机械制造装备设计机床的传动设计.ppt

2023年2月7日,机械制造装备设计,第二章 机床的传动设计,第二章 机床的传动设计,概 述 机床主传动系组成及分类 第一节 分级变速主传动系统设计 第二节 扩大变速范围的传动系统设计 第三节 计算转速 第四节 进给传动系统设计 第五节 结构设计,主要概念 转速图、级比、级比指数、基本组、第一扩大组、第二扩大组、级比规律、转速图的拟定原则等。,第二章 机床的传动设计,主要内容 分级变速主传动系及其转速图设计；,5）满足机床结构性能要求 主传动系统调整维修方便，结构简单合理，便于加工和装配。,一、主传动系设计的基本要求,1）满足机床使用性能要求 满足机床的运动特性，设计合理，操纵方便、迅速、安全可靠。,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转矩，传动效率较高。,3）满足机床工作性能的要求 主传动系所有零部件应有足够的刚度、精度和抗振性。,4）满足机床经济性的要求 主传动链简短，传动件数目少，以节省材料，降低成本。,概 述 机床主传动系统的组成及分类,主传动系由动力源（电动机）、变速装置、执行件（主轴、刀架）、启动、停止、换向和制动机构组成。,二、主传动系的组成、分类和传动方式,（1）按驱动电机类型分类,2.主传动系分类,1.主传动系组成,概 述 机床主传动系统的组成及分类,（2）按传动装置类型分类 机械传动、液压传动、电气传动和组合传动。,（3）按变速的连续性分类 分级变速主传动、无级变速主传动,分级变速主传动 利用滑移齿轮、交换齿轮和离合器实现变速，在一定的变速范围内得到级数为Z2030 的转数。特点 传递功率大，变速范围广，传动比准确。但有速度损失，不能在工作中变速。广泛应用于中小型通用机床或专用机床。,概 述 机床主传动系统的组成及分类,滑移齿轮,机械无级变速装置 结构简单、使用可靠。常用于中小型车床、铣床的主传动。,液压无级变速装置 传动平稳、运动换向冲击小，易于实现直线运动。常用于直线主运动机床如拉床、刨床的主运动。,电气无级变速装置 采用交流变频调速电动机，简化结构，能实现自动、连续和负载下变速。常用于数控机床的主传动。,无级变速主传动 可在变速范围内，在运转及负载下连续而自动改变转速。特点 便于保持恒定的切削速度，满足生产效率和加工质量的要求。,概 述 机床主传动系统的组成及分类,（1）集中传动方式,主传动及其变速传动机构集中在同一个主轴箱内的传动方式。,如图，某铣床主变速传动系，其利用立式床身作为变速箱体，主传动及变速机构都装在床身中。优点：结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便。,3.主传动的传动方式,概 述 机床主传动系统的组成及分类,缺点：在主传动系中，高速运转的传动件在运转过程中所产生的振动和热变，会直接影响主轴的运转平稳性，使主轴产生热变形和回转轴线偏离，而影响加工精度。,应用：主要用于普通精度的大、中型机床。,概 述 机床主传动系统的组成及分类,（2）分离传动方式,主传动系大部分的传动件和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中，通过带传动将运动传到主轴箱。,如图，C6132型车床主传动系。主轴箱中只装有主轴和背轮机构。特点：变速箱各传动件所产生的振动和热量不直接传给或少传给主轴。有利于提高主轴的工作精度。,概 述 机床主传动系统的组成及分类,根据已确定的主变速传动系的运动参数和动力参数 1）拟定传动结构式；2）拟定传动系转速图；3）分配各变速组及各传动副的传动比；4）确定齿轮齿数和带轮直径；5）绘制主变速传动系统图。,机床分级变速主传动系统设计内容,第一节 分级变速主传动系统设计,1.转速图的概念 表示传动轴的数目，传动轴之间的传动关系，主轴的各级转速值和传动路线，各传动轴的转速分级和转数值，各传动副的传动比等。,一、转速图,转数图是设计和分析分级变速主传动系统的一个重要工具。,第一节 分级变速主传动系统设计,2.转速图的组成,转速点 表示主轴和各传动轴的转速值(对数值)的小圆点。,转速线 间距相等的水平线。相邻转速线间距为lg。,传动轴线 距离相等的铅垂线。从左到右按传动顺序排列。,传动线 传动轴间转速点的连线，表示两轴间一对传动副的传动比。一个主转速点引出的传动线数目，代表两轴间的传动副数。,转速图,第一节 分级变速主传动系统设计,例：一中型车床，主轴转速级数 Z=12，公比=1.41，主轴转速 n=31.5 1400 r/min，如图示。,第一节 分级变速主传动系统设计,第一节 分级变速主传动系统设计,按动力的传递顺序，变速组依次设为第一变速组、第二变速组、第三变速组，分别用a、b、c表示。传动副数用P 表示，变速范围用r 表示。,1）级比 变速组中两相邻的转速或两相邻的传动比之比。级比用公比幂形式表示，如 3 2）级比指数 是级比的幂指数，用x 表示。如级比 3中的幂指数为 x=3。,3.转速图原理,第一节 分级变速主传动系统设计,第一变速组 a（轴-之间）Pa=3；传动比分别是,在转速图变速组a中 三条传动线分别是：下降2格，下降1格，水平。,即 级比为，级比指数为 xa=1。,第一节 分级变速主传动系统设计,3）基本组 是指级比等于公比或级比指数等于1的变速组。其传动副数用P0 表示，级比指数用x0 表示。,如图：第一变速组a为基本组，P0=3，x0=1。变速范围为,传动系经过基本组的变速，使轴得到P0（3级）级等比数列转速。,第一节 分级变速主传动系统设计,第二变速组b（轴-之间）Pb=2，其传动比分别是：,传动线Lb1下降三格，Lb2 水平。级比为 3，级比指数 xb=3。,传动线 Lb2 的最低转速点必须与Lb1的最低转速点相距P0=3格，才能使轴得到连续不重复的等比数列转速。级比指数为 xb=P0=3,传动线 Lb1 可作P0=3条平行线。,第一节 分级变速主传动系统设计,图中，第二变速组b 即为第一扩大组，P1=2，x1=3=P0，其变速范围为：,传动系经第一扩大组后，轴得到P0 P1 级连续而不重复的等比数列转速。,4）第一扩大组 是指级比指数等于基本组传动副数的变速组。其传动副数用P1 表示，级比指数用x1 表示。,第一节 分级变速主传动系统设计,第三变速组 c（轴-之间）Pc=2，传动比分别是:,传动线 Lc1下降4格、Lc2 上升 2 格。级比为 6，级比指数为 xc=6。,传动线Lc1 可作P0P1 条平行线。传动线Lc2 的最低转速点与Lc1 的最低转速点相距P0P1 格，使轴得到连续而不重复的等比数列转速。级比指数为,第一节 分级变速主传动系统设计,5）第二扩大组 是指级比指数等于P0P1 的变速组。其传动副数、级比指数、变速范围分别用P2、x2、r2表示。,变速组c为第二扩大组，P2=2，x2=x1P1=P0P1=6，变速范围为,传动系经第二扩大组的扩大，轴得到Z=322=12 级连续等比数列的转速，总变速范围为：,第一节 分级变速主传动系统设计,小结 扩大顺序 是指变速组级比指数 x由小到大的排列顺序。一个等比数列变速系统中，必须有基本组、第一扩大组、第二扩大组、第三扩大组，并遵循级比规律。,第 j 扩大组的变速范围为,第 j 扩大组的级比指数为,系统总变速范围为,第一节 分级变速主传动系统设计,结构网 只表示传动比的相对关系，不表示具体转速值，并以对称形式表示的转速线图。,结构式 是将转速级数按传动顺序写成各变速组传动副数的乘积，级比指数写在各传动副数右下脚的表达式。,4.结构网和结构式,问：结构式中第一变速组是？第二变速组是？第三变速组是？,如 结构式 12=31 23 26,第一节 分级变速主传动系统设计,转速图的设计步骤 根据转速图的拟定原则，确定结构式，画出结构网；分配各传动组的最小传动比，画出转速图。,二、主传动系转速图的拟定原则,拟定 原 则,第一节 分级变速主传动系统设计,为了防止齿轮传动比过小而造成从动轮过大，增加变速箱的尺寸，需要限制最小传动比，即 imin1/4。为了减小传动系统的振动，提高传动精度，需要限制最大传动比，即直齿轮的 imax2，螺旋圆柱齿轮的 imax2.5。,1.极限传动比、极限变速范围原则,结论 直齿轮变速组的极限变速范围是 r=24=8 螺旋齿轮变速组的极限变速范围是 r=2.54=10,第一节 分级变速主传动系统设计,已知变速组的变速范围，且r 随着 j 增大而增大，因此设计时只需检查最后扩大组是否超过极限值。,如 12=312326，=1.41，第二扩大组 26 为最后扩大组，则,（未超极限值）,如 18=313623，=1.26，第二变速组 36 是第二扩大组，即最后扩大组，则,（超过极限值）,第一节 分级变速主传动系统设计,2.传动顺序及传动副数原则,例 一中型机床，主轴转速级数 Z=12，=1.41，nmin=31.5 r/min，nmax=1400r/min，电动机功率7.5 kW,额定转速nm=1440 r/min。拟定主传动顺序及传动副数。,第一节 分级变速主传动系统设计,方案 12=43、12=34 需要3根传动轴，有7对齿轮；方案 12=62、12=26 需要3 根传动轴，有8对齿轮。而8对齿轮的中间轴轴向尺寸大于7对齿轮的轴向尺寸。故方案、优于方案、。,方案 12=322、12=232、12=223 都有7对齿轮，与方案、相同，但是传动轴的数量比方案、多一个，且轴向尺寸短。因此不能直接判断各方案的优劣。,（1）比较优劣,第一节 分级变速主传动系统设计,（超出极限值）,在方案 12=43、12=34 中，若传动副数为4的变速组是扩大组，则,粗选方案 12=322，12=232，12=223,（2）极限变速范围判定,第一节 分级变速主传动系统设计,选择方案为 12=322,在方案 12=322、12=232、12=223中，因机床的 nmax=1400r/min nm=1440r/min，故主传动系统为降速传动。传动件越靠近电动机其转速越高，所需传递的转矩就越小，几何尺寸也越小。,结论 尽量使传动系前面的传动件多一些，即前多后少，三联滑移齿轮在前，二联滑移齿轮在后。数学表达式为 3PaPbPc。,（3）传动副前多后少,第一节 分级变速主传动系统设计,在方案 12=322 中，有如下扩大方案：12=312326 12=312623 12=322126 12=342122 12=322621 12=342221,在扩大方案、中,在扩大方案、中,3.扩大顺序原则,考虑最后变速组（第二扩大组）的变速范围,第一节 分级变速主传动系统设计,结论 传动副数前多后少，扩大顺序应前小后大，即前密后疏。级比指数小，传动线密；级比指数大，传动线疏。,选择扩大方案为 12=312326,根据,当 一定时,传动副数P 取大值，级比指数 x 应取小值。,数学表达式为,第一节 分级变速主传动系统设计,4.最小传动比原则,为使传动件在相对高速下工作，减少变速箱的结构尺寸，提高传动链末端执行件的旋转精度，在传动顺序、扩大顺序的原则上，最小传动比应采取“前缓后急”，即递降原则。,数学表达式为 ia min ib min ic min 1/4,对传动比的要求 传动比不能超过极限值；变速组的最小传动比尽量为公比的整数次幂，以便于设计。,第一节 分级变速主传动系统设计,最小传动比确定原则：“前缓后急”。,扩大顺序确定原则：“前密后疏”；,传动副数确定原则：“前多后少”；,极限传动比、极限变速范围原则：,直齿轮 1/4 imax2，r=8；螺旋齿轮 1/4 imax2.5，r=10；,第一节 分级变速主传动系统设计,小结,如：双速电动机驱动 电动机只能为第一扩大组，传动顺序与扩大顺序不一致。,设计主传动链应遵循4个原则，但具体情况应灵活应用。,第一节 分级变速主传动系统设计,如：CA6140车床 主传动链的轴安装有双向离合器，占据一定的轴向长度。因此第一变速组为双联滑移齿轮，第二变速组为三联滑移齿轮。在传动顺序上，传动副数不是前多后少。,三、转速图的绘制,例 某车床的主轴转速要求为 n=1181320r/min，转速级数为8级，电机转速 n=1440r/min。试拟定机床的主传动系结构式，计算各级转速，画出转速图。,已知：R=1320/118,Z=8。根据 R=z-1，,解:1.计算公比,得,第一节 分级变速主传动系统设计,2.确定传动组、传动副和扩大顺序,根据传动组和传动副拟定原则，可选方案有：8=42，8=24，8=222,在方案，中有三根传动轴，比方案少一根轴，但有一个变速组有四个传动副，增加了中间传动轴的轴向长度。传动组及传动副方案定为 8=222,根据前密后疏原则，粗选扩大顺序为 8=212224,第二扩大组的,最终确定结构式为 8=212224,第一节 分级变速主传动系统设计,确定定比传动比 取轴的转速值为 950 r/min，则电机轴 与轴的传动比为,确定各变速组最小传动比,从转速点 950 r/min 到118 r/min 共有6格，三个变速组的最小传动线平均下降两格，按照前缓后急原则，第二变速组最小传动线下降2格；第一变速组最小传动线下降2-1=1格；第三变速组最小传动线下降2+1=3格。,3.设计转速图,主轴各级转速 118,170,236,335,475,670,950,1320,第一节 分级变速主传动系统设计,结构式 8=212224,第一节 分级变速主传动系统设计,标 准 数 列 表,4.绘制转速图,1:1.5,1:1,1:1,1:2.82,1.41:1,1:2,1:1.41,结构式 8=212224,第一节 分级变速主传动系统设计,0,1320 950 670 475 335 236 170 118,1440,n/(r/min),8级转速的转速图,1:1.5,1:1,1:1,1:2.82,1.41:1,1:2,1:1.41,结构式 8=212224,第一节 分级变速主传动系统设计,8级转速的传动系统图,结构式 8=212224,11,12,1.411,11,11.41,12.82,1:1.5,第一节 分级变速主传动系统设计,四、齿轮齿数的确定,（1）一个变速组内齿轮的模数应相同，且为标准齿轮。每个传动副的齿数和Sz 应相等。,（2）齿轮副的齿数和 Sz100120。,（3）为保证传动的平稳性，主传动中最小齿轮齿数 Zmin1820。,（4）变速组内各齿轮副的齿数和不相等时，齿数和的差3。,第一节 分级变速主传动系统设计,如图，变速组a中，三联滑移齿轮左移时，要使42和24齿轮不相碰，两齿轮的齿顶圆半径之和应小于中心距，即 4842=64。,（7）三联滑移齿轮的最大和次大齿轮的齿数差应4，才能保证滑移时齿轮外圆不相碰。,（5）实际转速n与标准转速 n 的相对误差n为,（6）齿轮可装在轴上的条件：齿根圆至 键槽顶面的距离a2m，以满足齿轮强度。,第一节 分级变速主传动系统设计,2.齿数的确定方法,查表法 在变速组内，若齿轮传动比是标准公比的整数次方，则每对齿轮副的齿数和Sz、小齿轮的齿数可按设计手册的“常用传动比适用齿数表”选取。,计算法 依据设计手册推荐的计算方法确定。,第一节 分级变速主传动系统设计,确定齿数的关键是选取合理的齿数和。其步骤：按传递转矩要求先初选中心距，确定齿轮模数；再算出齿数和。,ia1=1，SZ=,60,62,64,66,68,70,72，ia2=1/1.41，SZ=,60,63,65,67,68,70,72,ia3=1/2 SZ=,60,63,66,69,72,75,第一节 分级变速主传动系统设计,例如：图示传动系的变速a中有三个传动副，其传动比分别是 ia1=1，ia2=1/1.41，ia3=1/2。,查表得：,第一节 分级变速主传动系统设计,常用传动比的适用齿数表,第一节 分级变速主传动系统设计,算出三个传动副的齿轮齿数为 ia1=36/36，ia2=30/42，ia3=24/48。,根据变速组传动副的齿数和相等、模数相等原则，查表选取 Sz=60 或72。若取Sz=72，得主动齿轮齿数分别为36，30，24。,第一节 分级变速主传动系统设计,常用传动比的适用齿数表,第三章,结束,机床的传动设计,第一节,