第二章-机床的传动设计2

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第二节扩大变速范围传动系统设计第三节计算转速第四节无级变速系统设计第二节扩大变速范围的传动系统设计如果r最后=8，φ

=1.41，则x最后=6，结构式12=31×23×26

,变速范围R=φz-1=1.4112-1=1.4111=45；如果r最后

=8，φ=1.26，则x最后

=9，结构式18=31×33×29，变速范围R=

φz-1=1.2618-1=1.2617=50；一般常用机床的变速范围都在R=80以上。如，CA6140，R=140（10-1400r/min）；XK5040-1，R=125（12-1500r/min）

；Z3040，R=80；为了满足各种机床的工艺需求，必须扩大主传动系统的变速范围。根据传动系统前多后少的传动顺序原则，最后扩大组必定是双速变速组，即传动副数P=2。一、扩大变速范围的意义

变速范围Rn扩大的理由主传动系最后扩大组变速范围：主传动系主轴总变速级数：最后扩大组变速范围与总变速级数之间关系：由于极限传动比的限制：所以总变速级数Z：主轴变速范围Rn：第二节扩大变速范围的传动系统设计一、扩大变速范围的意义扩大变速范围的机理：通过增加扩大组来增加主轴变速范围。

结论增加一个变速组能使R扩大8倍，主轴转速增加6级。第二节扩大变速范围的传动系统设计

二、扩大变速范围的方法因总变速范围，增加φ、P和传动组，都可增大R，但φ增大,导致A增大，影响机床的生产率；当机床类型一定时，φ是定值；因此，为便于操作和控制，常取传动副数P≤3。1.增加变速组的传动系统

例

已知φ

=1.41，结构式12=31×23×26，x2=6，r2=8增加第三扩大组，理论Z=31×23×26×212，最后扩大组的转速范围r3=φ12×(2-1)=64>8，不符合要求，此时必须减小x3，使。则实际转速为24-6=18级，重复6级。总变速范围：

方法：在原有变速传动系内再增加一个变速组。特点：由于受变速组极限变速范围的限制，增加变速组的级比指数不得不小于理论值，并导致部分转速重复。×√×变速范围限制剔除重复转速第二节扩大变速范围的传动系统设计第二节扩大变速范围的传动系统设计2.单回曲机构当M与z1结合时，输入轴的运动直接由轴Ⅰ输出，传动比为i2=1，极限变速范围为

r’=i2/i1=16。

结论采用单回曲机构，R可扩大4倍；若增加的变速组为单回曲机构，结构式为则R可扩大16倍。扩大变速范围的机理通过扩大极限变速范围来扩大总变速范围。

当M与z4结合时，运动经z1、z2、z3、z4传递，传动比为若

例如

φ

=1.41，结构式为16=21×22×24×28原结构式为：12=31x23x26变速范围：第二节扩大变速范围的传动系统设计3.对称混合公比传动系统

如图，主轴转速列中段公比φ不变，增大不常用的转速公比。采用大公比为φ’=1.58=1.262，高速端大公比转速级数与低速端相等，形成两端对称的大公比传动系统。

如结构式

12=31×23×26转变成混合公比后得到：12=32×26×27

扩大变速范围的机理在不增加主轴转速级数的前提下，增大不常用的φ

来扩大R。

结论

对称混合公比传动系统，是改变传动副数为2的基本组形成的，能使R扩大4倍。第二节扩大变速范围的传动系统设计◆

因大公比格数必须是偶数，而变形基本组的r0≤1.269

=8，故取x’≤8。若变形基本组是单回曲机构（背轮机构），则r0≤1.2612

=16，故取x’≤10。混合公比传动系统的设计原则◆

因系统大公比是小公比的平方，考虑相对转速损失率，故取小公比φ

=1.26。◆

因基本组的传动副数P0=2；故级比指数x0=x’+1。第二节扩大变速范围的传动系统设计例

某摇臂钻床的主轴转数范围为n=25~2000r/min，公比

φ

=1.26，主轴转数级数Z=16，确定该钻床的传动系统。

解（1）钻床需要的总变速范围是

（2）钻床的理论转数级数应为

（4）钻床的结构式为钻床采用混合公比传动，其大公比格数为按前密后疏原则整理得第二节扩大变速范围的传动系统设计混合公比传动与单回曲机构相结合，能产生极大的变速范围。结构式中，第三变速组c为基本组，大公比格数为8，第四变速组d为单回曲机构。总变速范围为混合公比传动结构式结合后的结构式结论应用双速电动机，缩短了传动链，变相扩大了变速范围。第二节扩大变速范围的传动系统设计4、双速电动机传动系统机床采用双速电动机时，传动顺序与扩大顺序不一致。由于第一扩大组的x1=P0，所以双速电动机对基本组的传动副数P0有严格的要求。因2≈1.263≈1.412，则

φ=1.26

时，P0=3；φ

=1.41时，P0=2。双速电动机是动力源，为第一变速组（电源变速组），但级比是2，只能作为变形基本组或第一扩大组。双速电动机驱动的结构式第三节计算转速传动零件设计的主要依据是所能承受的载荷大小。载荷取决于所传递的功率和转速。当外载一定，转速越高，传递的转矩越小。对于转速恒定的传动件，可算出传递的转矩大小，进行强度设计。对于有几种转速的传动件，必须确定一个经济合理的转速nj，进行强度设计。一、研究计算转速的意义

计算转速的意义：根据传动件需要传递全部功率的最低转速，来确定传动件能传递的最大转矩，作为强度计算和校核依据。第三节计算转速传动件传递的转矩与切削力、工件和刀具的半径有关。①

粗加工时采用大吃刀深度、大走刀量，即较大的切削力矩，较低转速；精加工时则相反。②

当工件或刀具尺寸较小时，切削力矩小，主轴转速高；当工件或刀具尺寸较大时则相反。2.主运动为旋转运动的机床

因功率是转矩与角速度的乘积，故主传动属于恒功率传动。机床的最大切削力存在于所有可能的切削速度中，因此，驱动直线运动的传动件，忽略摩擦力因素时，在所有转速下承受的最大转矩相等。即主传动属于恒转矩传动。1.主运动为直线运动的机床二、机床的功率转矩特性

nj~nmin（恒转矩变速范围）主轴每级转速都能传递计算转速时的转矩，输出功率随转速线性下降。第三节计算转速3.计算转速（nj）概念

计算转速

指主轴或传动件传递全部功率的最低转速。

nj~

nmax（恒功率变速范围）主轴每级转速都能传递全部功率，输出转矩随转速增高而降低。通用机床工艺范围广，变速范围大，有些典型工艺只需采用小进给量，消耗的功率小，主传动不需要传递电动机的全部功率。

传动件设计必须找出需要传递全部功率的最低转速，依此确定所能传递的最大转矩。各类机床主轴的nj可查表计算确定。第三节计算转速

步骤：①先确定主轴计算转速；②再按传动顺序由后往前依次确定各传动轴的计算转速；③最后确定各传动件的计算转速。

例

已知某通用车床转速图，试确定变速系中传动件的计算转速。

1.主轴的计算转速

三、主变速系统传动件计算转速的确定第三节计算转速2.各传动轴的计算转速变速组c

有两个传动副，nj主=90

是轴Ⅲ通过18/72获得，轴Ⅲ相应的转速为355。轴Ⅲ的最低转速为125，通过60/30使主轴获得转速为250

>nj主，且能传递全部功率。故njⅢ=125

r/min

njⅢ是经轴Ⅱ的最低转速355获得，故

njⅡ=355

r/min同理njⅠ=710

r/min第三节计算转速3.各传动副的计算转速

①变速组c

传动副z18/z72产生nj主，则轴Ⅲ的相应转速355就是主动齿轮z18的计算转速，即njcz18=355r/min。z60/z30产生的最低主轴转速250>nj主，所对应的轴Ⅲ最低转速125，为主动齿轮z60的计算转速，即njcz60=125r/min。

②变速组b

主动齿轮z22，z42的计算转速为njbz22,24

=355r/min

③变速组a

主动齿轮z24，z30，z36的计算转速为njaz24

=710r/min第三节计算转速

（1）主轴计算转速：采用通用机床中车床类的主轴计算转速公式：（2）各传动轴计算转速：第Ⅲ轴：若由18:72传动主轴，其转速中355、500和710需传递全部功率；若由60:30传动主轴，则所有转速需传递全部功率。因此计算转速为125rpm。采用相同方法可求Ⅱ轴nj.60:30(3)各齿轮副计算转速齿轮Z18：若经齿轮副18:72使主轴得到三级转速90、125、180，需传递全部功率，此时Z18齿轮转速为355、500、710，因此最低转速355为其计算转速。采用同法可求其余齿轮nj。第四节无级变速系统设计

一、无级变速主传动系统的分类

何谓无级变速？无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变速，从而获取最有利的切削速度。无相对转速损失；且能够在加工过程中变速，保持恒速切削；缩短了传动链长度，简化了结构设计；机床主传动中常采用的无级变速装置有：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。1.变速电动机变速电动机有：直流复激电动机和交流变频电动机，恒功率变速范围仅2~4。恒转矩变速范围大于100.为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间需串联一个分级变速箱。变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的流量来实现无级变速。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。常用于主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。第四节无级变速系统设计2.机械无级变速装置机械无级变速装置有柯普型、行星锥轮型等多种结构。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。变速范围小，通常与分级变速机构串联使用。

应用于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，更多用于进给变速传动中。3.液压无级变速装置第四节无级变速系统设计

二、无级变速主传动系设计原则

（1）选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置

（2）将无级变速装置与机械分级变速箱串联，扩大变速范围若机床主轴要求的变速范围为Rn，选取的无级变速装置范围为Rd，串联的机械分级变速箱的变速范围Rf应为机械分级变速箱的变速级数机械分级变速箱的公比

①如龙门刨床的工作台，应选择恒转矩为主的无级变速装置—直流电动机。②再如车床、铣床的主轴，应选择恒功率无级变速装置—机械无级变速装置、变速电动机串联机械分级变速箱。第四节无级变速系统设计

例

设机床主轴的变速范围Rn=60，无级变速箱的变速范围Rd=8，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机械分级变速箱的公比为通常无级变速装置为传动系的基本组，分级变速为扩大组，理论上，因机械变速装置是摩擦传动，为获得连续的无级变速，取。由得机械分级变速箱的级数为252.7lg/5.7lg1=+=Z三、主运动为旋转运动的无级变速系统设计主轴要求的恒功率变速范围远大于调速电动机的恒功率变速范围，必须串联分级变速系统来扩大电动机的恒功率变速范围，以满足机床需求。

电动机的额定转速产生主轴的计算转速；电动机的最高转速产生主轴的最高转速。主轴的恒转矩变速范围则决定了电动机恒转矩变速范围的大小，。第四节无级变速系统设计调速电动机的恒功率变速范围为，在保证输出转速连续前提下，串联一个双速变速组，获得的最大变速范围为此时:

串联两个双速变速组后，能得到的连续无级转速的最大变速范围是，这时:

第四节无级变速系统设计调速电动机串联k级双速变速组后，能获得的最大变速范围是：

串联的分级传动系统的公比等于电动机恒功率变速范围时，输出的无级转速的变速范围最大。换言之，变速范围一定，当分级传动系统的公比时，需串联的变速组数最少。第四节无级变速系统设计

为自然数，且采用收尾法圆整，即：

取：取：分级传动系统的公比一般比电动机的恒功率变速范围小，分级传动系统的实际公比为:第四节无级变速系统设计分级传动的最小传动比应采用前缓后急的原则；扩大顺序应采用前密后疏的原则；串联的分级传动系统应遵循极限传动比、极限变速范围的原则。

例2-6某数控机床，主运动由变频电动机驱动，电动机连续功率7.5kW，额定转速，最高、最低转速，机床主轴最高、最低转速：，，计算转速：。设计所串联的分级传动系统。第四节无级变速系统设计解：①主轴要求的恒功率变速范围②电动机的恒功率变速范围是3，即③该系统至少需要的转速级数、变速组数

第四节无级变速系统设计

取：④分级传动系统的实际公比为⑤结构式为

第四节无级变速系统设计⑥分级传动系统的最小传动比

根据前缓