第三章_金属切削机床设计分级变速 设计.ppt

Design of Mechanical Manufacturing Machining 机械制造装备设计机械制造装备设计第四节第四节 主传动系统设计主传动系统设计•一、主传动系统设计应满足的基本要求一、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）满足机床使用性能要求•应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数，传动系统设计合理，的转速范围和转速级数，传动系统设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等操纵方便灵活、迅速、安全可靠等•2）满足机床传递动力要求）满足机床传递动力要求 •主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和扭矩，具有较高的传动效率和扭矩，具有较高的传动效率•3）满足机床工作性能要求）满足机床工作性能要求 •主传动系统中所有零、部件要有足够的刚度、主传动系统中所有零、部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定精度和抗振性，热变形特性稳定•4）满足产品设计经济性要求）满足产品设计经济性要求 •传动链尽可能简短，零件数目要少，以便节省传动链尽可能简短，零件数目要少，以便节省材料，降低成本。

材料，降低成本•5）调整维修方便，结构合理简单，便于加工）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二、主传动系统分类和传动方式•（一）主传动系统分类（一）主传动系统分类•（（1 1）按驱动主传动的电动机类型分类）按驱动主传动的电动机类型分类 主电动机主电动机交流电动机交流电动机直流电动机直流电动机多速交流电动机多速交流电动机无级调速交流电动机无级调速交流电动机调速交流电动机调速交流电动机单速交流电动机单速交流电动机•（（2）按传动装置类型分类）按传动装置类型分类•可分为机械传动装置、液压传动装置、电气可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合传动装置以及它们的组合•（（3）按变速的连续性分类）按变速的连续性分类•1）分级变速传动）分级变速传动•在一定变速范围内只能得到某些转速，一般在一定变速范围内只能得到某些转速，一般 Z < 20 ~ 30•分级变速方式一般为滑移齿轮变速、交换齿分级变速方式一般为滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器变速等轮变速和离合器变速等。

•除了摩擦式离合器外，其他变速方式的特点除了摩擦式离合器外，其他变速方式的特点是传递功率大，变速范围广，传动比准确，是传递功率大，变速范围广，传动比准确，工作可靠，在通用机床（尤其中小型）中应工作可靠，在通用机床（尤其中小型）中应用广泛缺点是有速度损失，不能在运转中缺点是有速度损失，不能在运转中进行变速进行变速•摩擦式离合器则可在运转过程中变换转速摩擦式离合器则可在运转过程中变换转速•其操纵方式可以是机械的、电磁的或液压的，其操纵方式可以是机械的、电磁的或液压的，便于实现自动化便于实现自动化•其缺点是传动比不准确，发热量大其缺点是传动比不准确，发热量大•2）无级变速传动）无级变速传动•能在一定的变速范围内实现连续变速，以得到能在一定的变速范围内实现连续变速，以得到最有利的切削速度；最有利的切削速度；•能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在运转中变速，便于实现变速自动化；•能在负载下变速，使切削速度恒定，以提高生能在负载下变速，使切削速度恒定，以提高生产效率和加工质量产效率和加工质量•无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速传动可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。

无级变速器和无级变速电动机实现•机械摩擦无级变速器机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常结构简单、使用可靠，常用在中小型车床、铣床等的主传动中用在中小型车床、铣床等的主传动中•液压无级变速器液压无级变速器传动平稳、运动换向冲击小，传动平稳、运动换向冲击小，常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等床、刨床等•无级变速电动机无级变速电动机有直流电动机或交流变频调速有直流电动机或交流变频调速电动机两种，由于可以大大简化机械结构，便电动机两种，由于可以大大简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和在负载下变速，于实现自动变速、连续变速和在负载下变速，应用越来越广泛，尤其在数控机床上目前几乎应用越来越广泛，尤其在数控机床上目前几乎全部采用电动机变速全部采用电动机变速•在数控机床和大型机床中，为了扩大其变速范在数控机床和大型机床中，为了扩大其变速范围，常在无级变速器后面串联一个机械式分级围，常在无级变速器后面串联一个机械式分级变速装置变速装置•（二）主传动系统的传动方式（二）主传动系统的传动方式•主传动系统的传动方式主要有两种：即集中传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。

动方式和分离传动方式•1. 集中传动方式集中传动方式•主传动系统的全部传动和变速机构集中装在同主传动系统的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内一个主轴箱内图图3-11 铣床主变速传动系统图铣床主变速传动系统图•优点：优点：结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便；整方便；•缺点：缺点：传动件所产生的振动和热量，将影响主传动件所产生的振动和热量，将影响主轴的运转平稳性和回转精度轴的运转平稳性和回转精度•集中传动方式适用于普通精度级的大中型通用集中传动方式适用于普通精度级的大中型通用机床•2. 分离传动方式分离传动方式•主传动系统中的大主传动系统中的大部分传动和变速机部分传动和变速机构装在远离主轴的构装在远离主轴的单独变速箱内，然单独变速箱内，然后通过带传动将运后通过带传动将运动传到主轴箱动传到主轴箱的传的传动方式，称为分离动方式，称为分离传动方式传动方式 图图3-12 分离传动主变速传动系统图分离传动主变速传动系统图•优点：优点：变速箱各传动件所产生的振动和热量不变速箱各传动件所产生的振动和热量不能传到主轴上，有利于提高机床的工作精度能传到主轴上，有利于提高机床的工作精度。

由于高速传动链较短，使主轴在高速运转时比由于高速传动链较短，使主轴在高速运转时比较平稳，传动效率高，转动惯量小，便于启动较平稳，传动效率高，转动惯量小，便于启动和制动•缺点：缺点：多了一个箱体，增加加工成本；低速时多了一个箱体，增加加工成本；低速时皮带负荷大，容易打滑皮带负荷大，容易打滑•分离传动方式适用于中、小型高速精密机床分离传动方式适用于中、小型高速精密机床•三、分级（有级）变速主传动系统设计三、分级（有级）变速主传动系统设计•主要内容及步骤：主要内容及步骤：•根据已确定的主变速传动系统的运动参数；根据已确定的主变速传动系统的运动参数；•拟定结构式（结构网）、转速图；拟定结构式（结构网）、转速图；•合理分配各变速组中各传动副的传动比；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；确定齿轮齿数和带轮直径等；•绘制主变速传动系统图绘制主变速传动系统图•（一）拟定转速图和结构式（一）拟定转速图和结构式•1. 转速图转速图•转速图是设计、分析机床分级变速主传动系统转速图是设计、分析机床分级变速主传动系统时用的一种特殊线图时用的一种特殊线图•转速图是由转速图是由“三线一点三线一点”即即传动轴格线传动轴格线、、转速转速格线格线、、传动线传动线以及以及转速点转速点所组成。

所组成 a）） b））图图3-13 卧式车床主变速传动系统图和转速图卧式车床主变速传动系统图和转速图a）传动系统图）传动系统图 b）转速图）转速图•转速图可以直观地表达出在主传动系统中传动转速图可以直观地表达出在主传动系统中传动轴的数目，传动轴轴的数目，传动轴 之间的传动关系，之间的传动关系， 主轴的各级转速值主轴的各级转速值 及其传动路线，各及其传动路线，各 传动轴的转速分级传动轴的转速分级 和转速值，各传动和转速值，各传动 副的传动比等副的传动比等•2. 结构式结构式•设计分级变速主传动系统时，为便于分析比较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，不同的传动设计方案， 常使用结构式常使用结构式•对应右面转速图的结对应右面转速图的结构式可写成：构式可写成：•式中：式中：12表示主轴的表示主轴的转速级数转速级数；；•3，，2，，2分别表示按分别表示按传动顺序排列各变速传动顺序排列各变速组的组的传动副数传动副数；；•下标下标1、、3、、6分别表示分别表示各变速组的各变速组的级比指数级比指数。

•变速组的级比是指在转速图中同一变速组内相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邻两传动比的比值 用用 表示•级比指数级比指数 相当于由上述相邻相当于由上述相邻 两传动线与被动轴两传动线与被动轴 交点之间的相距格交点之间的相距格 数•设计时要使主轴转设计时要使主轴转速为连续的等比数速为连续的等比数列，必须有一个变列，必须有一个变速组的级比指数为速组的级比指数为 1，此变速组称为，此变速组称为基本组基本组基本组的基本组的级比指数用级比指数用 表表示，即示，即 •后面的变速组因起后面的变速组因起变速扩大作用，所变速扩大作用，所以统称为以统称为扩大组扩大组•第一扩大组的级比第一扩大组的级比指数指数 一般应等一般应等于基本组的传动副于基本组的传动副数，即数，即 •第二扩大组的作用是将第一扩大组扩大的变第二扩大组的作用是将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，其级比指数速范围第二次扩大，其级比指数 等于基本等于基本组的传动副数组的传动副数 与第一扩大组的传动副数与第一扩大组的传动副数 的乘积，即的乘积，即 。

•如有更多的变速组，则依次类推如有更多的变速组，则依次类推•符合上述符合上述级比规律级比规律的变速传动系统即称为的变速传动系统即称为常常规变速传动系统规变速传动系统•上述方案是上述方案是传动顺序和扩大顺序相一致传动顺序和扩大顺序相一致的情的情况，若将基本组和各扩大组采取不同的传动况，若将基本组和各扩大组采取不同的传动顺序，则还有许多方案顺序，则还有许多方案•结构式简单、直观，能清楚地显示出变速传动结构式简单、直观，能清楚地显示出变速传动系统中主轴转速级数系统中主轴转速级数 ，各变速组的传动顺序、，各变速组的传动顺序、传动副数传动副数 与级比指数与级比指数 •结构式的一般表达式为结构式的一般表达式为：：•3. 结构网结构网•将转速图画成对称形将转速图画成对称形式就成为结构网式就成为结构网，结，结构网中两轴间连线仅构网中两轴间连线仅表示传动关系，而不表示传动关系，而不表示实际传动比值，表示实际传动比值，轴上各圆点也不表示轴上各圆点也不表示该轴的具体转速该轴的具体转速 a）） b））附图附图 卧式车床主变速传动系统转速图和结构网卧式车床主变速传动系统转速图和结构网a）转速图）转速图 b）结构网）结构网•结构网和转速图有一致的变速特性，结构网和转速图有一致的变速特性，一个转一个转速图对应一个结构网，但一个结构网可以对速图对应一个结构网，但一个结构网可以对应画出很多不同的转速图应画出很多不同的转速图。

•结构网与结构式都是用于分析和比较不同的结构网与结构式都是用于分析和比较不同的传动系统设计方案的，但结构网更直观些传动系统设计方案的，但结构网更直观些•（二）变速组及其传动副数的选择（二）变速组及其传动副数的选择• 一定变速级数的分级变速传动系统，是由不同一定变速级数的分级变速传动系统，是由不同数目的变速组所组成的数目的变速组所组成的•现以现以12级转速的分级变速传动系统为例，其组级转速的分级变速传动系统为例，其组成方案可如下所示：成方案可如下所示：•①① 12=6×2 •②② 12=4×3 •③③ 12=3×2×2•在选择变速传动方案时，需综合考虑以下几个在选择变速传动方案时，需综合考虑以下几个方面：方面：•1）变速组的数目；）变速组的数目；•2）传动件的数目；）传动件的数目；•3）变速箱的结构尺寸；）变速箱的结构尺寸；•4）变速时是否需要互锁机构变速时是否需要互锁机构•结论：一般情况下，每个变速组的传动副数最结论：一般情况下，每个变速组的传动副数最好取好取 p = 2或或3•（三）各变速组的变速范围及极限传动比（三）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。

最小传动比的比值•即即•参照下面转速图，各变速组的变速范围可写成参照下面转速图，各变速组的变速范围可写成•因此，变速组的变速范围一般可写成因此，变速组的变速范围一般可写成•由上式可看出，变速组变速范围由上式可看出，变速组变速范围 值中的指值中的指数数 ，就是变速组中最大传动比的传，就是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动线与最小传动比的传动线所间隔的格数•设计机床主传动系统时：设计机床主传动系统时：•一般一般限制降速最小传动比限制降速最小传动比为为 ；；•限制升速最大传动比限制升速最大传动比为为 （直齿圆柱齿（直齿圆柱齿轮），轮）， （斜齿圆柱齿轮）斜齿圆柱齿轮）•由此，各变速组的变速范围相应受到限制由此，各变速组的变速范围相应受到限制•主传动各变速组的最大变速范围主传动各变速组的最大变速范围为：为：• 对于进给传动系统，上述限制可相对放宽为：对于进给传动系统，上述限制可相对放宽为：•主轴的变速范围应等于主变速传动系统中各变速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组变速范围的乘积，即，即•在检查变速组的变速范围是否超过极限值时，只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需检查该传动系统中的最后一个扩大组即可。

•从变速组变速范围公式中从变速组变速范围公式中 可看出，为使最后扩大组的变速范围不超出其允可看出，为使最后扩大组的变速范围不超出其允许值，其传动副数一般取许值，其传动副数一般取 较为合适较为合适•〖〖例例1 〗〗 ，检查以下两方案中各变速组，检查以下两方案中各变速组的变速范围：的变速范围：•〖〖例例2 〗〗 ，检查以下两方案中各变速组，检查以下两方案中各变速组的变速范围：的变速范围：•（四）主变速传动系统设计的一般原则（四）主变速传动系统设计的一般原则•1. 传动副传动副“前多后少前多后少”原则原则•当当 时，令时，令•如有下列三种主变速传动方案：如有下列三种主变速传动方案：•12=3×2×2，，12=2×3×2，，12=2×2×3，，•按此原则，显然第一方案为好按此原则，显然第一方案为好•2. 传动线传动线“前密后疏前密后疏”原则（即传动顺序与扩大原则（即传动顺序与扩大顺序相一致）顺序相一致）•当当 时，要求时，要求•对于对于12=3×2×2，可有，可有 6 种不同扩大顺序方案：种不同扩大顺序方案：•12=31×23×26，， 12=32×21×26，， 12=32×26×21，，•12=31×26×23，， 12=34×21×22，， 12=34×22×21。

•对照分析对照分析 6 种不同结构式所对应的结构网，不种不同结构式所对应的结构网，不难看出，第难看出，第 1 种方案较其他种方案较其他 5 种方案为好种方案为好•因此，在设计主变速传动系统时，应尽可能做因此，在设计主变速传动系统时，应尽可能做到到变速组的传动顺序与扩大顺序相一致变速组的传动顺序与扩大顺序相一致•从结构网中可发现，当变速组的传动顺序与扩从结构网中可发现，当变速组的传动顺序与扩大顺序相一致时，传动线为大顺序相一致时，传动线为“前密后疏前密后疏”特征特征规律分布规律分布•3. 变速组的降速要变速组的降速要“前慢后快前慢后快”，中间轴的转速，中间轴的转速不宜超过电动机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），可使前使中间传动轴转速较高（但不宜过高），可使前面变速组降速幅度慢一些，后面降速幅度快一些面变速组降速幅度慢一些，后面降速幅度快一些，即要求，即要求•上述原则在设计主变速传动系统时一般应该遵上述原则在设计主变速传动系统时一般应该遵循，但有时循，但有时 还需根据具还需根据具 体情况加以体情况加以 灵活运用，灵活运用， 如卧式车床如卧式车床 等。

等•在设计主变速传动系统时，为改善其传动性能，在设计主变速传动系统时，为改善其传动性能，还应该还应该注意注意以下几点：以下几点：•1）传动链要短；）传动链要短；•2）转速和要小；）转速和要小；•3）齿轮线速度要低；）齿轮线速度要低；•4）空转件要少空转件要少•综上所述，综上所述，主变速传动系统的设计要点主变速传动系统的设计要点是：是：•一个规律，两个限制，三条原则，四项注意一个规律，两个限制，三条原则，四项注意•例例 拟定卧式中型铣床的主传动系统的转速图拟定卧式中型铣床的主传动系统的转速图•已知主轴的转速范围为已知主轴的转速范围为30~1500r/min，异步电，异步电动机的转速为动机的转速为1440r/min•设计步骤如下：设计步骤如下：•1. 选定公比选定公比φ，确定，确定Rn、、 Z 和各级转速值；和各级转速值；•2. 选择结构式并验算变速组的变速范围；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；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，拟定转速图分配各变速组的最小传动比，拟定转速图•例例 拟定卧式中型铣床的主传动系统的转速图。

拟定卧式中型铣床的主传动系统的转速图•已知主轴的转速范围为已知主轴的转速范围为30~1500r/min，异步电，异步电动机的转速为动机的转速为1440r/min•解解 1.选定公比选定公比φ，确定，确定Rn、、 Z 和各级转速值和各级转速值•选选φ =1.26，则，则12481631.5631251.062.124.258.51733.5671321.122.244.59.01835.5711401.182.364.759.51937.5751501.252.55.0102040801601.322.655.310.621.242.5851701.42.85.611.222.445901801.53.06.011.823.647.5951901.63.156.312.525501002001.73.356.713.226.5531062121.83.557.11428561122241.93.757.5153060118236表表3—3 标准数列标准数列•查表得主轴各级转查表得主轴各级转速为：速为：30，，37.5，，47.5，， 60，， 75，，95 ，，118，，150，，190，，236，，300，，375，，475，，600，，750，，950，，1180，，1500 （（r/min）。

•2. 选择结构式并验算变速组的变速范围选择结构式并验算变速组的变速范围•选择结构式为：选择结构式为：18 = 31×33×29•验算最末扩大组的变速范围验算最末扩大组的变速范围•满足要求满足要求•3. 确定是否需要增加降速的定比传动副确定是否需要增加降速的定比传动副•所设计机床主传动系统要求的总降速比为所设计机床主传动系统要求的总降速比为•而三个串联变速组理论上所能实现的最大降速而三个串联变速组理论上所能实现的最大降速比为比为•因因1/64＜＜1/48，故不需增加降速的定比传动副故不需增加降速的定比传动副•4. 分配各变速组的最小传动比，拟定转速图分配各变速组的最小传动比，拟定转速图电电ⅠⅠⅡⅡⅢⅢ1500(r/min)118095075060047537530023619015011895756047.537.5301440(r/min)abcuc2=1 /φ6=1/4uc1=φ3/1=2•（五）主变速传动系统的几种特殊设计（五）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，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、自动机床及转中实现变速，故适用于半自动、自动机床及普通机床。

普通机床•机床上常用双速或三速电动机，其同步转速为机床上常用双速或三速电动机，其同步转速为（（750/1500））r/min、（、（1500/3000））r/min、、 （（750/1500/3000））r/min，电动机的变速范围，电动机的变速范围为为2 ~ 4•在传动系统中，多速电动机相当于具有两个或在传动系统中，多速电动机相当于具有两个或三个假想传动副的变速组，故将其称为三个假想传动副的变速组，故将其称为电变速电变速组组 a）） b））图图3-16 多刀半自动车床主变速传动系统多刀半自动车床主变速传动系统a）传动系统图）传动系统图 b）转速图）转速图•应用多速电动机时，若使变速系统仍然保持连应用多速电动机时，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顺序中的特性仍然要遵守级比规律电动机的电动机的变速范围为变速范围为2~4，级比为，级比为2•当电动机变速范围为当电动机变速范围为2或或4时，变速传动系统采时，变速传动系统采用的公比用的公比φ应是应是2的整数次方根。

的整数次方根•多速电动机总是在传动系统的最前面，按实际多速电动机总是在传动系统的最前面，按实际传动顺序，电变速组是第一个变速组，因此，传动顺序，电变速组是第一个变速组，因此，多数情况下不能满足多数情况下不能满足“前密后疏前密后疏”原则•多速电动机的最大输出功率与转速有关，即电多速电动机的最大输出功率与转速有关，即电动机在低速和高速时输出的功率不同动机在低速和高速时输出的功率不同但为了但为了使用方便，则在主轴的一切转速下，电动机功使用方便，则在主轴的一切转速下，电动机功率都定为低速时的功率率都定为低速时的功率•所以，采用多速电动机的缺点之一就是当电动所以，采用多速电动机的缺点之一就是当电动机在高速时，不能完全发挥其能力机在高速时，不能完全发挥其能力•例例 已知已知 n电电 = 750 / 1500 / 3000 r/min，，Z =18，，φ=1.26•试拟定该传动方案的结构式与结构网试拟定该传动方案的结构式与结构网•2. 具有交换齿轮的变速传动系统设计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。

但一般不需要变速，或仅在较小范围内变速但更换工件后，有可能需要变换速度为简化结更换工件后，有可能需要变换速度为简化结构，常采用构，常采用交换齿轮变速方式交换齿轮变速方式，或将交换齿轮，或将交换齿轮与其它变速方式组合使用与其它变速方式组合使用 a）） b））图图3-16 具有交换齿轮的主变速传动系统具有交换齿轮的主变速传动系统a）传动系统图）传动系统图 b）转速图）转速图•交换齿轮用于每批工件加工前的变速调整交换齿轮用于每批工件加工前的变速调整，而，而其他变速方式则用于加工中变速其他变速方式则用于加工中变速•为减少交换齿轮的数量，相啮合的两个交换齿为减少交换齿轮的数量，相啮合的两个交换齿轮可以互换位置安装，即互为主、被动齿轮，轮可以互换位置安装，即互为主、被动齿轮，这时使用一组交换齿轮即可得到两种传动比这时使用一组交换齿轮即可得到两种传动比反映反映在转速图上，交换齿轮的变速组应设计成在转速图上，交换齿轮的变速组应设计成对称分布的对称分布的•下图所示为三对交换齿轮副变速组的转速图。

下图所示为三对交换齿轮副变速组的转速图•由于变速组内的最大升速比受到限制，所以由于变速组内的最大升速比受到限制，所以当交换齿轮完全倒换时，当交换齿轮完全倒换时，交换齿轮变速组的交换齿轮变速组的变速范围变速范围R交交≤ 4 ~ 6•交换齿轮变速的交换齿轮变速的优点优点是可以用少量齿轮得到是可以用少量齿轮得到多级转速，不需要操纵机构，变速箱结构大多级转速，不需要操纵机构，变速箱结构大大简化•缺点缺点是更换交换齿轮时较费时费力，如装在变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，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，结构可以紧凑些使其处于较高转速，结构可以紧凑些•下图为铣削头的转速图及传动系统图下图为铣削头的转速图及传动系统图图图3-16 铣削头的主变速传动系统图和转速图铣削头的主变速传动系统图和转速图•3. 采用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•在变速传动系统中，既是前一变速组的被动在变速传动系统中，既是前一变速组的被动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，该齿轮齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，该齿轮称为称为公用齿轮公用齿轮。

•按相邻变速组内公用齿轮的数目，常用的有按相邻变速组内公用齿轮的数目，常用的有单公用、双公用和三公用齿轮单公用、双公用和三公用齿轮图图3-12 采用公用齿轮的主变速传动系统图（局部）采用公用齿轮的主变速传动系统图（局部）•采用公用齿轮可以减少齿轮的数目和缩短变速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箱的轴向尺寸，但由于齿轮公用而导致两变速，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困难，同时径向尺寸也较大•同时还应注意，同时还应注意，相邻两个变速组中的齿轮模数相邻两个变速组中的齿轮模数必须相同必须相同•必须注意到公用齿轮所受到的弯曲应力属于必须注意到公用齿轮所受到的弯曲应力属于对称循环，其弯曲疲劳许用应力比非公用齿对称循环，其弯曲疲劳许用应力比非公用齿轮低，因为非公用齿轮所受到的弯曲应力属轮低，因为非公用齿轮所受到的弯曲应力属于脉动循环所以于脉动循环所以应尽可能选择变速组内较应尽可能选择变速组内较大的齿轮作为公用齿轮大的齿轮作为公用齿轮•下图所示为某铣床主变速传动系统图与转速下图所示为某铣床主变速传动系统图与转速图，该主传动系统采用了图，该主传动系统采用了双公用齿轮传动双公用齿轮传动。

图图3-11 采用双公用齿轮的铣床主变速传动系统图和转速图采用双公用齿轮的铣床主变速传动系统图和转速图•（六）扩大传动系统变速范围的方法（六）扩大传动系统变速范围的方法•已知主变速传动系统中最后一个扩大组的变速已知主变速传动系统中最后一个扩大组的变速范围是范围是•若最后扩大组的传动副数为若最后扩大组的传动副数为2，， 即即 ，，•则则•由于变速组的极限传动比受到限制，由于变速组的极限传动比受到限制，•即当即当 时，时，•当当 时，时，•当当 时，时，•当当 时，时，•扩大主变速传动系统变速范围的常用方法：扩大主变速传动系统变速范围的常用方法：• 1. 增加变速组增加变速组•在原有变速传动系统中再增加一个变速组，是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。

导致部分转速出现重复•右图所示为增加一个右图所示为增加一个变速组后的结构网，变速组后的结构网，其对应的结构式为：其对应的结构式为：•该传动系统变速范围该传动系统变速范围可达：可达：•例例 试拟定试拟定φ=1.41的主变速传动系统的结构式的主变速传动系统的结构式•2. 采用背轮机构采用背轮机构•主动轴可通过离合器与同主动轴可通过离合器与同轴线的被动轴直接接合，轴线的被动轴直接接合，也可通过另一轴上的两个也可通过另一轴上的两个齿轮分别与主动轴、被动齿轮分别与主动轴、被动轴上的齿轮啮合，将运动轴上的齿轮啮合，将运动从主动轴传至被动轴，这从主动轴传至被动轴，这类机构称为类机构称为背轮机构背轮机构，又，又称称单回曲机构单回曲机构图图3-19 背轮机构背轮机构•在设计采用背轮机构的分在设计采用背轮机构的分离传动结构时应注意离传动结构时应注意：：•在合上离合器、用皮带直在合上离合器、用皮带直接传动主轴时，应使背轮接传动主轴时，应使背轮脱开，否则，当主轴高速脱开，否则，当主轴高速旋转时，经齿轮副旋转时，经齿轮副 58/17 传动背轮轴，使背轮轴以传动背轮轴，使背轮轴以很高的转速空转，容易引很高的转速空转，容易引起振动、噪声和发热。

起振动、噪声和发热图图3-12 CM6132型精密型精密普通车床的主传动系统图普通车床的主传动系统图•背轮机构的极限变速范围为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统的变速范围•采用背轮机构的采用背轮机构的分离传动方式，分离传动方式，常作为高速精密常作为高速精密机床的传动结构机床的传动结构方案•3. 采用双公比的传动系统采用双公比的传动系统•主轴的转速数列有两个公比，中段转速采用小主轴的转速数列有两个公比，中段转速采用小公比，高、低段转速采用大公比公比，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双公比变速传动系统是在常规变速传动系统基础上，通过础上，通过改变基本组的级比指数改变基本组的级比指数演变而来演变而来的•一般应取：一般应取：• （（n为大于为大于 1 的正整数）的正整数）•该传动系统转速图该传动系统转速图的特点为：的特点为：•在主轴转速范围的在主轴转速范围的高、低段各出现高、低段各出现 n 个转速空格，即这个转速空格，即这两段转速值的公比两段转速值的公比为为 •此时此时图图3-20 采用双公比的转速图采用双公比的转速图•4. 采用分支传动采用分支传动•分支传动是指在串联形式变速传动系统的基础分支传动是指在串联形式变速传动系统的基础上，增加上，增加并联分支并联分支以扩大变速范围。

以扩大变速范围•如一串联型变速传动系统实例：如一串联型变速传动系统实例： ，其结，其结构式为：构式为：•使主轴得到使主轴得到10 ~ 500r/min共共 18 级转速•另在第二变速组后增加另在第二变速组后增加一升速传动副，构成一升速传动副，构成高高速分支传动速分支传动，又使主轴，又使主轴得到得到450 ~ 1400r/min的的共共6级高转速级高转速•本例中，本例中，•该分支传动系统的结构该分支传动系统的结构式为：式为：图图3-20 CA6140型普通车床的型普通车床的主传动系统图主传动系统图•（七）齿轮齿数的确定（七）齿轮齿数的确定•1. 确定变速组内齿轮齿数应注意的问题确定变速组内齿轮齿数应注意的问题•（（1））齿轮的齿数和齿轮的齿数和 不应过大不应过大，一般推荐，一般推荐•（（2））齿轮的齿数和齿轮的齿数和 不应过小不应过小，应考虑：，应考虑：•①① 最小齿轮不发生根切最小齿轮不发生根切，对于标准圆柱齿轮：，对于标准圆柱齿轮：•②② 保证最小齿轮有足够的强度保证最小齿轮有足够的强度，应使齿轮齿槽，应使齿轮齿槽到孔壁或键槽底部的壁厚到孔壁或键槽底部的壁厚 （（m为齿轮模为齿轮模数），即数），即•小齿轮可套装在轴上的小齿轮可套装在轴上的 条件如右图所示。

条件如右图所示•③③ 两轴间最小中心距应适宜两轴间最小中心距应适宜图图3-21 小齿轮的壁厚条件小齿轮的壁厚条件•（（3）确定齿轮齿数时，）确定齿轮齿数时，应符合转速图上传动应符合转速图上传动比的要求比的要求•实际传动比与理论传动比之间允许有小的误差，实际传动比与理论传动比之间允许有小的误差，由确定齿轮齿数所造成的主轴转速相对误差，由确定齿轮齿数所造成的主轴转速相对误差，一般不允许超过一般不允许超过 ，即，即•式中式中 ——主轴实际转速；主轴实际转速；• ——主轴标准转速主轴标准转速•2. 变速组内变速组内齿轮模数相同齿轮模数相同时齿轮齿数的确定时齿轮齿数的确定•确定齿轮齿数时，首先需定出各变速组内齿轮确定齿轮齿数时，首先需定出各变速组内齿轮副的模数，以便根据结构尺寸判断最小齿轮的副的模数，以便根据结构尺寸判断最小齿轮的齿数或齿数和是否适宜齿数或齿数和是否适宜•在同一变速组内的齿轮可取相同或不同的模数，在同一变速组内的齿轮可取相同或不同的模数，为便于设计、制造和简化工艺，为便于设计、制造和简化工艺，主变速传动系主变速传动系统中所采用齿轮模数的种类尽可能少些，一般统中所采用齿轮模数的种类尽可能少些，一般不超过不超过2 ~ 3种种。

•（（1）查表法）查表法•若转速图上若转速图上齿轮副传动比是标准公比的整数齿轮副传动比是标准公比的整数次方次方，且，且变速组内齿轮模数相同变速组内齿轮模数相同时，变速组时，变速组内每对齿轮的齿数和内每对齿轮的齿数和Sz及小齿轮的齿数可从及小齿轮的齿数可从表表3－－6中选取•在表在表3-6中，横坐标是齿数和中，横坐标是齿数和Sz(40 ~ 120) ；；纵坐标是传动副的传动比纵坐标是传动副的传动比u(1 ~ 4.73)；；•表中所列值是传动副的被动齿轮齿数；齿数表中所列值是传动副的被动齿轮齿数；齿数和和 Sz 减去被动齿轮齿数就是主动齿轮齿数减去被动齿轮齿数就是主动齿轮齿数•表中所列的表中所列的u值全大于值全大于1，即全是升速传动即全是升速传动对于降速传动副，可取其倒数查表，查出的对于降速传动副，可取其倒数查表，查出的齿数则是主动齿轮齿数齿数则是主动齿轮齿数 •利用利用查表法查表法确定齿轮齿数的步骤如下确定齿轮齿数的步骤如下：：•1）找出在同一变速组中各齿轮副出现最小齿数）找出在同一变速组中各齿轮副出现最小齿数的传动比；的传动比；•2）避免根切和结构需要，确定）避免根切和结构需要，确定 ；；•3）根据）根据 ，查出，查出 ；；•4）查找满足变速组中各传动比要求的所有）查找满足变速组中各传动比要求的所有 ；；•5）确定合理的）确定合理的 , 并据此来决定各齿轮的齿数。

并据此来决定各齿轮的齿数•现举例说明利用查表法来确定如下图所示的现举例说明利用查表法来确定如下图所示的 a 变变速组中各传动副的齿轮齿数速组中各传动副的齿轮齿数•解法与步骤解法与步骤：：•1.•其中：其中： ；；•2.确定确定 ；；•3.确定确定 ；；表表3-6 各种常用传动比的适用齿数（局部）各种常用传动比的适用齿数（局部） SZ u607284901.00303642451.2632371.41253035371.582328352.0020242830•4. 按按u = 1, 1.41 和和 2 查表，查出同时存在上述查表，查出同时存在上述三个传动比的齿数和三个传动比的齿数和 分别有：分别有：•5. 取取 ，则，则•（（2）计算法）计算法•在同一变速组内，在同一变速组内，各对齿轮的齿数之比必须满各对齿轮的齿数之比必须满足转速图上已经确定的传动比足转速图上已经确定的传动比•当各对齿轮的模数相同且不采用变位齿轮时，当各对齿轮的模数相同且不采用变位齿轮时，则则各对齿轮的齿数和必须相等各对齿轮的齿数和必须相等。

•依据上述条件，可列出依据上述条件，可列出•式中式中 ，， ——齿轮副的主动和被动齿轮齿数；齿轮副的主动和被动齿轮齿数；• —— i 齿轮副的传动比；齿轮副的传动比；• ——齿轮副的齿数和齿轮副的齿数和•由以上两式可得由以上两式可得•因此，因此，选定了齿数和，便可按上式计算各齿轮选定了齿数和，便可按上式计算各齿轮的齿数的齿数•3. 变速组内变速组内齿轮模数不同齿轮模数不同时齿轮齿数的确定时齿轮齿数的确定•在在最后一个扩大组最后一个扩大组或或背轮机构背轮机构中，因各齿轮副中，因各齿轮副的线速度差别很大，所应传递的转矩差别也较的线速度差别很大，所应传递的转矩差别也较大•为合理利用材料，在同一变速组内可采用不同为合理利用材料，在同一变速组内可采用不同的模数但的模数但在同一变速组内通常只限于两种模在同一变速组内通常只限于两种模数数•由于由于同一变速组内的各传动副的中心距必须相同一变速组内的各传动副的中心距必须相等等：：•即即•所以所以 •或或•上式中上式中 、、 为无公因数的整数，为无公因数的整数，K 为整数。

为整数•4. 三联滑移齿轮齿数的确定三联滑移齿轮齿数的确定•在采用三联滑移齿轮在采用三联滑移齿轮变速时，在确定其齿变速时，在确定其齿数之后，应检查其相数之后，应检查其相邻齿轮的齿数关系，邻齿轮的齿数关系，以确保其左右移动时以确保其左右移动时能顺利通过，不致相能顺利通过，不致相碰•如图所示三联滑移齿轮能顺利滑移的条件是：如图所示三联滑移齿轮能顺利滑移的条件是：•故故要求三联滑移齿轮的齿要求三联滑移齿轮的齿数为数为：：•注：三联滑移齿轮的齿数注：三联滑移齿轮的齿数为为 Z3 > Z2 > Z1•三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：•三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于大于 4•齿轮齿数的确定，往往需反复多次计算才能齿轮齿数的确定，往往需反复多次计算才能确定，合理与否还要在结构设计中进一步检确定，合理与否还要在结构设计中进一步检验，必要时还须改变验，必要时还须改变•若按传动比要求，按上述方法确定的齿数和若按传动比要求，按上述方法确定的齿数和过大以及传动比误差过大时，过大以及传动比误差过大时，可采用变位齿可采用变位齿轮的方法来凑中心距轮的方法来凑中心距，以获得要求的传动比，以获得要求的传动比值。

值•（八）计算转速（八）计算转速•机床上的传动件在设计时应该校核其强度，机床上的传动件在设计时应该校核其强度，决决定零件强度的条件之一是零件所受的载荷，而定零件强度的条件之一是零件所受的载荷，而载荷则取决于零件所传递的功率和转速载荷则取决于零件所传递的功率和转速机床变速传动链中的零件，有的转速是恒定的，有变速传动链中的零件，有的转速是恒定的，有的转速则是变化的的转速则是变化的•下面将讨论变速传动件应根据哪个转速进行动下面将讨论变速传动件应根据哪个转速进行动力计算的问题力计算的问题•1.1.机床的功率转矩特性机床的功率转矩特性•从从《《机械制造技术基础机械制造技术基础》》课程中得知，课程中得知，在背吃在背吃刀量和进给量不变的情况下，刀量和进给量不变的情况下，切削速度对切削切削速度对切削力的影响较小因此，作直线运动机床的执行力的影响较小因此，作直线运动机床的执行机构，可以认为不论在什么速度下都可能出现机构，可以认为不论在什么速度下都可能出现最大转矩，即最大转矩，即主运动为直线运动的机床主传动主运动为直线运动的机床主传动应属于恒转矩传动应属于恒转矩传动•而执行机构作旋转运动的机床主传动链则有而执行机构作旋转运动的机床主传动链则有所不同。

其所不同其主轴转速不仅取决于切削速度的主轴转速不仅取决于切削速度的高低，还取决于工件或刀具直径的大小高低，还取决于工件或刀具直径的大小•对于主运动为旋转运动的通用机床，其较低对于主运动为旋转运动的通用机床，其较低的转速多用于大直径的刀具或加工大直径的的转速多用于大直径的刀具或加工大直径的工件，此时要求输出较大的转矩，即工件，此时要求输出较大的转矩，即输出转输出转矩与主轴转速成反比矩与主轴转速成反比，基本上是属于，基本上是属于恒功率恒功率的•但由于主轴最低的几级转速常用于光整加工、但由于主轴最低的几级转速常用于光整加工、车螺纹、铰大孔、精镗等，并不需要传递全部车螺纹、铰大孔、精镗等，并不需要传递全部功率功率，即，即主轴一般在主轴一般在最最低转速段低转速段所所消耗的功率消耗的功率都都较小较小•而而主轴主轴在高转速段在高转速段又又由于受到电动机功率的限由于受到电动机功率的限制，传动件所受的转矩随转速的增高而减小制，传动件所受的转矩随转速的增高而减小•由以上分析得知，主运动为旋转运动的通用机由以上分析得知，主运动为旋转运动的通用机床主轴虽然是在很多级不同的转速下工作的，床主轴虽然是在很多级不同的转速下工作的，但但主轴并不是在所有的转速下都传递着全部功主轴并不是在所有的转速下都传递着全部功率率。

•机床主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关机床主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为系，称为机床的功率转矩特性机床的功率转矩特性•综上所述，综上所述，主运动为旋转运动的通用机床主运动为旋转运动的通用机床主主轴或传动件在传递全部功率时的最低转速，轴或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，能够传递最大转矩因此，将传递全部功率将传递全部功率时的最低转速，称为该主轴或传动件的时的最低转速，称为该主轴或传动件的计算计算转速转速•主运动主运动是直线运动的机床主传动属是直线运动的机床主传动属恒转矩传恒转矩传动动；而主运动是旋转运动的机床基本上属；而主运动是旋转运动的机床基本上属恒恒功率传动功率传动 图图3-22 主轴的功率转矩特性图主轴的功率转矩特性图•从机床的从机床的“主轴的功率转矩特性图主轴的功率转矩特性图”中可见，中可见，主轴从主轴从 nj 起至起至nmax间的所有转速下都能传递全间的所有转速下都能传递全部功率（即电动机为满载），而部功率（即电动机为满载），而 nj 是主轴传递是主轴传递全全•部功率时的最低部功率时的最低转速，而其输出转速，而其输出的转矩则随转速的转矩则随转速的增加而减少，的增加而减少，此为此为恒功率区恒功率区；；图图3-22 主轴的功率转矩特性图主轴的功率转矩特性图•低于主轴低于主轴 nj的各级转速所能输出的转矩与主轴的各级转速所能输出的转矩与主轴在在 nj 时输出的转矩相等，即为该机床的最大输时输出的转矩相等，即为该机床的最大输图图3-22 主轴的功率转矩特性图主轴的功率转矩特性图•出转矩，而传出转矩，而传递的功率则随递的功率则随转速的减低而转速的减低而减少，此为减少，此为恒恒转矩区转矩区。

•不同类型机床主轴的计算转速选取是不同的不同类型机床主轴的计算转速选取是不同的对于大型机床，由于应用范围很广，调速范围对于大型机床，由于应用范围很广，调速范围很宽，计算转速可取得高一些；对于精密机床、很宽，计算转速可取得高一些；对于精密机床、钻床、滚齿机等，由于应用范围较窄，调速范钻床、滚齿机等，由于应用范围较窄，调速范围较小，计算转速应取得低一些；通用机床及围较小，计算转速应取得低一些；通用机床及专门化机床可根据调查分析和测定专门化机床可根据调查分析和测定•各类机床主轴的计算转速统计公式见表各类机床主轴的计算转速统计公式见表3-7表表3-7 各类机床的主轴计算转速（各类机床的主轴计算转速（部分部分））机床类型机床类型计算转速计算转速等公比传动等公比传动 中型通中型通用机床和用机床和使用较广使用较广的半自动的半自动机床机床 车床、转塔车床、车床、转塔车床、升降台铣床、半自动升降台铣床、半自动车床、自动车床、卧车床、自动车床、卧式镗铣床等式镗铣床等 为主轴第一个（低的）三分为主轴第一个（低的）三分之一转速范围内的最高一级转速之一转速范围内的最高一级转速 立式钻床、摇臂钻立式钻床、摇臂钻床、滚齿机床、滚齿机 为主轴第一个（低的）四分为主轴第一个（低的）四分之一转速范围内的最高一级转速之一转速范围内的最高一级转速 •2. 变速传动系统中传动件计算转速的确定变速传动系统中传动件计算转速的确定•主轴从主轴从 nj 起至起至nmax间的所有转速都能传递全部间的所有转速都能传递全部功率。

因此，实现上述主轴转速的其他传动件功率因此，实现上述主轴转速的其他传动件的实际工作转速也在传递着全部功率，这些传的实际工作转速也在传递着全部功率，这些传动件实际工作转速中的最低转速，就是其计算动件实际工作转速中的最低转速，就是其计算转速•当主轴的计算转速确定后，就可以从转速图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•确定顺序通常是确定顺序通常是按传动顺序由后到前按传动顺序由后到前，，先确先确定传动轴的计算转速，再确定各齿轮的计算定传动轴的计算转速，再确定各齿轮的计算转速转速•在确定传动件的计算转速时在确定传动件的计算转速时：：•首首先找出该传动件共有几级实际工作转速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该传动件的计算转速 【【例例】】试确定下图所示试确定下图所示X6132型铣床的主轴、各型铣床的主轴、各传动轴和齿轮的计算转速。

传动轴和齿轮的计算转速•提高传动件的计算转速，可使其尺寸缩小、结提高传动件的计算转速，可使其尺寸缩小、结构紧凑•因此，在主传动系统中，有某些重复转速时，因此，在主传动系统中，有某些重复转速时，应采用传动件计算转速较高的传动路线，并由应采用传动件计算转速较高的传动路线，并由操纵机构予以保证操纵机构予以保证图图3-20 CA6140型普通车床的主传动系统图及转速图型普通车床的主传动系统图及转速图图图3-20 CA6140型卧式车床传动系统图（局部）型卧式车床传动系统图（局部） 手柄位置手柄位置 主轴主轴 转速转速 滑移齿轮滑移齿轮红红1 ●白白2 ●黑黑3 ●黄黄4 ●白白5 ●蓝蓝6 ●高速高速450450～～14001400空空档档低速低速第第ⅢⅢ段段160160～～500500低速低速第第ⅡⅡ段段4040～～125125空空档档低速低速第第ⅠⅠ段段1010～～31.531.5轴轴ⅥⅥ上滑移齿轮上滑移齿轮Z Z5050左左中中右右右右中中右右轴轴ⅣⅣ上左滑移齿轮上左滑移齿轮右右右右右右右右中中左左轴轴ⅣⅣ上右滑移齿轮上右滑移齿轮右右右右右右左左左左左左•轴轴ⅣⅣ与轴与轴ⅥⅥ上滑移齿轮在不同轴向位置时的组合情况上滑移齿轮在不同轴向位置时的组合情况•【【作业作业】】 拟设计一台普通（卧式）车床的主变速传动系统。

拟设计一台普通（卧式）车床的主变速传动系统•已知：已知：φ=1.26，主电动机转速，主电动机转速n电电=1500r/min，主轴最低转速，主轴最低转速nmin=31.5r/min，最高转速，最高转速nmax=1600 r/min求：•1.计算主轴的转速范围计算主轴的转速范围Rn；；•2.利用公式确定主轴的转速级数利用公式确定主轴的转速级数Z；；•3.用标准数列表确定主轴的各级标准转速值；用标准数列表确定主轴的各级标准转速值；•4.写出三个不同的可供选择的结构式；写出三个不同的可供选择的结构式；•5.确定一个合理的结构式并说明理由；确定一个合理的结构式并说明理由；•6.画出一个合理的转速图；画出一个合理的转速图；•7.试画出该主变速传动系统图；试画出该主变速传动系统图；•8.用查表法确定第一个变速组的各齿轮齿数用查表法确定第一个变速组的各齿轮齿数•9.确定主轴、各传动轴以及最末扩大组中各齿轮的计算转速确定主轴、各传动轴以及最末扩大组中各齿轮的计算转速•（九）变速箱内传动件的空间布置与计算（九）变速箱内传动件的空间布置与计算•1. 变速箱内各传动轴的空间布置变速箱内各传动轴的空间布置•变速箱内各传动轴的空间布置首先要满足机床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虑各轴的受力情况，装配调整和操纵维修的方便。

其中便其中变速箱的形状和尺寸限制是影响传动变速箱的形状和尺寸限制是影响传动轴空间布置最重要的因素轴空间布置最重要的因素图图3-23 CA6140型普通车床横截面图型普通车床横截面图主轴主轴ⅥⅥⅤⅤ轴轴ⅢⅢ轴轴ⅠⅠ轴轴ⅡⅡ轴轴各轴按三各轴按三角形布置角形布置各轴按三各轴按三角形布置角形布置ⅢⅢ、、ⅤⅤ轴轴轴线重合轴线重合图图3-24 CA6140型普通车床主轴箱展开图型普通车床主轴箱展开图•各轴的布置顺序大致如下：各轴的布置顺序大致如下：•首先确定主轴的位置；然后确定传动主轴的轴，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（轴定电动机轴或运动输入轴（轴Ⅰ）的位置；最后确）的位置；最后确定其它各传动轴的位置定其它各传动轴的位置•为缩小箱体的径向尺寸，各传动轴常为缩小箱体的径向尺寸，各传动轴常按三角形布按三角形布置置，有时还可以使箱内某些传动轴的，有时还可以使箱内某些传动轴的轴线重合轴线重合图图3-25 X6132卧式铣床主轴变速箱剖面图卧式铣床主轴变速箱剖面图主轴主轴ⅤⅤ床身床身中间支中间支承壁承壁中间支中间支承壁承壁•利用铣床立式床身作为变速箱体。

床身内部空利用铣床立式床身作为变速箱体床身内部空间较大，所以各传动轴可以排在一个垂直平面间较大，所以各传动轴可以排在一个垂直平面内，不必过多考虑空间布置的紧凑性，以方便内，不必过多考虑空间布置的紧凑性，以方便制造、装配、调整和维修，以及便于布置变速制造、装配、调整和维修，以及便于布置变速操纵机构操纵机构•床身较长，为减少传动轴轴承间的跨距，可在床身较长，为减少传动轴轴承间的跨距，可在中间加一个支承墙中间加一个支承墙•2. 变速箱内各传动轴的轴向固定变速箱内各传动轴的轴向固定•传动轴通过轴承在箱体内轴向固定的方法有一传动轴通过轴承在箱体内轴向固定的方法有一端固定和两端固定端固定和两端固定•采用单列向心球轴承时可以单端或两端固定，采用单列向心球轴承时可以单端或两端固定，但采用圆锥滚子轴承时则必须两端固定但采用圆锥滚子轴承时则必须两端固定•一端固定适用于长轴，其优点是轴受热后可以一端固定适用于长轴，其优点是轴受热后可以向另一端自由伸长，不会产生热应力向另一端自由伸长，不会产生热应力图图3-26 传动轴一端固定的几种方式（一）传动轴一端固定的几种方式（一）a）衬套和端盖固定）衬套和端盖固定 b）孔台和端盖固定）孔台和端盖固定 c）弹性挡圈和端盖固定）弹性挡圈和端盖固定图图3-26 传动轴一端固定的几种方式（二）传动轴一端固定的几种方式（二） d）两个弹性挡圈固定）两个弹性挡圈固定 e）轴承外圈上的挡圈）轴承外圈上的挡圈 f）另一端的结构）另一端的结构图图3-27 传动轴两端固定的方式传动轴两端固定的方式调整调整螺钉螺钉调整调整垫片垫片调整调整垫片垫片•3. 齿轮在轴上的布置与排列齿轮在轴上的布置与排列•1）滑移齿轮的轴向布置）滑移齿轮的轴向布置•在变速组内，应尽量使较小的齿轮成为滑移在变速组内，应尽量使较小的齿轮成为滑移齿轮，使滑移省力。

有时为了使变速操作方齿轮，使滑移省力有时为了使变速操作方便，将两个变速传动组的滑移齿轮都安放在便，将两个变速传动组的滑移齿轮都安放在同一根轴上同一根轴上•滑移齿轮必须使原处于啮滑移齿轮必须使原处于啮合状态的齿轮完全脱离啮合状态的齿轮完全脱离啮合后，另一个齿轮才开始合后，另一个齿轮才开始啮合即要求两个固定齿啮合即要求两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度，即留有一定的的总宽度，即留有一定的间隙（间隙（Δ=1~2mm）•2. 一个变速组内齿轮轴向位置的排列一个变速组内齿轮轴向位置的排列•如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸•滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，一般窄式排列轴向长度较小一般窄式排列轴向长度较小附图附图 滑移齿轮采用窄式排列滑移齿轮采用窄式排列•宽式排列占用轴向尺寸较大，以致在相同的载荷宽式排列占用轴向尺寸较大，以致在相同的载荷条件下，传动轴轴径需增大，轴上的小齿轮齿数条件下，传动轴轴径需增大，轴上的小齿轮齿数增加，相应使齿数和与径向尺寸加大因此，增加，相应使齿数和与径向尺寸加大。

因此，一一般不宜采用宽式排列般不宜采用宽式排列附图附图 滑移齿轮采用宽式排列滑移齿轮采用宽式排列•如前所述，如前所述，三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差是：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于应大于 4•若相邻齿数差小于若相邻齿数差小于4，除了，除了采用增加齿数和（此时径采用增加齿数和（此时径向尺寸增大）或采用变位向尺寸增大）或采用变位齿轮的方法解决外，还可齿轮的方法解决外，还可采用如图所示排列方案解采用如图所示排列方案解决•前述三级变速传动组的排列方式中转速的变换前述三级变速传动组的排列方式中转速的变换顺序是混杂变换的，如果希望顺序是混杂变换的，如果希望转速的变换能有转速的变换能有顺序进行顺序进行，齿轮排列方式如下图所示齿轮排列方式如下图所示•将三联或四联滑移齿轮拆成两组进行排列，以减将三联或四联滑移齿轮拆成两组进行排列，以减少移动距离和缩小轴向长度，且对齿数差也无要少移动距离和缩小轴向长度，且对齿数差也无要求，但需要互锁装置，操纵机构较为复杂求，但需要互锁装置，操纵机构较为复杂•3. 两个变速组内齿轮轴向位置的排列两个变速组内齿轮轴向位置的排列•如图所示为两个变速组的齿轮如图所示为两个变速组的齿轮并行排列方式并行排列方式，，其总长度等于两变速组的轴向长度之和。

其总长度等于两变速组的轴向长度之和•如图所示为两个变速组的齿轮如图所示为两个变速组的齿轮交错排列方式交错排列方式，其，其总的轴向长度较短，但对固定齿轮的齿数差有要总的轴向长度较短，但对固定齿轮的齿数差有要求•若采用若采用公用齿轮公用齿轮，其轴向总长度将更为缩短其轴向总长度将更为缩短如下图所示，采用公用齿轮，不仅减少了齿轮如下图所示，采用公用齿轮，不仅减少了齿轮数量，还缩短了轴向尺寸数量，还缩短了轴向尺寸•4. 缩小径向尺寸与轴间距离缩小径向尺寸与轴间距离•在强度允许的条件下，尽量选用较小的齿数和在强度允许的条件下，尽量选用较小的齿数和且使齿轮的降速传动比大于且使齿轮的降速传动比大于1/4，以避免采用过，以避免采用过大的齿轮大的齿轮•这样，既缩小了本变速组的径向尺寸与轴间距这样，既缩小了本变速组的径向尺寸与轴间距离，又不致妨碍其他变速传动组轴间距离离，又不致妨碍其他变速传动组轴间距离•另外，采用轴线相互重合，则径向尺寸可大为另外，采用轴线相互重合，则径向尺寸可大为缩小•如果一对齿轮副采用最小降速传动比如果一对齿轮副采用最小降速传动比 1/4 ，则齿，则齿轮的径向尺寸可达轮的径向尺寸可达 5d1（（d2 = 4d1），致使径向尺），致使径向尺寸过大。

寸过大•如果采用两对定比齿轮副串联形式，如果采用两对定比齿轮副串联形式， 降速传动降速传动比仍为比仍为1/4，若三轴在同一平面内布置，则齿轮，若三轴在同一平面内布置，则齿轮在该平面的径向尺寸可缩短在该平面的径向尺寸可缩短 0.5d1，但在该平面，但在该平面的垂直方向上可缩短径向尺寸的垂直方向上可缩短径向尺寸2d1•如果在上述传动形式如果在上述传动形式基础上，将三根传动基础上，将三根传动轴按三角形布置，则轴按三角形布置，则无论在任何方向上，无论在任何方向上，其径向尺寸都可以大其径向尺寸都可以大为缩短为缩短 •但采用这种传动方式将增加传动件的数目但采用这种传动方式将增加传动件的数目•4.4.各传动轴的估算和验算各传动轴的估算和验算•机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲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刚度和扭转刚度•轴在弯矩作用下，如产生过大的弯曲变形，则装轴在弯矩作用下，如产生过大的弯曲变形，则装在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的压强分布在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的压强分布不均，产生不均匀磨损和加大噪声；也会使滚动不均，产生不均匀磨损和加大噪声；也会使滚动轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命。

轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命•如果轴的扭转刚度不够，则会引起传动轴的扭振如果轴的扭转刚度不够，则会引起传动轴的扭振•所以在设计开始时，要先按扭转刚度估算传动轴所以在设计开始时，要先按扭转刚度估算传动轴的直径，待结构确定之后，定出轴的跨距，再按的直径，待结构确定之后，定出轴的跨距，再按弯曲刚度进行验算弯曲刚度进行验算•（（1）按扭转刚度估算轴的直径）按扭转刚度估算轴的直径式中：式中：K——键槽系数（查表键槽系数（查表3—8）；）； A——扭转角系数；扭转角系数； η——从电动机到所计算轴的传动效率从电动机到所计算轴的传动效率表表3－－8 估算轴径时系数估算轴径时系数A、、K值值•一般传动轴的每米长允许扭转角取一般传动轴的每米长允许扭转角取 ，，要求高的轴取要求高的轴取 ，要求较低的轴取，要求较低的轴取0.250.51.01.52.0A130110928377K无无键单键双双键花花键1.01.04～～1.051.07～～1.11.05～～1.09•（（2）按弯曲刚度验算轴的直径）按弯曲刚度验算轴的直径•1）进行传动轴的受力分析）进行传动轴的受力分析，根据轴上滑移齿轮，根据轴上滑移齿轮不同位置，选出受力变形最严重的位置进行验不同位置，选出受力变形最严重的位置进行验算。

如较难准确判断滑移齿轮处于哪个位置受算如较难准确判断滑移齿轮处于哪个位置受力变形最严重，则需要多计算几种位置力变形最严重，则需要多计算几种位置•2））如情况严重时，如情况严重时，对轴中部的齿轮处应验算其对轴中部的齿轮处应验算其挠度，对轴两端的齿轮处应验算其倾角还应挠度，对轴两端的齿轮处应验算其倾角还应验算轴承处的倾角验算轴承处的倾角•3）按材力中的公式计算轴的挠度或倾角，并检）按材力中的公式计算轴的挠度或倾角，并检查是否超出允许值允许值可从表查是否超出允许值允许值可从表3－－9查出挠 度度/mm倾 角角/rad一般传动轴一般传动轴（（0.0003～～0.0005））L装齿轮处装齿轮处0.001刚度要求较高轴刚度要求较高轴 0.0002 L装滑动轴承处装滑动轴承处0.001安装齿轮的轴安装齿轮的轴（（0.01～～0.03））m装向心球轴承处装向心球轴承处0.0025安装蜗轮的轴安装蜗轮的轴（（0.02～～0.05））m装向心球面球轴承处装向心球面球轴承处0.005装单列短圆柱滚子轴承处装单列短圆柱滚子轴承处0.001装单列圆锥滚子轴承处装单列圆锥滚子轴承处0.0006注：注：L为轴的跨距，为轴的跨距，m为齿轮或蜗轮的模数为齿轮或蜗轮的模数表表3－－9 轴的刚度允许值轴的刚度允许值 •四、无级变速主传动系统四、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。

连续地变换，从而获取最有利的切削速度• （一）无级变速装置的分类（一）无级变速装置的分类•机床主传动系统中常采用的无级变速装置主要有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装置•1. 变速电动机变速电动机•机床上常用的变速电动机有直流复激电动机和交机床上常用的变速电动机有直流复激电动机和交流变频电动机，在额定转速以上为恒功率变速，流变频电动机，在额定转速以上为恒功率变速，调速范围较小，一般仅为调速范围较小，一般仅为2～～3；在额定转速以下；在额定转速以下为恒转矩变速，调速范围很大，可达为恒转矩变速，调速范围很大，可达 30 甚至更大甚至更大上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求•为了扩大恒功率调速范围，往往在变速电动机和为了扩大恒功率调速范围，往往在变速电动机和主轴之间串联一个机械分级变速箱主轴之间串联一个机械分级变速箱•变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中•2. 机械无级变速装置机械无级变速装置•机械无级变速装置有柯普（机械无级变速装置有柯普（Koop）型、行星锥轮）型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型、宽带型等多种结构，它们型、分离锥轮钢环型、宽带型等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转矩，通过连续地改变摩都是利用摩擦力来传递转矩，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。

由于它的变擦传动副工作半径来实现无级变速由于它的变速范围小，多数是恒转矩传动，通常较少单独使速范围小，多数是恒转矩传动，通常较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围•机械无级变速器通常应用于要求功率和变速范围机械无级变速器通常应用于要求功率和变速范围较小的中小型车床、铣床等机床的主传动中，更较小的中小型车床、铣床等机床的主传动中，更多地是用于进给变速传动中多地是用于进给变速传动中•3. 液压无级变速装置液压无级变速装置•液压无级变速装置通过改变单位时间内输入油缸液压无级变速装置通过改变单位时间内输入油缸或液动机中液体的油量来实现无级变速它的特或液动机中液体的油量来实现无级变速它的特点是变速范围较大、变速方便、传动平稳、运动点是变速范围较大、变速方便、传动平稳、运动换向时冲击小、易于实现直线运动和自动化换向时冲击小、易于实现直线运动和自动化•液压无级变速装置常用在主运动为直线运动的机液压无级变速装置常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等床中，如刨床、拉床等•（二）无级变速主传动系统设计原则（二）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无级变速装置•如主传动系统的主运动为直线运动，对变速装置如主传动系统的主运动为直线运动，对变速装置的要求是恒转矩传动，则应选择恒转矩传动为主的要求是恒转矩传动，则应选择恒转矩传动为主的无级变速装置，如龙门刨床的工作台采用直流的无级变速装置，如龙门刨床的工作台采用直流电动机；如主传动系统要求恒功率传动，例如车电动机；如主传动系统要求恒功率传动，例如车床或铣床的主轴，就应选择恒功率无级变速装置，床或铣床的主轴，就应选择恒功率无级变速装置，如采用机械无级变速装置、变速电动机串联机械如采用机械无级变速装置、变速电动机串联机械分级变速箱等。

分级变速箱等 •2. 为满足机床实际需要的恒功率变速范围，应将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使用无级变速传动装置与机械分级变速箱串联使用•无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是恒功率调速范围往往远小满足不了要求，尤其是恒功率调速范围往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围为此，常把于机床实际需要的恒功率变速范围为此，常把无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围以扩大恒功率变速范围和整个变速范围•若机床主轴要求变速范围为若机床主轴要求变速范围为 ，选取无级变速装，选取无级变速装置的变速范围为置的变速范围为 ，则串联的机械分级变速箱的，则串联的机械分级变速箱的变速范围变速范围 应为：应为：•式中式中 Z——机械分级变速箱的变速级数；机械分级变速箱的变速级数；• ——机械分级变速箱的公比机械分级变速箱的公比•通常，机械分级变速装置与机械式无级变速器串通常，机械分级变速装置与机械式无级变速器串联使用，若机械分级变速装置的公比值联使用，若机械分级变速装置的公比值 等于无等于无级变速器的变速范围级变速器的变速范围 ，则理论上可使机床主轴，则理论上可使机床主轴获得连续的无级调速。

获得连续的无级调速图图3－－28 无级变速分级变速箱转速图无级变速分级变速箱转速图 •通常，无级变速装置作为传动系中的基本组，而通常，无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组，其公比分级变速作为扩大组，其公比 理论上应等于无理论上应等于无级变速装置的变速范围级变速装置的变速范围 •在实际设计中，考虑到机械式无级变速器多属摩在实际设计中，考虑到机械式无级变速器多属摩擦传动，有相对滑动现象，可能得不到理论上的擦传动，有相对滑动现象，可能得不到理论上的转速值，故取转速值，故取•【【例例3-2】】设机床主轴的变速范围设机床主轴的变速范围 Rn＝60，无级变，无级变速箱的变速范围速箱的变速范围 Rd＝8 ，设计机械分级变速箱，，设计机械分级变速箱，求出其级数，并画出转速图求出其级数，并画出转速图•解：机械分级变速箱的变速范围为解：机械分级变速箱的变速范围为• Rf＝Rn/ Rd＝ 60/8 ＝7.5•机械分级变速箱的公比为机械分级变速箱的公比为• ＝（0.90～0.97）Rd ＝ 0.94×8 ＝7.52•由式（由式（3－－15）可知分级变速箱的级数为）可知分级变速箱的级数为• Z ＝ 1+lg7.5/lg7.52 ＝ 2•无级变速分级变速箱转速图如图无级变速分级变速箱转速图如图3－－28所示。

所示图图3－－28 无级变速分级变速箱转速图无级变速分级变速箱转速图 •由于分级变速器的公比由于分级变速器的公比 取值小于无级变速装置取值小于无级变速装置的变速范围的变速范围 ，，其结果使转速中间出现一小段重其结果使转速中间出现一小段重复，进而确保主轴转速连续复，进而确保主轴转速连续•五、数控机床主传动系统设计特点五、数控机床主传动系统设计特点•现代切削加工正朝向高速、高效和高精度方向发现代切削加工正朝向高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求，如主轴展，对机床的性能提出越来越高的要求，如主轴转速高；调速范围大，恒扭矩调速范围达转速高；调速范围大，恒扭矩调速范围达1:100～～1:1000，恒功率调速范围达，恒功率调速范围达1:10以上；功率范围达以上；功率范围达2.2～～250kW；能在切削加工中自动变换速度；机；能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单；噪声要小；动态性能要好；可靠性床结构简单；噪声要小；动态性能要好；可靠性要高等 •（一）主传动采用直流或交流电动机无级调速（一）主传动采用直流或交流电动机无级调速•数控机床、重型机床和精密机床已广泛地采用直数控机床、重型机床和精密机床已广泛地采用直流或交流电动机无级调速。

直流并激电动机从额流或交流电动机无级调速直流并激电动机从额定转速定转速 nd 至最高转速至最高转速 nmax ，采用调节磁场电流，采用调节磁场电流（调磁）的方法调速，属恒功率调速；从额定转（调磁）的方法调速，属恒功率调速；从额定转速速 nd 至最低转速至最低转速 nmin ，采用调节电枢电压（调压），采用调节电枢电压（调压）的方法调速，属恒转矩调速普通直流电动机的的方法调速，属恒转矩调速普通直流电动机的额定转速额定转速 nd 为为1000 ~ 2000r/min，恒功率调速范，恒功率调速范围为围为2 ~ 4，恒转矩调速范围达几十甚至，恒转矩调速范围达几十甚至100以上•交流（变频）调速电动机的额定转速为交流（变频）调速电动机的额定转速为1500r/min，，从额定转速至最高转速属恒功率调速，调速范围为从额定转速至最高转速属恒功率调速，调速范围为3~ 5 ；从额定转速；从额定转速•至最低转速属恒转至最低转速属恒转矩调速，调速范围矩调速，调速范围同样高达几十甚至同样高达几十甚至超过超过100•两种电动机的功率两种电动机的功率转矩特性见图转矩特性见图图图3-29 直流、交流调速电动机的功率转矩特性图直流、交流调速电动机的功率转矩特性图•如果如果采用上述直流或交流电动机驱动作旋转运动采用上述直流或交流电动机驱动作旋转运动的主轴实现无级调速，则由于主轴所要求的恒功的主轴实现无级调速，则由于主轴所要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围，率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围，因此，常用串联分级变速箱的方法来扩大其恒功因此，常用串联分级变速箱的方法来扩大其恒功率调速范围。

率调速范围•变速箱的公比变速箱的公比φf原则上应等于电动机恒功率调速原则上应等于电动机恒功率调速范围范围如果为了简化变速机构，应取如果为了简化变速机构，应取φf>Rp，但，但电动机的功率应选取比要求的功率大些电动机的功率应选取比要求的功率大些•（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计配设计•在设计数控机床主传动系统时，因主轴要求的恒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要远远大于电动机的恒功率变速范功率变速范围要远远大于电动机的恒功率变速范围，即围，即 ，所以在电动机与主轴间要，所以在电动机与主轴间要串联一个分级变速箱，以扩大其功率调速范围，串联一个分级变速箱，以扩大其功率调速范围，满足机床在低速大功率切削时对电动机输出功率满足机床在低速大功率切削时对电动机输出功率的要求•对串联分级变速箱公比对串联分级变速箱公比 的选取有下列三种情况：的选取有下列三种情况：•1）取）取•如变速箱的变速级数为如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范，则主轴的恒功率变速范围围 为为•则则•特点：功率特性图是连续的，无缺口、无重合。

特点：功率特性图是连续的，无缺口、无重合•【【例例】】有一数控机床，主轴有一数控机床，主轴nmax=4000r/min，，nmin=30r/min，，nj=145r/min最大切削功率最大切削功率Pmax=5.5kW，，采用交流调频主轴电动机，额定采用交流调频主轴电动机，额定转速转速nr=1500r/min，，ndmax=4500r/min•试设计分级变速箱的传动系统并选择电动机的试设计分级变速箱的传动系统并选择电动机的功率•【【解解】】 1））取变速箱公比等于电动机恒功率调速取变速箱公比等于电动机恒功率调速范围范围，即，即 ，，•主轴要求的恒功率调速范围主轴要求的恒功率调速范围•电动机的恒功率调速范围电动机的恒功率调速范围•可见可见 ，取，取 ，，•无级变速时无级变速时 •变速箱的变速级数变速箱的变速级数•如取总效率如取总效率η= 0.75，则电动机功率，则电动机功率• （kW）•可选可选P额额=7.5kW。

附图附图 数控机床采用三级变速箱的功率特性图数控机床采用三级变速箱的功率特性图附图附图 数控机床采用三级变速箱的传动系统图数控机床采用三级变速箱的传动系统图•若要简化变速箱结构，变速级数应少些，若要简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱变速箱公比公比 可取大于电动机的恒功率调速范围可取大于电动机的恒功率调速范围 •2）取）取•这时，变速箱每档内有部分低转速只能恒转矩变这时，变速箱每档内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统功率特性图中将出现速，主传动系统功率特性图中将出现“缺口缺口”，，称为功率降低区使用称为功率降低区使用“缺口缺口”范围内的转速时，范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率•主轴的恒功率变速范围主轴的恒功率变速范围 等于等于• 即即•因因 ，使主轴的恒功率区降低了范围：，使主轴的恒功率区降低了范围：•在该功率降低区电动机输出的最小功率为在该功率降低区电动机输出的最小功率为•若使该区电动机能输出额定功率，就需增大电动若使该区电动机能输出额定功率，就需增大电动机的功率。

机的功率•【【解解】】 2））为简化变速箱结构和操纵机构为简化变速箱结构和操纵机构，拟取，拟取 Z = 2，，•则则 •∴∴ ，可见，可见•由该功率特性图中可看出，由该功率特性图中可看出，BC 段和段和DE 段出现缺段出现缺口，要求电动机在口，要求电动机在870r/min时能得到时能得到附图附图 数控机床采用二级变速箱的功率特性图数控机床采用二级变速箱的功率特性图附图附图 数控机床采用二级变速箱的传动系统图数控机床采用二级变速箱的传动系统图•故电动机在故电动机在1500r/min时的输出功率应为时的输出功率应为• （kW）•可选可选P额额 = 15kW•由此可见，简化变速机构是以增大电动机功率作由此可见，简化变速机构是以增大电动机功率作为代价的为代价的•特点：结构得到简化，但功率特性图出现特点：结构得到简化，但功率特性图出现”缺口缺口” •3）如果数控机床为了恒线速切削需在运转中）如果数控机床为了恒线速切削需在运转中变速时，取变速时，取变速箱公比变速箱公比 小于电动机的恒功小于电动机的恒功率变速范围率变速范围 ，即，即 ，在主传动系功，在主传动系功率特性图上有小段重合，这时变速箱的变速率特性图上有小段重合，这时变速箱的变速级数将增多，其值仍可由前式算出。

级数将增多，其值仍可由前式算出•特点：功率特性图上有小段重合，这时变速特点：功率特性图上有小段重合，这时变速箱的变速级数将增多，结构变得复杂箱的变速级数将增多，结构变得复杂•【【解解】】3）取）取•如车削某一大端面，要求主轴在如车削某一大端面，要求主轴在500~2000r/min范围内连续变速范围内连续变速•如用方案如用方案 1），则只能使用），则只能使用 440 ~ 1330r/min 或或 1330~4000r/min，不适合•故取方案故取方案•如取如取Z = 4，， ∵∵• ∴∴•该结构可使主轴获得四段恒功率转速范围：该结构可使主轴获得四段恒功率转速范围：• 4000~1330r/min，，1900~630r/min，，• 900~300r/min，， 400~145r/min•本例中可选用本例中可选用1900~630r/min大致满足要求大致满足要求数控机床采用四级变速箱的数控机床采用四级变速箱的功率特性图功率特性图•这种恒功率段重合的设计方这种恒功率段重合的设计方法，在新式数控车床和车削加工法，在新式数控车床和车削加工中心中应用得越来越多。

目前，中心中应用得越来越多目前，配调速电动机的分离变速箱已形配调速电动机的分离变速箱已形成独立的功能部件，变速箱有不成独立的功能部件，变速箱有不同的公比、级数（通常同的公比、级数（通常2,3,4））和功率，已形成系列，由专门工和功率，已形成系列，由专门工厂制造，机床厂可根据需要外厂制造，机床厂可根据需要外购图图3-33 数控机床采用四级变速箱的功率特性图数控机床采用四级变速箱的功率特性图 （三）数控机床高速主传动系统设计（三）数控机床高速主传动系统设计•提高主传动系统中主轴转速是提高切削速度最直接有效的提高主传动系统中主轴转速是提高切削速度最直接有效的方法数控车床的主轴转速已由方法数控车床的主轴转速已由1000~2000r/min提高到提高到5000~7000r/min数控高速磨削砂轮的线速度由数控高速磨削砂轮的线速度由50~60m/s提高到提高到100~200 m/s•对于高速和超高速数控机床主传动，一般采用两种设计：对于高速和超高速数控机床主传动，一般采用两种设计：•1）采用联轴节将机床主轴和电动机轴串接在一起；）采用联轴节将机床主轴和电动机轴串接在一起；•2）将电动机与主轴合为一体，制成内装式电主轴，实现）将电动机与主轴合为一体，制成内装式电主轴，实现无任何中间环节的直接驱动。

无任何中间环节的直接驱动•（四）、（五）、（六）略四）、（五）、（六）略 课堂作业（二）课堂作业（二）• ①① 已知：已知： = 750/1500/3000 r/min，，Z=12，，φ=1.41•试写出该传动方案的结构式试写出该传动方案的结构式•②② 已知：已知： = 750/1500 r/min，，Z =18，，φ=1.26•试写出该传动方案的结构式试写出该传动方案的结构式。