机床的传动设计-无级变速

《机械制造装备设计》李益兵Mail：ahlyb@163.com1第二章机床的传动设计

本章主要教学内容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无级变速系统设计第五节进给传动系统设计第六节结构设计2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。

无级变速的特点：

1.可以获得最有利的切削速度，无相对转速损失；

2.能在加工过程中实现变速，保持恒速切削；

3.无极变速器通常是电变速组，恒功率变速范围2-4，恒转矩变速范围大于100，缩短传动链简化结构设计；

4.无极变速容易实现自动化操作。主要应用场合：数控机床、高精度机床和大型机床等。3第四节无级变速系统设计

一、无级变速主传动系统的分类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。目前，广泛用直流或交流调速电动机作为机床的动力源，以实现执行件的无级调速。直流调速电动机占主导地位。

1.调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2~3。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。4第四节无级变速系统设计直流调速电动机，额定转速至最高转速用调节磁场电流（调磁）的办法来调速，属于恒功率调整；从额定转速向下至最低转速是用调节电枢电压（调压）的办法调速，属于恒转矩调速。直流电动机靠机械换向器将电枢电路与电源连接起来，换向器限制了电动机的最高转速。适用于大型机床(例如龙门铣床，龙门刨床等)或起动力矩较大功机床。5交流调速电动机是靠调节供电频率调速，因此，常称为“调频主轴电动机”。交流调速电动机的额定转速为1500r/min或2000r/min，恒功率变速范围为3～4，最高转速为4500r/min、6000r/min、8000r/min，最低转速可达6r/min，恒转矩变速范围超过200。伺服电动机和步进电动机都是恒转矩变速范围，且功率不大。只能用于直线进给运动和辅助运动。一般常用于数控机床直线进给运动和辅助运动。第四节无级变速系统设计直流或交流变速电动机恒功率调速范围都比较窄，前者约为2-4，后者约为3-5。然而它们的恒转矩调速范围则很宽，通常达几十到一百或一百以上。6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。7第四节无级变速系统设计

3.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极变速装置。特点是变速范围较大，变速方便，传动平稳，运动换向冲击小，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。8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

①执行件作直线主运动的主传动系，对变速装置要求是恒扭矩传动，如龙门刨床的工作台等，就应选择恒转矩为主的无级变速装置，如直流电动机。

②如主运动要求恒功率传动，如车床或铣床的主轴，就应选择恒功率无级变速装置，如柯普B型和K型的机械无级变速装置、变速电动机串联机械分级变速箱等。9第四节无级变速系统设计

二、无级变速主传动系设计原则

（2）无级变速装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是调速电动机的恒功率调速范围Rm往往小于机床主轴实际需要的恒功率变速范围RPn。为此，无级变速装置常与机械分级变速箱串联，扩大变速范围。即电动机的额度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。若机床主轴要求的变速范围为RPn，选取的无级变速装置范围为Rm，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10调速电动机的恒功率变速范围为φm，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，RPn=φFz，Z=2k

串联的分级变速传动的公比φF=φm。即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φF=φm时，需串联的变速组数最少。第四节无级变速系统设计11设计无级变速系统时，主轴的变速范围一定，可用如下关系式得到至少需要串联的变速组数第四节无级变速系统设计

k为自然数，且采用收尾法圆整，即：1＜Zmin＜=2时，Z=2；2＜Zmin＜=4时，Z=4；…。因此，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：12第四节无级变速系统设计一般把无级变速组作为基本组，分级变速作扩大组，理论上。考虑到机械摩擦传动会产生滑动，为了得到连续的无级变速范围，应使齿轮变速组的公比略小于无级变速器的变速范围，即，使转速之间有一小段重叠，保证转速连续。13第四节无级变速系统设计

例

设机床主轴的变速范围RPn=60，无级变速箱的变速范围

Rm=8，设计机械分级变速箱，求出其级数。