第五章--機(jī)床主運(yùn)動部件設(shè)計.doc

第五章 機(jī)床主運(yùn)動部件設(shè)計第一節(jié) 主傳動系統(tǒng)的運(yùn)動設(shè)計一、有級變速和無級變速二、主傳動系統(tǒng)運(yùn)動設(shè)計的步驟三、轉(zhuǎn)速圖 1轉(zhuǎn)速圖的概念（見圖5-1及附圖） 列 每一列對應(yīng)表示一根軸； 行 標(biāo)注轉(zhuǎn)速 等比數(shù)列 相鄰兩行為（公比）倍 為畫圖方便，行距按轉(zhuǎn)速值的對數(shù)畫 行間距相等（“l(fā)g”不寫） 轉(zhuǎn)速點 每一傳動元件的轉(zhuǎn)速值（行）與某一根軸在圖中的交點。傳動線 具有直接傳動關(guān)系（兩傳動件）的兩轉(zhuǎn)速點間的連線 傳動線 ： 向上傾斜 （升速） 水平 （等速） 向下傾斜 （降速）注 設(shè)計時，應(yīng)盡量使轉(zhuǎn)速點落在行、列交點處，這樣既方便設(shè)計，也有利于制造。2級比規(guī)律 級比規(guī)律 是有級（等比）變速系統(tǒng)符合一定條件時得出的規(guī)律。 圖5-1是符合級比規(guī)律的轉(zhuǎn)速圖。 按 傳動順序 先后，使變速組標(biāo)號依次為：a、b、c、注 定比傳動不是變速組。 （1）變速組a（基本組）（本變速組傳動副數(shù)目 = 3）ua1 = ua2 = ua3 = 則： ua1ua2ua3 = = 01 級比 同組相鄰兩個傳動比的比值，用xi表示 級比指數(shù) xi 注 i為變速組的另一種排列方法的順序號（用0、1、2、表示） “基本組” 具有級比指數(shù)X0 = 1的變速組。即：“基本組”的級比指數(shù)用X0 表示，可見變速組a為“基本組”。（2）變速組b（第一擴(kuò)大組）（本變速組傳動副數(shù)目 = 3）同理有： ub1ub2ub3 = 136 級比為3 = x1 （X1 = 3） （3）變速組c（第二擴(kuò)大組）（本變速組傳動副數(shù)目 = 2）同理有： uc1uc2 = = 19 = 1x2 級比指數(shù)X2 = 9擴(kuò)大順序 按 基本組、第一擴(kuò)大組、第二擴(kuò)大組、順序排列注 本例擴(kuò)大順序與傳動順序一致（但實際中：擴(kuò)大順序與傳動順序并不是一定一致）；若：各變速組的傳動副數(shù)目用pj表示，并根據(jù)擴(kuò)大順序分別定為p0、p1、p2、 。注意：基本組 X0 = 1第一擴(kuò)大組 X1 = 3 = p0 ；第二擴(kuò)大組 X2 = 9 = p0p1 （= 33）以此類推可得： 第j擴(kuò)大組 Xj = p0 p1 p2 pj-1依據(jù)此例分析，可得出具有普遍意義的“級比規(guī)律” （見書P.92）即： 基本組級比 X0 = 第一擴(kuò)大組級比 X1 = p0 ；第二擴(kuò)大組級比 X2 = p0 p1 第三擴(kuò)大組級比 X3 = p0 p1 p2 第j擴(kuò)大組級比 Xj = p0 p1 p2 pj-1設(shè)計中，只要遵守“級比規(guī)律”，就可使主軸獲得連續(xù)而不重復(fù)的、公比為的等比數(shù)列轉(zhuǎn)速。 符合“級比規(guī)律” （單一公比）的傳動系統(tǒng)稱為“正常傳動系統(tǒng)”。 “非正常轉(zhuǎn)速圖”舉例（附圖）上圖中若符合級比規(guī)律，則應(yīng)該是 X1 = 3，而a）X1 = 4，大了！出現(xiàn)轉(zhuǎn)速空擋；b）X1 = 2，小了！出現(xiàn)轉(zhuǎn)速重復(fù)；（實際應(yīng)用舉例，見圖5-14）c）X1 = 1.5，非整數(shù)！轉(zhuǎn)速錯開。（實際應(yīng)用舉例，見圖5-17） 3變速組的變速范圍 4總變速范圍（即主軸的變速范圍）四、結(jié)構(gòu)網(wǎng)及結(jié)構(gòu)式 （一）轉(zhuǎn)速圖對稱畫即結(jié)構(gòu)網(wǎng) 圖5-1（轉(zhuǎn)速圖） 圖5-2（結(jié)構(gòu)網(wǎng)） 1轉(zhuǎn)速圖包括定比傳動，而結(jié)構(gòu)網(wǎng)僅反映變速組； 2一個轉(zhuǎn)速圖對應(yīng)一個結(jié)構(gòu)網(wǎng)，而一個結(jié)構(gòu)網(wǎng)可畫出很多不同的轉(zhuǎn)速圖； 3轉(zhuǎn)速圖反映系統(tǒng)各部分真實的轉(zhuǎn)速變化，而結(jié)構(gòu)網(wǎng)僅反映變速組的相對關(guān)系； 4各變速組的r以及傳動比相互關(guān)系，轉(zhuǎn)速圖與結(jié)構(gòu)網(wǎng)是相同的。 （二）結(jié)構(gòu)網(wǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式即結(jié)構(gòu)式1結(jié)構(gòu)式可表達(dá)如下（按傳動順序）：Z = papbpc2傳動副數(shù)目選取原則：每個變速組的傳動副數(shù)目“P”一般取 2 或 3 。以18級為例，可以有：18 = 92 （兩個變速組； 三根軸； 11對傳動副）18 = 63 （兩個變速組； 三根軸； 9對傳動副）18 = 332 （三個變速組； 四根軸； 8對傳動副）實際中取第三種。（前兩種主要問題是“9” 、“6”設(shè)計困難、使用不便；另外，兩個變速組通常不能滿足總變速范圍要求） 3結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式的選擇 按傳動順序不同排列：（仍以18級系統(tǒng)為例）18 = 33218 = 32318 = 233如對應(yīng)圖5-2的結(jié)構(gòu)式為：18 = 313329注腳為各組對應(yīng)的級比指數(shù)。（利用級比規(guī)律很容易寫出）注 在結(jié)構(gòu)式中，始終以傳動順序先后（自左向右）寫變速組。但按擴(kuò)大順序則有很多種不同排法。再考慮擴(kuò)大順序不同，則有18種方案可選：18 = 313329 18 = 312336 18 = 21323618 = 313623 18 = 312933 18 = 21363218 = 333129 18 = 322136 18 = 23313618 = 363123 18 = 362132 18 = 29313318 = 323621 18 = 362331 18 = 23363118 = 363221 18 = 332931 18 = 293331每一種結(jié)構(gòu)式對應(yīng)一個結(jié)構(gòu)網(wǎng)。下面以12級為例觀察結(jié)構(gòu)網(wǎng)變化（僅畫出12 = 322六種變化）。 注 結(jié)構(gòu)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)式供方案討論所用；而轉(zhuǎn)速圖則是具體結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。五、主傳動運(yùn)動設(shè)計要點（一般原則） 1各變速組的極限傳動比和變速范圍限制主傳動： 降速不要過急 umin 1 / 4 （避免齒輪太大） 升速不要太快 umax 2（斜齒可2.5）（避免振動和噪聲） 組變速范圍 8 10進(jìn)給傳動： = 14 2減小傳動件尺寸的原則轉(zhuǎn)矩T、功率P和計算轉(zhuǎn)速nj之間有如下關(guān)系：可見： 若功率不變，轉(zhuǎn)速愈高，則轉(zhuǎn)矩愈小。這樣就可使傳動件的尺寸設(shè)計得小一些。以下原則均出自此目的。（注 目的若變，則原則也要變） （1） “前多后少”原則 按傳動順序排列，使傳動副較多的變速組盡量放在前面。如： 18 = 332 （兩對齒輪副的變速組放在最后）注 CA6140例外（24 = 2322）（這里的主要矛盾是“方便結(jié)構(gòu)設(shè)計” ）。 （2） “前密后疏” （或“前緊后松” ）原則（圖5-3） 按擴(kuò)大順序考慮，盡量先“基本組”、其次“第一擴(kuò)大組”、再“ 第二 ” 依次排列為好。即： “擴(kuò)大順序”盡可能與“傳動順序”一致 為優(yōu)先考慮。 （3） “前慢后快” （或“前緩后急” ）原則即降速時，前面變速組降得慢些，最后變速組降得最多。注 以上原則主要是針對“中型機(jī)床”。若“小型或精密機(jī)床”，則應(yīng)主要考慮振動和噪聲問題。六、改善傳動性能的其它注意事項 1傳動鏈要短 2轉(zhuǎn)速和要小 3齒輪線速度要小 4空轉(zhuǎn)件要少綜上所述，變速傳動系統(tǒng)運(yùn)動設(shè)計要點可歸納為，即：一個規(guī)律 兩個限制 三條原則 四項注意七、轉(zhuǎn)速圖的擬訂以銑床主傳動系統(tǒng)為例。 30 1500 r / min 工藝范圍要求（已定） 18級轉(zhuǎn)速（公比 =1.26） 工藝范圍要求（已定）電機(jī)轉(zhuǎn)速：1440 r / min（選定）可以看出： 電機(jī) 主軸 ，總的趨勢是降速，最大降速比為1 / 48 設(shè)計考慮的主要問題是：怎樣降速？ （1）首先考慮極限降速比（圖5-4） a）確定結(jié)構(gòu)式18級。根據(jù)前述，顯然是：18 = 313329 b）定比傳動（降速） 一是考慮減少變速組的總降速比；二是考慮變型方便。 c）合理分配降速比（圖5-4為各組間最小傳動比的連線） 以“前慢后快”為原則。 （2）畫出各變速組其它傳動線（圖5-5） 根據(jù)已確定的結(jié)構(gòu)式，即可畫出各組其它傳動線。（3）畫出全部傳動線（圖5-6） 對應(yīng)畫平行線，即可畫出全部傳動線。 注 在實際中，轉(zhuǎn)速圖是需要經(jīng)過反復(fù)修改才能完成的。八、齒輪齒數(shù)的確定 首先確定定比傳動。 定比傳動： 為了某種結(jié)構(gòu)設(shè)計需要； 為了傳動比分配； 為了使電機(jī)遠(yuǎn)離主軸箱（見圖2-13、圖4-2）。注 一個傳動比，可以由許多種齒輪形成不同的搭配形式。如：若傳動比 ，則可以是： u = 齒數(shù)和SZ： SZ = Z1 + Z2（一對嚙合齒輪） 1確定齒輪齒數(shù)應(yīng)注意的問題 （1）齒數(shù)和不應(yīng)過大（否則大齒輪會太大） 一般SZ 100 120 （2）齒數(shù)和不應(yīng)過小 根切問題； Zmin 18 20 最小壁厚；（圖5-7） a 2m 裝配空間；（若有在裝配好以后需要操作或調(diào)整的環(huán)節(jié)，兩軸間距不宜太?。?操縱機(jī)構(gòu)等的空間； 軸承（支承空間）。（3）主軸轉(zhuǎn)速誤差 10（- 1）%注 轉(zhuǎn)速圖中主軸的18級轉(zhuǎn)速是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列寫出來的。 （4）三聯(lián)滑移齒輪中，相鄰兩齒輪齒數(shù)差4 （P.103，圖5-9）m（Z2+2）+ m（Z3+2） A 因為： A = m（Z3+ Z3）則有： Z3 - Z24若Z3 - Z2 = 4，（可修磨齒頂圓）； 若Z3 - Z24，（可考慮變位）。注 將圖5-9中Z2與Z3的字母位置對調(diào)。 2同變速組單一模數(shù)時齒數(shù)的確定 注 同組同模數(shù)必然有（見圖5-9）：即： （1）計算法 可得到以下公式（5-14）：uj 在擬訂轉(zhuǎn)速圖時確定；SZ 由設(shè)計者根據(jù)實際情況自定。 設(shè)計方法：（先對具有最小齒數(shù)的一對齒輪求解） 先確定最小齒數(shù)（任意、但合理地確定）；別忘了：Zmin 18 20 根據(jù) ，計算出與之嚙合的另一齒數(shù)； 求出SZ（=zj + zj）； （確認(rèn)SZ是否合適，若不合適，重選Zmin） 確定了SZ，則可根據(jù)公式（5-14）計算出其它幾對齒輪的齒數(shù)。 （2）查表法（表5-1） 3變速組內(nèi)模數(shù)不同時齒輪齒數(shù)的確定 同一變速組內(nèi)兩對嚙合齒輪的中心距分別計算如下： 同一變速組內(nèi)各處的中心距必然相等，即 A1 = A2 = m1SZ1 = m2SZ2 = 注 e1、e2的引入是考慮計算方便（因為模數(shù)可能有小數(shù)）。公式（5-17）計算出齒數(shù)和后，再根據(jù)公式（5-14）就可算出各個齒輪的齒數(shù)。注 書上例子中， 、 是基于工藝需要的考慮。注 關(guān)于齒數(shù)和選擇的分析： 首先，根據(jù)“前慢后快”原則，最后變速組降速最急，因此，最后變速組的齒數(shù)和應(yīng)選得較大，另外，輸出軸通常直接承受負(fù)載，軸較粗，這也需要最后變速組的齒數(shù)和選得大些。 一般地，最后變速組的齒數(shù)和SZ100 120 其余變速組的齒數(shù)和一般 100 ，且越往前的齒數(shù)和一般越小。八、齒輪的布置與排列 1滑移齒輪的結(jié)構(gòu)滑移齒輪總是將幾個齒輪固定在一起（或直接做成一體），并一起移動（具體結(jié)構(gòu)后面將詳述）。 窄式和寬式 齒輪的寬度 齒輪的寬度與模數(shù)有關(guān)，但在機(jī)床傳動系統(tǒng)中，若模數(shù)差別不大，一般將齒輪的寬度全部做成一致（用“b”表示）。 整體式和拼裝固定式 拼裝固定式的總寬即幾個齒輪加起來的寬度；而整體多聯(lián)式則要在兩齒輪中間留出退刀槽（見圖3-7）。整體式可做成窄式或?qū)捠健?2固定齒輪的軸向布置固定齒輪必須根據(jù)滑移齒輪的尺寸及移動來確定位置。 若固定齒輪軸向拉得較開，則浪費(fèi)空間和材料； 反之，則會鑄成大錯。（見圖5-10） 請牢記一句話： “一對齒輪完全脫離嚙合以后，另一對齒輪才能進(jìn)入嚙合”。 一般取： = 1 3mm 3變速組內(nèi)齒輪的軸向排列 （1）窄式結(jié)構(gòu)軸向尺寸較?。ㄒ妶D5-11、圖5-12） （2）多變速組寬窄結(jié)合可減小軸向尺寸（見圖5-13）注 此處軸向尺寸的減小，可能意味著徑向尺寸的變大。 （3）采用公用齒輪可減小軸向尺寸（見圖5-13）注 這里也有徑向尺寸的變大問題。 4徑向尺寸 （1） 一對嚙合齒輪的齒數(shù)差越大，則徑向尺寸越大（假設(shè)小齒輪大小相同）。下面兩圖總傳動比均為1 / 4，但徑向結(jié)構(gòu)差別很大。（2）軸線重合可減小徑向尺寸 如CA6140的 （背輪機(jī)構(gòu)）（見圖5-16） 5采用多速電機(jī)一臺多速電機(jī)就相當(dāng)于一個變速組，等于使整體結(jié)構(gòu)的軸向和徑向尺寸均縮小了。綜合： 一般地，軸向和徑向尺寸的增大和減小經(jīng)常呈反比，是一對矛盾。所以，設(shè)計者必須根據(jù)實際情況，清楚關(guān)鍵是什么，然后予以取舍。第二節(jié) 主傳動的幾種特殊變速方式一、擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng) 1增加變速組的傳動系統(tǒng)由 Rn = r0 r1 r2 rj可知： 增加變速組可以擴(kuò)大總的變速范圍。但根據(jù) 可知： 最后擴(kuò)大組的rj最大；所以，增加變速組就可能使rj8， 當(dāng)增加變速組時，若最后擴(kuò)大組的 rj8，則采?。?減小xj ，以使rj減小 ，但Rn還是增大了。（見圖5-14） 2采用背輪機(jī)構(gòu)的傳動系統(tǒng) 注 修改圖5-15。書中文字是對的，但圖中應(yīng)將Z1改為固定齒輪，將Z4改為滑移齒輪（參考 圖2-9（c） ）。 此機(jī)構(gòu)可使組內(nèi)的rj 由 8 增大到 16 。 3采用分支傳動的傳動系統(tǒng) （見圖5-16） 注 分支傳動是與主要傳動路線并聯(lián)的，它對原系統(tǒng)的限制不產(chǎn)生影響；但分支部分增加了一些高的轉(zhuǎn)速級數(shù)，即增大了Rn 。二、采用混合公比的傳動系統(tǒng)公比的選用： 公比取小一些 能較好地滿足工藝要求；能減少相對速度損失。 但是，轉(zhuǎn)速級數(shù)z的增多，會使機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。例如：1）用于大批量生產(chǎn)的自動化機(jī)床，要求高生產(chǎn)率，相對轉(zhuǎn)速損失要小，因此要取?。?.12或1.26）。2）大型機(jī)床，機(jī)動時間長，應(yīng)小些（1.12或1.26）。3）中型機(jī)床，加工范圍大，因此希望轉(zhuǎn)速級數(shù)z要多一些，但結(jié)構(gòu)又不希望太復(fù)雜（常取1.26或1.41）。 公比取大一些 例如：小型機(jī)床切削加工時間常比輔助時間少，箱體小所以結(jié)構(gòu)要求簡單一些，且級數(shù)z也不多（常取1.58或1.78）。 公比的混合選取 常用轉(zhuǎn)速段，取小一些；不常用轉(zhuǎn)速段，取大一些。例如書中所述（見圖5-17）： 在25 63（r / min）以及800 2000（r / min）這兩段中，實際用得很少，但有時必需要使用（取=1.58）；中間段用得多（取=1.26）。 本例主軸16級轉(zhuǎn)速，符合級比規(guī)律的結(jié)構(gòu)式為（稱為“基型”） ： 16 = 21 22 24 28 （取公比=1.26） 1.58 = 1.26 轉(zhuǎn)速圖格線按1.26公比畫，只要在需要1.58公比的位置空一格，即可達(dá)到要求。方法：基型的基本組級比指數(shù) x0 = 1 ，將x0變大，x0每增加1，即會使主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列多出一個空格。增加部分用“x0”表示。 即：使x0 變?yōu)閤b ，xb = 1 + x0 一般地，使變型后上下產(chǎn)生的空格相等，這樣就必須使x0取偶數(shù)，本例x0可取2、4、6 。（若x0=8，則xb =9，超出了rj允許的范圍）。 另外，x0 變?yōu)閤b后，可能比第一擴(kuò)大組、甚至比第二擴(kuò)大組的級比指數(shù)都大。所以，應(yīng)該根據(jù)“前密后疏”原則將基本組向后調(diào)整。 具體設(shè)計步驟參照書上（P.109）舉例進(jìn)行。三、交換齒輪傳動系統(tǒng)（圖5-19、圖5-20） 特點： 1可以使結(jié)構(gòu)簡化，傳動剛性比滑移齒輪好； 2更換齒輪麻煩。（通用機(jī)床最好別用）（注 Y3150E型滾齒機(jī)） 3設(shè)計考慮： 懸臂設(shè)計（所以要特別注意剛性問題）。 在箱體內(nèi)應(yīng)安排在上部；或軸向伸出箱體安排。 因為懸臂，傳遞轉(zhuǎn)矩較小時剛性可較好。四、多速電動機(jī)傳動系統(tǒng)（圖5-21、圖5-22） 特點： 1可以使結(jié)構(gòu)簡化，可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速；（方便） 2功率總是按大的選；（高速時功率浪費(fèi)） 31.58和1.78公比不適用； 4除非公比 = 2，否則不符合“前密后疏”原則。五、采用公用齒輪的傳動系統(tǒng)（圖5-23） 采用公用齒輪可減少齒輪數(shù)，并可縮短軸向尺寸。 但公用齒輪的受力比較復(fù)雜；磨損較為嚴(yán)重（比其它齒輪的壽命短）；齒數(shù)計算比較復(fù)雜。六、無級變速傳動系統(tǒng)（圖5-24） 特點在第二章已有敘述。 （圖5-24）是一個無級變速器和機(jī)械有級變速組合的結(jié)構(gòu)網(wǎng)。圖中主要想說明機(jī)械傳動比應(yīng)選取得小一些，以造成一定的重復(fù)（否則在結(jié)合部有可能出現(xiàn)空擋）。第三節(jié) 主傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （圖5-26）是傳動部件設(shè)計步驟框圖。注 課程設(shè)計要做的事情。一、箱體內(nèi)各軸線的布置 1展開圖（圖5-27、圖5-28） 轉(zhuǎn)速圖畫好，齒數(shù)、模數(shù)確定后，展開圖中的總徑向尺寸即已確定（當(dāng)然，怎樣展開還是需要認(rèn)真考慮的）。軸向尺寸則是需要在展開圖中具體設(shè)計確定的。注 展開圖上不是頂，下不是底。畫圖時一般用箱壁將上下封閉，但若圖中放不下時，也可如圖5-27下端用波浪線斷開。 展開圖中要求標(biāo)出各軸的軸號，要求標(biāo)出各種配合尺寸。 2剖面圖（圖5-29、圖5-31）剖面圖主要是確定各軸線在空間的相對位置。 注 實際設(shè)計中，展開圖和剖面圖設(shè)計是應(yīng)該同時進(jìn)行的，是需要互為參考、對照修改的。（如圖5-29中，、軸在裝配好以后均需要調(diào)整，所以其上部至箱蓋不能有東西擋?。?剖面圖各向均反映實際尺寸。圖中應(yīng)標(biāo)出總體尺寸、配合尺寸、中心距以及一些重要的參數(shù)。二、片式摩擦離合器的選擇和計算（略）三、（車床）軸（輸入軸）的設(shè)計注 軸號基本按傳動順序排列標(biāo)注； 箱體內(nèi)的第一軸為軸！ 表5-5 皮帶輪與軸的裝配結(jié)構(gòu)四、傳動軸設(shè)計除“主軸”以外的軸均稱為“傳動軸” 1特點傳動軸一般不承受（或僅承受很小的）外部軸向載荷。主要目的是傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，以確保傳動平穩(wěn)。 2軸的結(jié)構(gòu)軸， 一般設(shè)計成階梯軸；裝軸承處需要磨削；傳遞運(yùn)動和動力依靠鍵。圖5-33解釋花鍵的加工。 3軸承的選擇注釋 關(guān)于花鍵和平鍵的選擇； 關(guān)于“在沒有軸向力時，采用圓錐滾子軸承”的問題； 關(guān)于鏜孔，（見圖5-34）； 關(guān)于“兩孔間的最小壁厚，不得小于5 10 mm”； 關(guān)于“花鍵軸兩端裝軸承的軸頸尺寸至少有一個應(yīng)小于花鍵的內(nèi)徑” 。 4軸的軸向定位表5-6 回轉(zhuǎn)軸的常用軸向定位結(jié)構(gòu)表5-7 非回轉(zhuǎn)軸的常用軸向定位結(jié)構(gòu)表5-8 固定齒輪常用軸向定位結(jié)構(gòu)五、主傳動部件中常用裝置的設(shè)計要點簡述 1主傳動的變速裝置 （1）交換齒輪變速機(jī)構(gòu)主要用于自動或半自動機(jī)床、專用機(jī)床及組合機(jī)床等生產(chǎn)率要求較高、加工范圍較窄的設(shè)備中。 （2）滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)由于其操作方便、并較容易得到較大的變速范圍，因而在通用機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。 （3）離合器變速機(jī)構(gòu)采用離合器后