新编-传动系统设计-(2)-精品课件

1、1-4机床主传动系统设计概述本节教学目的：1、会分析机床的传动系统、能绘制传动系统转速图2、会计算主轴的转速级数3、会对分级变速主传动系统进行设计4、了解几种常见的特殊形式的分级主变速系统重点：传动系统转速图的绘制会主轴的转速级数的计算难点：分级变速主传动系统的设计第四节 机床主传动系统设计概述 1.1、传动系统的作用是将动力机的动力传递给执行机构，以满足执行机构对转矩和转速的要求。 机床主传动系统的作用是实现机床的主运动，将动力机的动力传递给机床主轴部件，使其获得所需的转速和功率。 一、机床主传动系统的功用和组成及要求1.2组成：有级变速的主传动系统通常包含：电动机、主轴部件、各种传动机构传

2、动机构有哪些？ 定比传动机构、 分级传动机构、 换向机构 开停装置1.3、要求有足够的转速级数、变速范围和运动精度；并能够传递足够的功率和扭矩且有高的传动效率，噪声小；结构简单紧凑，便于操作和维修二、分级变速主传动系统的转速图 在设计有级变速传动系统时，除可用传动系统图外，常用到转速图。使用转速图可以直观地表达出传动系统中各轴转速的变化规律和传动副的速比关系。 对于三联滑移齿轮变速组，可实现3级变速。若要求输出轴的转速按等比级数排列，则一个变速组内各对齿轮的传动比必须符合等比级数排列。 i3:i2:i1=1:2 为标准公比，有1.06，1.12，1.26，1.41，1.58，1.78，2.0共

3、7个数值。 图示为某车床主轴变速箱的传动系统图和转速图。从图中可知，主轴共有12级转速，转速范围为 31.51400rmin，公比=1.41，主电动机转速为 1440rmin。 在转速图中： l）距离相等的一组坚线代表传动系统的各轴，轴号写在上面。竖线间的距离不代表中心 距。 2）距离相等的一组水平线代表各级转速，自下而上依次表示从低到高排列的各级转速；与各竖线的相交点的小圆代表各轴的转速。由于转速的分级是按等比级数排列的，相邻两水平线之间的比值为转速公比，通常习惯在转速图上直接写出转速的数值。 3）相邻两轴各小圆之间的连线代表相应传动副的传动比。 传动比的大小以连线的倾斜方向和倾斜度表示，从

4、左向下斜表示降速传动，向上斜表式升速传动，而水平连线则表示等速传动。 从转速图可见，该传动系统有三个相互串联的变速组，电机轴与轴之间为皮带传动，其传动比： 轴、之间为第一变速组，由三对齿轮组成，其传动比分别为： 轴、之间为第二变速组，由两对齿轮组成，其传动比为： 轴、之间为第三变速组，由两对齿轮组成，其传动比为：根据上述分析，可以得出：l）传动系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积。 如上述传动系统，其变速级数为 322=12 在结构上，变速组按照从电机到主轴传动的先后排列顺序称为传动顺序。 系统总的变速级数为按照传动顺序各变速组的传动副数之积。 2）变速组传动比之间有如下关系： 在第一变速组

5、的三个传动比之间 变速组内相邻传动比之间的比值 称为级比。 级比的指数 称为变速组的级比指数。 级比指数在转速图中表现为相邻传动比相间隔的格数。 第一变速组相邻传动比之间存在 1:2 的关系，即 x0=1，三个传动比的连线间隔一格，所以通过变速后，轴可以得到三级连续的转速。 这种具有级比指数x0=1的变速组称为基本变速组，简称基本组。 在第二变速组的两个传动比之间 ub1:ub2=1/3:1=1:3=1:x1式中 x1-该变速组的级比指数，x1=3。 其相邻传动比之间相差3倍，所以通过它变速后第轴得到6级连续的转速。第二变速组的作用就是将基本组的变速范围进行第一次扩大，称第一扩大组。 同理，第

6、三变速组由两对齿轮组成，其传动比之间的关系为 ：式中x2该变速组的级比指数，x2=6。 变速组内相邻传动比之间相差6倍，通过其变速后，第 IV轴可得到322=12级转速。它把基本组的变速范围进行第二次扩大，称为第二扩大组。 如果还有更多的变速组，则依此类推。 由上可知，若用xn和pn分别表示各变速组的级比指数和传动付数，则后一变速组的级比指数等于前一变速组的级比指数与传动付数之积 xn=xn-1pn-1 为了获得连续的等比级数的转速，必须使几个变速组串联而成的传动系统符合等比级数的规律，否则会出现转速重复或空缺的现象。 3) 各变速组的变速范围是该变速组内传动副的最大传动比和最小传动比的比值，

7、即 因此，基本组的变速范围为 第一扩大组的变速范围为 第二扩大组的变速范围为 同理，第j扩大组的变速范围为 而传动系统总的变速范围则等于各变速组变速范围的乘积，即 在设计传动系统时，一般均应遵循上述规律，这样，传动系统所得到的转速级数是连续的等比级数，这种传动系统称为正常传动系统。 （二）结构网和结构式 只表示传动比的相对关系而不表示转速数值的线图称为结构网。结构网也可看成是转速图的对称形式，因结构网只表示传动关系，而不表示转速数值，故可画成对称形式。但结构网和转速图有一致的变速特性，一个转速图将对应一个结构网，如图416所示为12级传动系统的结构网。 结构网表示出了各变速组的传动副数和各变速

8、组的级比指数，还表示出其传动顺序和扩大顺序。 结构网又可以简化为结构式，如图416所示的结构网可用12=312326的结构式表示，其中12代表转速级数，3、2、2表示变速组的传动副数和传动顺序，下标1、3、6表示各对应变速组的级比指数。结构网和结构式表达的内容是相同的，但结构网更加直观。 （三）转速图的拟定 通过对转速图的拟定和分析可找出最佳的传动系统方案，它是传动系统设计中不可缺少的重要环节。 1变速组及其传动副数的确定 一定变速级数的传动系统可由不同数目的变速组组成。减少变速组的数目可以缩短传动链，但在总变速级数一定的情况下，势必会增加各变速组内传动副数目，并且降速过快，因而导致齿轮的径向

9、尺寸增大。 现以 18级转速的传动系统为例，其组成方案有下列三种： 18=92；18=63；18=332。 为使传动系统中齿轮总个数为最少，每个变速组的传动副数最好取p=2或3，并采用双联或三联齿轮进行变速。而上述方案中，方案需 9+2=11对齿轮，方案需6+3=9对齿轮，方案只需3+3+2=8对齿轮，虽然增加了一个变速组，且相应多了一根轴，但总的结构尺寸却可以减小，并且结构也比较合理。2确定传动顺序 传动顺序是指从动力机到执行机构各变速组传动副数的排列顺序。在传动系统中，如果对各变速组的顺序进行不同的排列，则可以得到若干不同的传动方案。例如上述18级转速的传动系统，按传动顺序排列可得： 18

10、=332 18=323 18=233 为了能从这些方案中确定出最佳方案，一般应遵循“前多后少”的原则，即传动副数较多的变速组安排在传动顺序前面，传动副数较少的变速组安排在后面。这是由于传动系统一般为降速传动，如果把传动副数较多的变速组安排在前面，可使其转速较高，从而转矩较小，因此可减小传动件的尺寸，并可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此应选结构式18=332的方案为好。 3确定变速顺序 变速顺序是指基本组和扩大组的排列顺序。 在确定变速顺序时，一般应采用基本组在前，扩大组在后的方案。这时各变速组的变速范围逐渐增大，在转速图上表现为前面变速组的传动比连线分布较紧密，而后面变速组的传动比连线

11、分布疏松，即“前密后疏” 的原则。它的优点是可使前面的各轴转速范围较小，使最低转速较高并降低最高转速，因此可以减小传动件的尺寸，并降低噪声和振动。 如 12级传动系统，在 12=322中，按基本组和扩大组排列顺序的不同可有以下六种方案，其结构网和结构式见图417所示。 图417a所示方案的扩大顺序与传动顺序一致，其中间轴的变速范围较小，最低转速较高，传递的转矩较小，方案最佳。4确定各变速组的传动比 对应于一个结构式可以有多个转速图方案，因为结构式只能表示传动顺序和变速顺序，而并不能确定各个变速组传动比的具体数值。如图4-18所示两个转速图中，基本组的三个传动比都相邻一格，扩大组的两个传动比都相

12、邻三格，这两个转速图的结构式相同，但各变速组传动比的数值不同。在确定传动比时应考虑以下几点：1）各传动副的传动比不应超出极限传动比。 在降速传动中，为防止被动齿轮的直径过大，常限制最小传动比 umin1/4 ；在升速传动中，为防止产生过大的振动和噪声，常限制最大传动比 umax2；如用斜齿轮传动，则umax2.5。因此，传动系统各变速组的变速范围一般为 r=umax/umin810。 对于传动功率较小，传动件转速较低、尺寸较小的传动系统，如进给传动系统等，上述范围可放宽到 umin1/5，umax 2.8，故变速范围 r 14。 2）尽量提高中间轴的最低转速。 分配降速传动比时，应遵循“前缓后

13、急” 的原则使各变速组逐步降速，即按传动顺序前面的变速组降速慢一些，后面的变速组降速快一些。按照这一原则，可使中间轴的最低转速较高，有利于减小传动件的尺寸。3）分配传动比时也应避免较大的升速传动，因为升速传动使传动误差扩大，并引起较大的啮合冲击和噪声。如果在传动链的始端就采用较大的升速齿轮传动，则将使整个传动系统的噪声增大。 在满足机械运动要求的前提下，尽量缩短传动链。缩短传动链可以减少传动零件、简化结构、减小传动链的积累误差、减小传动链的转动惯量。对高速传动系统更应尽量采用短的传动链。例题：已知电动机转速nm=1460r/min，执行机构要求三级变速，公比=1.58，转速值分别为95、150

14、、236r/min，确定转速图方案。（1）计算总降速比 执行构件的最低转速n1=95，n1比电动机转速低很多，所以是降速传动。umax=nm/n1=1460/95=15.4。 （2）确定传动副数目 采用一个三联齿轮变速组，由于一对齿轮许用的最大降速比为4，至少需要再用一对齿轮降速。（3）确定各对传动副的传动比 如果电动机与变速箱之间用联轴器连接时，可采用三轴二级串联降速。-轴之间为三联齿轮变速组，-轴之间为定比齿轮传动。变速组在前可减小三联齿轮尺寸。传动比u1=1/3，u2= 1/2， u3= 1/，定比传动齿轮传动比u4= 1/3。 如果电动机与变速箱之间用带传动，增加一级减速，减速比为，则

15、传动比分别为u1=1/2，u2=1/，u3=1，定比传动齿轮传动比u4= 1/3。此方案优于上一方案，输入轴转速较低，降低噪声，三联齿轮最小传动比大于1/4。可减小轴距。（四）齿轮齿数的确定 转速图确定后，可以根据各对传动副的传动比计算齿轮的齿数或带轮的直径。在确定齿数时应注意以下几点： 1）齿轮副的齿数和中心距不能太大，以免齿轮尺寸过大。一般推荐齿数和Sz100120，选用在100以内。 2）同一变速中的各对齿轮，其中心距必须保证相等。 3）最小齿轮的齿数应保证不产生根切。 4）应保证最小齿轮装到轴上应具有足够的强度。为保证齿轮的强度，齿根到孔壁或键槽的壁厚应有足够的厚度，一般推荐该厚度值等

16、于或大于2倍齿轮模数。由此可知，在确定最小齿轮齿数时，要先估算传动轴的直径。1变速组内模数相同时齿数的确定 由于同一变速组内各对齿轮的中心距应相等，当模数相同时，若采用标准齿轮，则各对齿轮的齿数和也相等。降速传动时，齿数和应由最小传动比的一对齿轮副确定；升速传动时，应由最大传动比的一对齿轮副确定。根据同一变速组内各对齿轮的中心距及齿数和相等的原理。首先根据最小传动比或最大传动比的一对齿轮副确定最小齿轮的齿数及齿数和，然后确定其他传动比的齿轮副的齿数。 2变速组内模数不同时齿数的确定 在同一变速组内，若不同的啮合齿轮副采用不同的模数，确定齿数时，必须保证齿轮副的中心距相等。在确定不同模数的齿轮齿

17、数时，常需经过几次试算才能最后确定。 二、无级变速传动系统的运动设计 无级变速传动系统的类型很多，主要有下列三类： 1）电气无级变速。如直流调速电动机、交流调速电动机、步进电动机及伺服电动机。 2）液力及液（气）压变速。前者采用液力变矩器实现无级变速，后者采用节流调速或容积调速实现无级变速，如液压缸和液压马达。3）机械无级变速。机械无级变速机构的类型很多，但多数都是利用摩擦传动机构实现的。 对于调速范围大，功率和转矩特性难于直接匹配的情况。总是在无级调速之后串联机械有级变速传动，以满足调速范围和转矩特性的要求。三、 传动件的计算转速 为保证传动系统零件的强度和寿命，应根据传动零件工作时的最大负

18、载进行承载能力计算。 对恒转矩特性的机械，应由工作机械的转矩负载特性确定各传动零件的最大负载转矩。 在设计可调传动比的传动系统时，应根据机械的作业特点进行具体分析，确定传动零件的最大负载转矩。不少机械已有行业设计规范和方法，设计时要采用。 一般，应按传递动力机全部功率时各级转速中的最低转速计算零件的最大负载转矩。通常把传递动力机全部功率时的最低转速，称为该传动零件的计算转速nj。 举例：中型通用机床（车床、铣床）和用途较广的半自动机床主轴计算转速为： nj=nmin(Z/3-1)nmin主轴最低转速，Z级数 上式表示，如把主轴的全部转速Z分为三等分，则从低速起的第一个三分之一转速级数中的最高一

19、级转速作为主轴的计算转速。从计算转速开始的以上各级转速都能传递动力机的全部功率，低于计算转速的各级转速都不能传递动力机的全部功率。 传动系统中其余中间传动零件的计算转速为能实现传递动力机全部功率的各级转速中的最低转速。 下图某通用车床的转速图中，1.26，主轴（轴）的计算转速为nj=95r/min， 轴的计算转速为118r/min， 轴的计算转速为300r/min， 轴的计算转速为750r/min，轴计算转速为1450r/min。如图某通用车床的转速图中，主轴（轴）的计算转速为 nj=451.41(6/3-1)=63r/min轴的计算转速为250r/min， 轴的计算转速为500r/min，

20、轴的计算转速为1000r/min。 四、 变速箱设计概述（一）变速箱的组成和要求 将变速装置、起停和换向装置、制动装置及安全保护装置装在一个箱体中，并根据变速要求设置相应的操纵机构和润滑系统，就构成了变速箱。 变速箱的设计依据是传动系统的运动设计，一般应满足如下要求： 1）运动方面的要求：如变速范围、变速级数、转速等。 2）使用性能和联接尺寸上的要求：使用性能包括几何精度、刚度、抗振性、噪声、传动效率以及操作是否省力方便等。联接尺寸包括技术参数尺寸、安装尺寸和外廓尺寸等。 3）结构工艺性能的要求：包括毛坯制造工艺性和热处理工艺性、机械加工工艺性、装配工艺性以及检验、调整和维修的方便性。 4）遵

21、守标准化和通用化原则。 （二）箱内各轴线的布置及轴的安装 1.箱内各轴线的布置 不同类型的机械其功用不同，要求不同，总体布局及结构也不同。变速箱的设计除应满足前述要求外，还应考虑机械的总体布局，即变速箱的安装位置、大小形状以及工作要求。在布置箱内各轴线时通常应考虑如下几点：1）应考虑各轴线的传动顺序。2）考虑各轴的空间位置，尽量缩小径向尺寸，同时应考虑加工工艺性。为了缩小径向尺寸和简化工艺，可使箱体内某些轴线重合。3)考虑操纵方式对轴线布置的影响。当采用机械方式对装在轴上的离合器、滑移齿轮、制动器等进行操纵时，为方便操纵机构的设计，应使这些轴尽量靠近操纵机构，并且应留有一定的空间以便于调整。

22、2轴的安装 轴在箱体内的安装，一般用轴承支承。轴承的类型可根据轴的转速和所承受的载荷来选择。轴的转速高时，应选用滚动轴承；载荷较大时，应选用圆柱滚子轴承。当轴有可能承受轴向载荷时还应对轴进行轴向固定。轴向固定的方法有两种，一种是一端固定，另一种是两端固定。一端固定可使轴受热后自由延伸，不会产生热应力，因此宜用于长轴。 另外，还应注意轴向定位，每一根轴必须双向定位。否则，有可能发生轴向串动。（三）齿轮在轴上的布置与排列 在变速传动组内，应尽量以较小的齿轮作为滑移齿轮，使滑移省力。 齿轮滑移时必须使原处于啮合状态的齿轮完全脱开后，才能与另一齿轮进入啮合。因此，双联滑移齿轮传动组占用的轴向长度为B4b（b为齿轮厚度），如图。三联滑移齿轮传动组占用的轴向长度为B7b。 可以采用下列一些方法来缩短轴向长度： l）采用合理的滑移齿轮结构：把三联滑移齿轮一分为二，就能使轴向长度减少一个b。但将使操纵机构复杂化。两个滑移齿轮之间必须进行互锁，以防止两对齿轮同时啮合 。如图430。 多联滑移齿轮的轴向排列有宽式和窄式，窄式比宽式所占的轴向尺寸小2）合理安排相邻变速组各齿轮的轴向位置，统一安排变速传动组。图4-31a是二个变速组一般的排列方式，总长度B8b。图4-31b将