第三章节_金属切削机床设计分级变速设计幻灯片

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1、Design of Mechanical Manufacturing Machining,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

2、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 Z 20 30。,分级变速方式一般为滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器变速等。 除了摩擦式离合器外，其他变速方式的特点是传递功率大，变速范围广，传动比准确，工作可靠，在通用机床（尤其中小型）中应用广泛。缺点是有速度损失，不能在运转中进行变速。,摩擦式离合器则可在运转过程中变换转速。 其操纵

3、方式可以是机械的、电磁的或液压的，便于实现自动化。 其缺点是传动比不准确，发热量大。,2）无级变速传动 能在一定的变速范围内实现连续变速，以得到最有利的切削速度； 能在运转中变速，便于实现变速自动化； 能在负载下变速，使切削速度恒定，以提高生产效率和加工质量。,无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和无级变速电动机实现。 机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常用在中小型车床、铣床等的主传动中。 液压无级变速器传动平稳、运动换向冲击小，常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等。,无级变速电动机有直流电动机或交流变频调速电动机两种，由于可以大大简化机械结构，便于实现自动变速

4、、连续变速和在负载下变速，应用越来越广泛，尤其在数控机床上目前几乎全部采用电动机变速。 在数控机床和大型机床中，为了扩大其变速范围，常在无级变速器后面串联一个机械式分级变速装置。,（二）主传动系统的传动方式 主传动系统的传动方式主要有两种：即集中传动方式和分离传动方式。 1. 集中传动方式 主传动系统的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内。,图3-11 铣床主变速传动系统图,优点：结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便； 缺点：传动件所产生的振动和热量，将影响主轴的运转平稳性和回转精度。 集中传动方式适用于普通精度级的大中型通用机床。,2. 分离传动方式 主传动系统中的大部分传动和变速机

5、构装在远离主轴的单独变速箱内，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，称为分离传动方式 。,图3-12 分离传动主变速传动系统图,优点：变速箱各传动件所产生的振动和热量不能传到主轴上，有利于提高机床的工作精度。由于高速传动链较短，使主轴在高速运转时比较平稳，传动效率高，转动惯量小，便于启动和制动。 缺点：多了一个箱体，增加加工成本；低速时皮带负荷大，容易打滑。 分离传动方式适用于中、小型高速精密机床。,三、分级（有级）变速主传动系统设计 主要内容及步骤： 根据已确定的主变速传动系统的运动参数； 拟定结构式（结构网）、转速图； 合理分配各变速组中各传动副的传动比； 确定齿轮齿数和带轮直径等；

6、绘制主变速传动系统图。,（一）拟定转速图和结构式 1. 转速图 转速图是设计、分析机床分级变速主传动系统时用的一种特殊线图。 转速图是由“三线一点”即传动轴格线、转速格线、传动线以及转速点所组成。,a） b） 图3-13 卧式车床主变速传动系统图和转速图 a）传动系统图 b）转速图,转速图可以直观地表达出在主传动系统中传动轴的数目，传动轴 之间的传动关系， 主轴的各级转速值 及其传动路线，各 传动轴的转速分级 和转速值，各传动 副的传动比等。,2. 结构式 设计分级变速主传动系统时，为便于分析比较不同的传动设计方案， 常使用结构式。,对应右面转速图的结构式可写成：,式中：12表示主轴的转速级数

7、； 3，2，2分别表示按传动顺序排列各变速组的传动副数； 下标1、3、6分别表示各变速组的级比指数。,变速组的级比是指在转速图中同一变速组内相邻两传动比的比值。 用 表示。 级比指数 相当于由上述相邻 两传动线与被动轴 交点之间的相距格 数。,设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为 1，此变速组称为基本组。基本组的级比指数用 表示，即 。,后面的变速组因起变速扩大作用，所以统称为扩大组。 第一扩大组的级比指数 一般应等于基本组的传动副数，即 。,第二扩大组的作用是将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，其级比指数 等于基本组的传动副数 与第一扩大组的传动副数 的乘积，即

8、 。 如有更多的变速组，则依次类推。,符合上述级比规律的变速传动系统即称为常规变速传动系统。 上述方案是传动顺序和扩大顺序相一致的情况，若将基本组和各扩大组采取不同的传动顺序，则还有许多方案。,结构式简单、直观，能清楚地显示出变速传动系统中主轴转速级数 ，各变速组的传动顺序、传动副数 与级比指数 。 结构式的一般表达式为：,3. 结构网 将转速图画成对称形式就成为结构网，结构网中两轴间连线仅表示传动关系，而不表示实际传动比值，轴上各圆点也不表示该轴的具体转速。,a） b） 附图 卧式车床主变速传动系统转速图和结构网 a）转速图 b）结构网,结构网和转速图有一致的变速特性，一个转速图对应一个结构

9、网，但一个结构网可以对应画出很多不同的转速图。 结构网与结构式都是用于分析和比较不同的传动系统设计方案的，但结构网更直观些。,（二）变速组及其传动副数的选择 一定变速级数的分级变速传动系统，是由不同数目的变速组所组成的。 现以12级转速的分级变速传动系统为例，其组成方案可如下所示： 12=62 12=43 12=322,在选择变速传动方案时，需综合考虑以下几个方面： 1）变速组的数目； 2）传动件的数目； 3）变速箱的结构尺寸； 4）变速时是否需要互锁机构。 结论：一般情况下，每个变速组的传动副数最好取 p = 2或3。,（三）各变速组的变速范围及极限传动比 变速组的变速范围是指变速组中最大传

10、动比与最小传动比的比值。 即,参照下面转速图，各变速组的变速范围可写成,因此，变速组的变速范围一般可写成 由上式可看出，变速组变速范围 值中的指数 ，就是变速组中最大传动比的传动线与最小传动比的传动线所间隔的格数。,设计机床主传动系统时： 一般限制降速最小传动比为 ； 限制升速最大传动比为 （直齿圆柱齿轮）， （斜齿圆柱齿轮）。 由此，各变速组的变速范围相应受到限制。,主传动各变速组的最大变速范围为： 对于进给传动系统，上述限制可相对放宽为：,主轴的变速范围应等于主变速传动系统中各变速组变速范围的乘积，即 在检查变速组的变速范围是否超过极限值时，只需检查该传动系统中的最后一个扩大组即可。 从变

11、速组变速范围公式中 可看出，为使最后扩大组的变速范围不超出其允许值，其传动副数一般取 较为合适。,例1 ，检查以下两方案中各变速组的变速范围： 例2 ，检查以下两方案中各变速组的变速范围：,（四）主变速传动系统设计的一般原则 1. 传动副“前多后少”原则 当 时，令 如有下列三种主变速传动方案： 12=322，12=232，12=223， 按此原则，显然第一方案为好。,2. 传动线“前密后疏”原则（即传动顺序与扩大顺序相一致） 当 时，要求 对于12=322，可有 6 种不同扩大顺序方案： 12=312326， 12=322126， 12=322621， 12=312623， 12=34212

12、2， 12=342221。,对照分析 6 种不同结构式所对应的结构网，不难看出，第 1 种方案较其他 5 种方案为好。 因此，在设计主变速传动系统时，应尽可能做到变速组的传动顺序与扩大顺序相一致。 从结构网中可发现，当变速组的传动顺序与扩大顺序相一致时，传动线为“前密后疏”特征规律分布。,3. 变速组的降速要“前慢后快”，中间轴的转速不宜超过电动机的转速。 从电动机到机床主轴，总的趋势是降速传动，为使中间传动轴转速较高（但不宜过高），可使前面变速组降速幅度慢一些，后面降速幅度快一些，即要求,上述原则在设计主变速传动系统时一般应该遵循，但有时 还需根据具 体情况加以 灵活运用， 如卧式车床 等。

13、,在设计主变速传动系统时，为改善其传动性能，还应该注意以下几点： 1）传动链要短； 2）转速和要小； 3）齿轮线速度要低； 4）空转件要少。 综上所述，主变速传动系统的设计要点是： 一个规律，两个限制，三条原则，四项注意。,例 拟定卧式中型铣床的主传动系统的转速图。 已知主轴的转速范围为301500r/min，异步电动机的转速为1440r/min。 设计步骤如下： 1. 选定公比，确定Rn、 Z 和各级转速值； 2. 选择结构式并验算变速组的变速范围； 3. 确定是否需要增加降速的定比传动副； 4. 分配各变速组的最小传动比，拟定转速图。,例 拟定卧式中型铣床的主传动系统的转速图。 已知主轴的

14、转速范围为301500r/min，异步电动机的转速为1440r/min。 解 1.选定公比，确定Rn、 Z 和各级转速值 选 =1.26，则,表33 标准数列,查表得主轴各级转速为：30，37.5，47.5， 60， 75，95 ，118，150，190，236，300，375，475，600，750，950，1180，1500 （r/min）。,2. 选择结构式并验算变速组的变速范围 选择结构式为：18 = 313329 验算最末扩大组的变速范围 满足要求。,3. 确定是否需要增加降速的定比传动副 所设计机床主传动系统要求的总降速比为 而三个串联变速组理论上所能实现的最大降速比为 因1/64

15、1/48，故不需增加降速的定比传动副。,4. 分配各变速组的最小传动比，拟定转速图,1500(r/min) 1180 950 750 600 475 375 300 236 190 150 118 95 75 60 47.5 37.5 30,1440 (r/min),a,b,c,uc2=1 /6=1/4,uc1=3/1=2,（五）主变速传动系统的几种特殊设计 1. 具有多速电动机的主变速传动系统设计 采用多速异步电动机与其它传动方式联合使用，可简化机床的机械结构，使用方便，且可在运转中实现变速，故适用于半自动、自动机床及普通机床。,机床上常用双速或三速电动机，其同步转速为（750/1500）r/min、（1500/3000）r/min、 （750/1500/3000）r/min，电动机的变速范围为2 4。 在传动系统中，多速电动机相当于具有两个或三个假想传动副的变速组，故将其称为电变速组。,a） b） 图3-16 多刀半自动车床主变速传动系统 a）传动系统图 b）转速图,应用多速电动机