3.4 机床的传动设计_无级变速解析

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。
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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
门刨床等)或起动力矩较大功机床。
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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源自文库调速电动机
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。
变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。
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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
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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：
《机械制造装备设计》
李益兵
Mail：ahlyb@163.com
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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
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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
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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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。
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第四节
无级变速系统设计
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。
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无级变速系统设计
3. 液压无级变速装置
Z 1
F
RPn
m
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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。
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。
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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
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。
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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