机械传动装置及设计

2011-01-15赵艳文

时代农机 2011年7期

杜娟，赵艳文

（西安法士特有限责任公司，陕西西安 710077）

1 现代机器的组成及运动机理

现代机器由原动机部分、传动部分、执行部分三个基本部分组成。原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。传动部分是把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需要的运动形式、运动及动力参数的中间传动装置。机器的传动部分多数使用机械传动系统。它是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分，其质量和成本在整台机器的质量和成本中占有很大的比例。机器的工作性能在很大程度上取决于传动装置的优劣。

2 传动设置简介

机械传动装置的主要功用是将一根轴的旋转运动和动力传给另一根轴，并且可以改变转速的大小和转动的方向。常用的机械传动装置有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等。

2.1 主传动的组成

主传动一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机够等组成部分。动力源给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；变速装置传递动力以及变换运动速度；执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。开停机构用来实现机床主轴的启动和停止的装置；换向机构用来变换机床主轴旋转方向的装置；制动机构用来控制机床主轴迅速停转的装置，以减少辅助时间。

2.2 主传动系统的设计要求

数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动要求外，还提出如下要求。

（1）具有更大的调速范围，并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有最高的转速和更大的调速范围。

（2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性。

（3）良好的抗振性和热稳定性。数控机床上一般既要进行粗加工，又要进行精加工。加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因，引起的冲击力或交变力的干扰，因此在主传动系统中各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力——抗振性。

机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差。为此，要求主轴部件具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。

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3 主传动系统的设计

数控机床采用无级变速系统，以利于在一定的调速范围内选择到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。

3.1 无级变速主传动设计原则

（1）尽量选择功率或扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置。如执行件作直线主运动的主传动系，对变速装置的要求是恒扭矩传动；如主传动系要求恒功率传动，就应该选择恒功率无级变速装置。

（2）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，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。如机床主轴要求的变速范围为Rn，选取的无级变速装置的变速范围为Rd，串联分级变速箱的变速范围Rf应为：Rf=Rn/Rd=φfz-1。

式中，z为机械分级变速箱的变速级数；φf为机械分级变速箱的公比。

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，其公比理论上应等于无级变速装置的变速范围Rd。实际上由于机械无级变速装置属于摩擦传动，有相对滑动现象，可能得不到理论上的转速。为了得到连续的无级变速，设计时应该使分级变速箱的公比略小于无级变速装置的变速范围，即取覬f=（0.90～0.97）Rd使转速之间有一小段重叠，保证转速连续。

3.2 数控机床主传动系设计特点

（2）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计。在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围Rnp远大于电动机的恒功率变速范围Rdp，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大恒功率调速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。

3.3 变速箱公比的选取

（1）变速箱的公比覬f等于电动机的恒功率调速范围Rdp。即覬f=Rdp，功率特性图是连续的，无缺口和无重合。如变速箱的变速级数为z，则主轴的恒功率变速范围Rnp：Rnp=覬fz-1gRdp=覬fz-1g覬f=覬fz