内工大机电装备设计(3)资料

3）合理分配传动比的数值结构网或结构式确定后，拟定转速图，合理分配各传动副的传动比，应注意：■各传动副的传动比应尽可能不超过极限传动比■各中间传动轴应有较高的转速；■在传动顺序上各变速组的最小传动比，应采取逐渐降速的原则，即要求：可使中间传动轴的最低转速提高，即所谓先慢后快的原则。但中间轴的转速不应过高，以免产生振动、发热和噪声。通常，中间轴的最高转速不超过电动机的转速。第一页，共51页。第一页，共51页。5、主传动系统的几种特殊变速方式主传动系统设计的实际情况比较复杂，有时要采用多速电动机传动、交换齿轮传动和公用齿轮传动等特殊变速方式。1）采用多速电动机的主传动系统设计采用多速异步电动机和变速方式联合使用，可简化机床机械结构，可在运转中变速，适用于半自动、自动机床及普通机床。机床上常用双速或三速电动机，同步转速(750/1500)r/min、(1500/3000)r/min、(750/1500/3000)r/min，电动机的变速范围为2～4，级比为2。

第二页，共51页。第二页，共51页。转速级数共8级。公比φ＝1.41，其结构式为8＝22×21×24

，电变速组作为第一扩大组，Ⅰ～Ⅱ轴间的变速组为基本组，传动副数为2，Ⅱ～Ⅲ轴间变速组为第二扩大组，传动副数为2。第三页，共51页。第三页，共51页。▲当电动机在高速时，没有完全发挥其能力；▲随着电动机变速级数的增加和转速的降低，其体积也大，价格也高；▲电气控制较为复杂。特点：第四页，共51页。第四页，共51页。成批生产用的机床，如自动或半自动车床、专用机床和齿轮加工机床等，加工中不需要变速或仅在较小范围内变速，但换一批工件加工，有可能需要变换成别的转速或在一定的转速范围内进行加工。变速时间的长短对生产效率的影响不大。为简化结构，常采用交换齿轮变速方式，或将交换齿轮与其他变速方式(如滑移齿轮、多速电动机等)组合应用。2）采用交换齿轮变速的传动系统第五页，共51页。第五页，共51页。图2-8所示为液压多刀半自动车床主变速传动系统，在Ⅰ～Ⅱ轴间采用了交换齿轮。第六页，共51页。第六页，共51页。○交换齿轮变速可以用少量齿轮，得到多级转速，不需要操纵机构，变速箱结构大大简化。○更换交换齿轮较费时费力；如果装在变速箱外，润滑密封较困难，如装在变速箱内，则更换麻烦。○若结构允许，交换齿轮变速组一般放在传动链的前面，这可使其传递转矩较小，故尺寸小，结构紧凑。特点：第七页，共51页。第七页，共51页。在传动系统中的某个齿轮，既是前一变速组的被动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，可与前后传动轴上的两个齿轮相啮合的齿轮，称为公用齿轮。3）采用公用齿轮的变速传动系统第八页，共51页。第八页，共51页。○采用公用齿轮可以减少齿轮个数，缩短轴向尺寸；○按相邻变速组内公用齿轮数目，有单公用和双公用齿轮；○采用公用齿轮时，两个变速组的模数必须相同。○因公用齿轮轮齿受对称循环弯曲应力，其弯曲疲劳许用应力比非公用齿轮要低，可选择变速组内较大的齿轮作为公用齿轮；○公用齿轮磨损较快。公用齿轮的优缺点第九页，共51页。第九页，共51页。最后扩大组的变速范围：4）扩大变速范围的传动系统主传动系统的变速级数为第十页，共51页。第十页，共51页。最后一个变速组的变速范围极限：当公比为1.41时，Z≤12；可达最大变速范围：当公比为1.26时，Z≤18；可达最大变速范围：第十一页，共51页。第十一页，共51页。某些通用性较高的车床和铣床的变速范围一般在140～200之间，甚至超过200，采取的扩大变速范围的通用方法有：

增加变速组采用背轮机构采用分支传动双公比传动第十二页，共51页。第十二页，共51页。(1)增加变速组

在原变速传动系统内再增加一个变速组，是扩大变速范围最简便的方法。但受变速组极限传动比的限制，增加的变速组的级比指数往往不得不小于理论值，并导致部分转速的重复。如，公比φ＝1.41，结构式为12=31×23×26

，最后扩大组的级比指数为6，变速范围极限值8。再增加一个变速组作为最后扩大组，其结构式应为24＝31×23×26×212，最后扩大组的变速范围将等于64，超出极限值。将新增加的最后扩大组的级比指数仍取6，在最后两个变速组26×26

中重复了一个转速，只能得到3级变速，传动系统的变速级数只有3×2×(2×2－1)＝18级。第十三页，共51页。第十三页，共51页。

重复的转速第十四页，共51页。第十四页，共51页。又称单回曲机构，若两对齿轮皆为降速，且取极限传动比umin=1/4，则背轮机构的最小传动比u2=1/16。因此，背轮机构变速组的极限变速范围为

Rmax＝u1／u2＝16(2)采用背轮机构第十五页，共51页。第十五页，共51页。3)采用混合公比传动有些通用机床，在其变速范围内各级转速的使用机会并不相同，经常使用的转速是中间转速段。混合公比传动系统就是针对这一情况而设计的。主轴的转速数列有两个公比转速范围中经常使用的中段采用小公比，不经常使用的高、低段用大公比。第十六页，共51页。第十六页，共51页。第十七页，共51页。第十七页，共51页。变速范围扩大了2.5倍主轴转速范围的高低段各出现了2个转速空档。第十八页，共51页。第十八页，共51页。第十九页，共51页。第十九页，共51页。第二十页，共51页。第二十页，共51页。第二十一页，共51页。第二十一页，共51页。变速箱的传动轴的轴承以角接触球轴承和圆锥滚子轴承为主，载荷较大的地方也可用圆柱滚子轴承。◆球轴承价格低，噪声和发热较少；◆圆锥滚子轴承装配方便，承载能力较大，可承受轴向力。传动轴通过轴承在箱体内的轴向固定方法：一端固定和两端固定两类。●采用单列向心球轴承时，可一端固定，也可两端固定；●采用圆锥滚子轴承时，必须两端固定。一端固定的优点：轴受热后可以向另一端自由伸长不会产生热应力，可用于长轴。6、变速箱内各传动轴的轴向固定第二十二页，共51页。第二十二页，共51页。传动轴一端固定方式第二十三页，共51页。第二十三页，共51页。第二十四页，共51页。第二十四页，共51页。传动轴两端固定方式第二十五页，共51页。第二十五页，共51页。2.1.4无级变速主传动系统设计1、分类主传动常采用的无级变速装置有三大类：变速电动机、液压无级变速和机械无级变速装置。1）变速电动机变速电动机有：复励直流电动机和变频交流电动机。○在额定转速以上为恒功率变速，调速范围2～3；○额定转速以下为恒转矩变速，调整范围可达30以上；伺服电动机和步进电动机均属于恒转矩，较少用于主运动。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个分级变速箱，广泛用于数控机床、大型机床中。

第二十六页，共51页。第二十六页，共51页。2）液压无级变速装置改变输入液压缸或液动机中液体的流量来实现无级变速。

特点: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。

用于刨床、拉床等。3）机械无级变速装置变速装置有柯普(Koop)型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型和宽带型等多种结构，都是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，多数是恒转矩传动；○较少单独使用，与分级变速机构串联，以扩大变速范围。应用于要求功率和变速范围较少的中小型车床、铣床等机床的主传动和进给变速传动中。第二十七页，共51页。第二十七页，共51页。变速范围：Rn=9总效率：η=0.8～0.92注意：只允许在运转中变速。第二十八页，共51页。第二十八页，共51页。2.1.5数控机床主传动系统设计

现代切削加工正朝向高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求。★恒转矩调速范围达1:100～1:1000；★恒功率调速范围达1:10以上；★功率范围达2.2～250kw；★能在切削加工中自动变换速度；★机床结构简单，噪声要小，动态性能要好，可靠性要高等。第二十九页，共51页。第二十九页，共51页。数控机床主传动设计特点：1、主传动采用直流或交流电动机无级调速直流电动机无级调速：采用调压和调磁方式来得到主轴所需的转速。

通过调节电枢电压，保持励磁电流恒定的方法进行调速，为恒转矩调速，起动力矩大，响应快，能满足低速切削需要；

从额定转速至最高转速，通过改变励磁电流，改变励磁磁通，保持电枢电压恒定的方法进行调速，为恒功率调速。直流电动机恒转矩调速范围达30或更大；恒功率调速范围仅达2～3，满足不了机床的要求。直流电动机在早期的数控机床上应用较多。

交流电动机无级调速通过变频进行变速。如兰州电机厂生产的电机，当额度转速为1500r/min时，恒功率调速范围达1:4左右。第三十页，共51页。第三十页，共51页。直流电动机调速交流电动机调速直流、交流调速电动机功率特性图第三十一页，共51页。第三十一页，共51页。设计数控机床主传动时，须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/3～3/4，恒转矩区约占1/4～1/3。机床主轴要求的功率特性和转矩特性恒功率区恒转矩区2、驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计第三十二页，共51页。第三十二页，共51页。★直流电机的额定转速为1000～1500r／min。从nd至nmax用调磁调速；从nmin至nd用调节电枢电压法调速。★交流变频电动机额定转速为1500r／min。这两种电动机的恒功率转速范围常为2～4，恒转矩变速范围则可达100以上。★变速电动机的功率特性与机床主轴的要求不配。主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机的恒功率变速范围；在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围。满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。第三十三页，共51页。第三十三页，共51页。

设计分级变速箱时，主要考虑机床结构复杂程度、运转平稳性。变速箱公比φf选取有三种情况：1）取变速箱的公比φf等于电动机的恒功率调速范围RdP，即φf

＝RdP特点：功率特性图是连续、无缺口和无重合的。如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围有，第三十四页，共51页。第三十四页，共51页。2）为简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比可取大于电动机的恒功率调速范围RdP,即φf

＞RdP。特点：变速箱每档内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统功率特性图中出现“缺口”，称之功率降低区。为保证缺口处输出功率，电动机的功率应相应增大。主轴的恒功率变速范围有，第三十五页，共51页。第三十五页，共51页。3）如果数控机床为了恒线速切削需在运转中变速时取，φf

＜RdP特点：主传动系统功率特性图上有小段重合，这时变速箱的变速级数为某一数控机床主轴的最高转速为8000r/min，计算转速为125r/min，最大切削功率为5.5kw，采用交流调频主轴电机，额定转速为1500r/min，最高转速6000～8000r/min

。试设计分级变速箱的传动系统和选用电机功率。例题：第三十六页，共51页。第三十六页，共51页。解：主轴的恒功率调速范围电动机的恒功率调速范围取变速齿轮的公比φf

＝Rdp

＝

4，电动机本身的无级变速范围与公比相等，作为基本组，变速齿轮应作为扩大组。变速级数Z满足，由于Rnp＞Rdp

，必须配以分级变速箱。第三十七页，共51页。第三十七页，共51页。

为简化变速箱，便于自动变速，希望用双速变速箱，双联齿轮作为扩大组的变速范围Rkp为▲由于结构尺寸的限制，齿轮传动时，升速比不应大于2，降速比不应小于1/4。双联齿轮的变速范围不超过8，即使主轴的恒功率调速范围减小了；▲为满足主轴调速范围要求，降低电动机恒功率计算转速，把低于额定转速的部分恒转矩区视为恒功率区进行计算；若扩大后的电动机调速范围为Rdf，即公比φf＝Rdf，则第三十八页，共51页。第三十八页，共51页。★电动机的恒功率的计算转速为6000/8＝750r/min；★电动机的计算转速比额定转速低；★计算转速到额定转速区间是恒转矩调速，因而使电动机功率图产生缺口。电动机功率增加时，造成功率浪费。第三十九页，共51页。第三十九页，共51页。2.2计算转速

机电装备上的载荷取决于零件所传递的功率和转速。机电装备变速传动链内的零件，有的转速是恒定的，有的转速是变化的，变速传动件应根据哪一个转速进行动力计算？2.2.1机床的功率转矩特性作直线运动的执行件，切削速度对切削力的影响不大。不论在什么速度下，都有可能承受最大切削力。驱动直线运动执行件的传动件，在所有转速下都可能出现最大转矩。认为恒转矩。执行件作旋转运动时，主轴转速不仅取决于切削速度而且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，这时要求的输出转矩增大了，旋转主运动链的变速机构，输出转矩与转速成反比，基本上是恒功率的。第四十页，共51页。第四十页，共51页。○通用机床的应用范围广，变速范围大，使用条件复杂，主轴的转速和传递的功率是经常变化的。○通用车床主轴转速的低速段，用来切削螺纹、铰孔或粗车等，消耗功率较少，计算时如按传递全部功率算，会使传动件的尺寸不必要的增大，造成浪费。○在主轴转速的高速段，受电动机功率的限制，背吃刀量和进给量不能太大，传动件所受的转矩随转速的增加而减少。

主轴或各传动件传递全部功率的最低转速为计算转速nj。计算转速第四十一页，共51页。第四十一页，共51页。从最高转速nmax→nj间，主轴能传递全部功率。该区域内，主轴最大输出转矩应随转速的降低而加大，→恒功率区从nj→nmin，该区域内各级转运无需传递全部功率。主轴输出转矩不随转速的降低而加大，保持nj时的转矩不变→恒转矩区第四十二页，共51页。第四十二页，共51页。2.3进给传动系统设计2.3.1概述

进给传动系统用来实现机电装备的进给运动和辅助运动。1、系统组成由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险装置、快速行程运动传动链、运动转换机构和执行件等组成。◎进给传动可用单独电动机作为动力源，便于缩短传动链，实现几个方向进给运动和机床自动化；也可与主传动共用一个动力源，便于保证主传动和进给运动之间的严格传动比关系，适用于有内联传动链的机床，如车床、齿轮加工机床等。◎重型机床为简化结构，进给传动大都采用单独驱动或每个进给方向都有单独的电动机驱动。如数控机床采用步进电动机或伺服电动机以保证各个进给运动之间的严格运动联系。第四十三页，共51页。第四十三页，共51页。

常用进给传动系统的变速机构有交换齿轮变速、滑移齿轮变速、齿轮离合器变速、棘轮机构变速、凸轮机构变速、机械无级变速和伺服电动机变速等。2、基本要求1）有足够的静刚度和动刚度；2）具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高；3）抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声；4）具有足够宽的调速范围，能实现所要求的进给量，以适应不同加工材料和刀具，满足不同零件加工要求；5）进给系统的传动精度和定位精度要高；6）结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操纵轻便灵活。第四十四页，共51页。第四十四页，共51页。1、进给功率机床的进给量都比较小，最小进给量可0.01mm/r，甚至每转几微米。为了实现低速移动，须考虑降速的问题。2、动作进给传动系统要求能完成手调、换向、接通与断开、运动分配等动作，操纵比较频繁。一般应从操纵方便、迅速、可靠与省力出发，选择合理的机构与布置。

3、运动形式多数进给运动是直线运动且是连续的。动力源多为旋转运动，机床多用齿轮齿条、丝杠螺母等机构把旋转运动变为直线运动。2.3.2普通机械进给传动系统设计特点第四十五页，共51页。第四十五页，共51页。2.3.3进给运动部件的爬行1、爬行（creep)在精密或数控机床上，进给部件做低速运动或微小位移(0.05～0.50mm/min或0.001～0.05/次)，运动部件的移动会出现跳跃式时停时走的运动状态，这种爬行现象一般只在低速运动时发生，将严重的影响机床的加工精度和表面质量，必须重视和加以解决。第四十六页，共51页。第四十六页，共51页。原因：与摩擦力特性及传动系统刚度等有关。试验表明，两个物体之间的摩擦因数随着速度的变化而变化。物体静止时的摩擦因数最大，为静摩擦因数fs，物体有相对运动时的摩擦因数，为动摩擦因数fd。○两个物体存在着液体润滑时，摩擦因数将随速度发生变化；○两个物体有相对运动时，由静摩擦因数逐渐下降为动摩擦因数，动摩擦因数随速度增加而逐渐下降；○两物体间由干摩擦转化为半干摩擦，当速度增加到一定值时，完全转化为液体摩擦时，摩擦性质发生质变，摩擦因数将随速度的增加而增大。2、产生爬行现象的原因第四十七页，共51页。第四十七页，共51页。进给系统可简化为运动模型。驱动系统是一弹性体设其弹簧刚度为k。●当驱动体以匀速v从D