第6章--复杂机械传动系统分析

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§6.1 机床常用的机械传动装置
2.变速机构变速机构是指在输入转速不变的情况下，根据需要变换传动比和传动方向，使从动轴(轮)得到不同转速的传动装置。变速机构在各种机械中有着很广泛的应用。在机械加工中，由于被加工的材料各不相同，就要求机床的主轴有很多种不同的转速来适应加工不同工件、获得不同精度的要求，实现机床运动变换的机构即变速机构。机床变速机构是构成机床传动系统使其实现变速的主要组成部分，普通机床传动系统中有多种基本变速传动机构，常用的如下。 1)离合器变速机构
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§6.2 机床传动原理及传动系统分析
或车螺纹运动。尾座3安装于床身尾座导轨上，可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖用来支承较长或较重的工件，也可安装各种刀具，如钻头、铰刀等。这些部件都安装在床身4上，以保持各部件间相互位置的精度。 CA6140车床传动系统在机床机械传动中具有典型性和代表性，通过对其传动系统和结构进行分析，就能较容易分析理解其他机械设备的传动系统。下面以CA6140型普通车床为例，介绍车床的主轴箱的传动系统及典型结构。
CO6140车床床身上最大回转直径为400mm，在刀架上最大回转直径为210mm，最大工件长度达2000mm，主轴内孔直径为
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§6.2 机床传动原理及传动系统分析
48mm，主电动机功率为7.5kW。 CO6140卧式车床属通用的中型车床，其外形如图6-8所示，它
主要由床身、主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架和尾座等部件构成。床身4固定在左右床腿9和5上，主轴箱1固定地安装在床身的左端，其内装有主轴和变速传动机构及其操纵系统，由电动机经变速机构带动旋转，实现主运动，并获得所需转速。主轴箱前端可装卡盘，用以夹持工件。进给箱10内装有进给运动的传动及操纵装置，用以改变机动进给的进给量或被加工螺纹的导程，并把运动传递到溜板箱80溜板箱8安装在刀架部件底部，它可以通过光杠6或丝杠7承受自进给箱传来的运动，并将运动传给刀架部件，从而使刀架实现纵、横向进给
下一页上一页63ca6140如图619b所示离合器由手柄18操纵手柄18向上扳绕支撑轴19逆时针摆动杆20向外曲柄21带动齿扇17作顺时针转动由上向下观察齿条22向右移动带动拨叉23及滑套12右移滑套12右面迫使元宝6绕其装在轴t上的销轴顺时针摆动其下端的凸缘向左推动装在轴t孔中的推拉杆7向左移动推拉杆7通过销子5带动压块8向左压紧内外摩擦片实现主轴正转
6.1.2机床常用的机械传动装置
普通机床中的传动机构可分为定比传动机构和换置机构两种。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
定比传动机构的传动比不变，如带传动、定比齿轮副、丝杠螺母副等; 换置机构可根据需要改变传动比大小或传动方向，因此通常将其分为变速机构和换向机构两种，如滑移齿轮变速机构、挂轮机构等。
§6.1 机床常用的机械传动装置
除三联齿轮变速机构外，机床上常用的还有双联滑移齿轮变速机构。滑移齿轮变速机构结构紧凑，传动效率高，变速方便，能传递很大的动力，应用广泛。但不能在运转中变速，多用于机床的主要运动中。
3)交换齿轮变速组交换齿轮变速组通过传动齿轮对的更换来获得不同的传动比，从而达到变速目的(也称挂轮机构)。机床上常用的挂轮变速组有一对挂轮变速组和两对挂轮变速组。图6-3为交换齿轮(挂轮)变速机构。其中，图6-3(a)为一对交换齿轮变速机构，只要在固定中心距的轴T和轴Ⅱ 上装上传动比不同，但“齿数和”相同的齿轮副A和B，则可由轴Ⅰ的一种转速，使轴Ⅱ得到不同的转速。
机械传动件有齿轮、带轮、蜗杆、涡轮等，其在轴上的连接方式有三种:空套连接、滑移连接、固定连接。传动件在轴上的连接方式、简图及其与轴的相对运动情况见表6-1。
1.定比传动机构定比传动机构有齿轮传动、带轮传动、蜗杆传动、齿轮齿条传动和丝杠螺母传动等机构。这些传动的共同特点就是传动比固定不变，其中，齿轮齿条传动副和丝杠螺母传动副可以将旋转运动转变为直线移动。
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§6.2 机床传动原理及传动系统分析
6.2.1CA6140卧式车床功能及结构组成车床主要用于车削加工。在车床上可以加工内外圆柱面、圆锥面和
成型回转表面;也可以车削端面和车环槽，加工各种常用的米制、英制、模数制和径节制螺纹等。在一般的机械制造厂中，车床在金属切削机床中所占的比重最大，占金属切削机床总台数的20%~35%。由此可见，车床的应用是很广泛的。而在各种类型的车床中，卧式车床总台数占车床类机床的60%左右，本章主要介绍卧式车床的构造和传动系统。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
两条传动路线可得两种不同的传动比，轴Ⅱ因此可获得两种不同的转速。此外，离合器变速机构还可利用摩擦离合器在运动中实现变速，变速方便，易于实现自动化;但这种变速机构的各对齿轮经常处于啮合状态，所以磨损较大、传动效率不高。它主要用于重型机床及自动、半自动机床中。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
扭矩不大的传动链中，或需要严格运动关系的传动链中，也有用三对交换齿轮的变速机构，但使用不普遍。
4)塔轮变速机构如图6-4所示为机床进给箱的变速机构:在从动轴8上模数相同、齿数不同的固定齿轮组成塔齿轮7，为了将轴主动1的运动传动给轴8，设置了一中间齿轮4，中间齿轮4空套在销轴3上，销轴3固定在摆架 5上，摆动架5可随齿轮4, 6轴向移动且能绕主轴轴1摆动一角度，以保证中间齿轮4，可与塔齿轮7中任意一个齿轮啮合，从而将主动轴的运动传递给从动轴8。由于塔齿轮由小到大，所以在齿轮箱壳体上就制成了斜形插板10,插销9起定位和锁紧作用，从动轴8转动时，
1)滑移齿轮换向机构滑移齿轮换向机构是通过改变齿轮啮合次数或对数来改变运动方向的。如图6-5所示，轴I上装有一齿数相同的双联固定齿轮z1、z2, 轴Ⅱ上装有一花键连接的单个滑移齿轮z3，中间轴上装有一空套齿轮z0，当滑移齿轮z3处于图示位置时，轴Ⅰ的运动经z0传给z3，使轴Ⅱ的转动方向与轴Ⅰ相同;当滑移齿轮z3向左移至虚线位置时，z3 与轴Ⅰ上的在齿轮z1直接啮合时，则轴Ⅰ的运动经z3齿轮传给轴Ⅱ ，使轴Ⅱ的转动方向与轴Ⅰ相反，从而实现换向。
2)滑移齿轮变速机构如图6-2所示，齿轮z1,z2和Z3固定在轴I上，由齿轮z1'、z2'和 z3'组成的三联滑移齿轮以花键和轴连接，并可移至左、中、右三个位置，使传动比不同的齿轮副z1'/z1、z2'/z2、z3'/z3依次啮合。因而，当主动轴转速不变时，从动轴可以得到三种不同的转速。
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3.换向机构机床的运动部件工作时，经常需要改变运动方向，例如，机床在切削加工过程中，需要刀具纵向进给进行切削加工，切削后需要刀具能快速退刀。因此，在机床传动系统中应有换向机构。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
换向机构的作用就是改变从动轴的旋转方向。机床的换向机构有机械、液压、电气3种。其机械换向的方式一般有如下3种。
根据传动联系的性质，传动链可以分为两类:外联系传动链和内联系传动链。
外联系传动链联系的是动力源和机床执行件，使执行件得到预定速度的运动，并且传递一定的动力。
是带动工件或刀具完成旋转或直线运动力源动力源是为执行件提供运动和动力的装置，如直流电动机，步进电
机、交流电动机、交流异步电动机等。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
(3)传动装置传动装置是传递运动和动力的装置，其作用是将动力源的运动传递给执行件或完成执行件间的运动传递，使执行件获得一定速度和方向的运动，并使之保持确定的运动关系。通过运动传递，传动装置还可实现运动性质、方向和速度的变换，一般以变速为主。机械传动应用齿轮、皮带、离合器、丝杠螺母等传动件实现运动联系，传动形式结构简单，工作可靠，故障易查，维修方便，目前这些传动件在机床上应用最广泛。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
此变向机构刚性较好。
2)三星齿轮换向机构
如图6-6所示为车床走刀丝杠的三星齿轮换向机构，它是由四个
齿轮及三角杠杆架组成，轮1, 4两齿轮用键装在位置固定的轴上，
并可与轴一起转动。轮2和轮3两齿轮空套在三角形杠杆架上，杠杆
架通过搬动手柄可绕齿轮4轴心转动。如图6-6(a)所示，当齿轮2
6.2.2传动链及机床传动原理
机床为了得到某一运动，采用一系列的传动零件把电动机与运动件
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§6.2 机床传动原理及传动系统分析
联系起来，这种传动联系所构成的系统称传动系统。机床在加工过程中，机床任意两运动部件之间的传动联系就构成一条传动链。需要多少个运动就相应有多少条传动链。
为了便于研究机床的传动联系，常用一些简明的符号把传动原理和传动路线表示出来，称为传动原理图。图6-9所示为传动原理图常用的一些示意符号。
第6章复杂机械传动系统分析
§6.1 机床常用的机械传动装置 §6.2 机床传动原理及传动系统分析 §6.3 CA6140卧式车床主轴箱的主要结构
§6.1 机床常用的机械传动装置
6.1.1机床的传动形式
为实现加工中所需的运动，机床必须具备三个基本部分:执行件、动力源和传动装置。
(1)执行件执行件是执行机床运动的部件，如主轴、刀架、工作台等。其作用
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§6.1 机床常用的机械传动装置
其变速级数取决于备有齿轮中能相互啮合且满足中心距要求的齿轮副的对数。图6-3(b)采用了两对配换齿轮，图中挂轮架可绕轴Ⅱ作调整摆动，中间轴可在挂轮架上作上下调整移动。挂轮a和挂轮d分别用键与主动轴T和从动轴Ⅱ相连，挂轮b和c空套在中间轴上，调整中间轴的位置使挂轮c和d正确啮合后，再摆动挂轮架使挂轮a和b处于正确啮合位置。可见，改变不同齿数的挂轮，可起到变速作用。交换齿轮变速传动机构结构简单、紧凑。由于用做主、从动轮的齿轮可以颠倒其位置，所以用较少的齿轮可获得较多的变速级数，但变速麻烦，调整齿轮费时费力，故主要用于不需要经常变速的场合。当采用两对挂轮时，由于装在挂轮架上的中间轴刚度差，一般只用于传递
图6-7(b)所示的锥齿轮换向机构是通过水平轴上的双联滑移锥齿轮的向左或向滑动与垂直轴上锥齿轮的啮合来改变水平轴的转动方向的。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
电气换向是利用电气线路直接改变电动机的运动方向来实现的; 液压换向是利用换向阀切换油缸或马达的油路实现的。这两类换向机构在机床等设备中也经常使用。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
离合器是使同轴线的两轴或轴与该轴上空套传动件(如齿轮、皮带轮等)按工作需要随时接通或分离，实现机床启动、变速、换向及过载保护的构件。离合器有很多种，机床传动中常用的有啮合式、摩擦式、超越式离合器和安全离合器。
如图6-1所示的离合器变速传动机构由啮合式离合器和齿轮组成，利用离合器的左、右部分结合或分离而获得不同的传动比。齿数为z1 和z3的齿轮是固定齿轮，齿数为z2和z4的齿轮是空套齿轮。当运动和动力由轴Ⅰ输入，离合器左部分结合，则通过齿轮z1、z2及离合器传入轴Ⅱ，此时轮z1空转;若拨动手柄向右，离合器右部分结合时，轮 z2就空转，运动动力就由齿轮z3、z4通过离合器传入到轴Ⅱ。
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§6.1 机床常用的机械传动装置
可以通过齿式离合器11传给丝杠12，或通过齿轮13传给光杠14。机构的传动比与塔齿轮的齿数成正比，因此很容易由塔齿轮的齿数实现传动比成等差数列的变速机构。
塔轮变速机构变速方便、结构紧凑。但由于该种变速组中有一摆移架，故刚性较差，多用于转速不高但需要有多种转速的场合，如车床进给箱等。
与齿轮1啮合时，齿轮4逆时针转动，与轮1相反;如图6-6(b)所示，
扳动手柄使轮3与轮1啮合，由于少了一个中间齿轮2，轮4的旋转
方向就改变了，轮4顺时针转动，与轮1相同。
3)锥齿轮换向机构
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§6.1 机床常用的机械传动装置
在图6-7(a)所示的锥齿轮变向机构中，两个带有爪形齿离合器的锥齿轮2, 3空套在水平轴上，而双向爪形离合器和水平轴通过键连接。在垂直方向有一锥齿轮与这两个锥齿轮同时啮合，并作为主动齿轮带动这两个锥齿轮在轴上以相反方向空转。当双向离合器移向左端，则运动由左端锥齿轮传给水平轴。反之，当双向离合器右移，则运动由右端锥齿轮传给水平轴，但方向相反。此换向机构刚性较圆柱齿轮换向机构差些。