机械装备制造-第三章第四节主传动系设计课件.ppt

1、机械制造装备设计机械制造装备设计 第四节第四节 主传动系设计主传动系设计 一一.主传动系统的基本要求主传动系统的基本要求 电动机 CP Zf 1 3 2 Uv Uf 1.满足机床使用性能要求。也就是要满足机床的运动特满足机床使用性能要求。也就是要满足机床的运动特性：机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。性：机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。2.满足机床传递动力要求。主电动机和传动机构能提供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。和传递足够的功率和扭矩。3.满足机床工作性能的要求。主传动中所有零部件要有满足机床工作性能的要求。主传动中所有零部件要有足够的刚度、精

2、度和抗振性，热变形特性稳定。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的要求。传动链要尽可能的少，满足产品设计经济性的要求。传动链要尽可能的少，节省材料，降低成本。节省材料，降低成本。5.调整维修方便，结构简单、合理，便于加工和维护。调整维修方便，结构简单、合理，便于加工和维护。二二.主传动系统分类和传动方式主传动系统分类和传动方式 （一）主传动系分类（一）主传动系分类 主传动系可按不同的特征来分类主传动系可按不同的特征来分类:1.按驱动主传动的电动机类型：交流电动机和直流按驱动主传动的电动机类型：交流电动机和直流电动机驱动。电动机驱动。2.按传动装置类型：机械传动装置、

3、液压传动装置、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。电气传动装置以及它们的组合。3.按变速的连续性：分级变速传动和无级变速传动。按变速的连续性：分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动：只能在一定的变速范围内得到某些转速，变速级数一般不超过2030级。特点是传动比准确，缺点是有速度损失，不能在运转中进行变速。无级变速传动：可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便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。(二二)主传动系的传动方式主传动系的传动方式 1.集中传动方式：全部传动和变速机构都集中在主轴箱内。特点：结构紧凑，但传动过程中

4、所产生的振动，将直接影响主轴的平稳性；传动件所产生的热量，使主轴产生热变形，使主轴回转中心线偏离正确位置而直接影响加工精度。这种传动方式适用于普通精度的大中型机床。M 主轴箱 2.分离式传动：主传动系中的大部分的传动和变速机构装在单独的变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式。特点：变速箱的传动件所产生的振动和热量不能直接或少传给主轴，减少主轴的振动和热变形，有利于提高机床的工作精度。M 变速箱 主轴箱 带传动(三三)分级变速主传动系分级变速主传动系 变速方式 无级变速 有级变速 有级无级(一一)拟定转速图和结构式拟定转速图和结构式 1.转速图 转速图构成等距平行竖线（表示传动轴）从

5、左到右表示传动顺序。平行横线（代表各级转速）采用对数坐标。因为故是等距的平行横线。cnnnnjjjjlglglg11 358nn指数 3 表示格数。轴上圆点：表示轴的实际转速。两轴间圆点（转速）连线（代表传动付）。I 传动付的传动比kZZu从主 其中 k：传动付升降格数：降速，取“”；升速，取“”。II 传动组的传动付数 同一圆点引出的连线。III 平行连线 表示同一传动比。即 u1。转速图的作用转速图的作用 表示传动系组成传动轴数，传动顺序，传动组数，各传动组的传动付数。主轴转速级数及构成123225002139cbauuuunn定电 各传动付的传动比 传动轴、传动组的变速范围 ku I 传

6、动轴的变速范围（指传动轴的最高最低转速比）例：RIII5510nn II 传动组的变速范围 例：213aaauuR III 两者之间的关系 RIVcbacbacbanRRRuuunuuunnnR111223minmax电电 2.变速系的变速扩大规律及结构式变速系的变速扩大规律及结构式 传动组的级比和级比指数级比：同一传动组内相邻两传动比的比值，级比用 表示。x 例 a 组：级比1aX1 级比指数：级比x的指数 x 各变速组的级比规律各变速组的级比规律 规律：依扩大顺序，后一变速组的级比指数等于它前面各传动组的传动付的乘积。基本组：级比指数X0=1第一扩大组：级比指数X1=P0（等于基本组的传动

7、付数）第二扩大组：级比指数X2=P0 P1 结构式12312326传动顺序与扩大顺序一致：12312326传动顺序与扩大顺序不一致：12233126或12322126结论：结论：通用公式Z(Pa)xa(Pb)xb(Pc)xc(Pi)xi(二二)主变速系转速图设计主变速系转速图设计 1.结构式的拟定原则结构式的拟定原则变速组的常用传动付数取2或3（双联、三联齿轮）。如是4联齿轮，会发生干涉。传动顺序安排：传动付“前多后少前多后少”主变速传动系从电动机到主轴，通常为降速传动，接近电动机的传动件转速较高，传递的扭矩T较小，因为T9550P/n，则传动件尺寸可小一些，可减少变速箱的外形尺寸。当P一定，

8、ni增大，则Ti减小，传动件尺寸减小。因此，靠近主轴转速较低，传递的扭矩较大，尺寸就较大。结论：结论：将传动付较多的变速组安排在前面，尺寸小一些，以节省变速箱的造价，减少变速箱的外形尺寸。因此：12322，12223，12232中12322方案最好。扩大顺序安排：“前密后疏前密后疏”（基前扩后基前扩后）传动顺序，扩大顺序一致：基本组在最前面，依次为第一扩大组，第二扩大组。各变速组变速范围逐渐扩大。教材P83将12312326，12322126两方案进行比较，第二种方案中间轴II轴的最低转速较低，在传递相同功率的情况下，受的扭矩较大，传动件的尺寸也就比前种方案大。从转速图上可知：当变速组的扩大顺

9、序与传动顺序一致时，前面变速组的传动线分布紧密，而后面变速组传动线分布较疏松，所以“变速组的扩大顺序与传动顺序一致”原则可简称为“前密后疏”原则。变速组的降速要“前慢后快前慢后快”，中间轴的转速不宜超过电动机的转速 从电动机到主轴之间的总趋势是降速传动，为使中间转速较高，减少传动件的尺寸，前面的变速组降慢些，后面变速组降速要快些。传动组的极限传动比和极限变速范围（升2降4的原则）2.转速图设计转速图设计 传动比的确定“前慢后快”。方法：通常是确定主轴 传动路线中各速比。转速图设计步骤 min1nn 例1：设 计 主 传 动 系，=1.4 1，n电=1 4 4 0 r/m in，nm in=3

10、1.5 r/m in，结 构 式1 2 312326。画 出 转 速 图，传 动 系 统 图。解：1）确 定 主 轴 转 速 1.4 1 1.0 66。查 P 7 3 表 3-3 得 主 轴 转 速为：3 1.5，4 5，6 3，9 0，1 2 5，1 8 0，2 5 0，3 5 5，5 0 0，7 1 0，1 0 0 0，1 4 0 0。2）分配传动比 则有：125.2定u （nI700r/min）ua1=-2，ua2=-1，ua3=0（水平）ub1=-3，ub2=0 uc1=-4，uc2=2 3）画出转速图，传动系统图（如P80）例 2：设 计 主 传 动 系，=1.5 8，n电=1440

11、r/min，n主（95950）r/min，画出转速图，传动系统图。解：1）求 Rn，Z 1095950minmaxnnRn 6lglg1nRZ 2）确定主轴转速 1.581.068。查 P73 表 3-3 得主轴转速为：95，150，236，375，600，950。结构式：63123 3）分配传动比 94.51min1144095(）电总nnu 11bauuu定 3294.0111 则有：94.0定u （nI700r/min）ua1=-2，ua2=-1，ua3=0（水平）ub1=-3，ub2=0 4)画出转速图，传动系统图 转速图：电 1440 I II III 375 600 950 236

12、 150 95 Ua1 Ua2 Ua3 传动系统图：M（三）主传动系的几种特殊设计（三）主传动系的几种特殊设计 1.多速电动机变速系设计多速电动机变速系设计（只要求双速电机，三速的不要求)(1)电传动组的变速级数和级比电传动组：双速电动机在变速传动系的最前面。多速电动机同步转速比：同步转速比为2（常用）：750/1500，1500/3000同步转速比为1.5（机床不用，主轴转速没有1.5倍的转速）：750/1000，1000/1500 电传动组 传动付数 双速：P电2，三速：P电3 级比 2minmaxnnX电 级比指数 X电（与主轴有关）1.06 1.06122 X电12（不用）1.12 1

13、.1262 X电6（不用）1.26 1.2632 X电3（第一扩大组，必须 P0=3）（常用）1.41 1.4122 X电2（第一扩大组，必须 P0=2）（常用）2 212 X电1（基本组）(2)多速电动机变速系设计 重点在确定结构式上。1500/3000 变速系 主轴 例 1：双速电机 Z8，1.41（P85 图 3-16）解：1.41，1.4122，则X电2，P0=2 结构式为：8222124 例 2：双速电机 Z12，1.26 解：1.26，1.2632，则X电3，P0=3 结构式为：12233126 电 1440 I II III 485 700 1000 345 255 125 18

14、5 90 180：180 710 36：81 45：72 25：88 59：54 315 640 2.2.具有交换齿轮的变速系具有交换齿轮的变速系 交换齿轮：相啮合的两齿轮可互换位置安装，即互为主、被动齿轮。在工件加工中，如需要更换别的转速，为了简化结构，常常采用交换齿轮变速方式。缺点：更换交换齿轮较费力费时。装在变速箱外，润滑密封较困难；装在变速箱内，则更换麻烦。转速图特点：交换齿轮传动组的传动比是对称的（成反比）。3.采用公用齿轮的变速系采用公用齿轮的变速系 公用齿轮：在变速传动系中，既是前一变速组的被动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮。采用公用齿轮，2个变速组的模数必须相同。公用齿轮轮齿受

15、的弯曲应力属于对称循环，选择较大的齿轮作为公用齿轮。优点：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。（四）扩大变速范围的方法（四）扩大变速范围的方法 例：Z=12，1.41，则结构式 12312326 校核最末扩大组的变速范围：86)12(62R8 合适 变速范围1ZnR，故有：Z12，1.41，则4541.11121ZnR Z18，1.26，则5041.11181ZnR 通用性较高的车床和镗床的变速范围一般在 140200 之间，甚至超过 200，因此要扩大变速范围。1.增加变速组（转速重合）增加变速组（转速重合）12312326 （841.11612ZR）增大变速组 2431

16、2326212 （86441.111213ZR）Z31232626 （841.11613ZR）重合级数Z Xj-Xj (Pj2)2（Xj-Xj）(Pj3)注：Xj是正常值，Xj压缩后的值 此时变速范围zznR)1(例：15313326 Z963 1731232526 Z1257 2.采用背轮机构（常用）采用背轮机构（常用）特点：两排，三根轴的变速组。高速：直传，u高1；Z1处于最右位置与Z2脱离啮合，离合器M结合，运动由主动轴I传入到被动轴III。低速：两次降速，（u低）min1/41/41/16。Z1处于最左位置与Z2啮合，经过Z1Z2 Z3Z4降速传到被动轴III。16)(max低高背uu

17、R 3.双公比传动 机床的每级转速使用的机会不相同。经常使用的转速一般是在转速范围的中段，转速范围的高、低段使用较少。主轴的转速数列有2个公比，转速范围中经常使用的中段采用小公比，不经常使用的高、低段用大公比。双公比变速传动系是在常规变速传动系基础上，通过改变变速组的级比指数演变而来的。方法：把基本组（P02）级比指数 X0增大到 X012n，则高低端各出现 n个空格（n个大转速值）。特点：2小大，nznR21）（双）（例：8222425 21 2218）（nR 1232232621 12112）（nR 扩大了转速范围（五）齿轮齿数的确定（五）齿轮齿数的确定 例：图 313bP80的变速组 a

18、 有 3 个传动付，传动比分别为：ua3=1，ua2=1/1.41，ua1=1/2。查表 36 有：ua3=1 Sz。60，62，64，66，68，70，72，74。ua2=1.41 Sz。60，63，65，67，68，70，72，73，75。ua1=2 Sz。60，63，66，69，72，75。符合条件的有 Sz60，72，如取 72。查出齿数为 36、30、24。对应的齿数为 36、42、48。2.中心距的确定中心距的确定 中心距取决于传递的扭矩。对降速传动系，越到后面变速组传动的扭矩越大，因此中心距就越大。3.模数模数m的选取的选取 不能太小：齿轮经不起冲击，易磨损。不能太大：齿数较少（

19、d=mz），如最小齿轮齿数Z17，产生根切现象，最小齿轮也可能无法安装在轴上。齿轮装在轴上的条件如图3-21P90所示，壁厚a2mm，以保证齿轮具有足够的强度。当三联滑移齿轮左移时，齿轮42将从24滑移过去，要使42和24齿轮外圆不相碰，齿顶圆半径之和中心距a。采用三联滑移齿轮，应检查滑移齿轮之间的齿数关系，必须满足条件：Zmax-Z次大4（保证滑移时，齿轮外圆不相碰）36 24 48 30 36 42(六六)计算转速的确定计算转速的确定（重点）切削螺纹、铰孔、精车等使用主轴转速较低的低速段，消耗的功率较小，计算时如按传递全部功率计算，将会使传动件的尺寸增大，造成浪费。1.机床的功率扭矩特性机

20、床的功率扭矩特性进给运动：恒扭矩传动即在各种进给速度下，都允许传递额定扭矩(最大扭矩)。主运动：恒功率传动即主轴在各种速度（大部分速度）下，都允许传递额定功率（全功率）。2.2.计算转速的计算转速的jn概念概念 计算转速的jn：主轴传递全功率的最低转速。jn作用：用于确定允许传递的最大扭矩。（jnPT9550）确定jn：查表 37P92 3.主轴的功率扭矩特性 jnPT9550max，Tmax一定，P 线性变化。n r/min T P I II nmin nj nmax T P 恒功率区：njnmax，主轴从计算转速到最高转速之间应传递全部功率，而其输出扭矩随转速的降低而增大。工作能力受功率限

21、制，传动件尺寸有余地。恒扭矩区：nminnj，工作能力受限于 Tmax，电机功率有余地。不同类型机床主轴计算转速的选取是不同的：i 大型机床：应用范围广，调速范围宽，jn可取高一些。ii 精密机床：应用范围窄，调速范围小，jn可取低一些。各类机床主轴计算转速的统计公式见表 37。4.传动件的计算转速传动件的计算转速 传动件jn是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，再顺次由后向前，定出各传动轴的计算转速，再确定齿轮的计算转速。顺序：主轴jn 各传动轴jn 齿轮付 jn 定义：传动件传递全功率的最低转速。例1：图313车床，求各传动件的计算转速。电 1440 I II

22、 III 710 1000 1440 500 355 250 24：48 30：42 36：36 180 125 31.5 45 63 90 IV 42：42 22：62 60：30 18：72(1)主jn轴 查表 37，车床jn是三分之一转速范围内的最高一级转速，则 jn 4n90r/min(2)中间轴jn nIII125 r/min nII355 r/min nI710 r/min(3)齿轮付jn 齿轮付 C B A 18/72 60/30 22/62 42/42 24/48 30/42 36/36 jn 355/90 125/250 355/125 355/355 710/355 710

23、/500 710/710 例2：图316P85，确定主轴，各传动轴和齿轮付的计算转速（多刀半自动车床）。电 1440 I II III 485 700 1000 345 255 125 185 90 180：180 710 36：81 45：72 25：88 59：54 315 640(1)主轴jn 查表37，车床jn是三分之一转速范围内的最高一级转速，则 jn185r/min(2)中间轴jn nII315 r/min nI710 r/min(3)齿轮付jn 齿轮付 B A 25/88 59/54 36/81 45/72 jn 640/185 315/345 710/315 710/。作业2.

24、某机床主轴转速为n1001120r/min，转速级数Z8，电动机转速n电1440r/min，试设计该机床主传动系，包括拟定结构式和转速图，画出传动系统图，求各轴和各齿轮副的计算转速。3.已知n1=25r/min，=1.41，Z=13，n电720/1440 r/min，写结构式，画出转速图，传动系统图，求各轴和各齿轮副的计算转速。变速箱各传动轴的轴向固定传动轴两端固定1压盖 2 调整螺钉 3锁紧螺母四四.无级变速主传动设计无级变速主传动设计（一）无级变速装置的分类（一）无级变速装置的分类 1.无级变速：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。2.变速电动机 变速电动

25、机：直流复励电动机（少用）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23。在额定转速以下为恒扭矩变速，调速范围很大，可达30甚至更大。这样不能满足机床的使用要求，为了扩大恒功率调速范围（研究方向），在变速电动机和主轴之间串联一个分级变速箱。1.无级变速：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。2.变速电动机变速电动机：直流复励电动机（少用）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23。3.机械无级变速装置 包括柯普型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型、宽带型等。都是利用摩擦力传递扭矩，连续的改变摩擦传动付工作半径来实现无级变速，多数是恒扭矩传动

26、，与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围。用途：它主要用于功率和变速范围较小的中小型车床、铣床的主运动。更多的是用于进给变速传动中。4.液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。（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.变速器的功率扭矩特性与传动链匹配变速器的功率扭矩特性与传动链匹配进给运动（直线运动）：选择恒扭矩变速器回转主运动：选择恒功率变速器 2.满足变速范围满足变速范围 扩大变速范围方法：后串有级变速组。无级变速器 有级变速 主轴 无级变速作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组，理论上其公比dfR，由于机械无级变速装置属

27、于摩擦传动，有相对滑动现象，得不到理论上的转速，取dfR)97.090.0(。有级变速组f，z的确定：minmaxnnRn，1zffR，fdnRRR 1zffdnRRR 12aafuu ffRzlglg1 dfR 无 主轴 ua2 ua1 dfR dR dR dfR（有缺口）dfR（有转速重合）无 主轴 dR dR ua2 ua1 dR n1 n2 得不到 这 段 转速 dR 无 主轴 ua2 ua1 dR f 转速重合 例 3-2，P98，已知 Rn=60，Rd=8,求 Rf，f，z 机械分级变速箱的变速范围为：5.78/60dnfRRR 机械分级变速箱的公比为：dfR)97.090.0(0

28、.94*87.52 机械分级变速箱的级数为：252.7lg5.7lg1lglg1ffRz 五五.数控机床主传动设计数控机床主传动设计(一一)主轴无级调速电机主轴无级调速电机 1.直流电动机无级调速直流电动机无级调速从最低转速nmin到额定转速：调节电枢电压，属恒扭矩调整。满足低速切削要求。从额定转速到最高转速：改变电流进行调速，属于恒功率调整。一般直流电动机调速范围很小，现在很少使用。2.交流电动机交流电动机使用较好，调速范围大。(二二)扩大主轴恒功率变速范围方法扩大主轴恒功率变速范围方法 1.串接有级变速机构串接有级变速机构 不打滑，取dpfR（恒功率调速范围）fnpzfnpzfdpnpRzRRRlglg1 如果 Z2.4，取 2（取 3 结构复杂），此时将增大f 增大f，减少 Z 情况（dfR）问题：功率特性图上有“缺口”。措施：适当增加电机功率，使 Rdp增大到dpR，且fdpR。缺口实际功率：在 n1n2区电机恒扭矩区，功率与转速成正比。fdpdpfRPPRnnPP电缺缺电12 例书上 P101某加工中心。dpfR（增大 Z。有转速重合）1zffdpnpRRR 例 3-3 书上 P101