机械制造装备设计(第二章)

1、2-1 分级变速主传动系统设计分级变速主传动系统设计2-2 扩大变速范围的传动系统设计扩大变速范围的传动系统设计2-3 计算转速计算转速2-4 无级变速系统设计无级变速系统设计2-5 进给传动系统设计进给传动系统设计2-6 结构设计结构设计 本章基本要求与重点：本章基本要求与重点：1 1、理解转速图的概念，能根据转速图和公比、理解转速图的概念，能根据转速图和公比求出各传动比的数值；求出各传动比的数值；2 2、掌握结构式和结构网的拟定方法。能根据、掌握结构式和结构网的拟定方法。能根据给定条件，拟定出合理的结构式，画出结构给定条件，拟定出合理的结构式，画出结构网及转速图；网及转速图；3 3、掌握主

2、传动运动设计要点：一个规律、二、掌握主传动运动设计要点：一个规律、二个限制、三个原则和四项措施；个限制、三个原则和四项措施；4 4、掌握计算转速的概念以及机床传动件计算、掌握计算转速的概念以及机床传动件计算转速的确定方法；转速的确定方法；5 5、了解无级变速系统和进给传动系统的设计、了解无级变速系统和进给传动系统的设计特点，以及齿轮的布置方法。特点，以及齿轮的布置方法。本章难点：本章难点：计算转速的确定。计算转速的确定。 功功用用组组成成动力传递；动力传递；速度传递；速度传递；满足运动的需要。满足运动的需要。定比传动机构定比传动机构变速机构变速机构开停装置开停装置制动装置制动装置运动方式转换装

3、置运动方式转换装置润滑装置润滑装置密封装置密封装置操纵机构操纵机构主轴组件主轴组件箱体箱体图2-1 X6132万能升降台铣床主传动系统装配图设计要求设计要求工作性工作性能要求能要求动力动力要求要求经济性经济性要求要求使用使用要求要求运动运动要求要求变速变速范围范围转速转速级数级数功率功率扭矩扭矩传动传动效率效率精度精度刚度刚度抗振性抗振性噪声噪声热变形热变形操纵操纵调整调整维修维修润滑润滑密封密封结构结构加工加工装配装配成本成本 调研调研 须有足够的设计原始资料，在明确机床应满足的要须有足够的设计原始资料，在明确机床应满足的要求求( (机床主轴的变速范围，转速级数和电机功率等机床主轴的变速范围

4、，转速级数和电机功率等) )的同时，还应收集国内、外有关技术文献，现有同的同时，还应收集国内、外有关技术文献，现有同类型机床的设计图纸及经验总结。类型机床的设计图纸及经验总结。 传动链传动链 运动设计运动设计 根据机床的主要技术参数要求，拟定可能的转速根据机床的主要技术参数要求，拟定可能的转速图，并从中选择合理的方案；然后计算齿轮齿数图，并从中选择合理的方案；然后计算齿轮齿数和皮带轮直径等，最后绘制机床的传动系统图。和皮带轮直径等，最后绘制机床的传动系统图。 传动系统传动系统 结构设计结构设计 根据传动系统图设计变速箱或主轴箱装配图，根据传动系统图设计变速箱或主轴箱装配图，并进行必要的动力验算

5、。并进行必要的动力验算。 零件设计零件设计转速线转速线传动轴线传动轴线转速点转速点传动线传动线)1(111pxr)1(222pxr)1(000pxr第二扩大组第二扩大组c级比：级比： 6x26r2 6第一扩大组第一扩大组b级比：级比： 3x13r1 3基本组基本组a级比：级比： x01r0 2126 25624 4822 6218 722、 转速图的基本原理（基本规律）转速图的基本原理（基本规律） 总之，机床的传动系统通常是由几个变速组串联所组成的，其中以基本组为基础，再通过第一、第二、扩大组将各轴的转速级数和变速范围逐步扩大。通常，将这样的传动系统称为常规传动系统常规传动系统。 常规传动系统

6、的特点： 1）单公比的连续等比数列；2）单速电机为动力源；3）采用滑移齿轮或齿轮离合器变速；4）没有采用公用齿轮。3、结构网和结构式结构网和结构式 结构网结构网( (式式) )表达的内容表达的内容123123263、示例、示例nNM9550图图2-4结结构构网网a、b、c、e方案方案:x26，p22，r2 68810。d、f 方案：方案：x24，p23，r2 816810。max)1(rrmmpxm结果：结果： 满足极限变速范围要求的方案为：满足极限变速范围要求的方案为： a、b、c、e。四项措施四项措施 常规传动系统由于极限变速范围的限制，其最常规传动系统由于极限变速范围的限制，其最后扩大组

7、通常是由两个传动副组成，变速范围不太后扩大组通常是由两个传动副组成，变速范围不太大（当大（当 1.26或或 1.41时，时，Rn4550），往往），往往不能满足现代通用机床发展的要求。例如，有些新不能满足现代通用机床发展的要求。例如，有些新型车床和镗床的主轴变速范围甚至达到或超过型车床和镗床的主轴变速范围甚至达到或超过200，因此，需采用相应的措施来扩大机床传动系统的变因此，需采用相应的措施来扩大机床传动系统的变速范围。速范围。 一、增加变速组的传动系统一、增加变速组的传动系统依据：依据： RnRa Rb Rc Rm。 特点：特点：转速重叠，传动副不能得到充分利用。转速重叠，传动副不能得到充分

8、利用。原因：原因：变速组的变速范围受到极限变速范围的限制。变速组的变速范围受到极限变速范围的限制。 例：例：公比公比 1.41的常规传动系统的常规传动系统最后扩大组的极限变速范围最后扩大组的极限变速范围r2 z/2 1.416 8主轴转速的最大变速范围：主轴转速的最大变速范围：Rmax z-11.4111= 45主轴转速的最大变速级数：主轴转速的最大变速级数：Zmax12相应的结构式：相应的结构式：12312326 现增加一个变速组，设其传动副数为现增加一个变速组，设其传动副数为2 2，则按转速，则按转速图的基本规律，该传动系统的结构式变为：图的基本规律，该传动系统的结构式变为：2431232

9、6212 该传动系统最后扩大组的变速范围为：该传动系统最后扩大组的变速范围为：措施：措施：将新增加的变速组的变速范围缩小到极限值，将新增加的变速组的变速范围缩小到极限值，即即Rn 68。这时，有这时，有6级转速出现重复，主轴转级转速出现重复，主轴转速只有速只有1818级（即级（即246）。）。 Rn 12648106 6级转速重复的结构网级转速重复的结构网6 6级转速重复级转速重复31 23 26 2(12-6)二、采用背轮机构二、采用背轮机构(单回曲机构单回曲机构) 离合器M轴 轴 4321ZZZZ整个背轮机构整个背轮机构 一个变速组，则一个变速组，则该该变速组变速组的极限变速范围为的极限变

10、速范围为:16114141max4321ZZZZr注意点注意点:1）如果采用分离式传动，主轴箱和变速箱之间用皮）如果采用分离式传动，主轴箱和变速箱之间用皮带传动，高速时可以直接传动主轴减少主轴振动，提带传动，高速时可以直接传动主轴减少主轴振动，提高传动平稳性；并可缩短高速传动链，提高传动效率。高传动平稳性；并可缩短高速传动链，提高传动效率。同时应尽可能提高皮带传递的最低转速，以避免皮带同时应尽可能提高皮带传递的最低转速，以避免皮带轮尺寸太大。轮尺寸太大。2）合上离合器后，应使背轮脱开，也就是）合上离合器后，应使背轮脱开，也就是Z3/Z4传动传动副脱开，否则在主轴高速旋转时，通过副脱开，否则在主

11、轴高速旋转时，通过Z3/Z4传动副将传动副将使使轴以高于主轴的转速空转，增加机床空载功率损轴以高于主轴的转速空转，增加机床空载功率损失，同时又增加齿轮噪声并加剧磨损。失，同时又增加齿轮噪声并加剧磨损。三、采用对称混合公比传动系统三、采用对称混合公比传动系统 主轴转速主轴转速数列采用几个数列采用几个公比的传动系公比的传动系统，称为统，称为混合混合公比公比或或多公比多公比的传动系统的传动系统。 对称型混合公比排列：对称型混合公比排列：在转速图上，主轴转速排在转速图上，主轴转速排列呈现中间密，两端疏，并且高、低端的级数相同。列呈现中间密，两端疏，并且高、低端的级数相同。 实现方法：实现方法：对称型混

12、合公比的传动系统，可借助改对称型混合公比的传动系统，可借助改变基型变基型(常规常规)传动系统基本组的级比指数传动系统基本组的级比指数x0来实现。来实现。具体步骤：具体步骤：一般来说基本组传动副数为一般来说基本组传动副数为2，按级比规律写出基型传动系统的结构式；按级比规律写出基型传动系统的结构式；把其基本组的级比指数变成把其基本组的级比指数变成1十十x0。 其中，系数其中，系数x0 为转速图上高端或低端按大公比的总为转速图上高端或低端按大公比的总格数。大公比格数。大公比 2 12 ， 1为小公比。为小公比。0)1(1xZnR x0的选择原则：的选择原则：x0应为偶数因为只有应为偶数因为只有x0为

13、偶数才能使主轴高、为偶数才能使主轴高、 低低端按大公比的格数各为端按大公比的格数各为x0 /2x0取值范围应为取值范围应为2x0 Z1，Z为变速级数。为变速级数。原基型传动系统基本组的级比指数变成原基型传动系统基本组的级比指数变成1十十x0 后，应后，应检查该组的变速范围是否仍在允许范围内，即满足检查该组的变速范围是否仍在允许范围内，即满足 原基本组织比指数变成原基本组织比指数变成1 x0后主轴变速范围应为后主轴变速范围应为8)1)(1(100px0)1(1xZnR 21 22 24 28 23 22 24 28 25 22 24 28 注意点：注意点：双公比传动系双公比传动系统基本组增大后的

14、级比指统基本组增大后的级比指数不能等于原基本组传动数不能等于原基本组传动副数的整数倍，否则将出副数的整数倍，否则将出现转速重复的现象。现转速重复的现象。四、双速电机传动系统四、双速电机传动系统 机床上常用的双速电动机机床上常用的双速电动机 电变速组：电变速组：双速电动机本身具有两级转速，在传动双速电动机本身具有两级转速，在传动系统中相当于具有两个传动副的变速组。系统中相当于具有两个传动副的变速组。 常用的公比常用的公比 1.26和和1.4l，这时，这时 21.2631.412，故，故电变速组通常为第一扩大组，其级比指数电变速组通常为第一扩大组，其级比指数即为基本组的传动副数即为基本组的传动副数

15、。双速电动机使用时的注意点：双速电动机使用时的注意点： 传动系统的公比只能是传动系统的公比只能是 1.06，1.12，1.26，1.41，2。因为这些公比的整数次方等于。因为这些公比的整数次方等于2，可以保证转速，可以保证转速数列实现等比数列。数列实现等比数列。电电 1.26电电 1.41若若 1.26，基本组的传动副数必须为，基本组的传动副数必须为3； 若若 1.4l，基本组的传动副数必须为，基本组的传动副数必须为2。例：例：多刀半自动车床的主变速传动系统。多刀半自动车床的主变速传动系统。 采用双速电动机，采用双速电动机，Z=8， 1.41。 结构式：结构式：8222124 多刀半自动车床的

16、主变速传动系统图和转速图多刀半自动车床的主变速传动系统图和转速图第一扩第一扩大大 组组基本组基本组第二扩第二扩大大 组组目的：确定传动件的结构尺寸并核算其强度。目的：确定传动件的结构尺寸并核算其强度。计算依据：计算依据：nNM9550N传动件所传递的功率；传动件所传递的功率；n传动件的转速。传动件的转速。一、一、 机床的功率转矩特性机床的功率转矩特性定义：功率或转矩与转速之间的关系。定义：功率或转矩与转速之间的关系。1、直线运动机床的功率转矩特性、直线运动机床的功率转矩特性切削速度对切削力的影响不大。切削速度对切削力的影响不大。作直线运动的作直线运动的执行件执行件在任意速度下，在任意速度下，都

17、有可能承受最大切削力。都有可能承受最大切削力。 拖动直线运动执行件的拖动直线运动执行件的传动件传动件，在，在任意转速下都可能出现最大转矩。任意转速下都可能出现最大转矩。 功率转矩特性是功率转矩特性是恒扭矩恒扭矩的的 2、旋转运动机床的功率转矩特性、旋转运动机床的功率转矩特性低转速低转速大直径刀具大直径刀具大直径工件大直径工件要求输出的转矩要求输出的转矩 高转速高转速小直径刀具小直径刀具小直径工件小直径工件要求输出的转矩要求输出的转矩功率转矩特性是功率转矩特性是恒功率恒功率的的nNM9550转矩与转速成反比关系转矩与转速成反比关系机床主轴在整个变速机床主轴在整个变速范围内，以计算转速范围内，以计

18、算转速为界，可分为图示两为界，可分为图示两个区域：个区域： nminnj为恒转矩区为恒转矩区 njnmax为恒功率区为恒功率区n3、主轴计算转速、主轴计算转速计算转速计算转速 传递传递全功率全功率的的最低转速最低转速。确定方法：确定方法： 专用机床专用机床主轴计算转速根据特定工艺所要求的主主轴计算转速根据特定工艺所要求的主轴转速来确定。轴转速来确定。 通用机床通用机床主轴计算转速，可根据经验公式计算主轴计算转速，可根据经验公式计算。4、其他传动件计算转速、其他传动件计算转速确定方法：确定方法：可根据主轴的计算转速和转速图来确定。可根据主轴的计算转速和转速图来确定。2 2）各传动轴计算转速各传动

19、轴计算转速1）主轴计算转速）主轴计算转速 根据经验公式：根据经验公式：njnmin (Z/3-1)得得 nj=31.51.41(4 1) = 90 r.p.m 125355710传动组传动组cba传动副传动副60/3018/7222/6224/48齿轮齿数齿轮齿数30182224计算转速计算转速3 3）传动齿轮计算转速的确定）传动齿轮计算转速的确定当有转速重复时，应选用传动当有转速重复时，应选用传动件计算转速较高的传动路线，件计算转速较高的传动路线，并由操纵机构来保证。并由操纵机构来保证。7103553552501、无级变速机构的类型、无级变速机构的类型2、无级变速系统的设计特点、无级变速系统

20、的设计特点（1）直线主运动机床直线主运动机床 直接利用调速电动机的恒转矩直接利用调速电动机的恒转矩调速范围，将电动机直接或通过定比减速齿轮拖动运调速范围，将电动机直接或通过定比减速齿轮拖动运动执行件。动执行件。（3）进给运动进给运动 n电电d用于执行件的最高进给速度用于执行件的最高进给速度; n电电max用于执行件的快移。用于执行件的快移。（2）旋转主运动机床旋转主运动机床措施：措施：串联分级变速机构。串联分级变速机构。调速范围特点调速范围特点 Rpn Rp。 FRp FRp缺口缺口（2） FRp FRp变速箱公比变速箱公比 F增大增大传动副数减少传动副数减少机构简化机构简化 FRp重重合合部

21、部分分 FRp数控机床无级变速进给系统一般采用数控机床无级变速进给系统一般采用伺服电动机伺服电动机无无级调速。级调速。 直线电机的结构可以看作是将一台旋转电动机的直线电机的结构可以看作是将一台旋转电动机的定子和转子以及气隙展开成直线状而形成的。定子相定子和转子以及气隙展开成直线状而形成的。定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级。当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级。2、结构结构3、工作原理工作原理 当初级通入电流后，在初、次级之间的气隙中产当初级通入电流后，在初、次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱

22、动力，从而实现运动部件的直线运动。驱动力，从而实现运动部件的直线运动。夹心式直线电机夹心式直线电机 特征：特征： 超大推力，最大推力可达超大推力，最大推力可达7000N； 运动平顺，速度波动小；运动平顺，速度波动小； 低顿力低顿力 ； 无磨耗，寿命长。无磨耗，寿命长。4、种类种类有铁心直线电机有铁心直线电机 特征：特征： 大推力，最大推力可达大推力，最大推力可达4500N； 高加速度；高加速度； 低顿力；低顿力； 无磨耗、寿命长。无磨耗、寿命长。特征：特征： 重量轻，高加速度；重量轻，高加速度； 运动平滑运动平滑 ； 空载加速度达空载加速度达6g7g； 最大推力可达最大推力可达2400N； 运

23、动平顺，速度莲波小运动平顺，速度莲波小 ； 高度低，无顿力；高度低，无顿力； 无磨耗，寿命长。无磨耗，寿命长。无铁心直线电机无铁心直线电机 5、特点及应用特点及应用应用：应用：在数控机床直线运动驱动系统中，代替传统的在数控机床直线运动驱动系统中，代替传统的伺服电机滚珠丝杠副驱动系统。可用于各类加工中伺服电机滚珠丝杠副驱动系统。可用于各类加工中心，数控车床，数控铣床，电火花机床等。心，数控车床，数控铣床，电火花机床等。 一、一、 变速箱结构及传动轴的布置变速箱结构及传动轴的布置1 1、应满足的要求、应满足的要求2、箱体内各轴线的布置、箱体内各轴线的布置（减少径向尺寸的措施）（减少径向尺寸的措施） 箱体内各轴线的布置同箱体内各轴线的布置同箱体的形状有关，箱体的形箱体的形状有关，箱体的形状又决定于箱体在机床上的状又决定于箱体在机床上的位置。见右图。位置。见右图。 相邻各轴在横剖面图上布置成相邻各轴在横剖面图上布置成形，可以缩小径向形，可以缩小径向尺寸。见图。尺寸。见图。 在一个传动组内，如能取在一个传动组内，如能取 imax imin1，则传动件则传动件所占空间最小。所占空间最小。 机构的调整维护影响轴线布置。见图。机构的调整维护影响轴线布置。见图。 采用多速电机，由于减少了变速传动组的数量，因采用多速电机，由于减少了变速传动