1、机床的传动设计 第七节传动结构设计,2019年7月9日,主要内容,机床的传动设计 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 习题讲解 第四节 无级变速系统设计 第五节 数控机床主传动系设计特点 第六节 进给传动系统设计 第七节 传动系统结构设计重点：主传动系的设计方法与步骤,第七节传动结构设计,前面所讲为主传动系统的运动设计，即转速图的拟定和齿轮齿数的确定。要完成传动系统设计，还需要在此基础上进行结构设计。,优点：a)结构紧凑，便于集中操纵；b)调整、维修较方便；c)制造成本较低。 缺点：a)传动系统的振动直接影响主轴工作的平稳性；b)传动件及各轴承
2、的发热而造成的热变形将影响主轴的 位置，影响加工精度。 使用场合：主运动是旋转运动的普通精度的中、大型机床。,第七节传动结构设计,两种布局形式，取决于机床的类型、用途及尺寸等因素。,一、主传动系统的布局及变速机构的类型,1.系统的布局,（1）集中传动式（变速机构和主轴组件在同一个箱体，如CA6140）,（2）分离传动式 （两个箱体，如CM6132,C1312),第七节传动结构设计,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;当采用背轮传动时，高速时由带传动直接传动主轴，运转平稳，加工表面质量好;低速时经背轮机构传动，转矩大适应粗加工要求。 缺点:需两个箱体，
3、加工、装配工作量较大，成本较高;主轴低速时传动带传递转矩大，容易打滑，当传动带安装在主轴中段时，调整、维修不方便。 使用场合： a)中、小型高速精密机床； b)结构上有特殊要求的机床，如单轴自动车床，主轴箱中要装自动送、夹料机构。,（1）无级变速器,第七节传动结构设计,2.变速机构的类型,机床上使用的机械无级变速器是依靠摩擦来传递扭矩，故摩擦传动是这类无级变速的共性；至于所以能达到无级变速，也是由于这些装置能少量地改变主动件与被动件的传动半径，使输出轴的转速可以在一定范围内获得无数级的变化，这就是此种无级变速器的共同特点。,机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类： 变速电动机、机械无级变速装
4、置、液压无级变速装置,摩擦盘式无级变速机构,锥形轮式无级变速机构,钢球无级变速机构,第七节传动结构设计,传动特性,转子-平盘式无级变速机构,假设转子和平盘之间在正压力Q作用下，依靠摩擦传动，在接触线的中点A处无相对滑动，即线速度相等，则有:,第七节传动结构设计,若转子与平盘之间的正压力为Q , 摩擦系数为f,则应使擦力fQ大于传动力P才能保证正常工作。图中P是主动件转子施加于被动件平盘的传动力，fQ是转子和平盘之间产生打滑时作用在转子上的摩擦力。现取fQP,机床可靠性系数k=1.251.67，使fQ=kP，在无相对滑动的条件下，输入到轴I的功率NI等于从轴II输出的功率NII，即,若在工作过程
5、中，Q,f不变，由于n1=常数，输出功率N1也不变，因此这是一种恒功率的变速机构。在输出端有,第七节传动结构设计,如果我们把平盘作为主动轴，即使n2=常数，则转子的转速n1将随r2的增大而加大，随r2的减小而变小。输出轴(转子)上的扭矩M1为,是常数，这是一种恒扭矩的变速机构，输出功率N1随n1而变化(线性)。,从上例可看出同样一个无级变速机构，输出、输入方式不同，其传动特性也不一样。 机械无级变速机构的共同特点是变速范围小，一般R不超过12，功率在20千瓦以下。,第七节传动结构设计,第七节传动结构设计,图示无级变速机构，在主动轴和被动轴上各有两个轴向可以相对移动的锥轮，锥轮间套有传动件，它可
6、以是三角皮带、内齿宽皮带或钢环，依靠改变传动半径实现无级变速。,锥盘式无级变速机构,图为菱锥式无级变速机构。5-6个菱锥轮紧压在主动盘1和被动盘2之间，菱锥可在各自的轴3转动，轴3装在支架5上，沿轴向水平 移动支架5时，改变了主从动盘与菱锥4的接触点，从而改变传动半径r1,和r2实现无级变速。,第七节传动结构设计,钢环无级变速器：这种变速器的工作原理是将两锥轮之间的传动件改为一个钢环。MGB 1412高精度半自动万能外圆磨床工件主轴头架的传动结构。它的运动由电机经三角皮带轮1传至I轴，再经过分离锥轮2与4，通过钢环3将运动传给分离锥轮5与6，再由II轴经平皮带传至工件主轴III上，使工件主轴获
7、得在一定范围内的无级变速。,（2）有级变速机构1）滑移齿轮变速机构2）交换齿轮变速机构3）离合器变速机构,第七节传动结构设计,2.变速机构的类型,（2）有级变速机构1）滑移齿轮变速机构2）交换齿轮变速机构3）离合器变速机构,第七节传动结构设计,2.变速机构的类型,（2）有级变速机构1）滑移齿轮变速机构2）交换齿轮变速机构3）离合器变速机构,第七节传动结构设计,2.变速机构的类型,离合器变速机构 a)齿式离合器（包括牙嵌式、齿轮式）优点：轴向尺寸较小；工作中传动比不变；能传递较大的扭矩；变速操纵时移动轻便而省力；齿轮式的常可实现一物二用。缺点：但齿式离合器不能在运动状态下变速。,齿式离合器,第七
8、节传动结构设计,图中表示的是左离合器。图中，内摩擦片3装在轴I的花键上，与轴I一起旋转。外摩擦片2外圆上4个凸起装在齿轮1的缺口槽中，外片空套在轴I上。当杆7通过销5向左推动压块8时，使内片3与外片2互相压紧，于是轴I的运动便通过内、外片之间的摩擦力传给齿轮1，使主轴正向转动。 同理，当压块8向右压时，使主轴反转。当压块8处于中间位置时，左、右离合器都处于脱开状态，这时，轴I虽然转动，但离合器不传递运动，主轴处于停止状态。,b)摩擦离合器,优点：可以在运动中变速，故缩短了变速辅助时间；超载时离合器打滑而起到安全保险作用；其操纵有机械式、液压式、电磁式三种，后两种操纵形式便于实现自动变速。 缺点
9、：结构复杂、成本高、轴向尺寸较大，因打滑而不能用于要求传动比不变的场合。,设计离合器注意点： 1）离合器变速可采用斜齿轮或人字齿轮传动， 高传动的平稳性，但齿轮的磨损的磨损增加，系统传动效率有所下降。 2）尽量把离合器安置在高速轴上，以缩小尺寸。 3）必须避免超速现象的产生。超速现象当一条传动路线工作时，另一条不工作的传动路线上出现传动件高速空转的现象。超速将使噪声增加,磨损加剧、温升提高，甚至引起振动，并使系统的效率下降，所以必须严加避免。,第七节传动结构设计,当发生超速时，应把离合器放到低速轴上,离合器放到 被动轴,离合器放到 大齿轮上,第七节传动结构设计,4）有时为了缩短轴向尺寸，把离合
10、器分装于两根轴上，应把两轴上的小齿轮做成固定齿轮，以避免超速。 5）主轴上不宜安置摩擦片式离合器，尤其是电磁式的，因为其发热而影响主轴精度，并且剩磁将加速主轴轴承的磨损。 6）除滑移齿轮外，其他类型的变速机构极少单独使用，而是混合使用居多（如CA6140),第七节传动结构设计,第七节传动结构设计,第七节传动结构设计,变速箱的主要功能是保证机床的运动，有较高的几何精度、传动精度和运动精度；有足够的强度、刚度；振动小，噪声低；操作应方便灵活。变速箱内传动轴的布置应充分考虑安装、调整、维修、散热等因素。按空间三角形分布，并根据运动的性能、标准零部件尺寸及机床的形式合理确定各传动轴位置。,二、变速箱结
11、构及传动轴组件的布置,第七节传动结构设计,主运动采用变频电动机驱动，连续输出功率为7.5kw，il=1/4，i2=1，级比为4。主轴转速为153500r/min。,立式镗铣加工中心主轴箱,第七节传动结构设计,三、齿轮的轴向布置,1.三联滑移齿轮顺利啮合的条件,顺利啮合的条件 z3-z24,当三联滑移齿轮右移，使齿轮 z1 与齿轮 z4 啮合时，次大齿轮 z2 与固定小齿轮 z6 齿轮齿顶圆半径之和小于中心距，即,第七节传动结构设计,2.齿轮轴向布置原则,（1）滑移齿轮机构中，必须当一对齿轮副完全脱离啮合后，另一对齿轮才能进入啮合。为此，固定齿轮间的最小距离应为齿轮宽度的两倍，并留有1-2mm间
12、隙，齿轮的齿宽为b(6-12) mn，mn为齿轮的法向模数。 L = 2b+.,（4）滑移齿轮应采用窄式排列，以减小轴向长度。,（3）滑移齿轮应装在主动轴上，以减小滑移齿轮的重量，便于操纵。,（2）为避免滑移齿轮与固定的小齿轮齿顶相碰三联滑移齿轮的最大、次大齿轮齿数差应不小于4。否则，应采用变位齿轮使两者顶圆半径之差不小于4个模数；或让滑移的小齿轮越过固定的小齿轮，改变啮合变速条件，使最大和最小齿轮齿数差不小于4；或采用牙嵌式离合器变速，使齿轮不动。,第七节传动结构设计,3.变速组中齿轮的轴向布置,（1）窄式排列滑移齿轮紧靠一起，大齿轮居中，固定齿轮分离安装，其相隔距离为 2b+，相邻变速位置
13、的滑移行程也是2b+。不考虑工艺尺寸，,双联齿轮窄式排列的总长度为 B 4b+；三联齿轮宽式排列的总长度为 B 7b+2。,窄式排列,第七节传动结构设计,（2）宽式排列,固定齿轮紧靠一起，大齿轮居中，滑移齿轮分离安装。两齿轮的内侧距离是 2b+,相邻变速位置的滑移行程是 2b+，如图示。,齿轮的宽式排列,第七节传动结构设计,双联齿轮变速组宽式排列的总长度是 B6b+2三联齿轮变速组宽式排列的总长度是 B11b+4,齿轮的宽式排列,如图示：,第七节传动结构设计,（3）亚宽式排列,三联滑移齿轮中的两齿轮紧靠一起，另一齿轮分离，分隔距离为 2b+，轴向总长度为 B 9b+3,介于窄式和宽式之间，如图
14、示。,齿轮的亚宽式排列,第七节传动结构设计,亚宽式排列的特点： 能实现转速从高到低（或由低到高）的顺序变速； 能使滑移的小齿轮越过固定的小齿轮，改变顺利啮合条件。 可用于大齿轮与次大齿轮的齿数差4的场合。,第七节传动结构设计,（4）滑移齿轮的分组排列,用于四个传动副的变速组，滑移齿轮可分为两组，并联合控制，保证只有一组齿轮处于啮合状态，如图示。,优点：能缩短轴向长度。缺点：操作机构复杂。,第七节传动结构设计,4.相邻两个变速组齿轮的轴向排列,（1）并行排列相邻两个变速组的公共传动轴上，从动齿轮和主动齿轮分别安装，且各安装一端，三条传动轴线上的齿轮排列呈阶梯形，其轴向总长度为两变速组轴向长度之和
15、。,特点： 结构简单，应用范围广，但轴向长度较大。,第七节传动结构设计,（2）交错排列相邻两个变速组的公共传动副上的主、从动齿轮交错安装，使两变速组的滑移行程部分重叠，缩短轴向长度。,为使齿轮顺利滑移啮合，相邻齿轮的齿数差应4，且大齿轮位于外侧。,交错排列的轴向长度为轴的轴向长度 B9b+2，比并行排列的轴向长度短。,第七节传动结构设计,（3）公用齿轮传动结构相邻两个变速组的公共传动轴上，将某一从动和主动齿轮合二为一，形成既是第一变速组的从动齿轮，又是第二变速组的主动齿轮的公用齿轮。,由于公用齿轮的应力循环次数是非公用齿轮的两倍，应为变速组中齿数较多的齿轮。,第七节传动结构设计,第七节传动结构
16、设计,四、提高传动精度的措施,在传动链中，前一级传动件的转角误差，经缩小放大后，和从动齿轮的转角误差一起传给后一级传动副，再按后一级传动副传动比的大小进行扩大或缩小。即：传动链中，传动件在传递运动和转矩的同时，也将传动件的转角误差按传动比的大小进行放大缩小，依次向后传递，最终反映到执行件上。如该传动件至执行件的总传动比小于1，则该传动件的转角误差在传动中被缩小；反之，将被扩大。,1误差传递规律,从动轮最大转角误差为主动轮的转角误差与传动比之积，如果传动比大于1，转角误差将被扩大；如果传动比小于1，转角误差将在传动中被缩小。,第七节传动结构设计,制造误差、装配误差、轴承的径向圆跳动及传动轴的横向
17、弯曲等，都能使齿轮等传动件形成几何偏心和运动偏心，产生转角误差。,2提高传动精度的措施,第七节传动结构设计,要提高传动精度，需从以下几方面采取措施:,2)使尽量多的传动路线采用先缓后急的降速传动且末端传动组件(包括轴承)要有较高的制造精度、支承刚度，必要时采用校正机构，这样可缩小前面传动件的传动误差，且末端组件不产生或少产生传动误差。,1)尽量缩短传动链。传动副越少，误差源越少。,3)升速传动，尤其是传动比大的升速传动，传动件的制造精度应高一些，传动轴组件应有较高的支承刚度。减小误差源的误差值，避免误差在传动中扩大。, 转速图概念、原理； 主传动链转速图的拟定原则； 转速图的绘制，齿轮齿数的确定方法。,四种系统或机构的扩大机理、特点和设计原则。,1.分级变速主传动系统的设计内容和步骤,2.扩大变速范围的传动系统设计,第二章 机床的传动设计主要知识点,3.计算转速, 计算转速的概念及研究意义。 变速传动系统中计算转速的确定。,习 题 思 考 题,2-21 2-27,
