第8章传动系统设计

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1、第八章 传动设计机械制造装备设计 本章重点有级变速传动系统的设计原则转速图拟订步骤常见有级变速传动系统分析难点有级变速传动系统的设计原则机械制造装备设计 机床的传动系统组成 表面形成运动传动系统 辅助运动传动系统机械制造装备设计 1. 表面成形运动传动系统表面成形运动：传动工件或刀具作母线和母线运动轨迹。组成部分： 主运动切下切屑的运动进给运动维持切削运动连续进行的运动切入运动使工件表面逐步达到规定尺寸的运动机械制造装备设计 2. 辅助运动传动系统作用：使加工过程正常进行如快速趋近、快速退出，刀具和工件的自动装卸和夹紧分度运动、控制运动、校正运动等机械制造装备设计 第一节 有级变速主传动系统的

2、组成和要求第二节 有级变速主传动系统设计第三节 计算转速第四节 无级变速系统第五节 进给传动系统概述第六节 内联传动链设计原则第七节 其他设计注意事项机械制造装备设计 第一节 有级变速主传动系统的组成和要求 机械制造装备设计 主运动的有级变速主传动系统：实现机床的主运动主运动变速目的：适应各种工艺要求实现运动变速：液压传动、电气传动常用机械变速：无级变速、有级变速常用：有级变速的齿轮传动机械制造装备设计 齿轮变速箱特点优点：变速范围大，传递功率大，传动比准确，工作可靠等。缺点：不能实现无级变速，齿轮传动不够平稳，结构复杂，不宜用于高速精加工机床上。机械制造装备设计 主传动系统的功用电动机的恒定

3、转速 主轴各级转速实现变速的同时，传递扭矩机械制造装备设计 主传动系统的组成部分。固定传动比结构变速机构 主轴、主轴支承、传动件开停装置 制动装置 换向装置操纵机构润滑装置机械制造装备设计 主传动系统设计要求转速范围和变速级数功率、扭矩、传动效率精度、刚度、抗振性、热变形自动化程度、生产率操作灵活，安全可靠，维修方便。制造方便，成本便宜。机械制造装备设计 第二节 有级变速主传动系统设计机械制造装备设计 有级变速主传动系统设计 一、转 速 图 二、变速的基本规律 三、结构网和结构式 四、转速图的拟定 五、齿轮齿数的确定 六、齿轮的布置 七、扩大变速范围的几种方法机械制造装备设计 运动参数如转速范

4、围、公比基本确定，如何设计传动系统？通常采用转速图使用转速图：直观表达各轴转速的变化、传动副的速比关系机械制造装备设计 已知：Rn、Z、解决：几根传动轴 几对齿轮 每对齿轮的传动比 齿轮齿数方法：转速图、结构式、结构网机械制造装备设计 X2010龙门铣床传动系统图转速图机械制造装备设计 机械制造装备设计 机械制造装备设计 一、转 速 图竖直线代表传动系统的各轴，从左到右依次标注、， 距离相等并不意味着中心距相等横直线与竖直线的相交点(用圆圈表示)，用来代表各级转速。机械制造装备设计 相邻两轴之间的相应转速的连线：传动副的传动比。传动比的大小以连线的倾斜方向和倾斜度表示 从左向下斜：降速传动 向

5、上斜： 升速传动 水平连线： 等速传动机械制造装备设计 X2010龙门铣床第一变速组(II-III轴)，三对齿轮机械制造装备设计 第二变速组(III一IV轴)，二对齿轮机械制造装备设计 第三变速组(IV-V轴)，二对齿轮机械制造装备设计 等比数列相乘=等比数列？等比数列110，12.5，16等比数列210，20，40两个等比数列相乘： 100，125，160，200，250，320，400，500，640机械制造装备设计 二、变速的基本规律1. 变速系统的变速级数=各变速组传动副数的乘积传动顺序电动机 主轴传动的先后排列pa、pb、pc、pm分别代表各变速组的变速级数和相应的传动顺序，主轴的变

6、速级数Z为： Z=papbpcpm机械制造装备设计 2. 总变速范围=各变速组变速范围的乘积 变速组的变速范围 = 最大传动比和最小传动比之比总变速范围 = 各变速组变速范围的乘积机械制造装备设计 3. 变速组的传动比之间的关系 变速组内相邻传动比之间的比值级比x0级比的指数x0变速组的级比指数转速图中相邻传动比相间隔的格数机械制造装备设计 基 本 组第一变速组，相邻传动比=1：2，即x0=1三个传动比的连线相隔一格变速后，III轴可以得到三级连续等比数列的转速，即500、630、800。x0=1的变速组 “基本组”或“基本变速组”。机械制造装备设计 第二变速组x1 该变速组的级比指数，x1=

7、3相邻传动比之间相差3倍第IV轴得到6级连续的等比数列第二变速组的作用：将基本组的变速范围进行第一次扩大第一扩大组机械制造装备设计 第三变速组x2该变速组的级比指数，x2= 6相邻传动比之间相差6倍第V轴可以得到322= 12级转速第二次把基本组的转速范围扩大第二扩大组机械制造装备设计 扩大顺序按扩大转速范围过程而排列的基本组、第一扩大组、第二扩大组的排列顺序机械制造装备设计 等比数列1：10，14等比数列2：20，40两个等比数列相乘： 200，280，400，560机械制造装备设计 等比数列1：10，12.5，16等比数列2：10，20，40两个等比数列相乘： 100，125，160，20

8、0，250，320，400，500，640机械制造装备设计 等比数列1：10，14，20，28等比数列2：20，80两个等比数列相乘： 200，280，400，560，800，机械制造装备设计 变速规律机械制造装备设计 级比规律基本组级比 x0 x0=1第一扩大组级比 x1 x1= p0第二扩大组级比 x2 x2= p0 p1第三扩大组级比 x3 x3= p0 p1 p2第j扩大组级比xj xj= p0 p1 p2pj-1机械制造装备设计 变速组的变速范围r基本组的变速范围r0：第一扩大组的变速范围r 1机械制造装备设计 第二扩大组的变速范围r 2：同理，第j 扩大组变速范围rj机械制造装备设

9、计 正常传动系统结论：以基本组为基础，通过第一、第二、扩大组把各轴的转速级数和变速范围逐步扩大，且各变速组相邻传动比之间又遵循级比规律，则机床传动系统的转速数列是连续的等比数列机械制造装备设计 P0、P1、P2、P3、P4Z=P0P1P2P3P4R=r0r1r2r3r4 机械制造装备设计 三、结构网和结构式机械制造装备设计 结构网结构网：转速图的对称形式二轴间连线: 仅表示传动关系轴上各圆点: 不表示该轴的具体转速转速图有一致的变速特性，一个转速图对应一个结构网一个结构网可以画出很多不同的转速图机械制造装备设计 结构式结构网又可以简化为结构式结构式：专门用来表示变速系统特性的式子机械制造装备设

10、计 结构式： 12=31232612-转速级数3、2、2-变速组的传动副数和传动顺序1、3、6各变速组级比指数x0，x1，x231-基本组x0=1，p0323-第一扩大组, x13、p1226-第二扩大组，x 2=6，p2= 2机械制造装备设计 各组变速范围分别为2、3、6等，它和结构网一样只表示变速特性的相对关系。机械制造装备设计 四、转速图的拟定任务：为了寻找最佳的变速系统方案步骤： Rn、z、变速组数及其传动副数结构式或结构网。结构式(结构网)转速图分配传动比传动比齿轮的齿数传动系统图机械制造装备设计 1. 变速组及其传动副数的选择一定变速级数的变速系统可由不同数目的变速组组成减少变速组

11、数目：缩短传动链总变速级数Z一定增加各变速组内传动副数目p并且降速过快齿轮径向尺寸增大机械制造装备设计 12级 1)1262 需26=8对齿轮 2)1243 7 对 3)12=322 3十22= 7对机械制造装备设计 主轴最低转速，一般比电动机转速低得多如果采用p=2或3时，达到同样的变速级数变速组相应增加，这样可以利用变速的传动比兼起降速作用减少专门用于降速的定比传动副。机械制造装备设计 2. 结构式或结构网的选择改变排列顺序，可得到不同方案如12级转速，按传动顺序排列有： 12 322 12 = 232 12 223机械制造装备设计 1) 传动副的“前多后少”原则传动副数较多的变速组安排在

12、前面，传动副数较少的在后面当Z =papbpcpm 时, 令 papbpcpm 电动机转速高于主轴的大多数转速，变速系统以降速传动居多根据转矩公式(单位Nm) T= 9550P/n 机械制造装备设计 T= 9550P/n传递功率P一定转速较高扭矩小传动件(如轴、齿轮)的尺寸小传动副数较多的变速组在前面的高速轴上，可节省材料，减少传动系统的转动惯量。以12级变速系统为例，应选择结构式 12322机械制造装备设计 2) 传动副的“前紧后松”原则 变速组的扩大顺序与传动顺序一致。当Zpapbpcpj时, x0x1x2xj 传动顺序中：基本组第一扩大组第二扩大组第j扩大组“前紧后松”原则机械制造装备设

13、计 在转速图上表现为前面变速组传动比连线分布较密，后面变速组传动比连线分布疏松目的：使前面的各轴转速范围较小提高该轴的最低转速减少传动件尺寸降低该轴的最高转速降低噪声和振动机械制造装备设计 12= 322的六种方案 12=312326 12=312623 12=322126 12=342122 12=322621 12=342221机械制造装备设计 机械制造装备设计 机械制造装备设计 机械制造装备设计 12=312326扩大顺序与传动顺序一致机械制造装备设计 3) 变速组的变速范围810降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制，u min= 1/4；避免被动齿轮的直径过大升速传动比最大值umax

14、2(斜齿传动umax= 2.5)，尽量减少振动和噪声各变速组的变速范围r=810之间机械制造装备设计 最后扩大组的变速范围最大只需要检查最后扩大组的变速范围不超过限制范围第j 扩大组变速范围rj机械制造装备设计 如Z=18，1.2618313329最后扩大组变速范围 r2=(pj-1)xj= (2-1)9=8合格机械制造装备设计 方案18313623最后扩大组变速范围 r2=(pj-1)xj=(3-1)x6 =12 =168不合格机械制造装备设计 3. 分配传动比，合理安排降速较好的结构式方案绘制转速图合理分配各传动副的传动比当变速系统是降速传动时，要求各中间轴转速适当安排高一些，以减少传动件

15、的尺寸机械制造装备设计 绘制转速图时的注意点：各传动副的最大、最小传动比应尽可能不超出极限传动比umax和 uminuaminubmin ucmin ，而且最后扩大组的umin一般取极限值，这是在降速传动时采取“前缓后急”(前慢后快)的原则选用标准的传动比，传动比尽量取公比的整数次方，即 u= E(E为整数)机械制造装备设计 机械制造装备设计 机械制造装备设计 机械制造装备设计 4. 举例拟定万能卧式中型铣床的主传动系统的转速图主轴的转速范围为301500r/min异步电动机的转速1440r/min机械制造装备设计 1) 选定公比 选定公比，定转速级数Z和各级转速中型通用机床，常用为1.26或

16、1.41，本例选定 = 1.26。 Rn =nmax/nmin = 1500/30= 50Z=1+lgRn/lg1+lg50/lg1.26=17.9，取Z=18机械制造装备设计 转速数列：30， 37.5，47.5，60， 75，95， 118， 150， 190，235，300，375， 475， 600，750，950，1180，1500机械制造装备设计 2) 选择结构式确定变速组和传动副数目 18= 332确定各变速组的排列次序 根据“前多后少”的原则 选择18= 332的方案机械制造装备设计 确定变速组的扩大顺序。 根据“前密后疏”的原则，选择结构式 18= 313329验算最后扩大组

17、的变速范围，在允许的变速范围之内 r2=(pj-1)xj=91 =8机械制造装备设计 机械制造装备设计 3) 是否需要增加降速的定比传动副总降速比为30/1450=1/48，最小降速比为1/4，则总降速比为1/64，不需增加降速的定比传动副为使中间的二个变速组降速缓慢，减少结构的径向尺寸，在轴I到轴II间增加一对26/54的降速传动有利于变型机床的设计机械制造装备设计 机械制造装备设计 4) 分配各变速组的最小传动比, 拟定转速图轴 IV-V 的最小传动比：主轴上的齿轮希望大一些，能起到飞轮的作用，最后一个变速组的umin取极限值1/4，公比=1.26，1.266=4，其余变速组的umin根据

18、“前缓后急”的原则。画出各变速组的传动比连线按基本组的级比指数x0=1，第一扩大组的级比指数x1=3，第二扩大组级比指数x2=9，画出各变速组的传动比连线，画出全部传动比连线。机械制造装备设计 机械制造装备设计 机械制造装备设计 机械制造装备设计 5. 齿轮齿数的确定转速图变速组的传动比传动副的齿轮齿数皮带轮的直径等确定齿数时注意：齿轮的齿数和Sz常选用在100之内一般推荐Sz 100120。 同一变速组中的各对齿轮，其中心距必须保证相等。 机械制造装备设计 不产生根切的最小齿轮齿数。 对于标准齿轮， Z min 18 20 应保证最小齿轮装到轴上或套筒上具有足够的强度。为保证轮齿受力后和热处

19、理之后，齿根部分不致于断裂，一般推荐a2m机械制造装备设计 保证主轴的转速误差在规定范围之内。机械制造装备设计 1) 同一变速组内模数相同时为了便于设计和制造，齿轮模数的种类尽可能少。同一个变速组采用相同的模数机械制造装备设计 (1)计算法各对齿轮模数相同，不采用变位齿轮，则各对齿轮的齿数和也必然相等 zj +zj= sz=常数 zj/ zj = uj机械制造装备设计 找出不产生根切的最少齿Z min 确定最合适的齿数和Sz根据传动比，确定其它齿轮的齿数机械制造装备设计 举 例zmin在降速比最大的传动副u1中，即z1=zmin若取z1=24，则z1=242=48 Sz=24+48=72机械制

20、造装备设计 机械制造装备设计 (2)查表法 表8-1横行Sz 表示齿数和纵列u 表示一对齿轮的传动比表中间的数值 表示一对小齿轮齿数。当u1时，升速传动，小齿轮为从动轮。当u1时，降速传动，小齿轮为主动轮，用传动比u的倒数来查表。小齿轮齿数Sz-小齿轮齿数=大齿轮齿数。表中空白格，表示没有合适的齿数。机械制造装备设计 u1=1/2，u2=1/1.41，u3=1。查表的步骤如下：在u1、u2、u3中找到出现zmin的传动比u1。避免根切和结构设计需要，取Zmin = 22。找出u1=1/2的倒数2一行中找到Zmin = 22时，查到Smin66。找出可能采用的齿数和Sz各种数值。必须同时满足各传

21、动比要求Sz= 72，84，90，92，100，。机械制造装备设计 确定合理的齿数和 Sz ，并根据它决定各齿轮的齿数。Sz= 72由u1=2.00的一行中找出z124， 则z1 = Sz - z1= 72-24= 48；由u2= 1.41的一行中找出z2= 30， 则z2 = Sz - z2= 72-30= 42；由u3= 1的一行中找出z3= 36， 则z3 = Sz z3= 72-36=36。机械制造装备设计 Z1-Z 24三联滑动齿轮块要保证左右滑移时能顺利通过。当三联齿轮块由中间向左移动时，必须保证齿轮z2的齿顶不碰撞z1的齿顶当z1 z2 z3 时，要求z1-z24三联齿轮的最大齿

22、轮与相邻的次大齿轮之间的齿数差应大于4机械制造装备设计 机械制造装备设计 Z1-Z2=4 可使次大齿轮的齿顶圆减小一点Z1-Z2 Kpntmax，则取Kpnt= Kpntmax，零件为无限寿命状态； 3) 对于低速转动件，有可能Kpnt Kpntmin，则取Kpnt= Kpntmin，零件须进行静强度校核； 4) 对Kpntmin Kpnt Kpntmax，按实际计算系数计算，零件为有限寿命状态。机械制造装备设计 二、主轴箱温升 主轴箱的温升无法完全避免，只能做到合理控制，其影响主要包括： 改变各执行器官的相对位置 改变主轴的相对位置 改变轴承间隙 改变润滑条件机械制造装备设计 1. 热平衡和

23、温度场 同一时间内，如果机床发热量等于散热量，则达到了热平衡状态。 达到热平衡时间很长，常见的通用机床往往用每小时温升降低到某个限值，就认为机床达到了热平衡，这个时间一般需要机床连续运行23小时才能达到。 达到热平衡的机床，其主轴箱内温度分布不均匀，轴承、齿轮、油池等处的温度较高，其他不发热的部位温度较低，形成一个温度场。机械制造装备设计 2. 主轴箱温升计算 1) 传统估算：根据热传导的原理，效率损失产生的发热量加热各处零部件，构成它们的温升。据此，可根据热传导规律，核算或估算热传导系数、散热面积、时间常数、散热系数等计算温升。 2) 现代计算：根据热传导的原理，使用有限元方法计算实时温度场，进而获得各处的温升值和其变化规律以便针对不同的规律提出有针对性的解决措施。机械制造装备设计 3. 减少热变形的措施 1) 尽量不发热：这是根本措施； 2) 加强散热和隔热：这是可行措施； 3) 使温升分布均匀，各处热变形一致。机械制造装备设计