機(jī)械傳動裝置及設(shè)計(jì)

杜 娟，趙艷文

（西安法士特有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

1 現(xiàn)代機(jī)器的組成及運(yùn)動機(jī)理

現(xiàn)代機(jī)器由原動機(jī)部分、傳動部分、執(zhí)行部分三個(gè)基本部分組成。原動機(jī)部分是驅(qū)動整部機(jī)器以完成預(yù)定功能的動力源。執(zhí)行部分是用來完成機(jī)器預(yù)定功能的組成部分。傳動部分是把原動機(jī)的運(yùn)動形式、運(yùn)動及動力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需要的運(yùn)動形式、運(yùn)動及動力參數(shù)的中間傳動裝置。機(jī)器的傳動部分多數(shù)使用機(jī)械傳動系統(tǒng)。它是絕大多數(shù)機(jī)器不可缺少的重要組成部分，其質(zhì)量和成本在整臺機(jī)器的質(zhì)量和成本中占有很大的比例。機(jī)器的工作性能在很大程度上取決于傳動裝置的優(yōu)劣。

2 傳動設(shè)置簡介

機(jī)械傳動裝置的主要功用是將一根軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和動力傳給另一根軸，并且可以改變轉(zhuǎn)速的大小和轉(zhuǎn)動的方向。常用的機(jī)械傳動裝置有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動等。

2.1 主傳動的組成

主傳動一般由動力源（如電動機(jī)）、變速裝置及執(zhí)行件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機(jī)夠等組成部分。動力源給執(zhí)行件提供動力，并使其得到一定的運(yùn)動速度和方向；變速裝置傳遞動力以及變換運(yùn)動速度；執(zhí)行件執(zhí)行機(jī)床所需的運(yùn)動，完成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動。開停機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的啟動和停止的裝置；換向機(jī)構(gòu)用來變換機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)方向的裝置；制動機(jī)構(gòu)用來控制機(jī)床主軸迅速停轉(zhuǎn)的裝置，以減少輔助時(shí)間。

2.2 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動要求外，還提出如下要求。

（1）具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。數(shù)控機(jī)床為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有最高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。

（2）具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性。

（3）良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)行粗加工，又要進(jìn)行精加工。加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因，引起的沖擊力或交變力的干擾，因此在主傳動系統(tǒng)中各主要零部件不但要具有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力——抗振性。

機(jī)床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運(yùn)動精度造成的加工誤差。為此，要求主軸部件具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實(shí)現(xiàn)。

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3 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床采用無級變速系統(tǒng)，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。

3.1 無級變速主傳動設(shè)計(jì)原則

（1）盡量選擇功率或扭矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置。如執(zhí)行件作直線主運(yùn)動的主傳動系，對變速裝置的要求是恒扭矩傳動；如主傳動系要求恒功率傳動，就應(yīng)該選擇恒功率無級變速裝置。

（2）無級變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，其調(diào)速范圍較小，滿足不了要求，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往遠(yuǎn)小于機(jī)床實(shí)際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無級變速裝置與機(jī)械分級變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴(kuò)大恒功率變速范圍和整個(gè)變速范圍。如機(jī)床主軸要求的變速范圍為Rn，選取的無級變速裝置的變速范圍為Rd，串聯(lián)分級變速箱的變速范圍Rf應(yīng)為：Rf=Rn/Rd=φfz-1。

式中，z為機(jī)械分級變速箱的變速級數(shù)；φf為機(jī)械分級變速箱的公比。

通常，無級變速裝置作為傳動系中的基本組，而分級變速作為擴(kuò)大組，其公比理論上應(yīng)等于無級變速裝置的變速范圍Rd。實(shí)際上由于機(jī)械無級變速裝置屬于摩擦傳動，有相對滑動現(xiàn)象，可能得不到理論上的轉(zhuǎn)速。為了得到連續(xù)的無級變速，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使分級變速箱的公比略小于無級變速裝置的變速范圍，即取覬f=（0.90～0.97）Rd使轉(zhuǎn)速之間有一小段重疊，保證轉(zhuǎn)速連續(xù)。

3.2 數(shù)控機(jī)床主傳動系設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（2）數(shù)控機(jī)床驅(qū)動電動機(jī)和主軸功率特性的匹配設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床主傳動時(shí)，必須要考慮電動機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍Rnp遠(yuǎn)大于電動機(jī)的恒功率變速范圍Rdp，所以在電動機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級變速箱，以擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時(shí)對電動機(jī)的輸出功率的要求。

3.3 變速箱公比的選取

（1）變速箱的公比覬f等于電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍Rdp。即覬f=Rdp，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。如變速箱的變速級數(shù)為z，則主軸的恒功率變速范圍Rnp：Rnp=覬fz-1gRdp=覬fz-1g覬f=覬fz

（3）如果數(shù)控機(jī)床為了恒線速切削需在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速時(shí)，取變速箱公比覬f小于電動機(jī)恒功率的調(diào)速范圍Rdp，即覬f＜Rdp，在主傳動系功率特性圖上有小段重合，這時(shí)變速箱的變速級數(shù)仍可由上式算出。

4 結(jié)語

在機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，通常可根據(jù)設(shè)計(jì)要求擬定出多種設(shè)計(jì)方案，最終通過分析比較提供最優(yōu)的方案。而一個(gè)方案的優(yōu)劣，只有通過科學(xué)的評價(jià)來確定。只有掌握機(jī)械傳動設(shè)置特點(diǎn)，才能使設(shè)計(jì)出的方案通過科學(xué)的評價(jià)。