第5章 机床分级变速传动系统设计

第五章机床分级变速传动系统设计第一节机床主要技术参数的确定机床的主要技术参数包括尺寸参数、运动参数和动力参数。

技术参数的确定，一般采用统计类比法。

尺寸参数包括与工件主要尺寸有关的参数，与工、夹、量具标准化有关的参数，与机床结构有关的参数。

尺寸参数按其对机床结构、性能的影响程度不同，又分为主参数、第二主参数和其他尺寸参数。

1．主参数主参数是代表机床规格大小的一种参数。

主参数对机床的性能、布局、传动和结构有显著的决定作用。

所以，确定尺寸参数时，首先确定主参数。

通用机床和专门化机床的主参数及其折算系数见JB1838—85《金屈切削机床型号编制方法》(附表4常用机床组、系代号及主参数)。

通用机床的主参数，除极少数机床外(如拉床)，一般均为尺寸参数。

2．第二主参数和其他尺寸参数第二主参数一般指主轴数、最大跨距、工作台工作面长度、最大加工工件长度、最大模数等。

第二主参数是直接反映机床加工范围的重要参数之一。

对机床的轮膨尺寸、重量等影响很大，其重要程度，仅次于主参数。

主参数和第二主参数确定后，还要确定一些其他尺寸参数。

如卧式车床刀架上的最大工件回转直径、通过主轴孔的最大棒料直径、主轴孔前端锥度等与工件大小和刀具标准化有关的尺寸。

二、运动参数运动参数是指机床的执行机构(如主轴、刀架、工作台等)的运动速度。

机床常用的运动参数见表5—1。

在保证加工质量的前提下，尽可能提高生产串是确定运动参数的基本原则。

主运动参数的确定：主运动为回转运动时，主运动参数为主袖转速n。

1．极限转速调查和分析所设计的机床上可能进行的工序，从中选择要求最低、最高转速的典型工序，按照典型工序的切削速度和刀具〔或工件〕直径计算主抽的最高转速、最低转速(极限转速)n max和m min。

计算公式如下：式中n max、m min——分别为最低、最高切削速度；d max、d min——分别为最小、最大计算直径。

上述d max和d min不是机床上可能加工的最小、最大直径，而是常用的经济加工最小、最大直径。

对于通用机床，一般取，式中D——可能加工的最大直径；尺——根据对现有同类型机床的使用情况调查后确定的系数(一股，摇臂钻床取是＝1，卧式车床及＝0．5)。

R d——计算直径范围(R d＝0．20～0．25)。

国内、外同类型、同规格的卧式车床主轴极限转速见表5—2。

2．主轴转速的合理排列方式当采用机械的分级变速方式时，极限转速n max、m min确定后，还需确定该转速范围内合理的级数和中间各级转速值。

C336回轮转塔车床的主运动参数为；n min＝48r／min，n max＝480r／min，Z＝6级若主轴转速分别按等差级数相等比级数排列时，各转速值印相对速度损失如表5—3示。

(2)标准公比值确定的依据当转速数列采用人们所熟悉的十进制时，数列中有一转速为n，那么，与它相隔一定级数后，必有一级转速为10n。

可表示为：在机床分级变速传动系统中，往往来用双速电动机或多速电动机强动，双速或多速电动机的同步转速之比值一般为2，如3000／1500／750 r／min、1420／710 r／min等．因此，采用双速(或多速)电机后的主轴转速数列中有一级转速为n时，与之相隔E2级必有一级转速为2n。

即：为方便设计、计算，取最小公比值ϕmin＝1．06，并使其他公比E3——正整数在1—2之间满足上述三项条件中两项以上的值共有7个，见表5—5。

采用标准公比时名公比ϕ和极限转速确定后，转速效列的各级转速值可从标准数列中查出，从而简化了设计计算。

表5—6为标准数列。

4．变速范围R a、公比ϕ和转速级数Z之间的关系传动系统的变速范围各级转速值为n1,n2,n3,n4,…,n z-1,n z, 当公比ϕ确定后各级转速值间存在下列关系：由上可列出极限转速、变速范围、公比和转速级数之间的关系式上两式表示：变速范围R a一定时．公比ϕ值越小，转速级数Z越多，相对速度损失、生产率损失也就越小，但传动系统结构越复杂，反之，公比ϕ增大，级数Z越少，最大相对速度损失A max增大，但传动系统结构越简单。

通用机床为减小相对速度损失，又要使机床的结构不致太复杂，一般，公比取中等值。

常用通用机床的公比见表5—7。

大批量生产的专用机床、自动化机床，其主要持点是要求高的生产率，因此，公比应取小值，如1．12、1．26等。

对于大型机床，因切削加工时间较长，相对速度损失对生产率影响显著，一般公比取为1．06、1．12、1．26等。

非自动化的小型机床，因加工时的辅助时间长，切削时间所占的比例较小，相对速度损失的影响不显著，公比可取较大值，如1．58、l.78甚至2。

三、动力参数动力参数包括电动机功率、液压缸牵引力、液压马达成步进电机的额定扭矩等。

动力参数定得越大，会使机床传动件的尺寸增大，机床的外形、重量增大，浪费材料和电力，而动力参数取得过小时测会影响机床的使用性能。

动力参数一般采用统计类比法或计算法、实测法确定。

大多数通用机床的动力源为三相交流异步电动机。

机床电动机的功率可按下式确定：式中N d——电动机功率(kw)；N切——用于切削加工的总有效功率(kw)——传动系统的总效率；N空——空载功率(kW)。

式中：N v——消耗于主运动的有效功率；N a——消耗子进给运动的有效功串P z——切削力的切向分力(N)；v——切削速度(m／min)‘Q——进给牵引力(N)；η1、η2、η3…——组成传动系统各串联传动副的机械效率；d n——主传动链中，除主轴外所有传动轴的轴颈平均值。

若传动链的结构尺寸尚未确定，则可根据估计的电动机功率范围取值。

当1.5＜N＜2．8时d a＝30mm；2．8＜N≤7．5时，取d a＝35mm；7．5<N≤14时，d a＝40mm。

d主——主轴前后轴颈的平均值。

∑n i——当主轴转速为n主时，传动链中所有其他各传动轴的转速之和，单位r／min。

n主——主轴转速，一般取n主＝n max。

c——系数。

主轴支承(滚动支承)为双支承时c＝8．5，三支承时c＝10。

k——润滑油粘度影响系数。

30号机油，k＝1.20号机油R＝0．95，10号机油，k＝0．75。

一些常用的机床主要运动参数和动力参数见表5—8。

5．2 分级变速传动系统的基本持性通用机床的分级变速传动系统通常由定比传动机构和滑移齿轮(或离合器)变速机构串联扩展，得到一定变速范围内的若干级转速或进给量。

设从电动机至主轴按传动顺序依次排列的变速组为a 、b 、c …j ，每一变速组相应的传动别数分别为P a 、P b 、P c …P j ，则主轴的转速级数z ＝P a 、P b 、P c …P j 。

如图5—1所示的传动系统，共有三个变 速组a 、b 、c ，其传动副uu3分别为义＝3、Pb ＝3、尸c ＝ 2，则主轴转速级数2＝3×3×2＝18级。

从图中还 可看出：a 变速组中三对传动副的三条传动比连线 在转速图上相距一格，轴II 上的相邻转速相差ϕ倍， 三种转速呈公比为ϕ的等比数列。

通过b 、c 两变通 组将轴III 的三级转速传至主轴(v)，使主轴获得n 1～n 3、n 4～n 6、n 7～n 9、n 10～n 12、n 13～n 15、n 16～n 18的六小段两大段公比为ϕ的转速效列。

由此可见，a变速组是实现主轴转速为公比严的等比数列的必不可少的员基本的变速组。

因此，称这种变速组为基本组。

变速组内相邻两传动副传动比的比值称为级比，用ϕj表示，，其幂指数x i称为级比指数。

基本组的传动副数为P0、级比为ϕ1，级比指数x0＝1。

b变速组中的三对传动副，将轴III的三级转速第一次扩大，使轴IV得到呈等比数列的9级转速。

因此，把b变速组称为第一扩大组。

第一扩大组的传动副数为P1，级比指数为x1。

从图5—l中可看出：第一扩大组的三条传动比连线，相邻两条在转速图中相距3格，恰好等于基本组的传动副数。

即Ｐ０＝3、x1=P0＝3。

从以上分析可知名基本组的传动副数为Ｐ０时，经第一扩大组变速后要得到一连续且无重复的转速数列，必须使第一扩大组的级比指数x1等于基本组的传动副数P0。

第三变速组为c变速组，将轴IV的9级转速再一次扩大，使轴v得到公比为ϕ的18级转速。

把这个在基本组和第一扩大组基础上进一步扩大转速范围的变速组称为第二扩大组。

其传动副数为P2、级比指数为x2。

从图5—1的转速图中可看出：x2＝9＝P0P1。

即第二扩大组的级比指数均应等于基本组与第一扩大组传动副数的乘积。

综上所述，为使主轴得到公比为 的连续且不重复的等比数列转速值，传动系统中各变速组的传动比应满足以下条件：1．每一变速纪的几个传动副的传动比应为一等比数列2．各变速组的级比指数与传动副数之间有如下关系：各变速组的级比有下列关系：基本组的级比第一扩大组的级比第二扩大组的级比……第j扩大组的级比变速组的变速范围为2．上述规律与基本组、第一扩大组、第二扩大组……传动系统中的传动顺序无关。

二、结构式与结构网在拟定机床传动系统方案时，把传动比的相对关系画成对称形式的线图，用以表示分组变速传动系统的变速特性和传动比规律，以供设计时进行方案的分析比较和选择，称这种图叫结构网。

图5—2为12级转速传动系统结构网。

结构网可表示出分级变速传动系统的变速组数，各变速组的传动副数和传动顺序；各变速组的级比和扩大顺序；各传动轴的转速级数和变速范围等。

结构网也可以写成结构式表示。

图5—2(a)可写成12＝3１×2３×2６。

式中12表示转速级数，3、2、2分别表示按传动顺序的各变速组的传动副数。

下标的1、3、6分别表示各变速组相邻两传动副连线的空格数，即各变速组的级比指数。

一个结构式对应于一个结构网(见图5—2)，而一个结构网可画出若干个转速图，但一个转速图只能写出一个结构式。

结构网和结构式可以表示出传动系统的组成情况，并具有转速图一样的变速特性，但只能表示出各传动副间的相对关系而不是具体数值。

５．３分级变速传动系统的设计一、拟定转速图的一般原则在主轴转速级数一定时，可以列出许多种不同的传动方案，写出许多不同的结构式，而每一个结构式又可画出若干个转速图。

因此，拟定转速图是分级变速传动系统设计的重要内容。

转速图拟定是否合理，对机床的结构紧凑程度、尺寸的大小，效率的高低、使用与维护的方便性等都有较大的影响，通常应遵循以下原则。

1．变速组数和各变速组的传动副数的确定实现一定级数的主传动系统，可由不同的变速组组成。

如主轴转速级数Z＝12级的传动系统，可有以下几种传动方(1)12＝3×2×2(2)U＝2×3×2 (3)12＝2×2×3(4)12＝3×4(5)12＝4×3 (6)12＝2×6(7)12＝6×2当变速组的传动副数过多时，使传动轴的轴向尺寸增大，操纵机构笨重、复杂。