机电装备设计第二章(共6学时)

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2）分离传动式
有些高速、高精度机电装备，为了避免变速箱的振动和热变形对执行 件的影响，常把变速箱与执行件分开，即把传动系统的主要传动件和变 速机械与执行构件分别装在两个不同的箱体内，中间用皮带、链条等方 式传动，称为分离传动式布局。
优点：
●变速箱各传动件所产生的振动和热量不会传给或少传给主轴，减少了主 轴的振动和热变形，提高了机床的工作精度； ●高速运转时，运动由皮带经齿轮离合器直接传动，传动链短，主轴高速 转时平稳，传动效率高，转动惯量小，便于启动和制动； ●主轴作低速运转时，运动经背轮机构的两对降速齿轮传动后，转速显著 降低，达到扩大变速范围的目的。
优点:除摩擦片式离合器外，传递功率较大，变速范围广，传 动比准确，工作可靠，应用于各种普通机床。 缺点:有速度损失，不能在运转中变速。 摩擦片离合器：可在运转过程中变换转速，操纵方式为机械 的、电磁的或液压的，便于实现自动化。但传动比不准确， 发热量大。 无级变速传动：可在一定的变速范围内连续变速，以得到 最有利的速度，能在运转中变速，便于实现变速自动化。 构成：由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和无级变 速电动机实现。 特点：机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常用在中 小型车床、铣床等的主传动中。液压无级变速器传动平稳、 运动换向冲击小，易于实现直线运动，常用于主运动为直线 5 运动的机床，如磨床、拉床、刨床等机床的主传动中。
1000 vmax nmax 1000 vmin nmax , nmin , Rn d min d max nmin
主轴转速是按等比级数排列的，其公比为φ，各级转速为
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等比级数排列优点：
▸ 使转速范围内的转速相对损失均匀； 假设，某加工工序所要求的合理转速为n，在机床的Z级转速 中没有这级转速n。n落在nj 和nj+1 之间，即nj＜n＜nj+1 。 采用nj+1比n转速高，高的切削速度会使刀具耐用度下降。 为不降低刀具耐用度，一般选用nj，造成转速损失为n- nj，相 对转速损失率为
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2.1.2 分类和布局形式 1、分类
1）按动力源的类型，分为交流电动机驱动、直流电动 机驱动和 液压驱动。 驱动方式的选择主要根据机电装备的变速形式和运 动特性要求来确定。 2）按变速的连续性，分为有级变速传动和无级变速传 动。 有级变速传动是在一定的变速范围内均匀，变速级 数不超过20～30级。 有级变速方式:滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合 器变速。 4
2.1.1 基本要求
1）满足机电装备使用性能要求； 运动特性、调速范围、加工精度、传动系统应设计合理、 操纵方便、灵活、安全可靠。 2）满足机电装备传递动力要求； 主电机和各传动件能提供并传递高效率的功率和转矩。 3）具有足够的精度和刚度，传动平稳； 4）具有足够的抗振性和热稳定性，噪声低； 5）满足产品设计经济性的要求； 传动链尽可能短，零件数要少，节省材料，降低成本。 6）调整维修方便，结构简单、合理，工艺性好，防护性能 好。
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E1
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我国机床专业标准规定了七个标准公比，如表2-1，其中 1.06、1.12、1.26符合上述三条原则，其余四个标准公比只是 10或2的正整数次方。
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3) 公比的选用
φ值小则相对转速损失小，但当变速范围一定时变速级
数将增多，结构复杂。 ▶ 对于中型通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复 杂，一般取φ =1.26或1.41； ▶ 对于大批生产用的专用机床，专门化机床及自动机，取φ ＝ 1.12或1.26，因其生产率高，转速损失影响较大，且又不经常 变速，用交换齿轮变速，不会使结构复杂； ▶对于大型通用机床，由于工件尺寸大，因而切削时间较长，速 度损失影响明显，需要选用较合理的切削速度，而主传动系统 结构复杂些和体积大些是允许的，因此，应选用较小的公比， 取φ ＝1.06、1.12或1.26 ▶ 非自动化小型机床，加工中切削时间远小于辅助时间，转速
缺点：多了一个箱体，增加加工成本；低速时皮带负荷大，容易打滑。
这种布局方式适用于中、小型高速精密机床。
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主轴 背 轮 机 构
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CM6132型精密卧式车床的传动系统图
普通卧式车床主传动布局图
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3 、变速机构在传动链中的位置
变速机构零件多，传动件的尺寸决定于所传递的转矩。 功率一定，转矩与转速成反比。
126:256
电
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
710 轴I～II间的变速组a有三个传动副，其传动比分别为 30:42 500 24:48 355 250 180 轴Ⅱ ～ Ⅲ 轴间的变速组b有两个传动副，其传动比分别为 125 90 63 轴Ⅲ ～Ⅳ之间的变速组c有两个传动副，其传动比分别为 18:72 45
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36:36 2.1 主传动系统设计2.1.1 基本要求 2.1.2 分类和布局形式 2.1.3 有级变速主传动系统设计
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2.1 主传动系统设计
定义：运用转速图的基本原理，拟定满足转速数列的经济、合 理的传动系统方案，确定主要传动件的空间布置。 内容： ★ 选择变速组及其传动副数； ★ 确定各变速组中的传动比； ★ 计算齿轮齿数和皮带轮直径； ★ 设计主要传动件的空间布置、轴向定位及其结构尺寸。 组成： 由动力源、变速装置及执行件(如主轴、刀架、工作台)，开停、 换向和制动机构等部分组成。动力源给执行件提供动力，变 速装置传递动力以及变换运动速度，执行件执行机床所需的 2 运动，完成旋转或直线运动。
副传动比u，用主动齿轮与被动齿轮的齿数比或主动带轮与被 动带轮的轮径比表示。
▸ 传动比u与速比i互为倒数关系，即u＝1/i；
▸ 在转速图中，传动比的大小以代表该传动副的连线倾斜方 向和倾斜程度表示； 1）连续向右下方倾斜为降速传动， u<1； 2）向右上方倾斜为升速传动， u>l ； 3）水平连线则为等速传动，u=1； 在转速图上两轴间相互平行的连线是代表同一传动副。
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转速图可表示：
▴ 主轴的各级转速的传动路线； ▴ 主轴得到这些转速所需的变速组数目及每个变速
组中的传动副数；
▴ 各个传动比的数值；
▴ 传动轴的数目；
▴ 传动顺序及各轴的转速级数与大小。
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1440r/min 电动机轴与 I轴之间为皮带定比传动，其传动比为 1400r/min 60:30 1000
42:42
22:62
31.5
2）结构网及结构式
结构网或结构式用于分析和比较不同的传动系统设计方案，与 转速图的主要差别是： ▲ 结构网只表示传动比的相对关系，不表示传动比和转速的绝 对值； ▲ 结构网上代表传动比的射线呈对称分布； ▲ 结构网也写成结构式来表示； 下图结构式12＝31 x 23 x 26式中： △ 12表示主轴的变速级数； △ 3、2、2分别表示按传动顺序排列各变速组的传动副数；即 变速组a的传动副数为3，变速组b的传动副数为2，变速组c的 传动副数为2； △ 结构式中的下标1、3、6表示各变速组中相邻两传动比相距 的格数。 26
P T 9550 ( N m) n
□ 变速机构应位于传动链的高速部分。 □ 执行件的转速较低，变速机构接近动力源，降速机构在 后。 □ 有时需要限制变速机构的线速度不能过高。 由于噪声与传动件(如齿轮) 的线速度有关，过高的转速会 导致噪声增大，故需限制变速机构的线速度不能过高。
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2.1.3 有级变速主传动系统设计
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损失大些影响不大，取φ ＝1.58、1.78甚至2。
4）由等比级数规律可知变速范围Rn、公比φ和级数Z的关系
nmax Z 1 Rn nmin 写成对数形式为， lg Rn ( Z 1) lg
上式给出了Rn、φ和Z三者的关系，已知任意两个可求第三个， 由公式求出的φ和Z ，应圆整为标准数和整数。
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2、布局形式
1）集中传动布局
传动系统的全部传动件、变速装置和执行件集中装在一个
箱体内，称为集中传动式布局。 多数通用机床的主传动系统都采用这种布局。 优点：结构紧凑，便于实现集中操纵和调整与维修，箱体数 目少，降低了成本。 缺点：高速运转的传动件所产生的振动和发热会直接影响主轴 的工作精度。这种传动布局适用于普通精度的大中型机床。
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2、转速图和结构式
1）转速图
转速图是分析和设计分级变速传动系统的重要工具，由一些
互相平行和垂直的格线组成。 距离相等的一组水平线与竖直线相交，得相应的圆圈交点， 代表各轴的转速。 将转速图上的竖直线坐标取为对数坐标，代表各级转速的水 平线的间距相等，任意相邻两水平线相距一格，即一个lgφ，即 相邻转速之比是φ，卧式车床φ＝1.41，在Ⅳ轴上有12个转速 点，表示主轴具有12级转速，从31.5～1400r／mIn。
第二章 机电装备传动系统设计
机电装备传动系统按其功用和驱动电动机的不同，分为 ▶ 主传动系统(Cutting Transmission)； ▶ 普通进给传动系统（Feeding Transmission)； ▶ 伺服驱动进给传动系统(Servo Feeding Transmission) 本次课为第2讲 讲述的内容如下：
设计任务：
▵ 根据已确定的主传动系统的运动参数，合理地排列
转速数列；
▵ 拟定结构式、转速图；
▵ 分配各变速组中传动副的传动比；
▵ 确定齿轮齿数和带轮直径等； ▵ 绘制主传动系统图。
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1、转速数列的设计 1）转速的合理排列方式
分析所设计机床可能进行的工序，从中选择要求最高、最 低转速的典型工序，按照典型工序刀具、工件材料、切削速度 和刀具(或工件)的直径，计算出nmax、nmin及变速范围Rn。
公比φ标准值遵循的原则： ► 转速由nmin至nmax 递增， 1 ＜ φ 。为限制最大相对转 速损失率不超过50％，故 1 ＜ φ ＜2。 ► 为便于采用双速或多速电动机驱动，简化机床的变速机构 应满足