机械制造装备设计-资料.ppt

第二章 金属切削机床设计 2.4 2.4 主传动系设计主传动系设计 一、主传动系设计应满足的基本要求一、主传动系设计应满足的基本要求二、主传动系分类和传动方式二、主传动系分类和传动方式三、分极变速主传动系三、分极变速主传动系上一页上一页下一页下一页退出退出返返回回主主页页四、无极变速主传动系四、无极变速主传动系返回本章返回本章五、数控机床主传动系设计特点五、数控机床主传动系设计特点第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.1 2.4.1 主传动系设计应满足的基本要求主传动系设计应满足的基本要求 （一）（一）满足机床使用性能要求满足机床使用性能要求:满足机床的运动特性，如主轴有足够的转速范围和转速技术。设计合满足机床的运动特性，如主轴有足够的转速范围和转速技术。设计合理，操作方便灵活。理，操作方便灵活。（二）（二）满足机床传递动力要求：满足机床传递动力要求：主电机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的转动主电机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的转动效率。效率。（三）（三）满足机床工作性能的要求：满足机床工作性能的要求：所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形稳定所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形稳定（四）（四）满足产品设计经济性的要求：满足产品设计经济性的要求：传动链尽可能短，零件数目要少，以便节约材料和成本。传动链尽可能短，零件数目要少，以便节约材料和成本。（五）（五）维修调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配，维修调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配，防护性好，使用寿命长。防护性好，使用寿命长。第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.2 2.4.2 主传动系分类和传动方式主传动系分类和传动方式 主传动系主传动系一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如 主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。（一）主传动系分类（一）主传动系分类 （1 1）按驱动主传动的电机类型：）按驱动主传动的电机类型：交流电动机驱动、直流电动机驱动 （2 2）按传动装置类型：）按传动装置类型：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 3）按变速的连续性：）按变速的连续性：分极变速传动、无极变速传动（二）主传动系的传动方式（二）主传动系的传动方式 集中传动方式集中传动方式：主传动系的全部传动和变速机构集中 装在同一个主轴箱内。图图11 11 分离传动方式分离传动方式：主传动系中的大部分传动和变速机构 装在远离主轴的单独变速箱中。图图1212第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （一）拟定转速图和结构式（一）拟定转速图和结构式 （1）转速图）转速图 在转速图中可以表示出传动轴的数目，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。设一中型卧室车床，其变速传动系设一中型卧室车床，其变速传动系 图图13 （2）结构式）结构式 变速组的级比变速组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值，用 表示。级比 中的指数值 称为指数，相当于上述相邻两传动线与被动轴交点之间相距的格数。（a）传动系统图）传动系统图 （b）转速图）转速图图图4-2 卧式车床主运动的传动系统图与转速图卧式车床主运动的传动系统图与转速图一、一、转速转速图图1 1、转速图的概念、转速图的概念 定义：定义：定义：定义：把各把各把各把各轴轴轴轴(包括主轴包括主轴包括主轴包括主轴)的的的的转速画在转速画在转速画在转速画在对数坐对数坐对数坐对数坐标标标标中，并把有关中，并把有关中，并把有关中，并把有关转速之间的传动转速之间的传动转速之间的传动转速之间的传动比也画出来的一比也画出来的一比也画出来的一比也画出来的一种线图。种线图。种线图。种线图。组成组成转转速速线线传传动动轴轴线线转转速速点点传传动动线线传动副：机械构架中传送动力的一个运动自由度。齿轮传动副是由两个或者两个以上的齿轮组成的传递运动和动力和一种装置，齿轮传动组合可以改变速度和扭矩。基本概念基本概念 1）变速组的级比和级比指数）变速组的级比和级比指数级比级比 x变速组中两相邻传动比的比值；变速组中两相邻传动比的比值；级比指数级比指数 x转速图上两相邻传动线相距的格数。转速图上两相邻传动线相距的格数。2）基本组和扩大组）基本组和扩大组 基本组基本组 x1的变速组。的变速组。扩大组扩大组 x1的变速组。的变速组。扩大顺序扩大顺序 变速组按变速组按 x 值由值由小到大依次排列的顺序。小到大依次排列的顺序。3）变速组的变速范围）变速组的变速范围基本组：基本组：第一扩大组：第一扩大组：第二扩大组：第二扩大组：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 2 abc1400100071050035525018012590634531.5电动机电动机 功用功用1 1）主轴各级转速的传动路线；）主轴各级转速的传动路线；2 2）传动顺序；）传动顺序；3 3）变速组数目；）变速组数目；4 4）变速组传动副数、变速范）变速组传动副数、变速范围；围；5 5）基本组和扩大组；）基本组和扩大组；6 6）传动轴数目、转速级数、）传动轴数目、转速级数、转速大小；转速大小；7 7）各各传传动动副副级级比比关关系系、传传动动比的数值；比的数值；126 25624 4822 6218 72 结构网与转速图的区别结构网与转速图的区别 1 1）结构网只表示各变速组内）结构网只表示各变速组内传动比的传动比的相对关系相对关系；2 2）结构网上代表传动比的射）结构网上代表传动比的射线常画成线常画成对称形式对称形式；3 3）结构网是）结构网是转速图的通式转速图的通式；4 4）结构网也可用结构式来表）结构网也可用结构式来表示示,即：即：123123262、结构网和结构式结构网和结构式1 1）传传动动系系统统的的组组成成情情况况 变变速速组组数数目目、各各变变速速组组的的传传动动副副数数和和各各变变速速组组的级比指数；的级比指数；2 2）传动顺序和扩大顺序；）传动顺序和扩大顺序；3 3）各变速组的传动副数；）各变速组的传动副数；4 4）各变速组的变速范围；）各变速组的变速范围；5 5）各变速组中相邻传动比）各变速组中相邻传动比的关系（级比）。的关系（级比）。结构网结构网(式式)表达的内容表达的内容123123261 1、原始依据、原始依据机床类型；机床类型；主轴最高、最低转速主轴最高、最低转速nmax、nmin；主轴转速级数主轴转速级数 Z；公比公比 ；电动机转速电动机转速n电电。二、二、主传动链转速图的拟定主传动链转速图的拟定2、具体步骤、具体步骤变速组的数目变速组的数目变速组的数目变速组的数目及其传动副数及其传动副数及其传动副数及其传动副数结构网结构网结构网结构网(式式式式)变速组传动比变速组传动比变速组传动比变速组传动比齿数或皮齿数或皮齿数或皮齿数或皮带轮直径带轮直径带轮直径带轮直径绘制转速图绘制转速图绘制转速图绘制转速图传动线传动线传动线传动线齿数或皮齿数或皮齿数或皮齿数或皮带轮直径带轮直径带轮直径带轮直径转速图转速图转速图转速图传动轴线传动轴线传动轴线传动轴线转速线转速线转速线转速线x x、r rmm第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （二）各变速组的变速范围及极限传动比（二）各变速组的变速范围及极限传动比 变速组中最大与最小传动比的比值，称为变速组中最大与最小传动比的比值，称为 该变速组的变速范围。即：该变速组的变速范围。即：（i=0，1，2，j)设计机床主传动系时，一般限制降速最小传动比最小传动比 直齿直齿圆柱齿轮的 最大升速比最大升速比 斜齿斜齿圆柱齿轮可取第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （三）主变速传动系设计的一般原则（三）主变速传动系设计的一般原则（1）传动副前多后少的原则:使主变速传动系中更多传动件在高速范围内工作，尺寸小一些，节省变速箱造价，减小变速箱外形尺寸。（2）传动顺序与扩大顺序相一致的原则：（3）变速组的变速要前慢后快，中间轴的转 速不宜超过电动机的转速 第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （四）主变速传动系的几种特殊设计（四）主变速传动系的几种特殊设计 （1）具有多速电动机的主变速传动系设计 采用多速异步电机和其它方式联合使用，可以 简化机床的机械结构，使用方便。多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图/16/16 （2）具有交换齿轮的变速传动系 交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。交换 齿轮可用较少的齿轮，得到多级转速，变速箱 结构大大简化。液压多刀半自动车床主变速传动系液压多刀半自动车床主变速传动系/17/17 （3）采用公用齿轮的变速传动系 采用公用齿轮可以减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。铣床主变速传动系图铣床主变速传动系图/11/11第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （五）扩大传动系变速范围的方法（五）扩大传动系变速范围的方法 （1）增加变速组 （2）采用背轮机构 （3）采用双公比的传动系 （4）采用分支传动 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：24312326212 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 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速范围为: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。四、双速电机传动系统四、双速电机传动系统 变速方式变速方式改变定子绕组的接线方式改变定子绕组的接线方式改变绕组磁极数改变绕组磁极数同步转速同步转速（r/min）1500/3000750/1500同步转速同步转速之比之比 电电2机床上常用的双速电动机机床上常用的双速电动机 特点及应用特点及应用场场 合合与其它变速方式联合使用，可以简化与其它变速方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方便，并能在机床的机械结构，使用方便，并能在运转中变速。适用于自动机床、半自运转中变速。适用于自动机床、半自动机床以及普通机床。动机床以及普通机床。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。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。3123电电 1.26电电 2122 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。第三章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页 3.4.3 3.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （六）齿轮齿数的确定（六）齿轮齿数的确定 对于定比传动的齿轮齿数和带轮直径，可依据机械设计手册推荐的方法确定。确定齿轮齿数时，选取合理的齿数和是很关键的。各对传动副的齿数和应该是相同的。齿轮的中心距取决于传递的扭矩。扭矩越大，中心矩越大。一般在主传动中，取最小齿轮齿数：三联滑移齿轮的最大与次大齿数之间的齿 数差应大于或等于4 4，保证滑移时不相碰。齿轮齿数确定后，还应验算转速误差：式中：n-主轴实际转速 n-主轴的标准转速 -公比 第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （七）计算转速（七）计算转速 （1 1）机床的功率扭转特性）机床的功率扭转特性 驱动直线运动工作台的这类机床的主运动属恒扭矩传动。如刨床的工作台。主运动是旋转运动的机床基本上是恒功率传动。如车床、铣床的主轴。主轴或各传动件传递全部功率的最低 转速为它们的计算转速 （2 2）变速传动系中传动件计算转速的确定）变速传动系中传动件计算转速的确定 变速传动系中的传动件包括轴和齿轮，它们的计算转速可根据主轴的计算转速和转速图确定。确定的顺序是先定出主轴的计算转速，再顺次由后往前，定出各传动主轴的计算转速，然后再确定齿轮的计算转速。第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （八）变速箱内传动件的空间布置与计算（八）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 各传动轴是空间布置（卧式车床主轴箱横截面图卧式车床主轴箱横截面图/22，展开图展开图/23）各传动轴在一个铅直平面内 （卧式铣床变速箱卧式铣床变速箱/24）（2）变速箱内各传动轴的轴向固定）变速箱内各传动轴的轴向固定 轴向固定的方法有：一端固定一端固定/25、两端固定两端固定/26。（3）各传动轴的估算和验算）各传动轴的估算和验算 按扭转刚度估算轴的直径 按弯曲刚度验算轴的直径第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.4 2.4.4 无级变速主传动系无级变速主传动系 （一）无级变速装置的分类（一）无级变速装置的分类 机床主传动中常采用的无级变速装置 有三大类：变速电动机、机械无级变速 装置、液压无级变速装置（二）无级变速主传动系设计原则（二）无级变速主传动系设计原则 （1）尽量选择功率和扭矩特性符合传动 系要求的无级变速装置。（2）无极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。第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点（一）主传动采用直流或交流电动机无级调速（一）主传动采用直流或交流电动机无级调速 （1）直流电动机无级调速）直流电动机无级调速 一般直流电动机恒扭矩调速范围较 大，达30，甚至更大；而恒功率调 速范围较小，仅能达到23。（2）交流电动机无级调速）交流电动机无级调速 一般交流电动机体积小，转动惯性 小，动态响应快；采用全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强 的超载能力，具有很宽的调速范围。第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计匹配设计 在设计数控机床主传动时，必须考虑 电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由 于主轴要求的恒功率变速范围 远大于 电动机恒功率变速范围 ，所以在电动 机于主轴之间要串联一个分级变速箱，以 扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率 切削对电动机的输出功率的要求。设计分级变速箱时，考虑机床结构的 复杂程度，运转平稳性要求等因素，变速 箱公比的选取有下列三种情况：第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计匹配设计 （1）取变速箱的公比 等于电动机的恒 功率调速范围 ，即 =，功率特 性图是连续的，无缺口和无重合。（2）若要简化变速箱结构，变速级数应少 些，变速箱公比 可取达于电动机的恒 功率调速范围 ，即 。图图31、32 第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计匹配设计 （3）如果数控机床为了恒线速切削需在运 转中变速时，取变速公比 小于电动机的 恒功率变速范围，即 ，在主传动 系功率特性图上有小段重合，这时变速箱 的变速级数将增多。图图33、34 第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续 2.4.5 2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计匹配设计 例题：例题：某数控车床，主轴最高转数 3000 r/min，最低转数 =40 r/min，计算转速 =160 r/min,采用直流电动机，电动机功率P电15kw，电 动机的额定转速为 =1500 r/min，最高转速为 3500 r/min，试设计分级变速箱的传动系统，画出其转速图。第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计匹配设计 解：解：方案一方案一：取Z=4，=2，由于 小于 ，所以转速图上有重复。方案二方案二：取Z=2，=2.84，由于 大于 ，所以转速图上有缺口。第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页未完待续未完待续2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点（三）数控机床高速主传动设计（三）数控机床高速主传动设计 提高主传动系中主轴转速是提高切削速度 最直接最有效的方法。对于高速和超高速 数控机床主传动，一般采用两种设计方式：一种是采用联轴节将机床主轴和电动机轴 串接成一体；另一种是将电动机与主轴联 合为一体，制成内装式电主轴（图图35）。（四）数控机床采用部件标准化、模块化结构（四）数控机床采用部件标准化、模块化结构 设计设计 中小型数控车床主传动系设计中，广泛采 用模块化的变速箱和主轴单元形式。第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节2.4.5 数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点（五）数控机床的柔性化、复合化（五）数控机床的柔性化、复合化 数控机床对满足加工对象变换有很强的 适应能力（即柔性），因此发展很快。（六）虚拟轴机床设计（六）虚拟轴机床设计 虚拟机床采用平台闭环并联结构，具有 刚度高，运动部件质量轻，机械结构简 单，制造成本低等优点。