第七章机床变速传动系统设计机械制造装备与设计西北工业大学

第七章传动设计机床的传动系统通常由以下几种传动系统的全部或一部分所组成:1．外表成形运动传动系统1)主运动传动系统;(用于传动切下切屑的运动)2)进给运动传动系统;3)切入运动传动系统。2．辅助运动传动系统快速趋近、快速退出，刀架和工件的自动装卸和夹紧等辅助运动的传动；分度运动传动系统、控制运动传动系统、校正运动传动系统等。第一节有级变速主传动系统的组成和要求机床的主传动系统用于实现机床的主运动。机床的主运动往往需求变换速度，实现变速的方法有：①液压传动容易实现无级变速；②电气传动容易实现无级变速；③机械传动有无级变速，目前常见的是有级变速。特别是以齿轮变速箱运用最为广泛。其优点：变速范围可较大，传动功率也可较大，传动比准确，任务可靠等；但也存在一些缺陷：如不能实现无级变速，齿轮传动不够平稳，变速机构的构造复杂，不宜用于高速精加工机床上。主传动系统的功用是将电动机的恒定转速改动为所需的主轴各级转速，在实现变速的同时，还要传送扭矩。图7－1为CA6140卧式车床的主传动系统图。在设计机床的主传动系统时，必需满足的根本要求：①机床的未端执行件应有足够的转速范围和变速级数。②机床的动力源和传动机构需求可以输出和传送足够的功率和扭矩。并有较高的传动效率。③机床的传动机构，特别是未端执行件必需有足够的精度、刚度、抗振性能和较小的热变形。④机床的自动化程度和消费率的要求，应该合理地满足。⑤机床的操作和控制要灵敏，平安可靠，噪声要小，维修方便，本钱要廉价。第二节有级变速主传动系统的设计机床的运动参数如Rn、公比φ根本确定后，就可进展传动系统的设计，通常采用图解的方法，即转速图来处理。转速图可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。它不仅可以用来拟定新的传动系统，也可用来对现有机床的传动系统进展分析和比较。一、分级变速的普通规律图7-2a为龙门铣床铣刀主轴变速箱的传动系统图，图7-2b为该变速箱的转速图。其转速范围：50~630r/min,公比φ=1.26,转速级数z=12,主电动机功率13kw,转速1460r/min。在转速图中：①间隔相等的竖直线代表传动系统的各轴；②间隔相等的横线与竖直线的交点〔用圆圈表示〕用来代表各级转速。因lgnz-lgnz-1=lgφ=常数，转速图上的纵坐标取为对数坐标，那么代表各级转速的横线的间距相等，且等于lgφ③相邻两轴之间的相应转速的连线代表相应传动副的传动比。从图可见，由三个变速组相互串联使变速系统获得12级转速。第一变速组〔Ⅱ-Ⅲ轴〕：ua1=27/43=1/1.58=1/φ2ua2=31/39=1/1.26=1/φua3=35/35=1第二变速组〔Ⅲ-Ⅳ轴〕：ub1=26/52=1/2=1/φ3ub2=39/39=1第三变速组〔Ⅳ-Ⅴ轴〕：uc1=24/54=1/2.25=1/φ3.5uc2=50/28=1.79=φ2.5二、变速的根本规律〔一〕变速系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积图7－2变速系统可写为：12＝3×2×2通式：z＝papbpc…pm在构造上，变速组按照从电动机到主轴传动的先后陈列顺序称为“传动顺序〞变速组a的三个传动比的连线间相差一格，可使Ⅲ轴上得到公比为φ的等比数列转速，相邻转速成φ倍关系，Ⅲ－Ⅵ轴有四条传动道路，经过每一条均可使主轴Ⅵ得到三级转速，且相邻转速也成φ倍关系，这样经过四条传动道路就可使主轴获得四段，每段和Ⅲ轴上的三级转速一样成等比数列转速，称变速组a为根本变速组．变速组内相邻传动比之比称为级比故变速组aUa1:Ua2:Ua3=1/φ2:1/φ:1=1:φ:φ2将上式写成Ua1:Ua2:Ua3＝１：φx0：φ2x0X０称为级比指数即转速图中，变速组内相邻两传动比相距的格数称为级比指数经过a变速组变速后，可使Ⅲ轴得到三级延续等比数列的转速，这种具有级比指数x0=1的变速组称为根本组。第二变速组：p1=pb=2ub1:ub2=26/52:39/39=1/φ3:1=1:φ3=1:φx1故x1=p0=3此变速组的作用是将根本组的变速范围进展第一次扩展，这种级比指数等于根本组的传动副数，即x1=p0的变速组称为第一扩展组，其转速级数扩展为p0·p1=6。第三变速组：p2=pc=2uc1:uc2=24/54:50/28=1/φ3.5:φ2.5=1:φ6=1:φx2故x2=p0p1=3x2=6此变速组的作用是将根本组的变速范围进展第二次扩展，这种级比指数等于根本组和第一扩展组的传动副数连乘积，即x2=p0p1的变速组称为第二扩展组，其转速级数扩展为p0·p1·p3=12。恣意变速组中的传动比U1:U2:U3···Up=1:φxφ2x···φ(p-1)xx＝p0p1p2…pj-1根本变速组级比φx0x0=1第1扩展组级比φx1x1=p0第2扩展组级比φx2x2=p0p1……第j扩展组级比φxjxj=p0p1p2…pj-1级数Ｚ＝P0P1P2···Pj上面即为级比规律。从上面分析可知，为了获得延续等比数列的转速，必需使几个变速组串联而成的传动系统符合级比规律，否那么会出现转速反复或空缺的景象。如图7－3中的图a)x1=4＞3，出现转速空缺；图b)x1=2＜3，出现转速反复；图c)x1=1.5<3，出现非正常的转速数列。变速组按根本组、第一扩展组、第二扩展组…即X由小到大的陈列顺序，称为“扩展顺序〞。变速组的变速范围与其级比的关系,r=Umax/Umin根本组:r0=φx0(p0-1)=φP0-1第一扩展组:r1=φx1(P1-1)=φP0(P1-1)第二扩展组:r2=φx2(P2-1)=φP0P1(P2-1)第J扩展组:rj=φxj(Pj-1)=φP0P1···Pj-1(Pj-1)主轴Rn与变速组r:Rn=nmax/nmin=φz-1=φP0P1···Pj-1=r0r1r2···rj由此得出结论：由于等比数列可以由等比数列乘以等比数列得到，机床的传动系统中，转速数列是由定比传动副和变速组组成的，几个变速组相互串联，其中以根本组为根底，然后经过第一、第二、…、扩展组把各轴的转速级数和变速范围逐渐扩展，并且各变速组相邻传动比之间又遵照上述的级比规律，那么机床的传动系统的转速数列是延续的等比数列，级数Z=P0P1P2P3···Pj称为“多轴乘积式传动系统〞。二、构造网和构造式将转速图画成对称方式就成为构造网。构造网中两轴间连线仅表示传动关系，而不表示传动比值，轴上各圆点也不表示该轴的详细转速。构造网和转速图有一致的变速特性。图7－2的转速图可画成图7－4的构造网。构造网又可简化为构造式，本例的构造式为：12=3[1]×2[3]×2[6]其中:Z=3×2×2=12p0=3x0=1r0=φ2p1=2x1=3r1=φ3p2=2x2=6r2=φ6构造式和构造网一样只表示变速特性的相对关系。三、转速图拟定的普通原那么拟定变速系统的义务是为了寻觅最正确的变速系统方案，拟定变速系统普通可按以下步骤进展：1)根据已定的Rn、φ及z，选择适宜的变速组个数及其传动副数，选择合理的构造式或构造网；2)绘制转速图，合理地分配各传动比；3)计算各变速组各对齿轮的齿数。画出传动系统图。(一)变速组及其传动副数的选择比较以下三种方案：1)18=9×2(11对齿)2)18=6×3(9对齿)3)18=3×3×2(8对齿)４〕18=18(18对齿)从减少传动副数目及其它方面分析方案3)应是最好的。(二)构造式或构造网的选择从减小传动件的构造尺寸和降低传动系统的噪声和振动两方面去综合思索，应遵照以下两原那么：1.传动副的“前多后少〞原那么把不同传动副数的变速组在传动顺序上的陈列加以改动，可得假设干不同的方案：12=3×2×2〔好〕12=2×3×212=2×2×3M=9550N/n2.传动副的“前紧后松〞原那么当传动顺序与扩展顺序一致或不一致，对于变速系统12=3×2×2共有六种方案：见图7－５12=3[1]×2[3]×2[6](好)12=3[1]×2[6]×2[3]12=3[2]×2[1]×2[6]12=3[4]×2[1]×2[2]12=3[2]×2[6]×2[1]12=3[4]×2[2]×2[1]3.各变速组的变速范围不应超越最大的变速范围对于主传动系统：因umin=1/4umax=2(斜齿umax=2.5)故r=(2~2.5)/(1/4)=8~10对于进给传动系统：因umin=1/5umax=2.8故r=1412=3[1]×2[3]×2[6]12=2[1]×2[2]×3[4]当φ=1.26时,“2[6]〞,r=1.266(2-1)=4(合格)“3[4]〞,r=1.264(3-1)=6.32(合格)当=1.41时,“2[6]〞,r=1.416(2-1)=8(合格)“3[4]〞,r=1.414(3-1)=16>8(不合格)故通常大多数机床的最后扩展组的传动副数为２，可以减小最后扩展组的变速范围。(4分配传动比，合理安排降速为了减少传动件尺寸，在传动顺序上各变速组的最小传动比，应遵照“前缓后急〞的原那么。即uamin>ubmin>ucmin>…另还应留意以下两点：1)各传动副的最大、最小传动比应尽能够不超出级限传动比。2)选用规范的传动比，尽量是取公比的整数次方，即u=φ±E(E为整数〕，这样可以简化计算。四转速图的拟定拟定万能卧式中型铣床的主传动系统转速图，知主轴的转速范围为30~1500r/min,异步电动机的转速为1440r/min。1．选定公比及确定转速级数和各级转速φ＝1.26(√)或1.41Rn=nmax/nmin=1500/30=50z=1+lgRn/lgφ=1+lg50/lg1.26=17.9取z=18，转速数列见以下图2.选择构造式1)由“前多后少〞原那么得18=3×3×22)由“前密后疏〞原那么得18=3[1]×3[3]×2[9]3)其最后扩展组的变速范围r=φ9(2-1)=8在允许的变速范围内。3.确定能否需求添加降速的定比的传动副总降速比为：30/1450=1/48三个变速组的最小传动比都为1/4，那么总降速比为1/64，这样无需添加降速的定比传动副，为使中间的二变速组降速缓慢，以减小构造的径向尺寸，在变速组的最前面添加一对26/54的齿轮副。4.分配各变速组的最小传动比，拟定转速图1)决议轴Ⅳ–Ⅴ的最小传动比最后扩展组的最小传动比取极限值1/4。2)决议其他变速组的最小传动比根据“前缓后急〞的原那么，两变速组均降4格。3)画出各变速组的传动比连线见右图。5.画出主传动系统图如右图所示，这个传动系统就是X62W型铣床的主传动系统。五、扩展变速范围的几种方法由于最后扩展组的变速范围不允许超越极限范围，变速系统的变速级数Z和总变速范围R都将遭到一定的限制。变速级数Z＝P0P1P2…Pj-1Pj而最后扩展组的变速范围：rj=φ(pj–1)p0p1p2…pj-1如Pj=２，那么rj=φZ/2故Z=2(lgrj/lgφ)rmax≤8Zmax=2(lg8/lgφ)···①变速系统的变速范围为：Rn=φz–1···②当φ=1.26时，由①Zmax=18，由②Rnmax=50当φ=1.41时，由①Zmax=12，由②Rnmax=45

而现代通用机床的变速范围经常超越上述范围，这时可用以下的方法扩展变速范围。㈠添加一个变速组添加一个变速组显然可以添加总变速范围Rn，但各变速组的变速范围又遭到rmax≦8~10的限制，因此添加不超越这个限制的变速组固然可以扩展变速范围Rn，但又会出现部分转速反复，因此并没有充分利用传动副。如φ=1.41，Z=12，Rnmax=45的变速系统：其构造式：12=31×23×26添加一个P＝2变速组，其构造式：24=31×23×26×212但最后扩展组的变速范围：r3=φ12=1.4112=64>8，应为r3=φ12－6=1.416=8，其构造式为：18=31×23×26×2(12-6)其构造网如图2－20示，从图可知，出现了6级转速反复。变速级数有所添加，但没有到达应有的级数，只是总变速范围添加到Rn=φ17=1.4117=344㈡添加背轮机构原理图见图7－21以背轮机构作为一个变速组，其变速范围可到达rmax=1/(1/4×1/4)=16，这样可以作为变速系统的最后扩展组，从而可以提高变速系统的变速级数Z和变速范围Rn。从构造上看，背轮机构仅占两排轴孔位置，可以减少变速箱的轴向尺寸；在高速传动时，直接合上离合器，缩短了高速传动链，这时应使背轮脱开。rj=φ(pj–1)p0p1p2…pj-1如Pj=２，那么rj=φZ/2Zmax=2(lg16/lgφ)Rn=φz–1假设φ=1.41Zmax=16Rn=180图7－22为CM6132型精细车床的主传动系统，该传动是采用分别传动。采用了背轮机构，且位于主轴箱，传动比为：27/63×17/58=1/8㈢采用分支传动其原理图见图2－23CA6140、C620－1车床为其详细运用。图7－24为CA6140车床的主传动系统图和转速图。低速分支：φ=1.26，Z=18(10~500r/min)，R’=50，其构造式为：18=2[1]×3[2]×2[6]×2[12-6]，出现了6级反复转速。高速分支：φ=1.26，Z=6(450~1400r/min)，R〞=3.11

其构造式为：6=2[1]×3[2]从图可见450~560r/min4级转速交叉，实践总变速范围140少于Rn=R’R〞Φ=195.9。此转速图的特点：传动链上第一变速组2个传动副而第二变速组3个传动副。电动机经Ⅰ轴至Ⅱ轴是先降速后升速。显然，采用分支传动既扩展变速范围又能缩短高速传动链。Z=Z0Z1+Z0Z1,Rn=R0R1R0R1,ΦRnR0R1R0R1,Φ㈣采用混合公比图7－25为Z3040型摇臂钻床的双公比的主传动变速系统。φ1=1.26(中间12转速〕φ2=1.262=1.58(高、低各空2级转速)正常：16=2[1]×2[2]×2[4]×2[8]如把根本组的级比指数由1改为5，那么构造式为：16=2[5]×2[2]×2[4]×2[8]改动扩展顺序，使构造式改为：16=2[2]×2[5]×2[4]×2[8]其构造网见图7－26其变速系统的变速范围Rn=φ2φ5φ4φ8=φ19=80而正常系统的变速范围Rn=φ1φ2φ4φ8=φ15=32二者相差φ4倍，其中指数4是根本组级比指数添加值，也是转速数列中转速空缺的格数。由此可见，增大根本组的级比指数，可以得到混合公比的变速系统，增大的差值，恰好是构造网的空缺格数。但添加后的根本组的级比指数不能为根本组传动副数的整数倍。如p0=2，那么x0=3,5,7，而空缺级数分别为2,4,6。图7－22为CM6132车床的主传动系统也是采用混合公比。有三公比，其构造式为：18=3[3]×3[1,4]×2[9]非对称混合公比的变速系统12=2[3]×3[1]×2[6]六几种特殊变速的主传动系统(一)多速电动机变速系统双速电机和三速电机的同步转速为1500/3000r/min或750/1500r/min，750/1500/3000r/min，即同步转速比电2，由于电动机本身能得到二级或三级转速，因此在传动系统中多速电动机相当于具有二或三个假想传动副的变速组，可以称为“电变速组〞。运用多速电动机时，要使变速系统依然延续等比数列的转速数列，那么要求电变速组在扩展顺序中的特性依然要遵守级比规律。即电变速组的级比为：φxi=2这样传动系统的公比只能采用=1.06,1.12,1.26,1.41,2,同时相应的级比指数xi=12,6,3,2,1当φ=1.26时，xi=3，为第一扩展组，且要求根本组的传动副数P0=3，例：12=2[3]×3[1]×2[6]见图7－27当φ=1.41时，xi=2，为第一扩展组，且要求根本组的传动副数P0=2，例：8=2[2]×2[1]×2[4]见图7－27图7－28为C7620型多刀半自动车床的主传动系统，其公比φ=1.41，构造式为：8=2[2]×2[1]×2[4](二)采用交换齿轮的变速系统采用交换齿轮变速，其特点是构造简单，不需求支配机构，轴向尺寸小；由于交换齿轮的自动轮和被动轮可以倒换运用，因此可以减小齿轮的个数。且u降=1/u升，在转速图上传动比的连线呈对称分布，见图7－29Un=φ(2n-1)/2由于umax<2~2.5，交换齿轮完全交换时其变速范围rmax≤4~6。交换齿轮变速组普通安放在传动系统的前面，使其处于较高转速，构造可以紧凑些。如图7－30的车床主传动系统：其构造式：4=2[2]×2[1]图7－31为回轮转塔式车床的主传动系统，运用了交换齿轮，其构造式：8=2[6-4]×3[1]×2[3]七、齿轮齿数确实定留意以下几点：1)齿轮齿数和Sz不能太大，普通Sz≦100~120，常选用在100以内。2)同一变速组中的各对齿轮，其中心距必需坚持相等。3)最小齿轮的齿数应坚持不产生根切。4)应保证最小齿轮装到轴上或套筒上具有足够的强度。普通引荐a≧2m，见图7-105)保证主轴的转速误差在规定范围之内。机床主轴的实践转速对于优先数列的实际值的总误差应在-2%~+6%范围之内。(一)同一变速组内模数一样的齿轮齿数确实定适用于各齿轮副的速度变化不大，受力情况差别不大的情况。1．计算法Zj’+Zj=Sz=常数Zj/Zj’=uj=aj/bj故Zj=Sz·aj/(aj+bj)Zj’=Szbj/(aj+bj)以图7-11为例阐明计算方法，其中φ＝1.41u1=1/1.412=1/2u2=1/=1/1.41=5/7u3=1=1/11+2=35+7=121+1=2最小公倍数为12,假设Zmin>22U1=1/2=22/44Szmin>66齿数和Sz=12x6=72Z1=1/(2+1)x72=24Z1‘=72-24=48那么z2=Sz·5/(7+5)＝30Z2’=Sz-z2=42z3=Sz·1/(1+1)＝36Z2’=Sz–z3=36齿数确定后，还要检查三联齿轮块相邻齿轮的齿数关系，以保证其左右挪动过程中，不会发生碰撞。如以下图，当三联齿轮块由中间向左挪动时，必需保证齿轮z2´的齿顶不碰撞z1的齿顶，当z1´＞z2´＞z3´时，m(z1+2)/2+m(z2´+2)/2<A,又A=m(z1+z1´)/2要求z1´-z2´>4，即三联齿轮的最大齿轮与相邻的次大齿轮之间的齿数差应大于4。2.查表法传动比是规范公比的整次方,变速组内模数一样U=1︿4.73SZ=40︿120U1=1/2查2这一行U2=1/1.41查1.41这一行U3=1假设Zmin>22U1=1/2查得Zmin=22Szmin>66从Szmin>66开场查同时满足三个传动比的SzminU1=1/2Sz=66,69,72,75,78,81,84,86,87…U2=1/1.41Sz=67,68,70,72,73,75,77,79,80,82,84…U3=1Sz=66,68,70,72,74,76,78,80,82,84,86…同时满足三个传动比的有72,84...U1=1/2=24/48,U2=1/1.41=30/42U3=1=36/36

(二)采用公用齿轮的变速系统在变速系统中，相邻的两个变速组中，前一个变速组的被动齿轮兼作后一个变速组的自动齿轮，这一齿轮称为公用齿轮。可分为单公用、双公用、三公用、多分用齿轮变速系统。采用公用齿轮可以减小齿轮的个数和缩短变速箱的轴向尺寸，但给选择传动比带来一定的困难，径向尺寸普通也较大，且所遭到的弯曲应力是对称循环变应力。图7－2为单公用齿轮的X2021A型龙门铣床的主传动系统。图7－32为一铣床的主传动系统，采用了双公用齿轮。有其特点：(双公用)如是“降速传动〞这时扩展组在前，根本组在后；如为“升速传动〞那么根本组在前，扩展组在后。1.

单公用齿轮齿数确实定1)

首先要确定公用齿轮所在的传动付,确定原那么:a)选较大的齿轮作为公用齿轮,公用齿轮运用的时机较多;b)使前后两个传动组的齿数和相加,在构造允许的前提下数值最小.2)确定最小齿数齿轮所在的传动副及最小齿数Zmin=20查表:Ua1=1/2=20/40Sza=60Ua2=1/1.41=25/35Ua3=1/1=30/30由公用齿轮Z公用=35Ub2=1.41/1=35/25Szb=35+25=60Ub1=1/2=20/402.双公用齿轮齿数确实定1)

首先要确定公用齿轮所在的传动付,确定原那么:一个公轮所处的传动副为:升---降另一公轮所处的传动副为:降---升;这样选公用齿轮可使轴间距较小确定最小齿数齿轮所在的传动副及最小齿数一个公用齿轮在Ua1Ub3另一个在Ua3Ub1最小齿轮在Ua1中的自动轮Z1=17Ua1=1/2.52查表=17/43Sza=17+43=60Ua2=1/1.26查表Sza=60,u=1.26为空故取Ua2=1/1.26=26/33Sza=59Ua3=1.58/1=37/23变速组b的齿数及Szb以两个公用齿轮为准Ub1=1/2=23/46故Szb1=23+46=69Ub3=1.58/1=43/27Szb2=43+27=70查表Sza=70,u=1.26为Ub2=1.26/1=39/31图7－33是采用三公用齿轮传动。三公用齿轮传动即使采用变位齿轮也难以得到延续的等比数列的转速数列。能实践采用的三公用齿轮变速系统只需部分转速反复和混合公比两种，混合公比是理想的设计。(三)变速组内模数不同时齿轮齿数确实定传动副的中心距A必需相等A=m1/2(Z1+Z1′)=m1Sz1A=m2/2(Z2+Z2′)=m2Sz2m1Sz1=m2Sz2Sz1/Sz2=m2/m1=e2/e1即Sz1=Ke2Sz2=Ke1

U2=2/1U1=1/4U1=1/4U2=2m1=4m2=3Sz1/Sz2=m2/m1=3/4取K=30Sz1=30×3=90Sz2=30×4=12U1=1/4=18/72U2=2/1=80/40八.变速箱和进给箱(一)

变速传动部分的组成(二)

变速传动部件必需满足的要求1)一定的变速范围和级数2)能传送动力参数规定的功率3)运动平稳噪音小4)构造简单分量轻5)制造运用维护方便6)抗振性好外形美观等(三)

变速箱的型式1)主轴箱2)分别传动变速箱3)以床身作为箱体的变速箱(四)

变速机构的类型选择1)滑移齿轮2)齿式离合器3)摩擦离合器M1M1M2M21/42/12/11/4ⅠⅠⅡⅡ九、齿轮的布置为使变速箱构造紧凑，在齿轮的布置时应留意以下问题：1)应使一对齿轮完全脱开之后，另一对齿轮才干开场进入啮合。如图7-13中的L＝B＋2~4。2)变速组中的滑移齿轮最好布置在自动轴上〔降速传动时〕，也可把两个相邻的滑移齿轮放在同一根