金属切削机床设计分级变速设计.ppt

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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）调整维修方便，结

2、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。其操纵方式可以是机械的、电磁的

3、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、连续变速和在负载下变速，应用越来越

4、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

5、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；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、

6、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；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

7、。,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。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

8、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）

9、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

10、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

11、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=342122，12=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，

12、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。,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

13、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，

14、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1/641/48，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)118095075060047537530023619015011895756047.537.530,1440(r/min),a,b,c,uc2=1/6=1/4,uc1=3/1=2,（五）主

15、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,应用多速电动机时，若使变速系统仍然保持连续的等比数列的转速，则要求

16、电变速组在扩大顺序中的特性仍然要遵守级比规律。电动机的变速范围为24，级比为2。当电动机变速范围为2或4时，变速传动系统采用的公比应是2的整数次方根。,多速电动机总是在传动系统的最前面，按实际传动顺序，电变速组是第一个变速组，因此，多数情况下不能满足“前密后疏”原则。多速电动机的最大输出功率与转速有关，即电动机在低速和高速时输出的功率不同。但为了使用方便，则在主轴的一切转速下，电动机功率都定为低速时的功率。,所以，采用多速电动机的缺点之一就是当电动机在高速时，不能完全发挥其能力。例 已知 n电=750/1500/3000 r/min，Z=18，=1.26。试拟定该传动方案的结构式与结构网。,2

17、.具有交换齿轮的变速传动系统设计对于成批生产中使用的机床，如自动、半自动车床，专用机床，齿轮加工机床等，在加工中一般不需要变速，或仅在较小范围内变速。但更换工件后，有可能需要变换速度。为简化结构，常采用交换齿轮变速方式，或将交换齿轮与其它变速方式组合使用。,a）b）图3-16 具有交换齿轮的主变速传动系统a）传动系统图 b）转速图,交换齿轮用于每批工件加工前的变速调整，而其他变速方式则用于加工中变速。为减少交换齿轮的数量，相啮合的两个交换齿轮可以互换位置安装，即互为主、被动齿轮，这时使用一组交换齿轮即可得到两种传动比。反映在转速图上，交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。,下图所示为三对交换齿轮

18、副变速组的转速图。,由于变速组内的最大升速比受到限制，所以当交换齿轮完全倒换时，交换齿轮变速组的变速范围R交 4 6。交换齿轮变速的优点是可以用少量齿轮得到多级转速，不需要操纵机构，变速箱结构大大简化。,缺点是更换交换齿轮时较费时费力，如装在变速箱外，则润滑和密封较为困难。交换齿轮变速组一般安放在传动系统的前面，使其处于较高转速，结构可以紧凑些。下图为铣削头的转速图及传动系统图。,图3-16 铣削头的主变速传动系统图和转速图,3.采用公用齿轮的变速传动系统设计在变速传动系统中，既是前一变速组的被动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，该齿轮称为公用齿轮。按相邻变速组内公用齿轮的数目，常用的有单公用、

19、双公用和三公用齿轮。,图3-12 采用公用齿轮的主变速传动系统图（局部）,采用公用齿轮可以减少齿轮的数目和缩短变速箱的轴向尺寸，但由于齿轮公用而导致两变速组的传动比相互牵制，给选择传动比带来一定困难，同时径向尺寸也较大。同时还应注意，相邻两个变速组中的齿轮模数必须相同。,必须注意到公用齿轮所受到的弯曲应力属于对称循环，其弯曲疲劳许用应力比非公用齿轮低，因为非公用齿轮所受到的弯曲应力属于脉动循环。所以应尽可能选择变速组内较大的齿轮作为公用齿轮。下图所示为某铣床主变速传动系统图与转速图，该主传动系统采用了双公用齿轮传动。,图3-11 采用双公用齿轮的铣床主变速传动系统图和转速图,（六）扩大传动系统

20、变速范围的方法已知主变速传动系统中最后一个扩大组的变速范围是若最后扩大组的传动副数为2，即，则,由于变速组的极限传动比受到限制，即当 时，当 时，当 时，当 时，,扩大主变速传动系统变速范围的常用方法：1.增加变速组在原有变速传动系统中再增加一个变速组，是扩大变速范围的最简便方法。由于受到变速组极限传动比的限制，所增加的变速组的级比指数往往不得不小于理论值，并导致部分转速出现重复。,右图所示为增加一个变速组后的结构网，其对应的结构式为：该传动系统变速范围可达：,例 试拟定=1.41的主变速传动系统的结构式。,2.采用背轮机构主动轴可通过离合器与同轴线的被动轴直接接合，也可通过另一轴上的两个齿轮

21、分别与主动轴、被动轴上的齿轮啮合，将运动从主动轴传至被动轴，这类机构称为背轮机构，又称单回曲机构。,图3-19 背轮机构,在设计采用背轮机构的分离传动结构时应注意：在合上离合器、用皮带直接传动主轴时，应使背轮脱开，否则，当主轴高速旋转时，经齿轮副 58/17 传动背轮轴，使背轮轴以很高的转速空转，容易引起振动、噪声和发热。,图3-12 CM6132型精密普通车床的主传动系统图,背轮机构的极限变速范围为用背轮机构作为最后扩大组，可以扩大传动系统的变速范围。,采用背轮机构的分离传动方式，常作为高速精密机床的传动结构方案。,3.采用双公比的传动系统主轴的转速数列有两个公比，中段转速采用小公比，高、低

22、段转速采用大公比。双公比变速传动系统是在常规变速传动系统基础上，通过改变基本组的级比指数演变而来的。一般应取：（n为大于 1 的正整数）,该传动系统转速图的特点为：在主轴转速范围的高、低段各出现 n 个转速空格，即这两段转速值的公比为 此时,图3-20 采用双公比的转速图,4.采用分支传动分支传动是指在串联形式变速传动系统的基础上，增加并联分支以扩大变速范围。如一串联型变速传动系统实例：，其结构式为：使主轴得到10 500r/min共 18 级转速。,另在第二变速组后增加一升速传动副，构成高速分支传动，又使主轴得到450 1400r/min的共6级高转速。本例中，该分支传动系统的结构式为：,图

23、3-20 CA6140型普通车床的主传动系统图,（七）齿轮齿数的确定1.确定变速组内齿轮齿数应注意的问题（1）齿轮的齿数和 不应过大，一般推荐（2）齿轮的齿数和 不应过小，应考虑：最小齿轮不发生根切，对于标准圆柱齿轮：,保证最小齿轮有足够的强度，应使齿轮齿槽到孔壁或键槽底部的壁厚（m为齿轮模数），即小齿轮可套装在轴上的 条件如右图所示。两轴间最小中心距应适宜。,图3-21 小齿轮的壁厚条件,（3）确定齿轮齿数时，应符合转速图上传动比的要求实际传动比与理论传动比之间允许有小的误差，由确定齿轮齿数所造成的主轴转速相对误差，一般不允许超过，即式中 主轴实际转速；主轴标准转速,2.变速组内齿轮模数相同

24、时齿轮齿数的确定确定齿轮齿数时，首先需定出各变速组内齿轮副的模数，以便根据结构尺寸判断最小齿轮的齿数或齿数和是否适宜。在同一变速组内的齿轮可取相同或不同的模数，为便于设计、制造和简化工艺，主变速传动系统中所采用齿轮模数的种类尽可能少些，一般不超过2 3种。,（1）查表法若转速图上齿轮副传动比是标准公比的整数次方，且变速组内齿轮模数相同时，变速组内每对齿轮的齿数和Sz及小齿轮的齿数可从表36中选取。,在表3-6中，横坐标是齿数和Sz(40 120)；纵坐标是传动副的传动比u(1 4.73)；表中所列值是传动副的被动齿轮齿数；齿数和 Sz 减去被动齿轮齿数就是主动齿轮齿数。表中所列的u值全大于1，

25、即全是升速传动。对于降速传动副，可取其倒数查表，查出的齿数则是主动齿轮齿数。,利用查表法确定齿轮齿数的步骤如下：1）找出在同一变速组中各齿轮副出现最小齿数的传动比；2）避免根切和结构需要，确定；3）根据，查出；4）查找满足变速组中各传动比要求的所有；5）确定合理的,并据此来决定各齿轮的齿数。,现举例说明利用查表法来确定如下图所示的 a 变速组中各传动副的齿轮齿数。,解法与步骤：1.,其中：；2.确定；3.确定；,表3-6 各种常用传动比的适用齿数（局部）,4.按u=1,1.41 和 2 查表，查出同时存在上述三个传动比的齿数和 分别有：5.取，则,（2）计算法在同一变速组内，各对齿轮的齿数之比

26、必须满足转速图上已经确定的传动比。当各对齿轮的模数相同且不采用变位齿轮时，则各对齿轮的齿数和必须相等。,依据上述条件，可列出式中，齿轮副的主动和被动齿轮齿数；i 齿轮副的传动比；齿轮副的齿数和。,由以上两式可得因此，选定了齿数和，便可按上式计算各齿轮的齿数。,3.变速组内齿轮模数不同时齿轮齿数的确定在最后一个扩大组或背轮机构中，因各齿轮副的线速度差别很大，所应传递的转矩差别也较大。为合理利用材料，在同一变速组内可采用不同的模数。但在同一变速组内通常只限于两种模数。,由于同一变速组内的各传动副的中心距必须相等：即所以 或上式中、为无公因数的整数，K 为整数。,4.三联滑移齿轮齿数的确定,在采用三

27、联滑移齿轮变速时，在确定其齿数之后，应检查其相邻齿轮的齿数关系，以确保其左右移动时能顺利通过，不致相碰。,如图所示三联滑移齿轮能顺利滑移的条件是：,故要求三联滑移齿轮的齿数为：注：三联滑移齿轮的齿数为 Z3 Z2 Z1。,三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于 4。,齿轮齿数的确定，往往需反复多次计算才能确定，合理与否还要在结构设计中进一步检验，必要时还须改变。若按传动比要求，按上述方法确定的齿数和过大以及传动比误差过大时，可采用变位齿轮的方法来凑中心距，以获得要求的传动比值。,（八）计算转速机床上的传动件在设计时应该校核其强度，决定零件强度的条件之一

28、是零件所受的载荷，而载荷则取决于零件所传递的功率和转速。机床变速传动链中的零件，有的转速是恒定的，有的转速则是变化的。下面将讨论变速传动件应根据哪个转速进行动力计算的问题。,1.机床的功率转矩特性从机械制造技术基础课程中得知，在背吃刀量和进给量不变的情况下，切削速度对切削力的影响较小。因此，作直线运动机床的执行机构，可以认为不论在什么速度下都可能出现最大转矩，即主运动为直线运动的机床主传动应属于恒转矩传动。,而执行机构作旋转运动的机床主传动链则有所不同。其主轴转速不仅取决于切削速度的高低，还取决于工件或刀具直径的大小。对于主运动为旋转运动的通用机床，其较低的转速多用于大直径的刀具或加工大直径的

29、工件，此时要求输出较大的转矩，即输出转矩与主轴转速成反比，基本上是属于恒功率的。,但由于主轴最低的几级转速常用于光整加工、车螺纹、铰大孔、精镗等，并不需要传递全部功率，即主轴一般在最低转速段所消耗的功率都较小。而主轴在高转速段又由于受到电动机功率的限制，传动件所受的转矩随转速的增高而减小。,由以上分析得知，主运动为旋转运动的通用机床主轴虽然是在很多级不同的转速下工作的，但主轴并不是在所有的转速下都传递着全部功率。机床主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为机床的功率转矩特性。,综上所述，主运动为旋转运动的通用机床主轴或传动件在传递全部功率时的最低转速，能够传递最大转矩。因此，将传递全部功率

30、时的最低转速，称为该主轴或传动件的计算转速。主运动是直线运动的机床主传动属恒转矩传动；而主运动是旋转运动的机床基本上属恒功率传动。,图3-22 主轴的功率转矩特性图,从机床的“主轴的功率转矩特性图”中可见，主轴从 nj 起至nmax间的所有转速下都能传递全部功率（即电动机为满载），而 nj 是主轴传递全,部功率时的最低转速，而其输出的转矩则随转速的增加而减少，此为恒功率区；,图3-22 主轴的功率转矩特性图,低于主轴 nj的各级转速所能输出的转矩与主轴在 nj 时输出的转矩相等，即为该机床的最大输,图3-22 主轴的功率转矩特性图,出转矩，而传递的功率则随转速的减低而减少，此为恒转矩区。,不同

31、类型机床主轴的计算转速选取是不同的。对于大型机床，由于应用范围很广，调速范围很宽，计算转速可取得高一些；对于精密机床、钻床、滚齿机等，由于应用范围较窄，调速范围较小，计算转速应取得低一些；通用机床及专门化机床可根据调查分析和测定。各类机床主轴的计算转速统计公式见表3-7。,表3-7 各类机床的主轴计算转速（部分）,2.变速传动系统中传动件计算转速的确定主轴从 nj 起至nmax间的所有转速都能传递全部功率。因此，实现上述主轴转速的其他传动件的实际工作转速也在传递着全部功率，这些传动件实际工作转速中的最低转速，就是其计算转速。,当主轴的计算转速确定后，就可以从转速图上确定其他各传动件（传动轴与齿

32、轮）的计算转速。确定顺序通常是按传动顺序由后到前，先确定传动轴的计算转速，再确定各齿轮的计算转速。,在确定传动件的计算转速时：首先找出该传动件共有几级实际工作转速；再找出其中能传递全部功率时的那几级转速；最后确定出能传递全部功率的最低转速，即为该传动件的计算转速。,【例】试确定下图所示X6132型铣床的主轴、各传动轴和齿轮的计算转速。,提高传动件的计算转速，可使其尺寸缩小、结构紧凑。因此，在主传动系统中，有某些重复转速时，应采用传动件计算转速较高的传动路线，并由操纵机构予以保证。,图3-20 CA6140型普通车床的主传动系统图及转速图,图3-20 CA6140型卧式车床传动系统图（局部）,轴

33、与轴上滑移齿轮在不同轴向位置时的组合情况,【作业】拟设计一台普通（卧式）车床的主变速传动系统。已知：=1.26，主电动机转速n电=1500r/min，主轴最低转速nmin=31.5r/min，最高转速nmax=1600 r/min。求：1.计算主轴的转速范围Rn；2.利用公式确定主轴的转速级数Z；3.用标准数列表确定主轴的各级标准转速值；4.写出三个不同的可供选择的结构式；5.确定一个合理的结构式并说明理由；6.画出一个合理的转速图；7.试画出该主变速传动系统图；8.用查表法确定第一个变速组的各齿轮齿数。9.确定主轴、各传动轴以及最末扩大组中各齿轮的计算转速。,（九）变速箱内传动件的空间布置与

34、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首先要满足机床总体布局对变速箱形状和尺寸的限制，还要考虑各轴的受力情况，装配调整和操纵维修的方便。其中变速箱的形状和尺寸限制是影响传动轴空间布置最重要的因素。,图3-23 CA6140型普通车床横截面图,主轴,轴,轴,轴,轴,各轴按三角形布置,各轴按三角形布置,、轴轴线重合,图3-24 CA6140型普通车床主轴箱展开图,各轴的布置顺序大致如下：首先确定主轴的位置；然后确定传动主轴的轴，以及与主轴有齿轮啮合关系的轴的位置；接着确定电动机轴或运动输入轴（轴）的位置；最后确定其它各传动轴的位置。为缩小箱体的径向尺寸，各传动轴常按三角形布置

35、，有时还可以使箱内某些传动轴的轴线重合。,图3-25 X6132卧式铣床主轴变速箱剖面图,主轴,床身,中间支承壁,中间支承壁,利用铣床立式床身作为变速箱体。床身内部空间较大，所以各传动轴可以排在一个垂直平面内，不必过多考虑空间布置的紧凑性，以方便制造、装配、调整和维修，以及便于布置变速操纵机构。床身较长，为减少传动轴轴承间的跨距，可在中间加一个支承墙。,2.变速箱内各传动轴的轴向固定传动轴通过轴承在箱体内轴向固定的方法有一端固定和两端固定。采用单列向心球轴承时可以单端或两端固定，但采用圆锥滚子轴承时则必须两端固定。一端固定适用于长轴，其优点是轴受热后可以向另一端自由伸长，不会产生热应力。,图3

36、-26 传动轴一端固定的几种方式（一）a）衬套和端盖固定 b）孔台和端盖固定 c）弹性挡圈和端盖固定,图3-26 传动轴一端固定的几种方式（二）d）两个弹性挡圈固定 e）轴承外圈上的挡圈 f）另一端的结构,图3-27 传动轴两端固定的方式,调整螺钉,调整垫片,调整垫片,3.齿轮在轴上的布置与排列1）滑移齿轮的轴向布置在变速组内，应尽量使较小的齿轮成为滑移齿轮，使滑移省力。有时为了使变速操作方便，将两个变速传动组的滑移齿轮都安放在同一根轴上。,滑移齿轮必须使原处于啮合状态的齿轮完全脱离啮合后，另一个齿轮才开始啮合。即要求两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度，即留有一定的间隙（=12mm）。,

37、2.一个变速组内齿轮轴向位置的排列如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸。滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，一般窄式排列轴向长度较小。,附图 滑移齿轮采用窄式排列,宽式排列占用轴向尺寸较大，以致在相同的载荷条件下，传动轴轴径需增大，轴上的小齿轮齿数增加，相应使齿数和与径向尺寸加大。因此，一般不宜采用宽式排列。,附图 滑移齿轮采用宽式排列,如前所述，三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于 4。,若相邻齿数差小于4，除了采用增加齿数和（此时径向尺寸增大）或采用变位齿轮的方法解决外，还可采用如图所示排列方案解决。,前述三级变速传动组的排列方式中转

38、速的变换顺序是混杂变换的，如果希望转速的变换能有顺序进行，齿轮排列方式如下图所示。,将三联或四联滑移齿轮拆成两组进行排列，以减少移动距离和缩小轴向长度，且对齿数差也无要求，但需要互锁装置，操纵机构较为复杂。,3.两个变速组内齿轮轴向位置的排列如图所示为两个变速组的齿轮并行排列方式，其总长度等于两变速组的轴向长度之和。,如图所示为两个变速组的齿轮交错排列方式，其总的轴向长度较短，但对固定齿轮的齿数差有要求。,若采用公用齿轮，其轴向总长度将更为缩短。如下图所示，采用公用齿轮，不仅减少了齿轮数量，还缩短了轴向尺寸。,4.缩小径向尺寸与轴间距离在强度允许的条件下，尽量选用较小的齿数和且使齿轮的降速传动

39、比大于1/4，以避免采用过大的齿轮。这样，既缩小了本变速组的径向尺寸与轴间距离，又不致妨碍其他变速传动组轴间距离。,另外，采用轴线相互重合，则径向尺寸可大为缩小。,如果一对齿轮副采用最小降速传动比 1/4，则齿轮的径向尺寸可达 5d1（d2=4d1），致使径向尺寸过大。,如果采用两对定比齿轮副串联形式，降速传动比仍为1/4，若三轴在同一平面内布置，则齿轮在该平面的径向尺寸可缩短 0.5d1，但在该平面的垂直方向上可缩短径向尺寸2d1。,如果在上述传动形式基础上，将三根传动轴按三角形布置，则无论在任何方向上，其径向尺寸都可以大为缩短。,但采用这种传动方式将增加传动件的数目。,4.各传动轴的估算和

40、验算机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度。轴在弯矩作用下，如产生过大的弯曲变形，则装在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的压强分布不均，产生不均匀磨损和加大噪声；也会使滚动轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命。,如果轴的扭转刚度不够，则会引起传动轴的扭振。所以在设计开始时，要先按扭转刚度估算传动轴的直径，待结构确定之后，定出轴的跨距，再按弯曲刚度进行验算。,（1）按扭转刚度估算轴的直径式中：K键槽系数（查表38）；A扭转角系数；从电动机到所计算轴的传动效率。,表38 估算轴径时系数A、K值,一般传动轴的每米长允许扭转角取，要求高的轴取，要求较低的轴取,（2）按弯曲刚度验算

41、轴的直径1）进行传动轴的受力分析，根据轴上滑移齿轮不同位置，选出受力变形最严重的位置进行验算。如较难准确判断滑移齿轮处于哪个位置受力变形最严重，则需要多计算几种位置。2）如情况严重时，对轴中部的齿轮处应验算其挠度，对轴两端的齿轮处应验算其倾角。还应验算轴承处的倾角。,3）按材力中的公式计算轴的挠度或倾角，并检查是否超出允许值。允许值可从表39查出。,表39 轴的刚度允许值,四、无级变速主传动系统无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变换，从而获取最有利的切削速度。（一）无级变速装置的分类机床主传动系统中常采用的无级变速装置主要有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。

42、,1.变速电动机机床上常用的变速电动机有直流复激电动机和交流变频电动机，在额定转速以上为恒功率变速，调速范围较小，一般仅为23；在额定转速以下为恒转矩变速，调速范围很大，可达 30 甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，往往在变速电动机和主轴之间串联一个机械分级变速箱。变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。,2.机械无级变速装置机械无级变速装置有柯普（Koop）型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型、宽带型等多种结构，它们都是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。由于它的变速范围小，多数是恒转矩传动，通常较少单独使用，而是与分

43、级变速机构串联使用，以扩大变速范围。机械无级变速器通常应用于要求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，更多地是用于进给变速传动中。,3.液压无级变速装置液压无级变速装置通过改变单位时间内输入油缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。它的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。液压无级变速装置常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。,（二）无级变速主传动系统设计原则1.尽量选择功率和转矩特性符合传动系统要求的无级变速装置如主传动系统的主运动为直线运动，对变速装置的要求是恒转矩传动，则应选择恒转矩传动为主的无级变速装置，如龙门刨床的

44、工作台采用直流电动机；如主传动系统要求恒功率传动，例如车床或铣床的主轴，就应选择恒功率无级变速装置，如采用机械无级变速装置、变速电动机串联机械分级变速箱等。,2.为满足机床实际需要的恒功率变速范围，应将无级变速传动装置与机械分级变速箱串联使用。无级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。为此，常把无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。,若机床主轴要求变速范围为，选取无级变速装置的变速范围为，则串联的机械分级变速箱的变速范围 应为：式中 Z机械分级变速箱的变速级数；机械分级变速箱的

45、公比。,通常，机械分级变速装置与机械式无级变速器串联使用，若机械分级变速装置的公比值 等于无级变速器的变速范围，则理论上可使机床主轴获得连续的无级调速。,图328 无级变速分级变速箱转速图,通常，无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组，其公比 理论上应等于无级变速装置的变速范围。在实际设计中，考虑到机械式无级变速器多属摩擦传动，有相对滑动现象，可能得不到理论上的转速值，故取,【例3-2】设机床主轴的变速范围 Rn60，无级变速箱的变速范围 Rd8，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 RfRn/Rd 60/8 7.5机械分级变速箱的公比为

46、（0.900.97）Rd 0.948 7.52由式（315）可知分级变速箱的级数为 Z 1+lg7.5/lg7.52 2无级变速分级变速箱转速图如图328所示。,图328 无级变速分级变速箱转速图,由于分级变速器的公比 取值小于无级变速装置的变速范围，其结果使转速中间出现一小段重复，进而确保主轴转速连续。,五、数控机床主传动系统设计特点现代切削加工正朝向高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求，如主轴转速高；调速范围大，恒扭矩调速范围达1:1001:1000，恒功率调速范围达1:10以上；功率范围达2.2250kW；能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单；噪声要小；动态性能

47、要好；可靠性要高等。,（一）主传动采用直流或交流电动机无级调速数控机床、重型机床和精密机床已广泛地采用直流或交流电动机无级调速。直流并激电动机从额定转速 nd 至最高转速 nmax，采用调节磁场电流（调磁）的方法调速，属恒功率调速；从额定转速 nd 至最低转速 nmin，采用调节电枢电压（调压）的方法调速，属恒转矩调速。普通直流电动机的额定转速 nd 为1000 2000r/min，恒功率调速范围为2 4，恒转矩调速范围达几十甚至100以上。,交流（变频）调速电动机的额定转速为1500r/min，从额定转速至最高转速属恒功率调速，调速范围为3 5；从额定转速,至最低转速属恒转矩调速，调速范围同

48、样高达几十甚至超过100。两种电动机的功率转矩特性见图。,图3-29 直流、交流调速电动机的功率转矩特性图,如果采用上述直流或交流电动机驱动作旋转运动的主轴实现无级调速，则由于主轴所要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围，因此，常用串联分级变速箱的方法来扩大其恒功率调速范围。变速箱的公比f原则上应等于电动机恒功率调速范围。如果为了简化变速机构，应取fRp，但电动机的功率应选取比要求的功率大些。,（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计在设计数控机床主传动系统时，因主轴要求的恒功率变速范围要远远大于电动机的恒功率变速范围，即，所以在电动机与主轴间要串联一个分级变速箱，以扩大

49、其功率调速范围，满足机床在低速大功率切削时对电动机输出功率的要求。,对串联分级变速箱公比 的选取有下列三种情况：1）取如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围 为则特点：功率特性图是连续的，无缺口、无重合。,【例】有一数控机床，主轴nmax=4000r/min，nmin=30r/min，nj=145r/min。最大切削功率Pmax=5.5kW，采用交流调频主轴电动机，额定转速nr=1500r/min，ndmax=4500r/min。试设计分级变速箱的传动系统并选择电动机的功率。,【解】1）取变速箱公比等于电动机恒功率调速范围，即，主轴要求的恒功率调速范围电动机的恒功率调速范围可见，取，无

50、级变速时,变速箱的变速级数如取总效率=0.75，则电动机功率（kW）可选P额=7.5kW。,附图 数控机床采用三级变速箱的功率特性图,附图 数控机床采用三级变速箱的传动系统图,若要简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比 可取大于电动机的恒功率调速范围 2）取这时，变速箱每档内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统功率特性图中将出现“缺口”，称为功率降低区。使用“缺口”范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率。,主轴的恒功率变速范围 等于 即因，使主轴的恒功率区降低了范围：在该功率降低区电动机输出的最小功率为若使该区电动机能输出额定功率，就需增大电动机的功率。,【解】2）为