第八章传动设计

第八章传动设计

第一节分级变速传动链设计

第二节计算转速

第三节无级变速传动链设计

第四节主轴箱

第五节传动件的疲劳强度计算

第六节主轴箱的温升

第七节内联传动链的设计原则第八章传动设计主要设计：外联传动链、内联传动链设计外联传动链时,主要考虑保证要求的速度（或转速)和所传递的功率。

设计内联传动链时,主要考虑保证传动精度。

主传动功用及组成:1.把一定功率从运动源传递给执行器官；2．保证执行器官的一定转速和一定的调速范围；3．根据需要，能够方便地进行运动的启动、停止、换向和制动，方便地进行运动的转换。

组成：1．定比传动结构：常采用齿轮、胶带、链传动；2．变速装置（适应一定工艺范围要求）；3．主轴组件：它是执行件。它由主轴、主轴支承和主轴上的传动件组成；4．开停装置：控制主运动执行件的启动和停止，通常采用离合器或电机直接开停；5．制动装置：机械、液压、电气；6．换向；7．操纵；8．润滑与密封；9．箱体。主传动设计原则:1．机床的主轴须有足够的变速范围和转速级数；2．主电动机和传动机构须能供给和传递足够的功率和转矩，并且有较高的传动效率；3．执行件（如主轴组件）须有足够的精度、刚度、抗振性和小于许可限度的热变形和温升；4．噪声应在许可范围内；5．操纵要轻便灵活、迅速、安全、可靠，并便于调整和维修；6．结构简单，润滑与密封良好，便于加工和装配，成本低。第一节分级变速传动链设计分级变速机构的转速图和结构图1．转速图传动系统图，它对于分析结构比较直观，但是它不能确切地表达主轴每一种转速是通过哪些齿轮传动的，以及各对齿轮的传动比之间的内在联系。实际上，在设计过程中是先有转速图，后有传动系统图的。12级：31.5、45、63、90、125、180、250、355500、710、1000、1400r/min=1.41n=1440r/min包括电机轴,一共五根轴，Ⅳ为主轴。

有a、b、c三个传动组：●距离相等的一组竖线代表各轴，轴号写在上面，竖线间的距离不代表中心距；●距离相等的一组水平线代表各级转速，与各竖线交点各轴的转速，由于分级变速机构的转速是按等比数列排列的，故转速采用了对数坐标。为方便起见，习惯上转速图不写lg符号，而直接写出转速值。还应指出，相邻两转速如果相差一格，表示它们之间相差倍。n2=n1lgn2=lgn1+lg

●各轴之间连线的倾斜线代表传动副的传动比。如电动机轴与轴1之间的连线代表皮带定比传动，其传动比为i=126／256≈1／2=1／1.41²=1／φ²故连线向下倾斜两格，轴1的转速为n1=1440×126/256=710r/min

其它传动组传动比如下：

a传动组b传动组

i==1i==1

i===i===i====c传动组

i===i===转速图表示：●主轴各级转速的传动路线；

●在主轴得到连续等比数列条件下，所需的传动组数和每个传动组中的传动副数3×2×2；●传动组的级比指数：主动轴上同一点传往被动轴相邻两连线代表传动组内相邻两个传动比，它们与被动轴交点之间相距的格数，代表相邻两传动比值的指数x称传动组的级比指数。●基本组和扩大组

传动组的级比指数x=1为基本组，其余为扩大组。一般说，扩大顺序并不一定要与传动顺序相同。故今后0代表基本组，1代表第一扩大组…若用p代表传动副个数，其级比指数

基本组x0=1

第一

扩大组x1=x0p0=p0

第二扩大组x2=x1p1…

即按扩大顺序，后一传动组的级比指数等于前一传动组的级比指数与传动副数之积。xn=xn-1pn-1●各传动组变速范围

R=叫基型传动系统或常规传动系统。既无空缺又无重复的常规传动系统,必须遵守级比规律！2.结构网和结构式

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。

结构式：12=31×23×26

说明下列问题:

●各传动组的传动副数

●各传动组的级比指数

●扩大顺序及传动顺序

8.1.2主运动链转速图的拟定例：

已知：类型Z、n、n电、设计：确定有几个传动组、各传动组的传动副、拟定结构网和表达式、拟定转速图。1.传动组和传动副数的确定第一行12=4×312=3×4优点：省一个轴第二行12=3×2×212=2×3×212=2×2×3

当传动件传递的功率一定时，转速较高时传递的扭矩较小，轴、齿轮等传动件的尺寸相应可以小一些。在较多情况下，变速传动系统从电机到主轴之间的总趋势是降速传动，靠近电动机的最低转速较高，靠近主轴的传动件转速较低。按“前多后少”原则排列各变速组，可以使小尺寸齿轮多。

2.结构网或结构式各种方案的选择

如图8-412级结构网的各种方案（1）

传动副的极限传动比和变速组的变速范围

设计机床主传动系统时要考虑两种情况：降速传动应避免被动齿轮过大而增加变速箱的径向尺寸，一般限制降速传动比的最小值imin≥；升速传动应避免扩大传动误差和减少振动，一般限制直齿升速传动的最大值imax≤2，进给传动链比较平稳可适当放宽imin≥imax≤2.8，主传动组的最大变速范围：Rmax=2～2.5/(1/4)=8～10，R进max=2.8/(1/5)=14Rn=

因为最后一个扩大组变速范围大，所以只检验最后一个扩大组。

R2扩==(1.41)6=8

可见，大多数机床最后一个传动副取2是有道理的！

12=3×2×212=31×23×2612=31×26×23

12=34×21×22

12=34×22×2

1R2===﹥1612=32×21×2612=32×26×23

（2）.

基本组和扩大组的排列顺序（P132）

一般性情况下，采用基本组在前，第一扩大组、第二扩大组的顺序：X0﹤X1﹤X2﹤X3

在计算传动件刚度或强度时，要根据低转速来进行，因为这时零件所受定扭矩大。

扩大顺序与传动顺序一致。

看结构网时表现在“前密后疏”：

12=31×23×263.拟定转速图4.各中间轴转速（注意空载功率损失）

电动机和主轴的转速确定之后，在分配传动比的同时，就确定了中间轴的转速，中间轴的转速能高一些，传动件尺寸就可以小一些，但是中间轴如果转速过高，将会引起振动、发热和噪声,最高不要超过n电。

先升后降!变速系统设计：一个规律：级比规律两个限制：齿轮极限传动比限制imax≤2～2.5，

imin≥，齿轮变速组的变速范围

Ri=8～10；三项原则：传动副“前多后少”，传动线“前密后疏”，降速“前慢后快”；四项注意：传动链短，转速和小，齿轮线速小，空转件少；5.选用标准传动比

传动比尽可能取整数次方。

上述原则是从力求节约原则定的：节省材料、节省工时运用则要从实际出发,例：

CA6140：级数24=2×(1+3)=24

在车床的轴装有摩擦离合器，从局部看不符合“前多后少”，但从整体上看则缩短了轴向尺寸;采用多速电机、双公用齿轮不符“前密后疏”原则，从局部不符，整体经济合理。设计步骤：

●根据机床特点，定、计算Z、n；

●根据“前多后少”、“前密后疏”的原则，

拟定结构式；

●根据“升早降晚”的原则，拟定转速图；

●根据转速图拟定传动系统图。例：18级18=3×3×218=31×33×2918=3×2×318=31×36×2318=2×3×318=36×31×2318=3×618=33×31×2918=6×318=32×36×2118=2×918=34×22×21补充：改善传动性能注意事项：

1.为降低噪音应考虑的原则

随着工业技术发展和现代化，对机床噪声的要求日益提高，噪声已成为评价机床设计与制造技术水平的重要指标之一。为此，在设计传动系统中应重视和降低机床的噪声。（1）简化机床传动系统，减少传动齿轮对数，尤其是高速运转时，传动链尽可能短，空转齿轮尽可能脱开。（2）避免较大的升速传动。较大的升速传动会引起较大的啮合冲击，从而产生噪声，特别是传动链开始时齿轮副，如果采用较大的升速传动，则产生啮合冲击和齿面摩擦将引起以后的各级传动引起的噪音。（3）适当降低齿轮圆周运动速度。机床噪声与齿轮圆周运动速度有较大关系，实验表明，一对齿轮的圆周运动速度提高一倍时，噪声将增大6分贝左右。

2.为减少空载功率损失应考虑的原则

机床的空载功率也是评价机床设计和制造技术水平的重要指标之一。

如前所述，从节约材料，减少零件尺寸出发，最好适当提高中间传动轴的转速，但n空∝n轴。因此，在拟定转速图时，选择中间轴的转速要适当，应兼顾结构尺寸和减少空载功率的要求。

齿轮齿数的确定拟定转速图后，可根据各传动副的传动比确定齿轮齿数。关于定比传动带轮直径或齿轮齿数的确定，已在机械设计课讲过，不重复。1．确定齿轮齿数时应注意以下问题：●齿轮的齿数和S不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床结构庞大。一般推荐齿数和S≤100～120。同时，增加齿数和还会提高齿轮线速度，而增大噪音。●最小齿轮要尽可能小，但应该考虑到:

最小齿轮不产生根切现象，机床变速箱中，对标准直齿圆柱齿轮，一般取最小齿数Z≥18～20。

●

受结构限制的最小齿数的各齿轮，应尽可能可靠地装到轴上进行套装，齿轮的齿槽到孔壁或键槽的壁厚a≥2m(m为模数)，以保证有足够的强度避免出现变形和断裂现象，Zmin≥6.5+

T:齿轮键槽顶面到轴心线的距离。

两轴间最小中心距应取得适当，若齿数和Sz太小，则中心距过小，将导致两轴轴承及其它结构的距离过近或相碰。另外，确定齿数时，应符合转速图上传动比的要求，实际传动比与理论传动比之间允许误差，但不过大。△n=∣∣≤10(-1)﹪2．变速组内齿轮模数相同时，齿轮齿数的确定在同一变速组内的齿轮可取相同的模数，也可取不同的模数。后者只有在一些特殊情况下，如最后扩大组或背轮传动中，因各齿轮副的速度变化大，受力情况相差也较大，在同一变速组内中采用不同模数。

为了便于设计与制造，主传动系统中所采用的齿轮模数的种类尽可能少一些。（1）计算法

=UZA=SZA+ZB=SZB=S

一般说，Sz主要受最小齿轮的限制。显然，最小齿轮是在变速组内降速比或升速比最大的一对齿轮中，因此先确定该小齿轮的齿数Zmin，根据传动比求S，然后按各齿轮副，再分配其它齿轮副的齿数。

U1====

U2===U3==1Zmin=Z1Z1=24(视具体情况)Z==24×2=48Sz=24+48=72Z2=Sz=×72=30Z=72-30=42Z3=Z=36（2）查表法分级变速的几种特殊情况

1.交换齿轮的传动链交换齿轮（又称配换齿轮挂轮）变速的特点是结构简单，不需要操纵机构；轴向尺寸小，变速箱结构紧凑。变换齿轮适用于不需要经常变速或变速时间的长短对生产率影响不大，却要求结构简单、紧凑的机床，如用于成批或大量生产的某些自动或半自动机床、专用机床及组合机床。交换齿轮一般放在传动链前面，交换齿轮及传动轴尺寸小、结构紧凑。

2．多速电机变速电变速组：在传动系统中，多速电机就相当于具两个三个传动副的变速组。

当n电=2时，传动系统的公比只能是1.06、1.12、1.26、1.41和2，因为这些公比的整数次方等于2。

n电=2=1.412=1.263

，所以，电变速组通常为第一扩大组。3．采用公用齿轮的传动系统在传动系统中，既是前变速组的从动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，这种同时可与前、后传动轴上两个齿轮啮合的齿轮叫公用齿轮。优点：可减少齿轮个数，简化传动结构，缩短了

轴向尺寸。

缺点：可能引起径向尺寸增大，并且由于公用齿轮使用机会较多，齿轮磨损较快。4．具有双公比的传动链

优点：变速范围大，级数少。关键：基本组的

级比指数不再是1而是增加主轴空掉的转速级

数。

23×22×24

25×22×24

扩大变速范围的方法如果最后一个扩大组由两个传动副组成，则

R=R≤8最后一个传动链是两个传动副组成，则

=1.41时Z=12=1.26时Z=18Rn==1.41≈45Rn==1.26≈50

不能满足Rn可达140至200的要求，要用别的方法扩大变速范围。

第二节计算转速

机床上的许多零件，特别是传动件，在设计时应核算其强度，决定零件强度的条件之一是该零件所受的载荷。

载荷取决于零件所传递的功率和转速。

如:同一个传动副，在一个轴上有几种转速，究竟按哪一个算为合适？

这就是本节要讨论的计算转速问题。

一、机床的功率扭矩特性

从《切削原理》中可以知道，切削速度对切削力的影响是不大的。因此，作直线运动的执行器官，可以认为不论在什么速度下，都有可能承受最大切削力，对于拖动直线运动执行器官的传动件，就是在任意转速下都可能出现最大扭矩，因此,就认为是恒扭矩传动。

执行器官作旋转运动的传动链则有所不同。主轴转速不仅决定于切削速度而且还决定于工件或刀具的直径较低转速多用于大直径刀具或加工大直径工件，这时要求的输出扭矩增大了。因此，旋转主运动链的变速机构，输出扭矩与转速成反比，基本上是恒功率。

二、机床主要传动件计算转速的确定1.主运动链2.进给运动链直线运动进给链是在恒扭矩的条件下工作的。即对于拖动直线运动执行器官的转动件，在任何情况下可能出现最大扭矩,所以是恒扭矩传动。则同一传动组内，不同转速下出现的功率值是不同的，从设计角度讲应满足最大功率的使用要求。

P=F切V

机床加工零件时，切削力越大，切削速度越高则要求机床的功率越大。

从以上分析，可以看出，既然各轴是恒转矩传动，则如使各轴有较多机会在低转速下工作，就有利于降低齿轮、轴承等传动件的工作循环次数。第三节无级变速传动链设计

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。

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2~3。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。

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。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

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。

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

第四节

主轴箱齿轮在轴上的布置和排列在变速传动组内，应尽量使较小的齿轮成为滑移齿轮，使滑移省力。

第五节传动件疲劳强度设计开式、闭式软齿面、硬齿面开式、硬齿面---弯曲闭式、软齿面---接触、弯曲闭式、硬齿面---弯曲、接触疲劳强度校核式：设计式：修正系数工作载荷尺寸参数许用

第六节主轴箱的温升

主轴箱在工作时，由于传动件的机械摩擦、润滑油的飞溅、搅拌作用等而发热，使主轴箱的温度升高，产生热变形。热变形的影响，主要有下面几方面：●改变各执行器官的相对位置●改变主轴的几何位置●改变轴承的间隙●改变润滑条件8.6.1热平衡与温度场8.6.2减少热变形的途径

1.减少发热量