1、金属切削与机床 Metal Cutting & Machine Tools,第八讲 切削机床主传动设计,切削机床主传动设计 机床主传动方案选择 机床主运动变速设计 计算转速确定 扩大变速范围的方法 主传动齿轮设计与布置 主轴箱结构设计,切削机床主传动方案设计,切削机床主传动方案设计,切削机床主传动方案设计,切削机床主传动参数拟定,通用机床是为适应多种零件加工而设计制造的，主轴需要变速。因此需确定它的变速范围，即最低与最高转速。1) 主轴最高和最低转速的确定 根据公式有：nmax和nmin的比值是变速范围Rn:,切削机床主传动参数拟定,2) 主轴转速数列 目前，在机床中应用最广泛的还是有级变速，
2、极限转速确定后，还需确定中间转速。 如某机床的分级变速机构共有Z 级，其中n1=nmin，nz=nmax，Z 级转速分别为：n1,n2,n3, nj, nj+1,nz. 如果加工某一工件所需要的最有利的切削速度为v ,则相应的转速位n。通常，分级变速机构不能恰好得到这个转速，而是处于某两极转速 nj与nj+1之间： 转速的损失为A=(n-nj)/n 对于普通机床，认为每个转速的使用机会都相等，那么应使 Amax为一定值，即,切削机床主传动参数拟定,3) 公比的标准值和标准转速数列 机床转速是从小到大递增的，因此 。为使最大相对转速损失率不超过50%，即 由此得出： 为便于设计和使用机床，规定了
3、七个标准公比。 当采用标准公比后，转速数列可从表中直接查出，表中给出了以1.06为公比的从110000的数值。,标准数列表,切削机床主传动参数拟定,4) 选用标准公比的一般原则和经验数据 （1）对于通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，一般取=1.26或1.41。 （2）对于大批、大量生产的专用机床、自动化机床，公比应取小一些。因这些机床的生产率较高，转速损失的影响较显著。一般取=1.12或1.26。 （3）对于大型机床，公比应取小一些。因在大型机床上的切削加工时间较长，转速损失的影响较显著。一般取=1.26或1.12及1.06。 （4）对于非自动化小型机床，公比应取大一些。因在这
4、些机床上，辅助时间较多，而切削加工时间所占的比例不大，转速损失的影响不很显著。一般取=1.58、1.78或2。,切削机床主传动方案选择,一、主传动布局选择 主传动的布局形式取决于机床的用途、类型和尺寸等因素。 1、集中传动式 优点：结构紧凑，便于实现集中操纵，箱体数少。 缺点：传动机构运转中的振动和发热会直接影响主轴的工作精度。适用于主运动为旋转运动的普通精度的中、大型机床。,切削机床主传动方案选择,一、主传动布局选择 2、分离传动式 优点：变速箱所产生的振动和热量不传给或少传给主轴，从而减少了主轴的振动和热变形；高速时不用齿轮传动，而由皮带直接传动主轴，运转平稳，加工光洁度高，适应精密加工的
5、要求；当采用背轮机构时，高速传动链短，传动效率较高，转动惯量小，便于启动和制动；低速时经背轮机构传动，扭矩大，适应粗加工的要求。 缺点：有两个箱体，箱体加工成本较高；低速时皮带负荷大，皮带根数多，容易打滑；当皮带安装在主轴中段时，调整、检修都不方便。适用于中、小型高速精密机床。,切削机床主传动方案选择,二、变速方式选择1. 交换齿轮变速机构 变速机构的构造简单，结构紧凑，主要用于大批大量生产中的自动或半自动机床、专用机床及组合机床等上。2. 滑移齿轮变速机构 优点：变速范围大，变速级数也较多；在较大的变速范围内可传递较大的功率和扭矩；因而空载功率损失较小等。 缺点：变速箱的构造复杂，不能在运转
6、中变速，为使滑移齿轮容易进入啮合，多用直齿圆柱齿轮传动，传动平稳性不如斜齿轮传动等。,切削机床主传动方案选择,二、变速方式选择3. 离合器变速机构 在离合器变速机构中，应用较多的牙嵌式离合器、齿轮式离合器以及摩擦片式离合器。 摩擦片离合器变速： 多用于自动或半自动机床中，这类机床往往须在运转过程中变换主轴转速，而机床主轴转速又较高，故宜采用摩擦离合器变速机构、多速电动机或无级变速器等。,切削机床主传动方案选择,二、变速方式选择3. 离合器变速机构 安排离合器的位置应注意以下几个方面：1）尽量减小离合器的尺寸；2）避免出现超速现象；3）要考虑到结构上的因素；4）各种变速机构的组合；,切削机床主传
7、动方案选择,三、开停方式选择 直接开停电动机 优点：操作方便，可简化机床的机械结构，得到广泛应用 缺点：电动机功率大、开停频繁的情况下，将导致电动机发热、烧坏，甚至因启动电流大而影响车间电网正常供电。 2.采用离合器开停 在不停止电动机运转的情况下，可用离合器实现主运动执行件的启动或停止。,切削机床主传动方案选择,四、制动方式选择某些机床在装卸工件、测量被加工面尺寸、更换刀具及调整机床时，要求机床的主运动执行件尽快地停止运动。电动机制动制动时，电动机的转矩方向与电动机的实际旋转方向相反，使其减速而迅速停转。常见的是反接制动，制动时间短，操纵方便、结构简单。适用于直接开停电动机，制动频率低电机功
8、率不大的机床。,切削机床主传动方案选择,四、制动方式选择 2. 机械制动1）闸带式制动器结构简单，轴向尺寸小，操纵杠杆应作用于闸带的松边，使操纵力小且制动平稳。但制动时闸轮受到较大的单侧压力，对所在传动轴有不良影响，故用于中小型机床。,切削机床主传动方案选择,四、制动方式选择 2. 机械制动2）闸瓦式制动器单块闸瓦式制动器的结构较简单，操纵较方便，制动时间短，但制动时闸轮也受到较大的单侧压力，单块闸瓦式制动器可采用机械、液压或电磁等方式操纵。,切削机床主传动方案选择,四、制动方式选择 2. 机械制动3）制动器的位置要求设置于高速轴上，制动力矩较小，结构紧凑，制动平稳，制动器与开停装置中必须有连
9、锁关系。设置情况分为两种： 不停电机时，必须放在切开动源以后的主动链的传动件上。 电机停止制动，可装在任意位置上。,切削机床主传动方案选择,五、换向方式选择 主运动执行件的换向，除了某些直线运动机床是由传动机构本身实现外，多数机床须设置专门的换向装置。1. 电动机换向 变换电动机的转向，使主运动执行件的运动方向改变，这种换向方式可简化机床的机械结构、操作简单省力且容易实现自动化，在可能的条件下应采用这种方式。2. 机械换向 目前，在主传动系统中主要采用圆柱齿轮-多片摩擦离合器式换向机构，它可以在高速运转中平稳地换向，但结构较复杂。,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构网与转速图分析1. 结
10、构式与结构网 结构式和结构网是设计转速图的一种过渡形式，用作分析比较方案之用。 结构网用对称的形式，只表示各变速组传动比的相对关系和各传动轴的转速级数，而不表示传动比和各传动轴的转速绝对值。 结构式与结构网表达的内容基本相同，包括主轴转速级数Z、各变速组传动副数P和级比指数xi。Z=Px0Px1Px2.,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构网与转速图分析1. 结构式与结构网,从结构网和结构式中说明下列问题：1）传动链的组成和传动顺序 12=3 2 22）各传动组的级比指数，即相邻变速线间的格数；3）扩大顺序：基本组、一扩组、二扩组；从级比指数看出。,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构
11、网与转速图分析2. 转速图 以表格和连线的方式绘制而成的，表达每一级转速是通过哪些传动副得到的，这些传动副之间的关系如何，各传动轴的转速等。 功能：用转速图对现有的机床传动链进行分析和比较；设计新的机床的传动链。 结构组成: (三线一点)传动轴格线转速格线转速点传动线,切削机床主运动变速设计,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构网与转速图分析3. 级比规律 级比定义：变速组中相邻两传动比的比值叫级比；级比指数：级比xi中的指数Xi称为级比指数；级比规律： a、基本组的级比指数为1；b、传动系统中必有一个变速组为基本组；c、任一扩大组的级比指数必大于1，并等于基本组的传 动付数与该扩大组之前
12、（按扩大顺序）的所有扩大组的传动付数之积。,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构网与转速图分析3. 级比规律,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构网与转速图分析4. 转速图的拟定原则（以12级变速为例） 传动组与传动副的确定 方案：12=43；12=34；12=322；12=232； 基本组与扩大组的排列顺序在12=322中，基本组和扩大组排列顺序的不同而有不同的方案，采取基本组在前，一扩组，二扩组 。 基本组和扩大组的关系：X为级比指数，P为传动付数则：基本组中 X0=1一扩组中 X1=X0P0=P0 二扩组中 X2=X1P1=X0P0P1=P0P1,切削机床主运动变速设计,一、结构
13、式、结构网与转速图分析4. 转速图的拟定原则（以12级变速为例） 传动组变速范围与极限传动比变速组的变速范围是变速组内最大与最小传动比的比值即：ri=(Pi1)Xi (1).在主运动传动时,为防止被动齿轮直径过大,影响机构的径向 尺寸。降速时 Umin 1/4 升速时为传动平稳，减少噪声Umax2斜齿传动Umax2.5 最大传动组的变速范围：Rmax= Umax/ Umin=8-10,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构网与转速图分析4. 转速图的拟定原则（以12级变速为例） 传动组变速范围与极限传动比(2).进给运动传动时，由于传动功率小，转速低，尺寸较小，传动比限制可以放宽至：1/5U
14、2.8 Rmax= Umax/ Umin=14 检查传动组的变速范围时，只检查最后一个扩大组就可以了,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构网与转速图分析4. 转速图的拟定原则（以12级变速为例） 分配传动比的原则(1)各传动副的传动比应尽可能不超出极限传动比Umin和Umax.(2) 各中间传动轴的最低转速适当高些。即： Uamin UbminUcmin,切削机床主运动变速设计,一、结构式、结构网与转速图分析5. 转速图设计步骤（以12级变速为例）（1）选定公比，计算转速级数Z，选择各级转速 （2）根据“前多后少”，“前密后疏”的原则拟 订结构式（3）根据“前慢后快”的原则与传动比限制拟订
15、 转速图。（4）确定带轮直径和齿轮齿数。（5）拟订传动系统图。,切削机床主运动变速设计,二、计算转速 定义：能够传递全部功率时的最低转速称为计算转速。 作用：对传动件进行计算和强度校核。在计算时要按传递全部功率时最低转速进行计算，才能得出传动件所承受的最大转矩1. 主轴计算转速的确定 主轴计算转速：主轴传递全部功率时的最低转速。 2. 其他传动件计算转速的确定 主轴的计算转速确定之后，按主轴的计算转速来确定其他传动件的计算转速。,切削机床主运动变速设计,二、计算转速 主轴所传递的功率及转矩与转速之间关系称为主轴的功率及转矩特性,切削机床主运动变速设计,三、主传动系统的特殊设计 1、采用多速电机
16、 多速电动机相当于具有两个或三个传动副的电变速组。常用的双速、三速电动机的同步转速为1500/3000、750/1500、750/1500/3000转/分，变速范围r电=2；常用1.26、1.41。 r电=2=1.263=1.412，故电变速组为第一扩大组。它不能保证传动顺序与扩大顺序一致。,切削机床主运动变速设计,三、主传动系统的特殊设计 2、采用交换齿轮 轴间的双联滑移齿轮变速组是基本组，用于加工过程中的变速，轴间的一对交换齿轮变速组是第一扩大组，用于每批工件在加工前的变速调整。,切削机床主运动变速设计,三、主传动系统的特殊设计 3、采用公用齿轮 公用齿轮：既是前一个变速组的被动齿轮，又是
17、后一个变速组的主动齿轮的齿轮 。公用齿轮应在前一个变速组传动比较小，后一个变速组传动比较大的传动付中。,切削机床主运动变速设计,三、主传动系统的特殊设计 4、扩大变速组范围增加变速组由于机床传动系统的变速范围等于各变速组变速范围的乘积，增加变速组即扩大机床的变速范围。如：公比=1.41的常规传动系统，受极限传动比的限制，其最大变 速范围Rmax=45，最大变速级数Z=12，结构式为12=312326。若须扩大变速范围和变速级数，可增加一个变速组，传动副为2，作为最后一个扩大组。则: 24=312326212,切削机床主运动变速设计,三、主传动系统的特殊设计 4、扩大变速组范围采用背轮机构,轴，
18、同轴，传动可直接带动主轴，也可经两次降速一次极限降速为1/4，二次可扩大1/4，即：U=1/4 1/4=1/16 可达到扩大变速范围的目的。注意“超速”现象。,主传动齿轮设计与布置,一、传动用齿轮齿数选择 1、齿数选取原则： a 、一对齿轮副的齿数和Sz100120。若过大会加大两轴向的中心距，使机床结构庞大，并产生噪音。 b、最小齿轮的齿数要尽可能小，在不产生根切情况下，一般取最小齿数Zmin18-20。为保证齿轮的强度，键槽到齿根圆的壁厚a2m。 c、两轴最小中心距应取得适当，若Sz太小，则中心距过小，将导致两轴上的轴承及其它结构之间的距离过近或相碰。,主传动齿轮设计与布置,一、传动用齿轮
19、齿数选择d、同一变速组内齿轮的摸数要尽量相同，因为可以简化设计和制造，同一组内的齿轮副的受力和速度差异不大。 e、实际传动比与转速图传动比可以有误差一般不超过10（-1）%。 f、三联齿轮相临齿轮的齿数差必须大于4。避免齿顶相碰。 g、联，联滑移齿轮必须有安放拨叉的位置，结构上有整体和组装式。,主传动齿轮设计与布置,一、传动用齿轮齿数选择 2、同一变速组内模数相同时，齿数确定 a、计算法； b、查表法；（传动比采用标准公比整数次方时应用） 3、同一变速组内模数不同时，齿数确定 在同一变速组内，由于传递的扭矩差别很大时，为了合理利用金属材料，可以采用不同模数，但只能有两种模数m，根据两轴中心距A
20、相等。 4、联滑移齿轮的齿数 三联滑移齿轮中，最大和次大齿轮之间齿数差应大于4。,主传动齿轮设计与布置,二、传动用齿轮布置 1、滑移齿轮在轴上的布置 a、变速组中的滑移齿轮最好布置在主动轴上，一般主动为高速，可以减小齿轮的尺寸，重量，操纵有力。若结构上有要求，有时须放在被动轴上。 b、为便于操纵，可以将相临的两个变速组的滑移齿轮放在一个轴上。,c、在一变速组中，必须当一对齿轮完全脱开啮合时，另一对齿轮才能进入啮合，即两固定齿轮的间距大于移动齿轮的宽度=（12）mm,主传动齿轮设计与布置,二、传动用齿轮布置 2、一个变速组内齿轮轴向位置的排列窄式：轴向尺寸小，多为应用。 宽式：根据结构要求进行应
21、用。宽式齿轮使轴向长度大，传动轴的长度大，相同载荷下轴径大, 三联齿轮的排列；要求相邻的齿轮差大于4。若相邻齿数差小于4，则用宽齿轮方案。,主传动齿轮设计与布置,二、传动用齿轮布置 2、一个变速组内齿轮轴向位置的排列,主传动齿轮设计与布置,二、传动用齿轮布置 3、两个变速组内齿轮轴向位置的排列 两个变速组内的齿轮进行排列方式：总长度为两变速组长度之和。,主传动齿轮设计与布置,二、传动用齿轮布置 3、两个变速组内齿轮轴向位置的排列,主传动齿轮设计与布置,二、传动用齿轮布置 4、缩小径向尺寸 不但要缩小轴向尺寸，还要缩小径向尺寸，但他们之间要相互考虑，使结构尺寸最小。 （1） 缩小轴间距离；尽量用
22、较小齿数和，降速u1/4。 （2）采用轴线相互重合；（3）合理安排变速箱内各轴位置，在不发生干涉的条件下，尽可能安排的紧凑些。,主传动齿轮设计与布置,二、传动用齿轮布置 5、滑移齿轮的结构形式1）整体式：一般为宽型多联齿轮。装配式：多用于窄式多联齿轮；2）有良好的导向性，轮毂长度为轴的（1.21.5）d3） 齿侧导成圆角，使滑移齿轮能顺利啮合。4）保证有安装拨叉的位置。5）主轴上不能放滑移齿轮，大齿轮靠近前支撑。,主传动齿轮设计与布置,二、传动用齿轮布置 5、滑移齿轮的结构形式,主轴箱结构设计,一、主轴箱的构造 1、主轴箱装配图 包括展开图，横向剖视图，外观图及必要的局部视图等。 1）展开图
23、用来表达各传动件的传动关系和各轴组件的装配关系。 多联齿轮结构、齿宽、导向长度、齿轮定心方式 传动轴组件的轴向定位与固定,主轴箱结构设计,一、主轴箱的构造 1、主轴箱装配图 2）剖视图 用于表达各轴的空间位置、操纵机构及其它有关结构的装配关系。 通常间隙要求：轴承孔之间可大于10mm不得小于3mm；齿轮端面与箱壁大于或等于58mm；齿顶园与箱壁大于或等于10mm；与箱底大于或等于15mm,主轴箱外观图 主轴箱侧视图,主轴箱侧视图 主轴箱剖视图,主轴箱结构设计,一、主轴箱的构造 1、主轴箱装配图 3）局部视图,卸荷装置：F径向(皮带轮）-螺钉花键套深沟球轴承法兰箱体,重点掌握,转速图的绘制 齿轮
24、齿数的确定 计算转速的确定 齿轮布置与排列的方法 结构设计时扩大变速范围的特殊方法,某普通车床的主传动系统的转速图如上所示，重复的三档转速63、90和125只能通过传动付25/70传递，不能由67/67得到，试求主轴、各传动轴及Z47、Z24、Z25、Z60的计算转速？,计算转速确定,5.例题：拟定一台中型普通车床主运动链的分级变速传动系统图，主轴最低转速31.5转/分，最高为1400转/分，异步电机的转速为1440转/分。1）.选公比,计算级数Z,并选择各级转速。2）.拟订结构式3）.拟订转速图,6.作业：1.某机床主轴转速取等比数列,其公比1.58，主轴最高转速为1600转/分，主轴变速范围Rn=10，电动机转速为1450转/分， 拟订合理的转速图。2.拟订一台18速普通车床主运动链的分级变速传动系统图，其中最低转速30转/分，最高转速1500转/分，电动机转速为1440转/分。,
