传动系统设计-

1-4机床主传动系统设计概述本节教学目的：1、会分析机床的传动系统、能绘制传动系统转速图2、会计算主轴的转速级数3、会对分级变速主传动系统进行设计4、了解几种常见的特殊形式的分级主变速系统重点：传动系统转速图的绘制会主轴的转速级数的计算难点：分级变速主传动系统的设计第四节机床主传动系统设计概述1.1、传动系统的作用是将动力机的动力传递给执行机构，以满足执行机构对转矩和转速的要求。机床主传动系统的作用是实现机床的主运动，将动力机的动力传递给机床主轴部件，使其获得所需的转速和功率。一、机床主传动系统的功用和组成及要求1.2组成：有级变速的主传动系统通常包含：电动机、主轴部件、各种传动机构传动机构有哪些？定比传动机构、分级传动机构、换向机构开停装置1.3、要求有足够的转速级数、变速范围和运动精度；并能够传递足够的功率和扭矩且有高的传动效率，噪声小；结构简单紧凑，便于操作和维修二、分级变速主传动系统的转速图在设计有级变速传动系统时，除可用传动系统图外，常用到转速图。使用转速图可以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。对于三联滑移齿轮变速组，可实现3级变速。若要求输出轴的转速按等比级数排列，则一个变速组内各对齿轮的传动比必须符合等比级数排列。i3:i2:i1=1:φ:φ2Φ为标准公比，φ有1.06，1.12，1.26，1.41，1.58，1.78，2.0共7个数值。图示为某车床主轴变速箱的传动系统图和转速图。从图中可知，主轴共有12级转速，转速范围为31.5～1400r／min，公比φ=1.41，主电动机转速为1440r／min。在转速图中：l）距离相等的一组坚线代表传动系统的各轴，轴号写在上面。竖线间的距离不代表中心距。2）距离相等的一组水平线代表各级转速，自下而上依次表示从低到高排列的各级转速；与各竖线的相交点的小圆代表各轴的转速。由于转速的分级是按等比级数排列的，相邻两水平线之间的比值为转速公比，通常习惯在转速图上直接写出转速的数值。3）相邻两轴各小圆之间的连线代表相应传动副的传动比。传动比的大小以连线的倾斜方向和倾斜度表示，从左向下斜表示降速传动，向上斜表式升速传动，而水平连线则表示等速传动。从转速图可见，该传动系统有三个相互串联的变速组，电机轴与Ⅰ轴之间为皮带传动，其传动比：22141.1121256126u211214824au141.1142302au136363au轴Ⅰ、Ⅱ之间为第一变速组，由三对齿轮组成，其传动比分别为：31182.216222bu142422bu轴Ⅱ、Ⅲ之间为第二变速组，由两对齿轮组成，其传动比为：轴Ⅲ、Ⅳ之间为第三变速组，由两对齿轮组成，其传动比为：411417218cu22123060cu根据上述分析，可以得出：l）传动系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积。如上述传动系统，其变速级数为3×2×2=12在结构上，变速组按照从电机到主轴传动的先后排列顺序称为传动顺序。系统总的变速级数为按照传动顺序各变速组的传动副数之积。002xx22a3a2111111uu：：：：：：：：au0x0x2）变速组传动比之间有如下关系：在第一变速组的三个传动比之间变速组内相邻传动比之间的比值称为级比。级比的指数称为变速组的级比指数。级比指数在转速图中表现为相邻传动比相间隔的格数。第一变速组相邻传动比之间存在1:φ:φ2的关系，即x0=1，三个传动比的连线间隔一格，所以通过变速后，Ⅱ轴可以得到三级连续的转速。这种具有级比指数x0=1的变速组称为基本变速组，简称基本组。在第二变速组的两个传动比之间ub1:ub2=1/φ3:1=1:φ3=1:φx1式中x1---该变速组的级比指数，x1=3。其相邻传动比之间相差φ3倍，所以通过它变速后第Ⅲ轴得到6级连续的转速。第二变速组的作用就是将基本组的变速范围进行第一次扩大，称第一扩大组。同理，第三变速组由两对齿轮组成，其传动比之间的关系为：2x624c21111u：：：：cu式中x2——该变速组的级比指数，x2=6。变速组内相邻传动比之间相差φ6倍，通过其变速后，第IV轴可得到3×2×2=12级转速。它把基本组的变速范围进行第二次扩大，称为第二扩大组。如果还有更多的变速组，则依此类推。由上可知，若用xn和pn分别表示各变速组的级比指数和传动付数，则后一变速组的级比指数等于前一变速组的级比指数与传动付数之积xn=xn-1pn-1为了获得连续的等比级数的转速，必须使几个变速组串联而成的传动系统符合等比级数的规律，否则会出现转速重复或空缺的现象。3)各变速组的变速范围是该变速组内传动副的最大传动比和最小传动比的比值，即minmaxuur因此，基本组的变速范围为)1(221300011pxaauur第一扩大组的变速范围为)1(331211111pxbbuur第二扩大组的变速范围为)1(642122221pxccuur同理，第j扩大组的变速范围为)1(jjpxjr而传动系统总的变速范围则等于各变速组变速范围的乘积，即nnrrrrnnR210minmax在设计传动系统时，一般均应遵循上述规律，这样，传动系统所得到的转速级数是连续的等比级数，这种传动系统称为正常传动系统。（二）结构网和结构式只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。结构网也可看成是转速图的对称形式，因结构网只表示传动关系，而不表示转速数值，故可画成对称形式。但结构网和转速图有一致的变速特性，一个转速图将对应一个结构网，如图4－16所示为12级传动系统的结构网。结构网表示出了各变速组的传动副数和各变速组的级比指数，还表示出其传动顺序和扩大顺序。结构网又可以简化为结构式，如图4－16所示的结构网可用12=31×23×26的结构式表示，其中12代表转速级数，3、2、2表示变速组的传动副数和传动顺序，下标1、3、6表示各对应变速组的级比指数。结构网和结构式表达的内容是相同的，但结构网更加直观。（三）转速图的拟定通过对转速图的拟定和分析可找出最佳的传动系统方案，它是传动系统设计中不可缺少的重要环节。1．变速组及其传动副数的确定一定变速级数的传动系统可由不同数目的变速组组成。减少变速组的数目可以缩短传动链，但在总变速级数一定的情况下，势必会增加各变速组内传动副数目，并且降速过快，因而导致齿轮的径向尺寸增大。现以18级转速的传动系统为例，其组成方案有下列三种：①18=9×2；②18=6×3；③18=3×3×2。为使传动系统中齿轮总个数为最少，每个变速组的传动副数最好取p=2或3，并采用双联或三联齿轮进行变速。而上述方案中，方案①需9+2=11对齿轮，方案②需6+3=9对齿轮，方案③只需3+3+2=8对齿轮，虽然增加了一个变速组，且相应多了一根轴，但总的结构尺寸却可以减小，并且结构也比较合理。2．确定传动顺序传动顺序是指从动力机到执行机构各变速组传动副数的排列顺序。在传动系统中，如果对各变速组的顺序进行不同的排列，则可以得到若干不同的传动方案。例如上述18级转速的传动系统，按传动顺序排列可得：18=3×3×218=3×2×318=2×3×3为了能从这些方案中确定出最佳方案，一般应遵循“前多后少”的原则，即传动副数较多的变速组安排在传动顺序前面，传动副数较少的变速组安排在后面。这是由于传动系统一般为降速传动，如果把传动副数较多的变速组安排在前面，可使其转速较高，从而转矩较小，因此可减小传动件的尺寸，并可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此应选结构式18=3×3×2的方案为好。3．确定变速顺序变速顺序是指基本组和扩大组的排列顺序。在确定变速顺序时，一般应采用基本组在前，扩大组在后的方案。这时各变速组的变速范围逐渐增大，在转速图上表现为前面变速组的传动比连线分布较紧密，而后面变速组的传动比连线分布疏松，即“前密后疏”的原则。它的优点是可使前面的各轴转速范围较小，使最低转速较高并降低最高转速，因此可以减小传动件的尺寸，并降低噪声和振动。如12级传动系统，在12=3×2×2中，按基本组和扩大组排列顺序的不同可有以下六种方案，其结构网和结构式见图4—17所示。图4—17a所示方案的扩大顺序与传动顺序一致，其中间轴的变速范围较小，最低转速较高，传递的转矩较小，方案最佳。4．确定各变速组的传动比对应于一个结构式可以有多个转速图方案，因为结构式只能表示传动顺序和变速顺序，而并不能确定各个变速组传动比的具体数值。如图4-18所示两个转速图中，基本组的三个传动比都相邻一格，扩大组的两个传动比都相邻三格，这两个转速图的结构式相同，但各变速组传动比的数值不同。在确定传动比时应考虑以下几点：1）各传动副的传动比不应超出极限传动比。在降速传动中，为防止被动齿轮的直径过大，常限制最小传动比umin≥1/4；在升速传动中，为防止产生过大的振动和噪声，常限制最大传动比umax≤2；如用斜齿轮传动，则umax≤2.5。因此，传动系统各变速组的变速范围一般为r=umax/umin≤8～10。对于传动功率较小，传动件转速较低、尺寸较小的传动系统，如进给传动系统等，上述范围可放宽到umin≥1/5，umax≤2.8，故变速范围r≤14。2）尽量提高中间轴的最低转速。分配降速传动比时，应遵循“前缓后急”的原则使各变速组逐步降速，即按传动顺序前面的变速组降速慢一些，后面的变速组降速快一些。按照这一原则，可使中间轴的最低转速较高，有利于减小传动件的尺寸。3）分配传动比时也应避免较大的升速传动，因为升速传动使传动误差扩大，并引起较大的啮合冲击和噪声。如果在传动链的始端就采用较大的升速齿轮传动，则将使整个传动系统的噪声增大。在满足机械运动要求的前提下，尽量缩短传动链。缩短传动链可以减少传动零件、简化结构、减小传动链的积累误差、减小传动链的转动惯量。对高速传动系统更应尽量采用短的传动链。例题：已知电动机转速nm=1460r/min，执行机构要求三级变速，公比φ=1.58，转速值分别为95、150、236r/min，确定转速图方案。（1）计算总降速比执行构件的最低转速n1=95，n1比电动机转速低很多，所以是降速传动。umax=nm/n1=1460/95=15.4。（2）确定传动副数目采用一个三联齿轮变速组，由于一对齿轮许用的最大降速比为4，至少需要再用一对齿轮降速。（3）确定各对传动副的传动比如果电动机与变速箱之间用联轴器连接时，可采用三轴二级串联降速。Ⅰ-Ⅱ轴之间为三联齿轮变速组，Ⅱ-Ⅲ轴之间为定比齿轮传动。变速组在前可减小三联齿轮尺寸。传动比u1=1/φ3，u2=1/φ2，u3=1/φ，定比传动齿轮传动比u4=1/φ3。如果电动机与变速箱之间用带传动，增加一级减速，减速比为φ，则传动比分别为u1=1/φ2，u2=1/φ，u3=1，定比传动齿轮传动比u4=1/φ3。此方案优于上一方案，输入轴转速较低，降低噪声，三联齿轮最小传动比大于1/4。可减小轴距。（四）齿轮齿数的确定转速图确定后，可以根据各对传动副的传动比计算齿轮的齿数或带轮的直径。在确定齿数时应注意以下几点：1）齿轮副的齿数和中心距不能太大，以免齿轮尺寸过大。一般推荐齿数和Sz≤100～120，选用在100以内。2）同一变速中的各对齿轮，其中心距必须保证相等。3）最小齿轮的齿数应保证不产生根切。4）应保证最小齿轮装到轴上应具有足够的强度。为保证齿轮的强度，齿根到孔壁或键槽的壁厚应有足够的厚度，一般推荐该厚度值等于或大于2倍齿轮模数。由此可知，在确定最小齿轮齿数时，要先估算传动轴的直径。1．变速组内模数相同时齿数的确定由于同一变速组内各对齿轮的中心距应相等，当模数相同时，若采用标准齿轮，则各对齿轮的齿数和也相等。降速传动时，齿数和应由最小传动比的一对齿轮副确定；升速传动时，应由最大传动比的一对齿轮副确定。根据同一变速组内各对齿轮的中心距及齿数和相等的原理。首先根据最小传动比或最大传动比的一对齿轮副确定最小齿轮的齿数及齿数和，然后确定