第八章傳動設計

第八章傳動設計

第一節(jié)分級變速傳動鏈設計

第二節(jié)計算轉(zhuǎn)速

第三節(jié)無級變速傳動鏈設計

第四節(jié)主軸箱

第五節(jié)傳動件的疲勞強度計算

第六節(jié)主軸箱的溫升

第七節(jié)內(nèi)聯(lián)傳動鏈的設計原則第八章傳動設計主要設計：外聯(lián)傳動鏈、內(nèi)聯(lián)傳動鏈設計外聯(lián)傳動鏈時,主要考慮保證要求的速度（或轉(zhuǎn)速)和所傳遞的功率。

設計內(nèi)聯(lián)傳動鏈時,主要考慮保證傳動精度。

主傳動功用及組成:1.把一定功率從運動源傳遞給執(zhí)行器官；2．保證執(zhí)行器官的一定轉(zhuǎn)速和一定的調(diào)速范圍；3．根據(jù)需要，能夠方便地進行運動的啟動、停止、換向和制動，方便地進行運動的轉(zhuǎn)換。

組成：1．定比傳動結構：常采用齒輪、膠帶、鏈傳動；2．變速裝置（適應一定工藝范圍要求）；3．主軸組件：它是執(zhí)行件。它由主軸、主軸支承和主軸上的傳動件組成；4．開停裝置：控制主運動執(zhí)行件的啟動和停止，通常采用離合器或電機直接開停；5．制動裝置：機械、液壓、電氣；6．換向；7．操縱；8．潤滑與密封；9．箱體。主傳動設計原則:1．機床的主軸須有足夠的變速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)；2．主電動機和傳動機構須能供給和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，并且有較高的傳動效率；3．執(zhí)行件（如主軸組件）須有足夠的精度、剛度、抗振性和小于許可限度的熱變形和溫升；4．噪聲應在許可范圍內(nèi)；5．操縱要輕便靈活、迅速、安全、可靠，并便于調(diào)整和維修；6．結構簡單，潤滑與密封良好，便于加工和裝配，成本低。第一節(jié)分級變速傳動鏈設計分級變速機構的轉(zhuǎn)速圖和結構圖1．轉(zhuǎn)速圖傳動系統(tǒng)圖，它對于分析結構比較直觀，但是它不能確切地表達主軸每一種轉(zhuǎn)速是通過哪些齒輪傳動的，以及各對齒輪的傳動比之間的內(nèi)在聯(lián)系。實際上，在設計過程中是先有轉(zhuǎn)速圖，后有傳動系統(tǒng)圖的。12級：31.5、45、63、90、125、180、250、355500、710、1000、1400r/min=1.41n=1440r/min包括電機軸,一共五根軸，Ⅳ為主軸。

有a、b、c三個傳動組：●距離相等的一組豎線代表各軸，軸號寫在上面，豎線間的距離不代表中心距；●距離相等的一組水平線代表各級轉(zhuǎn)速，與各豎線交點各軸的轉(zhuǎn)速，由于分級變速機構的轉(zhuǎn)速是按等比數(shù)列排列的，故轉(zhuǎn)速采用了對數(shù)坐標。為方便起見，習慣上轉(zhuǎn)速圖不寫lg符號，而直接寫出轉(zhuǎn)速值。還應指出，相鄰兩轉(zhuǎn)速如果相差一格，表示它們之間相差倍。n2=n1lgn2=lgn1+lg

●各軸之間連線的傾斜線代表傳動副的傳動比。如電動機軸與軸1之間的連線代表皮帶定比傳動，其傳動比為i=126／256≈1／2=1／1.412=1／φ2故連線向下傾斜兩格，軸1的轉(zhuǎn)速為n1=1440×126/256=710r/min

其它傳動組傳動比如下：

a傳動組b傳動組

i==1i==1

i===i===i====c傳動組

i===i===轉(zhuǎn)速圖表示：●主軸各級轉(zhuǎn)速的傳動路線；

●在主軸得到連續(xù)等比數(shù)列條件下，所需的傳動組數(shù)和每個傳動組中的傳動副數(shù)3×2×2；●傳動組的級比指數(shù)：主動軸上同一點傳往被動軸相鄰兩連線代表傳動組內(nèi)相鄰兩個傳動比，它們與被動軸交點之間相距的格數(shù)，代表相鄰兩傳動比值的指數(shù)x稱傳動組的級比指數(shù)?！窕窘M和擴大組

傳動組的級比指數(shù)x=1為基本組，其余為擴大組。一般說，擴大順序并不一定要與傳動順序相同。故今后0代表基本組，1代表第一擴大組…若用p代表傳動副個數(shù)，其級比指數(shù)

基本組x0=1

第一

擴大組x1=x0p0=p0

第二擴大組x2=x1p1…

即按擴大順序，后一傳動組的級比指數(shù)等于前一傳動組的級比指數(shù)與傳動副數(shù)之積。xn=xn-1pn-1●各傳動組變速范圍

R=叫基型傳動系統(tǒng)或常規(guī)傳動系統(tǒng)。既無空缺又無重復的常規(guī)傳動系統(tǒng),必須遵守級比規(guī)律！2.結構網(wǎng)和結構式

表示傳動比的相對關系而不表示轉(zhuǎn)速數(shù)值的線圖稱為結構網(wǎng)。

結構式：12=31×23×26

說明下列問題:

●各傳動組的傳動副數(shù)

●各傳動組的級比指數(shù)

●擴大順序及傳動順序

8.1.2主運動鏈轉(zhuǎn)速圖的擬定例：

已知：類型Z、n、n電、設計：確定有幾個傳動組、各傳動組的傳動副、擬定結構網(wǎng)和表達式、擬定轉(zhuǎn)速圖。1.傳動組和傳動副數(shù)的確定第一行12=4×312=3×4優(yōu)點：省一個軸第二行12=3×2×212=2×3×212=2×2×3

當傳動件傳遞的功率一定時，轉(zhuǎn)速較高時傳遞的扭矩較小，軸、齒輪等傳動件的尺寸相應可以小一些。在較多情況下，變速傳動系統(tǒng)從電機到主軸之間的總趨勢是降速傳動，靠近電動機的最低轉(zhuǎn)速較高，靠近主軸的傳動件轉(zhuǎn)速較低。按“前多后少”原則排列各變速組，可以使小尺寸齒輪多。

2.結構網(wǎng)或結構式各種方案的選擇

如圖8-412級結構網(wǎng)的各種方案（1）

傳動副的極限傳動比和變速組的變速范圍

設計機床主傳動系統(tǒng)時要考慮兩種情況：降速傳動應避免被動齒輪過大而增加變速箱的徑向尺寸，一般限制降速傳動比的最小值imin≥；升速傳動應避免擴大傳動誤差和減少振動，一般限制直齒升速傳動的最大值imax≤2，進給傳動鏈比較平穩(wěn)可適當放寬imin≥imax≤2.8，主傳動組的最大變速范圍：Rmax=2～2.5/(1/4)=8～10，R進max=2.8/(1/5)=14Rn=

因為最后一個擴大組變速范圍大，所以只檢驗最后一個擴大組。

R2擴==(1.41)6=8

可見，大多數(shù)機床最后一個傳動副取2是有道理的！

12=3×2×212=31×23×2612=31×26×23

12=34×21×22

12=34×22×2

1R2===﹥1612=32×21×2612=32×26×23

（2）.

基本組和擴大組的排列順序（P132）

一般性情況下，采用基本組在前，第一擴大組、第二擴大組的順序：X0﹤X1﹤X2﹤X3

在計算傳動件剛度或強度時，要根據(jù)低轉(zhuǎn)速來進行，因為這時零件所受定扭矩大。

擴大順序與傳動順序一致。

看結構網(wǎng)時表現(xiàn)在“前密后疏”：

12=31×23×263.擬定轉(zhuǎn)速圖4.各中間軸轉(zhuǎn)速（注意空載功率損失）

電動機和主軸的轉(zhuǎn)速確定之后，在分配傳動比的同時，就確定了中間軸的轉(zhuǎn)速，中間軸的轉(zhuǎn)速能高一些，傳動件尺寸就可以小一些，但是中間軸如果轉(zhuǎn)速過高，將會引起振動、發(fā)熱和噪聲,最高不要超過n電。

先升后降!變速系統(tǒng)設計：一個規(guī)律：級比規(guī)律兩個限制：齒輪極限傳動比限制imax≤2～2.5，

imin≥，齒輪變速組的變速范圍

Ri=8～10；三項原則：傳動副“前多后少”，傳動線“前密后疏”，降速“前慢后快”；四項注意：傳動鏈短，轉(zhuǎn)速和小，齒輪線速小，空轉(zhuǎn)件少；5.選用標準傳動比

傳動比盡可能取整數(shù)次方。

上述原則是從力求節(jié)約原則定的：節(jié)省材料、節(jié)省工時運用則要從實際出發(fā),例：

CA6140：級數(shù)24=2×(1+3)=24

在車床的軸裝有摩擦離合器，從局部看不符合“前多后少”，但從整體上看則縮短了軸向尺寸;采用多速電機、雙公用齒輪不符“前密后疏”原則，從局部不符，整體經(jīng)濟合理。設計步驟：

●根據(jù)機床特點，定、計算Z、n；

●根據(jù)“前多后少”、“前密后疏”的原則，

擬定結構式；

●根據(jù)“升早降晚”的原則，擬定轉(zhuǎn)速圖；

●根據(jù)轉(zhuǎn)速圖擬定傳動系統(tǒng)圖。例：18級18=3×3×218=31×33×2918=3×2×318=31×36×2318=2×3×318=36×31×2318=3×618=33×31×2918=6×318=32×36×2118=2×918=34×22×21補充：改善傳動性能注意事項：

1.為降低噪音應考慮的原則

隨著工業(yè)技術發(fā)展和現(xiàn)代化，對機床噪聲的要求日益提高，噪聲已成為評價機床設計與制造技術水平的重要指標之一。為此，在設計傳動系統(tǒng)中應重視和降低機床的噪聲。（1）簡化機床傳動系統(tǒng)，減少傳動齒輪對數(shù)，尤其是高速運轉(zhuǎn)時，傳動鏈盡可能短，空轉(zhuǎn)齒輪盡可能脫開。（2）避免較大的升速傳動。較大的升速傳動會引起較大的嚙合沖擊，從而產(chǎn)生噪聲，特別是傳動鏈開始時齒輪副，如果采用較大的升速傳動，則產(chǎn)生嚙合沖擊和齒面摩擦將引起以后的各級傳動引起的噪音。（3）適當降低齒輪圓周運動速度。機床噪聲與齒輪圓周運動速度有較大關系，實驗表明，一對齒輪的圓周運動速度提高一倍時，噪聲將增大6分貝左右。

2.為減少空載功率損失應考慮的原則

機床的空載功率也是評價機床設計和制造技術水平的重要指標之一。

如前所述，從節(jié)約材料，減少零件尺寸出發(fā)，最好適當提高中間傳動軸的轉(zhuǎn)速，但n空∝n軸。因此，在擬定轉(zhuǎn)速圖時，選擇中間軸的轉(zhuǎn)速要適當，應兼顧結構尺寸和減少空載功率的要求。

齒輪齒數(shù)的確定擬定轉(zhuǎn)速圖后，可根據(jù)各傳動副的傳動比確定齒輪齒數(shù)。關于定比傳動帶輪直徑或齒輪齒數(shù)的確定，已在機械設計課講過，不重復。1．確定齒輪齒數(shù)時應注意以下問題：●齒輪的齒數(shù)和S不應過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機床結構龐大。一般推薦齒數(shù)和S≤100～120。同時，增加齒數(shù)和還會提高齒輪線速度，而增大噪音?！褡钚↓X輪要盡可能小，但應該考慮到:

最小齒輪不產(chǎn)生根切現(xiàn)象，機床變速箱中，對標準直齒圓柱齒輪，一般取最小齒數(shù)Z≥18～20。

●

受結構限制的最小齒數(shù)的各齒輪，應盡可能可靠地裝到軸上進行套裝，齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽的壁厚a≥2m(m為模數(shù))，以保證有足夠的強度避免出現(xiàn)變形和斷裂現(xiàn)象，Zmin≥6.5+

T:齒輪鍵槽頂面到軸心線的距離。

兩軸間最小中心距應取得適當，若齒數(shù)和Sz太小，則中心距過小，將導致兩軸軸承及其它結構的距離過近或相碰。另外，確定齒數(shù)時，應符合轉(zhuǎn)速圖上傳動比的要求，實際傳動比與理論傳動比之間允許誤差，但不過大。△n=∣∣≤10(-1)﹪2．變速組內(nèi)齒輪模數(shù)相同時，齒輪齒數(shù)的確定在同一變速組內(nèi)的齒輪可取相同的模數(shù)，也可取不同的模數(shù)。后者只有在一些特殊情況下，如最后擴大組或背輪傳動中，因各齒輪副的速度變化大，受力情況相差也較大，在同一變速組內(nèi)中采用不同模數(shù)。

為了便于設計與制造，主傳動系統(tǒng)中所采用的齒輪模數(shù)的種類盡可能少一些。（1）計算法

=UZA=SZA+ZB=SZB=S

一般說，Sz主要受最小齒輪的限制。顯然，最小齒輪是在變速組內(nèi)降速比或升速比最大的一對齒輪中，因此先確定該小齒輪的齒數(shù)Zmin，根據(jù)傳動比求S，然后按各齒輪副，再分配其它齒輪副的齒數(shù)。

U1====

U2===U3==1Zmin=Z1Z1=24(視具體情況)Z==24×2=48Sz=24+48=72Z2=Sz=×72=30Z=72-30=42Z3=Z=36（2）查表法分級變速的幾種特殊情況

1.交換齒輪的傳動鏈交換齒輪（又稱配換齒輪掛輪）變速的特點是結構簡單，不需要操縱機構；軸向尺寸小，變速箱結構緊湊。變換齒輪適用于不需要經(jīng)常變速或變速時間的長短對生產(chǎn)率影響不大，卻要求結構簡單、緊湊的機床，如用于成批或大量生產(chǎn)的某些自動或半自動機床、專用機床及組合機床。交換齒輪一般放在傳動鏈前面，交換齒輪及傳動軸尺寸小、結構緊湊。

2．多速電機變速電變速組：在傳動系統(tǒng)中，多速電機就相當于具兩個三個傳動副的變速組。

當n電=2時，傳動系統(tǒng)的公比只能是1.06、1.12、1.26、1.41和2，因為這些公比的整數(shù)次方等于2。

n電=2=1.412=1.263

，所以，電變速組通常為第一擴大組。3．采用公用齒輪的傳動系統(tǒng)在傳動系統(tǒng)中，既是前變速組的從動齒輪，又是后一變速組的主動齒輪，這種同時可與前、后傳動軸上兩個齒輪嚙合的齒輪叫公用齒輪。優(yōu)點：可減少齒輪個數(shù)，簡化傳動結構，縮短了

軸向尺寸。

缺點：可能引起徑向尺寸增大，并且由于公用齒輪使用機會較多，齒輪磨損較快。4．具有雙公比的傳動鏈

優(yōu)點：變速范圍大，級數(shù)少。關鍵：基本組的

級比指數(shù)不再是1而是增加主軸空掉的轉(zhuǎn)速級

數(shù)。

23×22×24

25×22×24

擴大變速范圍的方法如果最后一個擴大組由兩個傳動副組成，則

R=R≤8最后一個傳動鏈是兩個傳動副組成，則

=1.41時Z=12=1.26時Z=18Rn==1.41≈45Rn==1.26≈50

不能滿足Rn可達140至200的要求，要用別的方法擴大變速范圍。

第二節(jié)計算轉(zhuǎn)速

機床上的許多零件，特別是傳動件，在設計時應核算其強度，決定零件強度的條件之一是該零件所受的載荷。

載荷取決于零件所傳遞的功率和轉(zhuǎn)速。

如:同一個傳動副，在一個軸上有幾種轉(zhuǎn)速，究竟按哪一個算為合適？

這就是本節(jié)要討論的計算轉(zhuǎn)速問題。

一、機床的功率扭矩特性

從《切削原理》中可以知道，切削速度對切削力的影響是不大的。因此，作直線運動的執(zhí)行器官，可以認為不論在什么速度下，都有可能承受最大切削力，對于拖動直線運動執(zhí)行器官的傳動件，就是在任意轉(zhuǎn)速下都可能出現(xiàn)最大扭矩，因此,就認為是恒扭矩傳動。

執(zhí)行器官作旋轉(zhuǎn)運動的傳動鏈則有所不同。主軸轉(zhuǎn)速不僅決定于切削速度而且還決定于工件或刀具的直徑較低轉(zhuǎn)速多用于大直徑刀具或加工大直徑工件，這時要求的輸出扭矩增大了。因此，旋轉(zhuǎn)主運動鏈的變速機構，輸出扭矩與轉(zhuǎn)速成反比，基本上是恒功率。

二、機床主要傳動件計算轉(zhuǎn)速的確定1.主運動鏈2.進給運動鏈直線運動進給鏈是在恒扭矩的條件下工作的。即對于拖動直線運動執(zhí)行器官的轉(zhuǎn)動件，在任何情況下可能出現(xiàn)最大扭矩,所以是恒扭矩傳動。則同一傳動組內(nèi)，不同轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)的功率值是不同的，從設計角度講應滿足最大功率的使用要求。

P=F切V

機床加工零件時，切削力越大，切削速度越高則要求機床的功率越大。

從以上分析，可以看出，既然各軸是恒轉(zhuǎn)矩傳動，則如使各軸有較多機會在低轉(zhuǎn)速下工作，就有利于降低齒輪、軸承等傳動件的工作循環(huán)次數(shù)。第三節(jié)無級變速傳動鏈設計

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。

機床主傳動中常采用的無級變速裝置有：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。1.變速電動機

變速電動機有：直流復激電動機和交流變頻電動機，恒功率變速范圍僅2~3。為了擴大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機和主軸之間需串聯(lián)一個分級變速箱。

變速電動機廣泛用于數(shù)控機床、大型機床中。

通過改變單位時間內(nèi)輸入液壓缸或液動機中液體的流量來實現(xiàn)無級變速。特點是變速范圍較大、變速方便、傳動平穩(wěn)、運動換向時沖擊小、易于實現(xiàn)直線運動和自動化。常用于主運動為直線運動的機床中，如刨床、拉床等。2.機械無級變速裝置

機械無級變速裝置有柯普型、行星錐輪型等多種結構。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，通常與分級變速機構串聯(lián)使用。

應用于功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機床的主傳動中，更多用于進給變速傳動中。3.液壓無級變速裝置

二、無級變速主傳動系設計原則

（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

（2）將無級變速裝置與機械分級變速箱串聯(lián)，擴大變速范圍

若機床主軸要求的變速范圍為Rn，選取的無級變速裝置范圍為Rd，串聯(lián)的機械分級變速箱的變速范圍Rf應為機械分級變速箱的變速級數(shù)機械分級變速箱的公比

①如龍門刨床的工作臺，應選擇恒轉(zhuǎn)矩為主的無級變速裝置—直流電動機。②再如車床、銑床的主軸，應選擇恒功率無級變速裝置—機械無級變速裝置、變速電動機串聯(lián)機械分級變速箱。

例

設機床主軸的變速范圍Rn=60，無級變速箱的變速范圍

Rd=8，設計機械分級變速箱，求出其級數(shù)，并畫出轉(zhuǎn)速圖。

解：機械分級變速箱的變速范圍為

機械分級變速箱的公比為

通常無級變速裝置為傳動系的基本組，分級變速為擴大組，理論上，因機械變速裝置是摩擦傳動，為獲得連續(xù)的無級變速，取。

由得機械分級變速箱的級數(shù)為252.7lg/5.7lg1=+=Z

第四節(jié)

主軸箱齒輪在軸上的布置和排列在變速傳動組內(nèi)，應盡量使較小的齒輪成為滑移齒輪，使滑移省力。

第五節(jié)傳動件疲勞強度設計開式、閉式軟齒面、硬齒面開式、硬齒面---彎曲閉式、軟齒面---接觸、彎曲閉式、硬齒面---彎曲、接觸疲勞強度校核式：設計式：修正系數(shù)工作載荷尺寸參數(shù)許用

第六節(jié)主軸箱的溫升

主軸箱在工作時，由于傳動件的機械摩擦、潤滑油的飛濺、攪拌作用等而發(fā)熱，使主軸箱的溫度升高，產(chǎn)生熱變形。熱變形的影響，主要有下面幾方面：●改變各執(zhí)行器官的相對位置●改變主軸的幾何位置●改變軸承的間隙●改變潤滑條件8.6.1熱平衡與溫度場8.6.2減少熱變形的途徑

1.減少發(fā)熱量