机床主传动系统设计

　　正确理解机床的功率扭矩特性，变速传动系统中主轴及传动件计算转速的确定，变速箱内传动件的空间布置与计算，以及数控机床主传动系统的设计特点等。
　　一、主传动系统设计应满足的基本要求
　　1）满足机床使用性能要求；2）满足机床传递动力要求；3）满足机床工作性能要求；4）满足产品设计经济性要求；5）调整维修方便，结构合理简单，便于加工装配等。
　　二、主传动系统分类和传动方式
　　主传动系统一般由动力源、变速装置、执行件以及开停、换向和制动机构等组成。
　　主传动系统按变速的连续性可分为有级（分级）变速传动和无级变速传动两大类。
　　主传动系统的传动方式主要有两种：即集中传动方式和分离传动方式。
　　三、分级（有级）变速主传动系统主要设计内容及步骤
　　根据已确定的主变速传动系统的运动参数，拟定结构式和转速图；合理分配各变速组中各传动副的传动比；确定齿轮齿数和带轮直径等；绘制主变速传动系统图。
　　（一）拟定转速图和结构式
　　转速图是设计、分析机床分级变速主传动系统时使用的一种特殊线图。在转速图中可以表示出传动轴的数目，传动轴之间的传动关系，主轴的各级转速值及其传动路线，各传动轴的转速分级和转速值，各传动副的传动比等。
　　转速图是由“三线一点”即传动轴格线、转速格线、传动线以及转速点所组成（见右图）。
　　设计分级变速主传动系统时，为便于分析比较不同的传动设计方案，常使用结构式。对应右面转速图的结构式可写成：
　　12 = 3₁×2₃×2₆
　　结构式简单、直观，能清楚地显示出变速传动系统中主轴转速级数Z，各变速组的传动顺序、传动副数P_i与级比指数x_i。
　　变速组的级比是指在转速图中同一变速组内相邻两传动比的比值，用 ^x_i表示。级比指数x_i相当于由上述相邻两传动线与从动轴交点之间的相距格数。
　　设计主轴转速为连续的等比数列时，必须有一个级比指数x₀等于1的基本变速组；第一扩大组的级比指数x₁应等于基本组的传动副数P₀；第二扩大组的级比指数x₂等于基本组与第一扩大组的传动副数P₀与P₁的乘积P₀×P₁，依此类推。符合上述级比规律的变速传动系统即称为常规变速传动系统。
　　一般情况下，每个变速组的传动副数最好取p = 2或3。
　　（二）各变速组的变速范围及极限传动比
　　变速组的变速范围是指变速组中最大传动比与最小传动比的比值。即
　　　　
　　变速组变速范围的一般式可写成。
　　由上式可看出，变速组变速范围R_i 值中的指数x_i (P_i-1)，就是在转速图上变速组中最大传动比的传动线与最小传动比的传动线所间隔的格数。
　　在设计机床主传动系统时，一般限制降速最小传动比u_主min≥1/4；直齿圆柱齿轮升速最大传动比u_主max≤2；斜齿圆柱齿轮传动可取u_主max≤2.5。
　　主传动各变速组的最大变速范围为：R_主max= 8 ~10。
　　主轴的变速范围应等于主变速传动系统中各变速组变速范围的乘积，即
　　
　　在检查变速组的变速范围是否超过极限值时，只需检查该传动系统中的最后一个扩大组即可。
　　（三）主变速传动系统设计的一般原则
　　1. 传动副“前多后少”原则
　　主变速传动系统从电动机到主轴，通常为降速传动，接近电动机的传动件转速较高，传递的转矩较小，尺寸小一些；反之，靠近主轴的传动件转速较低，传递的转矩较大，尺寸就较大。因此在设计时，应尽可能将传动副数较多的变速组安排在前面，传动副数较少的变速组放在后面。其好处是使系统中有更多的传动件在高速范围内工作，以有利于减少变速箱的结构尺寸和成本。
　　2. 传动线“前密后疏”原则（即传动顺序与扩大顺序相一致的原则）
　　当变速组的传动顺序与扩大顺序相一致时，多数传动轴的最低转速较低，在传递相同功率的情况下，承受转矩较大，传动件的尺寸也应较大。
　　3. 变速组的降速要“前慢后快”原则，且中间轴的转速不宜超过电动机的转速。
　　从电动机到机床主轴，总的趋势是降速传动，为使中间传动轴转速较高（但不宜过高），可使前面变速组的降速幅度慢一些，后面降速幅度快一些。
　　拟定一台中型通用机床的主变速传动系统转速图的一般设计步骤如下：
　　1）选定公比，确定R_n、Z和各级转速值；
　　2）选择结构式并验算变速组的变速范围；
　　3）确定是否需要增加降速的定比传动副；
　　4）分配各变速组的最小传动比，拟定转速图。
　　（四）主变速传动系统的几种特殊设计
　　1. 具有多速电动机的主变速传动系统设计
　　采用多速异步电动机与其它传动方式联合使用，可简化机床的机械结构，使用方便，且可在运转中实现变速，故适用于半自动、自动机床及普通机床。在变速传动系统中，多速电动机相当于变速组。当多速电动机的变速范围为2或4时，应用该电动机的变速传动系统的公比应是2的正整数次方根，即公比应取值为1.06、1.12、1.26、1.41和2。
　　应用多速电动机时，若使变速系统仍然保持连续的等比数列的转速，则要求电变速组在扩大顺序中的特性仍然要遵守级比规律。
　　2. 具有交换齿轮的变速传动系统设计
　　对于成批生产中使用的机床，如自动、半自动车床，专用机床，齿轮加工机床等，在加工中一般不需要变速，或仅在较小范围内变速。但更换一批工件后，有可能需要变换速度。为简化结构，常采用交换齿轮变速方式，或将交换齿轮与其它变速方式组合使用。交换齿轮用于每批工件加工前的变速调整。使用齿数不同的一组交换齿轮即可得到两种传动比。反映在转速图上，交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。
　　交换齿轮变速组的变速范围R_交≤4 ~ 6。交换齿轮变速的优点是可以用少量齿轮得到多级转速，不需要操纵机构，变速箱结构大大简化。缺点是更换交换齿轮时较费时费力，如装在变速箱外，则润滑和密封较为困难。交换齿轮变速组一般安放在传动系统的前面，使其处于较高转速，结构可以紧凑些。
　　3. 具有公用齿轮的变速传动系统设计
　　采用公用齿轮的变速传动系统设计，常用的有单公用、双公用和三公用齿轮。采用公用齿轮可以减少齿轮的数目和缩短变速箱的轴向尺寸，但由于齿轮公用而导致两变速组的传动比相互牵制，给选择传动比带来一定困难，同时径向尺寸也较大。同时还应注意，相邻两个变速组中的齿轮模数必须相同。
　　（五）扩大传动系统变速范围的方法
　　1）增加变速组
　　在原有变速传动系统中再增加一个变速组，是扩大变速范围的最简便方法。由于受到变速组极限传动比的限制，所增加的变速组的级比指数往往不得不小于理论值，并导致部分转速出现重复。
　　2）采用背轮机构（单回曲机构）
　　背轮机构的极限变速范围为，用背轮机构作为最后扩大组，可以扩大传动系统的变速范围（见右图）。
　　3）采用双公比的传动系统
　　双公比传动系统是将主轴常用的中段转速采用小公比，不常用的高、低段转速采用大公比。双公比变速传动系统是在常规变速传动系统基础上，通过改变基本组的级比指数演变而来的。
　　4）采用分支传动
　　分支传动是指在串联形式变速传动系统的基础上，增加并联分支以扩大变速范围。
　　（六）齿轮齿数的确定
　　确定变速组内齿轮齿数应注意的问题：
　　齿轮的S_Z不应过大，一般推荐S_Z≤100 ~ 120；齿轮的S_Z不应过小，应考虑Z_min≥18 ~ 20；应符合转速图上传动比的要求。
　　变速组内齿轮模数相同时齿轮齿数的确定可用查表法。
　　三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件：其最大齿轮和次大齿轮之间的齿数差应大于4。
　　（七）计算转速
　　主运动为旋转运动的通用机床主轴或各传动件在传递全部功率时的最低转速，能够传递最大转矩。因此，将传递全部功率时的最低转速，称为该主轴或传动件的计算转速。机床主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为机床的功率转矩特性。右图为主运动为旋转运动的通用机床主轴的功率转矩特性图。
　　主运动是直线运动的机床主传动属恒转矩传动；而主运动是旋转运动的机床基本上属恒功率传动。
　　从机床的主轴的功率转矩特性图中可见，主轴从 n_j起至n_max间的所有转速下都能传递全部功率（即电动机为满载），而n_j是主轴传递全部功率时的最低转速，而其输出的转矩则随转速的增加而减少，此为恒功率区。低于主轴n_j的各级转速所能输出的转矩与主轴在n_j时输出的转矩相等，即为该机床的最大输出转矩，而传递的功率则随转速的减低而减少，此为恒转矩区。
　　不同类型机床主轴的计算转速选取是不同的，各类机床主轴的计算转速统计公式见表2-9。当主轴的计算转速确定后，就可以从转速图上确定其他各传动件（传动轴与齿轮）的计算转速。确定顺序通常是按传动顺序由后到前，先确定传动轴的计算转速，再确定各齿轮的计算转速。在确定传动件的计算转速时：首先找出该传动件共有几级实际工作转速；再找出其中能传递全部功率时的那几级转速；最后确定出能传递全部功率的最低转速，即为该传动件的计算转速。
　　（八）变速箱内传动件的空间布置与计算
　　变速箱内各传动轴的空间布置首先要满足机床总体布局对变速箱形状和尺寸的限制，还要考虑各轴的受力情况，装配调整和操纵维修的方便。
　　首先确定主轴的位置；然后确定传动主轴的轴，以及与主轴有齿轮啮合关系的轴的位置；接着确定电动机轴或运动输入轴（轴Ⅰ）的位置；最后确定其它各传动轴的位置。
　　对于变速箱、进给箱及其他传动机构的轴，以承受弯矩和扭矩为主。这类轴的计算重点应以弯曲刚度为主，重载轴还应该核算疲劳强度，高速轴应核算临界转速。机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度。
　　当轴的长度与跨距未定，支承反力与弯矩无法求得时，可先按抗扭刚度对轴的直径进行估算。待结构确定之后，定出轴的跨距，再按弯曲刚度进行验算。
　　四、无级变速主传动系统
　　无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变换，从而获取最有利的切削速度。机床主传动系统中常采用的无级变速装置主要有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。
　　无级变速主传动系统设计原则：
　　1）尽量选择功率和转矩特性符合传动系统要求的无级变速装置
　　2）为满足机床实际需要的恒功率变速范围，应将无级变速传动装置与机械分级变速箱串联在一起使用。
　　五、数控机床主传动系统设计特点
　　在设计数控机床主传动系统时，因主轴要求的恒功率变速范围R_nN要远远大于调速电动机的恒功率R_dN变速范围，所以在调速电动机与主轴间要串联一个机械式分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足机床在低速大功率切削时对电动机输出功率的要求。
　　在设计分级变速箱时，考虑机床结构复杂程度、运转平稳性要求等因素，分级变速箱公比φ的选取有下列三种情况：1）取f = R_dN 特点：功率特性图是连续的，无缺口、无重合。2）取φf >R_dN 特点：变速箱结构得到简化，但在主轴的功率特性图上出现了较大的缺口。3）取f <R_dN 特点：在主传动系统的功率特性图上将有小段重合，分级变速箱的变速级数将增多。