機(jī)床的傳動設(shè)計-無級變速

《機(jī)械制造裝備設(shè)計》李益兵Mail：ahlyb@163.com1第二章機(jī)床的傳動設(shè)計

本章主要教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié)擴(kuò)大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計第三節(jié)計算轉(zhuǎn)速第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計第五節(jié)進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計第六節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計2第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

一、無級變速主傳動系統(tǒng)的分類

何謂無級變速？無級變速是指在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速（或速度）能連續(xù)地變速，從而獲取最有利的切削速度。

無級變速的特點(diǎn)：

1.可以獲得最有利的切削速度，無相對轉(zhuǎn)速損失；

2.能在加工過程中實現(xiàn)變速，保持恒速切削；

3.無極變速器通常是電變速組，恒功率變速范圍2-4，恒轉(zhuǎn)矩變速范圍大于100，縮短傳動鏈簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計；

4.無極變速容易實現(xiàn)自動化操作。主要應(yīng)用場合：數(shù)控機(jī)床、高精度機(jī)床和大型機(jī)床等。3第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

一、無級變速主傳動系統(tǒng)的分類機(jī)床主傳動中常采用的無級變速裝置有：變速電動機(jī)、機(jī)械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。目前，廣泛用直流或交流調(diào)速電動機(jī)作為機(jī)床的動力源，以實現(xiàn)執(zhí)行件的無級調(diào)速。直流調(diào)速電動機(jī)占主導(dǎo)地位。

1.調(diào)速電動機(jī)變速電動機(jī)有：直流復(fù)激電動機(jī)和交流變頻電動機(jī)，恒功率變速范圍僅2~3。為了擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機(jī)和主軸之間需串聯(lián)一個分級變速箱。變速電動機(jī)廣泛用于數(shù)控機(jī)床、大型機(jī)床中。4第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計直流調(diào)速電動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速用調(diào)節(jié)磁場電流（調(diào)磁）的辦法來調(diào)速，屬于恒功率調(diào)整；從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓）的辦法調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。直流電動機(jī)靠機(jī)械換向器將電樞電路與電源連接起來，換向器限制了電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。適用于大型機(jī)床(例如龍門銑床，龍門刨床等)或起動力矩較大功機(jī)床。5交流調(diào)速電動機(jī)是靠調(diào)節(jié)供電頻率調(diào)速，因此，常稱為“調(diào)頻主軸電動機(jī)”。交流調(diào)速電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min或2000r/min，恒功率變速范圍為3～4，最高轉(zhuǎn)速為4500r/min、6000r/min、8000r/min，最低轉(zhuǎn)速可達(dá)6r/min，恒轉(zhuǎn)矩變速范圍超過200。伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)都是恒轉(zhuǎn)矩變速范圍，且功率不大。只能用于直線進(jìn)給運(yùn)動和輔助運(yùn)動。一般常用于數(shù)控機(jī)床直線進(jìn)給運(yùn)動和輔助運(yùn)動。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計直流或交流變速電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍都比較窄，前者約為2-4，后者約為3-5。然而它們的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍則很寬，通常達(dá)幾十到一百或一百以上。6第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

2.機(jī)械無級變速裝置機(jī)械無級變速裝置有柯普型、行星錐輪型等多種結(jié)構(gòu)。利用摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副工作半徑來實現(xiàn)無級變速。變速范圍小，通常與分級變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用。

應(yīng)用于功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機(jī)床的主傳動中，更多用于進(jìn)給變速傳動中。7第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

3.液壓無級變速裝置通過改變單位時間內(nèi)輸入液壓缸或液動機(jī)中液體的油量來實現(xiàn)無極變速裝置。特點(diǎn)是變速范圍較大，變速方便，傳動平穩(wěn)，運(yùn)動換向沖擊小，易于實現(xiàn)直線運(yùn)動和自動化。

常用于主運(yùn)動為直線運(yùn)動的機(jī)床中。8第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

二、無級變速主傳動系設(shè)計原則

（1）選擇功率和轉(zhuǎn)矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置

①執(zhí)行件作直線主運(yùn)動的主傳動系，對變速裝置要求是恒扭矩傳動，如龍門刨床的工作臺等，就應(yīng)選擇恒轉(zhuǎn)矩為主的無級變速裝置，如直流電動機(jī)。

②如主運(yùn)動要求恒功率傳動，如車床或銑床的主軸，就應(yīng)選擇恒功率無級變速裝置，如柯普B型和K型的機(jī)械無級變速裝置、變速電動機(jī)串聯(lián)機(jī)械分級變速箱等。9第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

二、無級變速主傳動系設(shè)計原則

（2）無級變速裝置單獨(dú)使用時，其調(diào)速范圍較小，滿足不了要求，尤其是調(diào)速電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍Rm往往小于機(jī)床主軸實際需要的恒功率變速范圍RPn。為此，無級變速裝置常與機(jī)械分級變速箱串聯(lián)，擴(kuò)大變速范圍。即電動機(jī)的額度轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的計算轉(zhuǎn)速，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的最高轉(zhuǎn)速。若機(jī)床主軸要求的變速范圍為RPn，選取的無級變速裝置范圍為Rm，串聯(lián)的機(jī)械分級變速箱的變速范圍Rf

應(yīng)為機(jī)械分級變速箱的變速級數(shù)機(jī)械分級變速箱的公比10調(diào)速電動機(jī)的恒功率變速范圍為φm，調(diào)速電動機(jī)串聯(lián)k級雙速變速組后，能獲得的最大變速范圍是，RPn=φFz，Z=2k

串聯(lián)的分級變速傳動的公比φF=φm。即串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)的公比等于電動機(jī)恒功率變速范圍時，輸出的無級轉(zhuǎn)速的變速范圍最大。換言之，變速范圍一定，當(dāng)分級傳動系統(tǒng)的公比φF=φm時，需串聯(lián)的變速組數(shù)最少。第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計11設(shè)計無級變速系統(tǒng)時，主軸的變速范圍一定，可用如下關(guān)系式得到至少需要串聯(lián)的變速組數(shù)第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

k為自然數(shù)，且采用收尾法圓整，即：1＜Zmin＜=2時，Z=2；2＜Zmin＜=4時，Z=4；…。因此，分級傳動系統(tǒng)的公比一般比電動機(jī)的恒功率變速范圍小，分級傳動系統(tǒng)的實際公比為：12第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計一般把無級變速組作為基本組，分級變速作擴(kuò)大組，理論上?？紤]到機(jī)械摩擦傳動會產(chǎn)生滑動，為了得到連續(xù)的無級變速范圍，應(yīng)使齒輪變速組的公比略小于無級變速器的變速范圍，即，使轉(zhuǎn)速之間有一小段重疊，保證轉(zhuǎn)速連續(xù)。13第四節(jié)無級變速系統(tǒng)設(shè)計

例

設(shè)機(jī)床主軸的變速范圍RPn=60，無級變速箱的變速范圍

Rm=8，設(shè)計機(jī)械分級變速箱，求出其級數(shù)。