3.4 机床的传动设计_无级变速解析
机床设计-传动系统
转速图的绘制
主传动系统的传动路线表达式：
36
1
主电机 440r / min
φ126 φ256
I
3306 4224
II
42
4222 62
III
60
1380 72
IV(主
轴)
48
主轴的转速计算：
126
n主轴
=
n电机
× 256
×uI-II
×uII-III
×uIII-IV
a
126
n主轴max
=
n电机
× 256
×uI
-II
max
×uII -III max
×uIII-IVmax
126
n主轴min
=
n电机
× 256
×uI
-II
min
×uII -III min
×uIII-IVmin
直接标出转速值 。 注意： 转速格线间距大小并不代表公比ф的
数值大小。
转速图一点三线 转速点——传动轴上的圆点，表示该轴具有的转速。
如轴Ⅳ（主轴）上有12个圆点，表示具有12级转速。
传动线——相邻两轴的相关两个 转速点之间的连线。
传传动比大于1其对数值为正，传 动线向右上倾斜；
应用： 普通机床应用最为广泛的一种变速方式。
变速方式的选择
主传动系统的变速方式分为无级变速和有级变速两种。
（1）有级变速 变速机构——是指在输入轴转速不变的条件下，使输出轴获得不 同转速的传动装置。 有级（或分级）变速机构
➢滑移齿轮变速机构 ➢交换齿轮变速机构 ➢多速电动机 ➢离合器变速机构 ➢摆移变速机构
数控机床变速箱设计与运行分析
数控机床变速箱设计与运行分析1. 引言数控机床是现代制造业中必不可少的设备，而变速箱作为数控机床的核心部件之一，在机床的运行过程中扮演着重要的角色。
本文将对数控机床变速箱的设计与运行进行分析，探讨其对机床性能和精度的影响。
2. 数控机床变速箱的设计原理2.1 变速箱的结构数控机床变速箱通常由齿轮、轴承、轴等部件组成。
齿轮的选择和布局是变速箱设计的关键，其可以通过不同齿轮的组合实现不同的速度变换。
2.2 变速箱的传动原理数控机床变速箱采用齿轮传动的方式实现运动传递。
不同组合的齿轮可以实现不同的传动比，从而实现机床主轴的不同速度和转矩需求。
3. 数控机床变速箱设计的关键技术3.1 齿轮的选材和加工工艺齿轮是数控机床变速箱的核心部件，其选材和加工工艺直接影响着变速箱的运行性能和寿命。
合理选择材料和采用精密加工工艺可以有效提高齿轮的强度和耐磨性。
3.2 变速箱的布局和优化设计变速箱的布局和设计对机床性能和精度具有重要影响。
通过优化设计齿轮布局、减小齿轮间的传动误差和提高传动效率，可以进一步提高机床的加工精度和稳定性。
4. 数控机床变速箱运行分析4.1 变速箱的工作环境和要求数控机床变速箱在工作过程中面临着高速旋转、大负荷和连续工作等环境要求。
因此，变速箱的设计需要考虑传动效率、噪音和热量等问题，以确保机床的稳定运行和长寿命。
4.2 变速箱运行中的故障分析与处理数控机床变速箱在长时间运行中可能出现齿轮断齿、轴承损坏等故障。
及时发现并处理这些故障是保证机床正常运行的关键。
通过振动监测和润滑状态检测等手段，可以提前发现故障并进行维修。
5. 结论数控机床变速箱设计与运行分析对机床性能和精度具有重要影响。
合理的变速箱设计和优化运行分析可以提高机床的稳定性、加工精度和寿命。
在未来的发展中，需要进一步研究和优化变速箱的设计和运行，以满足不断提高的制造需求。
机床设计主传动系设计解析
2.3.2 主传动系分类和传动方式 （一）主传动系分类：可按不同特征分类
1．按驱动主运动的电动机类型： 交流电动机、直流电动机；
2．按传动装置类型：机械传动装置、液压传动 装置、电气传动装置及其组合；
3．按变速的连续性：★ 无级变速传动、有级（分级）变速传动
（1）无级变速传动： 在一定速度(或转速)范围内能连续、任意改变 速度 (或转速)。
（1）确定变速组的个数和传动副数 可采用双联、三联、或四联滑移齿轮变速组。
（2）确定传动顺序方案：各变速组在传动链中先后顺序。 一般根据传动副“前多后少”原则; 结构或使用上特殊要求可采用其它传动顺序方案。
（3）确定扩大顺序方案： 各变速组的级比指数由小到大的排列顺序。 一般根据变速组的“扩大顺序与传动顺序相一致” 原则； 采用其它扩大顺序方案，应进行分析比较。
22
62
X1 P0 3
P1 2
60
R2
uc1 uc2
301.416 X2(P21)
18
72
X2P0P16
P2 2
R n R 0 R 1 R 2 R j 1 .42 1 1 .43 1 1 .46 1 n n m m a i1 n 3 x.5 4 1 4 05 0
2．齿轮变速组传动比和变速范围限制
③电气无级变速器 采用直流或交流调速电动机来实现变速。主要用于数控机床、精密和大型机床。可 以与机械分级变速装置串联使用。
◆直流调速电动机——采用调压和调磁方式来得到主轴所需要的转速： 恒功率调速段——额定转速到最高转速之间是用调节磁场的方式实现调速； 恒转矩调速段——最低转速到额定转速之间是用调节电枢电压的方式实现调速。
◆交流调速电动机——通常采用变频调速方式进行调速。调速性能好、效率高，调速范围 宽，结构上无电刷和换向器。
无级变速器工作原理
无级变速器工作原理无级变速器是一种能够实现无级变速的传动装置，它可以根据车辆的速度和负载情况，实现连续平稳的变速过程，从而提高车辆的燃油经济性和驾驶舒适性。
无级变速器的工作原理主要包括两种类型，摩擦式和液力式。
首先，我们来看摩擦式无级变速器的工作原理。
摩擦式无级变速器采用一对金属带或链条，在两个圆锥形的轮毂之间形成摩擦力，通过改变带或链条的位置来实现变速。
当两个轮毂的直径不同时，带或链条在不同位置的接触半径也不同，从而实现不同的传动比。
这种设计可以实现无级变速，但由于摩擦带或链条的磨损和热量产生，摩擦式无级变速器通常用于低功率的小型车辆。
其次，液力式无级变速器的工作原理是利用液体的动力传递特性来实现变速。
液力式无级变速器由两个液力变矩器和一个锥形齿轮组成。
液力变矩器由泵轮和涡轮组成，液体通过泵轮的旋转产生液压力，从而带动涡轮旋转。
当液体通过液力变矩器时，可以通过改变泵轮和涡轮之间的液压力来实现连续的变速。
而锥形齿轮则可以根据需要改变传动比，从而实现不同速度的输出。
液力式无级变速器的优点是可以承受大功率的传动，但由于液体的粘性和泵轮与涡轮之间的摩擦，能量损失较大。
无级变速器的工作原理虽然有所不同，但其本质都是通过改变传动比来实现车辆的无级变速。
无级变速器的发展可以提高车辆的燃油经济性和驾驶舒适性，是汽车传动技术的重要进步。
在未来，随着材料和制造工艺的不断进步，无级变速器将会更加普及，并为汽车行业带来更多的发展机遇。
总之，无级变速器的工作原理是通过改变传动比来实现车辆的无级变速，摩擦式和液力式是两种常见的无级变速器类型。
无级变速器的发展将会为汽车行业带来更多的发展机遇，提高车辆的燃油经济性和驾驶舒适性。
希望本文的介绍能够帮助大家更好地理解无级变速器的工作原理。
无级变速器工作原理
无级变速器工作原理无级变速器是一种能够无级变换传动比的变速器，它的工作原理是通过一对摩擦轮来实现传动。
无级变速器的工作原理可以简单地理解为通过改变摩擦轮的直径来实现传动比的调整，从而实现车辆的加速和减速。
首先，无级变速器由两对摩擦轮组成，分别为主动轮和从动轮。
主动轮由发动机带动，而从动轮则连接到车辆的传动系统。
在无级变速器中，主动轮和从动轮之间通过一根金属链条或钢带相连。
当车辆需要加速时，发动机会提高转速，主动轮也会随之加速。
此时，通过控制液压系统或电子控制单元，从动轮上的摩擦轮会逐渐向外移动，导致链条或钢带在主动轮和从动轮之间形成不同直径的摩擦轮。
这样一来，传动比就会随之改变，从而实现车辆的加速。
相反，当车辆需要减速或停车时，发动机的转速会减小，主动轮也会相应减速。
在这种情况下，从动轮上的摩擦轮会向内移动，使得链条或钢带在主动轮和从动轮之间形成更小直径的摩擦轮。
这样一来，传动比也会相应减小，从而实现车辆的减速或停车。
总的来说，无级变速器的工作原理是通过控制摩擦轮的直径来实现传动比的调整，从而实现车辆的加速、减速和停车。
与传统的机械式变速器相比，无级变速器具有传动效率高、顺畅换挡、动力输出平稳等优点，因此在现代汽车中得到了广泛应用。
需要注意的是，无级变速器在实际使用中需要注意保养和维护，避免摩擦轮磨损过快或液压系统故障导致传动失效。
同时，由于无级变速器的工作原理较为复杂，需要专业技术人员进行维修和调整，因此在出现故障时应及时求助于专业维修人员进行处理。
综上所述，无级变速器的工作原理是通过控制摩擦轮的直径来实现传动比的调整，从而实现车辆的加速、减速和停车。
它具有传动效率高、顺畅换挡、动力输出平稳等优点，在现代汽车中得到了广泛应用。
然而，在使用过程中需要注意保养和维护，并且在出现故障时应及时求助于专业维修人员进行处理，以确保车辆的正常运行。
3.4 机床的传动设计_无级变速
F
RPn
m
12
第四节 无级变速系统设计
一般把无级变速组作为基本组，分级变速作扩大组，理论 上 f Rm 。考虑到机械摩擦传动会产生滑动，为了得到连续的 无级变速范围，应使齿轮变速组的公比略小于无级变速器的变速 范围，即 f (0.90 ~ 0.97) Rm ，使转速之间有一小段重叠，保证转 速连续。
为Rm，串联的机械分级变速箱的变速范围 Rf 应为
Rf RPn / Rm f
Z 1
机械分级变速箱的变速级数 机械分级变速箱的公比
10
第四节 无级变速系统设计
调速电动机的恒功率变速范围为φm，调速电动机串联k级双 速变速组后，能获得的最大变速范围是，RPn=φFz，Z=2k 串联的分级变速传动的公比φF =φm。即串联的分级传动系统 的公比等于电动机恒功率变速范围时，输出的无级转速的变速 范围最大。 换言之，变速范围一定，当分级传动系统的公比φF=φm时， 需串联的变速组数最少。
《机械制造装备设计》
李益兵
Mail：ahlyb@
1
第二章 机床的传动设计
本章主要教学内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 分级变速主传动系统设计 扩大变速范围的传动系统设计 计算转速 无级变速系统设计 进给传动系统设计 结构设计
2
第四节 无级变速系统设计
一、无级变速主传动系统的分类
何谓无级变速？ 无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变速， 从而获取最有利的切削速度。 无级变速的特点：
1. 可以获得最有利的切削速度，无相对转速损失；
2. 能在加工过程中实现变速，保持恒速切削； 3. 无极变速器通常是电变速组，恒功率变速范围2-4，恒转矩
无级变速器的工作原理
无级变速器的工作原理
无级变速器（CVT）是一种车辆传动系统，它主要通过调整发动机和驱动轮之间的传动比例来实现无级的变速效果。
与传统的手动或自动变速器相比，CVT能够实现更顺畅的加速和变速过程。
CVT的工作原理基于两个主要组件：驱动轮和驱动腔。
驱动轮由两个钢带或链条组成，它们分别连接发动机和传动装置。
驱动腔是一个金属壳体，内部有一个推动轴，在推动轴的两端装有多个滑块和活塞。
当发动机运转时，它会通过驱动轮传递动力。
当驱动轮开始运动时，推动轴会开始旋转。
通过改变滑块和活塞的位置，来改变传动轴和驱动轮之间的连接方式。
这种方式可以实现无级变速的效果。
具体来说，通过在驱动腔内增加或减少液体（通常是油），可以改变滑块和活塞的位置和数量。
这个过程是由一个液压系统来控制的，它包括一个油泵、液压阀和液体储存器。
当需要提供更高的功率时，液压系统会增加液体的量，使得驱动腔内产生更多的油压。
这样可以增加推动轴的旋转速度，从而提高车辆的加速度。
而当需要提供更低的功率时，液压系统会减少液体的量，使得推动轴的旋转速度降低。
这样可以实现平稳的变速过程。
总的来说，CVT通过改变滑块和活塞的位置和数量，来调整传动轴和驱动轮之间的连接方式，从而实现无级变速的效果。
它的工作原理基于液压系统的调节，能够提供更顺畅和高效的车辆驱动体验。
机械制造装备设计第二章 机床的传动设计
综上所述，转速图 可以很清楚地表示：
１、主轴各级转速的传 动路线；
２、得到这些转速所需
电机 Ⅰ a Ⅱ b Ⅲ c Ⅳ
60:30 36:36 42:42 30:42 24:48
1440 r/min 1000 710 500 355
要的变速组数目及每个
250
变速组中的传动副数目； ３、各个传动比的数值；
注意：转速图上竖直线间距均 匀并不表示各轴中心距相等， 只是为了使图面美观清晰。
ⅡⅢⅣ
1440 r/min 1000 710 500 355 250 180 125 90 63 45 3 2.1.1 .1转速图概念
(2) 各级转速的指代（主轴转速线、转速点）
2.1分级变速主传动系统设计－－2.1.1.2转速图原理
电机 Ⅰ a Ⅱ b Ⅲ
轴Ⅱ－Ⅲ间 的变速组ｂ
Ⅳ
1440 r/min
有 两 个 传 动 副 （ Pb ＝ 2 ） ， 其传动比依此为：
ib1=22/62=1/2.82=1/ 3，
36:36 42:42 30:42
24:48
1000
710
500
22:62 355
250
降速，向右下方倾斜三格
180
125
ib2=42/42=1=1/ ０，
90
等速，连线水平。
63
45
31.5
返回
2.1分级变速主传动系统设计－－2.1.1.2转速图原理
电机 Ⅰ a Ⅱ b Ⅲ c Ⅳ
轴Ⅲ-Ⅳ间 的变速组c有两 个传动副（Pc＝2），其 传动比依此为：
ic1=18/72=1/4= 1/ 4，
转速图包括一点三线：转速点，转速线，传动轴 线，传动线。
无级变速器工作原理
无级变速器工作原理
无级变速器是一种能够实现连续无级变速的机械装置，它的工作原理如下：
1. 首先，无级变速器由两个主要部分组成：驱动轮和驱动带。
驱动轮是连接到发动机的组件，它能够转动并传递动力。
驱动带则连接到驱动轮并沿着固定的轨道移动。
2. 当发动机转动时，驱动轮会将动力传输到驱动带上。
驱动带的移动速度可以通过改变其位置和沿着轨道的运动路径来实现。
3. 无级变速器通过改变驱动带的位置来改变传递动力的半径。
具体来说，通过改变驱动带与驱动轮接触的位置，可以改变两者之间的半径差。
4. 当驱动带与驱动轮接触的位置越靠近驱动轮的中心，半径差就越小。
相反，当驱动带与驱动轮接触的位置越靠近驱动轮的外部，半径差就越大。
5. 通过改变半径差，无级变速器可以有效地实现不同的速度变化。
当半径差较大时，驱动轮的转速会比发动机转速快，从而提供较高的车速。
相反，当半径差较小时，驱动轮的转速会比发动机转速慢，从而提供较低的车速。
6. 通过不断调整驱动带的位置，无级变速器可以在发动机的不同转速下获得最佳的速度输出。
因此，驾驶员无需手动操控传统的离合器和变速器，无级变速器可以根据实际驾驶需求进行
自动调整，提供更加顺畅和高效的动力输出。
总而言之，无级变速器通过改变驱动带的位置来改变传递动力的半径差，从而实现连续无级变速。
这种工作原理能够提供更加顺畅和高效的动力输出，提高车辆的驾驶性能和燃油经济性。
无级变速箱工作原理
无级变速箱工作原理无级变速箱，又称为CVT（Continuously Variable Transmission），是一种能够实现无级变速的汽车变速箱。
相比传统的手动变速箱和自动变速箱，无级变速箱具有更加平稳的加速性能和更高的燃油经济性。
本文将介绍无级变速箱的工作原理，从机械结构、传动方式和控制系统等方面进行详细阐述。
无级变速箱的工作原理主要依靠两组皮带和一对锥形滚子来实现。
其中一组皮带连接发动机和变速箱的输入轴，另一组皮带连接变速箱的输出轴。
而锥形滚子则通过液压系统来调节其位置，从而改变皮带的有效直径，实现不同速比的传动。
在汽车行驶过程中，发动机产生的动力通过变速箱的输入轴传递到变速箱内部。
首先，动力通过液压系统调节锥形滚子的位置，使得皮带的有效直径发生变化，从而实现不同速比的传动。
这样就可以实现无级变速的效果，使得发动机在不同转速下都能够保持最佳的工作状态。
无级变速箱的优点在于其能够实现平稳的加速和高效的燃油经济性。
由于可以实现无级变速，发动机可以始终保持在最佳转速范围内工作，减少了能量损失，提高了燃油经济性。
同时，无级变速箱在加速过程中可以实现平滑的速度变化，避免了传统变速箱中的换挡冲击，提高了驾驶的舒适性。
除了机械结构之外，无级变速箱的工作还依赖于精密的控制系统。
控制系统通过传感器实时监测发动机转速、车速、油门开度等参数，根据这些参数来调节液压系统，实现锥形滚子的精准控制。
这样就可以保证无级变速箱在不同工况下都能够实现最佳的传动效果。
总的来说，无级变速箱通过机械结构和精密的控制系统实现了无级变速的效果，从而提高了汽车的燃油经济性和驾驶舒适性。
随着汽车技术的不断发展，无级变速箱将会在未来得到更广泛的应用，为汽车行业带来更大的改变。
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为Rm，串联的机械分级变速箱的变速范围 Rf 应为
Rf RPn / Rm f
Z 1
机械分级变速箱的变速级数 机械分级变速箱的公比
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第四节
无级变速系统设计
调速电动机的恒功率变速范围为φm，调速电动机串联k级双 速变速组后，能获得的最大变速范围是，RPn=φFz，Z=2k 串联的分级变速传动的公比φF =φm。即串联的分级传动系统 的公比等于电动机恒功率变速范围时，输出的无级转速的变速 范围最大。 换言之，变速范围一定，当分级传动系统的公比φF=φm时， 需串联的变速组数最少。
• 伺服电动机和步进电动机都是恒转矩变速范围，且功率不大。 只能用于直线进给运动和辅助运动。一般常用于数控机床直线
进给运动和辅助运动。
直流或交流变速电动机恒功率调速范围都比较窄，前者约 为2-4，后者约为3-5。然而它们的恒转矩调速范围则很宽，通 常达几十到一百或一百以上。
6
第四节
无级变速系统设计
矩传动，如龙门刨床的工作台等，就应选择恒转矩为主的无级变速
装置，如直流电动机。 ② 如主运动要求恒功率传动，如车床或铣床的主轴，就应选
择恒功率无级变速装置，如柯普B型和K型的机械无级变速装置、
变速电动机串联机械分级变速箱等。
9
第四节
无级变速系统设计
二、无级变速主传动系设计原则
（2）无级变速装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要 求，尤其是调速电动机的恒功率调速范围Rm往往小于机床主轴实 际需要的恒功率变速范围RPn。为此，无级变速装置常与机械分级 变速箱串联，扩大变速范围。即电动机的额度转速产生主轴的计算 转速，电动机的最高转速产生主轴的最高转速。 若机床主轴要求的变速范围为RPn，选取的无级变速装置范围
13
第四节
无级变速系统设计
例 设机床主轴的变速范围 RPn=60，无级变速箱的变速范围
Rm=8，设计机械分级变速箱，求出其级数。
解：机械分级变速箱的变速范围为 R f RPn / Rm 60 / 8 7.5 机械分级变速箱的公比为 由 Rf RPn / Rm f Z 1
f 0.94Rm 0.94 8 7.52
变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。
4
第四节
无级变速系统设计
直流调速电动机，额定转速至最高转速用调节磁场电流（调 磁）的办法来调速，属于恒功率调整；从额定转速向下至最低转 速是用调节电枢电压（调压）的办法调速，属于恒转矩调速。 直流电动机靠机械换向器将电枢电路与电源连接起来，换向 器限制了电动机的最高转速。适用于大型机床(例如龙门铣床，龙
Z 1
F
RPn
m
12
第四节
无级变速系统设计
一般把无级变速组作为基本组，分级变速作扩大组，理论 上 f Rm 。考虑到机械摩擦传动会产生滑动，为了得到连续的 无级变速范围，应使齿轮变速组的公比略小于无级变速器的变速 范围，即 f (0.90 ~ 0.97) Rm ，使转速之间有一小段重叠，保证转 速连续。
3
第四节
无级变速系统设计
一、无级变速主传动系统的分类
机床主传动中常采用的无级变速装置有：变速电动机、机械无
级变速装置和液压无级变速装置。
目前，广泛用直流或交流调速电动机作为机床的动力源，以实 现执行件的无级调速。直流调速电动机占主导地位。
1.调速电动机
变速电动机有：直流复激电动机和交流变频电动机，恒功率变 速范围仅2~3。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之 间需串联一个分级变速箱。
门刨床等)或起动力矩较ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ功机床。
5
第四节
无级变速系统设计
• 交流调速电动机是靠调节供电频率调速，因此，常称为“调频 主轴电动机”。 • 交流调速电动机的额定转速为1500r/min或2000r/min，恒功率 变速范围为3～4，最高转速为4500r/min、6000r/min、
8000r/min，最低转速可达6r/min，恒转矩变速范围超过200。
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第二章 机床的传动设计
本章主要教学内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 分级变速主传动系统设计 扩大变速范围的传动系统设计 计算转速 无级变速系统设计 进给传动系统设计 结构设计
2
第四节
何谓无级变速？
无级变速系统设计
一、无级变速主传动系统的分类
无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变速， 从而获取最有利的切削速度。 无级变速的特点：
1. 可以获得最有利的切削速度，无相对转速损失；
2. 能在加工过程中实现变速，保持恒速切削； 3. 无极变速器通常是电变速组，恒功率变速范围2-4，恒转矩
变速范围大于100，缩短传动链简化结构设计；
4. 无极变速容易实现自动化操作。 主要应用场合：数控机床、高精度机床和大型机床等。
11
第四节
无级变速系统设计
设计无级变速系统时，主轴的变速范围一定，可用如下 关系式得到至少需要串联的变速组数
Z min
lg RPn lg lg 2k kmin log2 Z min lg m lg m lg m
Z F 2k m
k为自然数，且采用收尾法圆整，即：1＜Zmin＜=2时，Z=2； 2＜Zmin＜=4时，Z=4；…。 因此，分级传动系统的公比一般比电动机的恒功率变速范 围小，分级传动系统的实际公比为：
通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现 无极变速装置。特点是变速范围较大，变速方便，传动平稳，运动 换向冲击小，易于实现直线运动和自动化。 常用于主运动为直线运动的机床中。
8
第四节
无级变速系统设计
二、无级变速主传动系设计原则
（1）选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置 ① 执行件作直线主运动的主传动系，对变速装置要求是恒扭
2. 机械无级变速装置
机械无级变速装置有柯普型、行星锥轮型等多种结构。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。变速范围小，通常与分级变速机构串联使用。 应用于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，更多用于进给变速传动中。
7
第四节
无级变速系统设计
3. 液压无级变速装置