的比率为,率扩大,k,?,?,R,Fj,/,?,m,，即将电动机的功,，从而,?,?,n,0,/,k,?,k,?,倍，传递功率,P,m,的最低转速为,n,0,使电动机传递功率为,P,m,的转速范围变为,?,?,?,m,k,?,?,R,Fj,?,m,从另一角度考虑，电动机传递功率,仍为,n,0,，主轴传递电动机额定功率的最低转速（计算转速）则为,?,的最低转速（额定转速）,P,m,n,?,j,?,k,?,n,j,对于增加功率后的电动机，提高了主轴的计算转速，,这样在某种程度上，简化了无级变速中串联的分级传动系统的设计。,第四节,无级变速系统设计,例,2-7,上述机床，若要求主轴每段的恒功率无级转速范围，,R,Fj,?,4,，确定其分级变速系统。,解：主轴要求的恒功率变速范围,24,；,电动机功率为,4,?,?,7,.,5,?,kW,?,10,kW,P,m,3,电动机传递,7.5kW,时的最低转速为,3,n,0,?,1500,?,r,/,min,?,1125,r,/,min,4,第四节,无级变速系统设计,至少需串联的双速