第二章 机床的传动设计(2)
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机床设计-传动系统
1400r/min 1000 710 500 355 250 180 125 90 63 45 31.5
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
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
第二章 机床的运动分析
§4 机床常用传动机构
§5 机床运动的调整
一、机床的传动联系
每个运动，都有以下三个基本部分
• 执行件：它们是执行运动的部件，其任务 是带工件或刀具完成旋转或直线运动，并 保持准确的运动轨迹。
• 动力源：它是提供动力的装置。 • 传动装置：它是传递动力和运动的装置。 通过它把动源的动力传递给执行件或把一 个执行件的运动传递给另一个执行件。
2、切入运动
二、辅助运动
1．各种空行程运动 使刀具切入工件，以获 得进行成形运动所需的 2、切入运动 3．分度运动
4．操纵和控制运动
工件和刀具位置的运动， 称为切入运动 。
切入运动用于保证被加 工表面获得所需要的尺 寸。
二、辅助运动
1．各种空行程运动
2、切入运动
加工若干个完全相同的 均匀分布的表面时，为 3．分度运动 使表面成形运动得以周 4．操纵和控制运动 期地继续进行的运动称 为分度运动。
应当指出，被形 成的表面形状，不仅取 决于刀刃形状及表面形 成方法，而且还取决于 发生线的原始位置。
第二章 机床的运动分析
§1 工件的加工表面及其形成方法
§2 机床的运动
§3 机床的传动联系和传动原理图
§4 机床常用传动机构
§5 机床运动的调整
一、表面成形运动
• 表面成形运动(简称成形运动)是保证得到 工件要求的表面形状的运动。
二、变速组
变速是机床传动系统的主要功能。在数 控机床上以采用调速电动机变速为主，通用 机床则多采用机械的变速机构来实现分级变 速。常用机械分级变速机构有滑移齿轮变速 组、离合器变速组、挂轮变速组等。
三、变向机构
变向机构用来改变机床执行件的运动 方向。常用机械式变向机构有两种：
§5 机床运动的调整
一、机床的传动联系
每个运动，都有以下三个基本部分
• 执行件：它们是执行运动的部件，其任务 是带工件或刀具完成旋转或直线运动，并 保持准确的运动轨迹。
• 动力源：它是提供动力的装置。 • 传动装置：它是传递动力和运动的装置。 通过它把动源的动力传递给执行件或把一 个执行件的运动传递给另一个执行件。
2、切入运动
二、辅助运动
1．各种空行程运动 使刀具切入工件，以获 得进行成形运动所需的 2、切入运动 3．分度运动
4．操纵和控制运动
工件和刀具位置的运动， 称为切入运动 。
切入运动用于保证被加 工表面获得所需要的尺 寸。
二、辅助运动
1．各种空行程运动
2、切入运动
加工若干个完全相同的 均匀分布的表面时，为 3．分度运动 使表面成形运动得以周 4．操纵和控制运动 期地继续进行的运动称 为分度运动。
应当指出，被形 成的表面形状，不仅取 决于刀刃形状及表面形 成方法，而且还取决于 发生线的原始位置。
第二章 机床的运动分析
§1 工件的加工表面及其形成方法
§2 机床的运动
§3 机床的传动联系和传动原理图
§4 机床常用传动机构
§5 机床运动的调整
一、表面成形运动
• 表面成形运动(简称成形运动)是保证得到 工件要求的表面形状的运动。
二、变速组
变速是机床传动系统的主要功能。在数 控机床上以采用调速电动机变速为主，通用 机床则多采用机械的变速机构来实现分级变 速。常用机械分级变速机构有滑移齿轮变速 组、离合器变速组、挂轮变速组等。
三、变向机构
变向机构用来改变机床执行件的运动 方向。常用机械式变向机构有两种：
机械制造装备设计考试重点
绪论一、机械制造装备的地位与发展1.制造业的地位制造业是一个国家国民经济发展的重要支柱，其发展水平是衡量一个国家经济实力、科技水平和综合国力的重要标志之一。
2.机械制造业的地位机械制造业是制造业的核心，是向其他各行业提供工具，仪器及各种先进制造装备的行业。
3.机械制造装备的地位机械制造装备的先进程度决定制造业的生产能力和水平。
提高机械制造装备的技术水平是机械制造业乃至国民经济稳定发展的当务之急。
4.制造装备的核心——机床金属切削机床担负了制造业40%~60%的工作，其水平直接影响产品质量和劳动生产率。
机床工业水平在很大程度上代表着一个国家的工业生产能力和科学技术水平。
5.机械制造装备发展史机械制造装备工业是随着先进制造技术、先进制造生产模式、先进工艺技术的发展而不断更新的。
20世纪50~60年代：“规模效益”模式。
产品品种单一，为满足市场需要，广泛采用生产单一品种的自动机床、组合机床和专用生产线。
以满足大批量生产，提高劳动生产率的需求。
20世纪70年代：“精益生产”模式社会需求多样化、市场竞争日益激烈。
生产企业既要提高产品质量，又要频繁地改型，缩短生产周期。
因此，采用数控机床来有效的自动化生产单件、小批量的精密复杂零件。
20世纪80年代：“FMS和CIMS生产”模式世界经济的发展，制造业为了赢得全球化竞争，开发了CAD、CAM、CAPP、MRP、GT、CE、FMS、TQC、CIMS等先进制造技术的管理方法，以缩短生产周期，提高产品质量，降低产品成本和改善服务质量。
FMS是采用一组数控机床和自动化的工艺装备，由计算机信息控制系统和物科自动储运系统有机结合的自动化制造系统。
CIMS的核心在于将企业的人、成本核算、生产经营和工程技术系统有机的集成，构成适合于多品种、中小批量生产的高效益、高质量和高柔性的智能生产系统。
CIMS的出现，是机械制造自动化水平由制造系统自动化向综合自动化方向发展。
20世纪90年代：敏捷制造（AM）、精益-敏捷-柔性（LAF）生产系统、全球制造等新的制造模式信息科学技术的发展，全球经济打破了传统的领域经济发展模式，市场更加广阔，为了快速响应市场，诞生出新型制造模式，其中LAF全面吸收精益生产（LP）、敏捷制造（AM）和柔性制造（FM）的精髓，包括了TQC、准时生产、快速重组制造和并行工程（CE）等现代生产和管理技术，也是本世纪继续发展的先进制造模式。
数控机床的机械结构与传动
图2-3 两种形式的内循环方式示意图
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的选用
滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支 撑方式等几个方面。
根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来 选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝 杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠 丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校 核刚度。 1）精度等级的选择； 2）结构尺寸的选择； 3）验算。
主传动在中、高速 段为恒功率传动， 在低速段为恒转矩 传动。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.2 主轴部件的结构
主轴部件的支撑与润滑
机床主轴带动刀具或夹具在支撑中做回转运动，应能传递切削转矩、受 切削抗力，并保证必要的旋转精度。
常用卡盘结构
数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹 头等。
第四节 数控机床的进给传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
4.2 数控机床进给传动系统的基本形式
实现直线进给运动主要有三种形式： 1）通过丝杠螺母副，将伺服电动机的旋 转运动变成直线运动。 2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的 旋转运动变成直线运动。 3）直接采用直线电动机进行驱动。
减少传动件。 4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹
紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、 机械手的正确位置。 5）有C轴功能要求时，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对 主轴位置的控制。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.1 主传动的基本要求和变速方式
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的选用
滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支 撑方式等几个方面。
根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来 选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝 杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠 丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校 核刚度。 1）精度等级的选择； 2）结构尺寸的选择； 3）验算。
主传动在中、高速 段为恒功率传动， 在低速段为恒转矩 传动。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.2 主轴部件的结构
主轴部件的支撑与润滑
机床主轴带动刀具或夹具在支撑中做回转运动，应能传递切削转矩、受 切削抗力，并保证必要的旋转精度。
常用卡盘结构
数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹 头等。
第四节 数控机床的进给传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
4.2 数控机床进给传动系统的基本形式
实现直线进给运动主要有三种形式： 1）通过丝杠螺母副，将伺服电动机的旋 转运动变成直线运动。 2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的 旋转运动变成直线运动。 3）直接采用直线电动机进行驱动。
减少传动件。 4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹
紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、 机械手的正确位置。 5）有C轴功能要求时，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对 主轴位置的控制。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.1 主传动的基本要求和变速方式
机床传动设计课程设计实验报告
机床传动设计课程设计实验报告一、课程目标知识目标：1. 理解机床传动系统基本原理，掌握机床传动设计的基本知识；2. 学习机床传动系统的常见类型及其特点，了解不同传动方式的优缺点；3. 掌握机床传动设计中涉及的参数计算和选用方法，能够进行简单的传动系统设计。
技能目标：1. 能够运用所学知识，对机床传动系统进行初步设计和分析；2. 学会使用相关软件或工具进行机床传动系统的模拟与优化；3. 培养动手实践能力，能够根据设计要求，组装和调试机床传动系统。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对机床传动设计课程的兴趣，激发学生探索机械领域的热情；2. 培养学生的团队合作精神，提高沟通与协作能力；3. 增强学生的工程意识，培养严谨、细致、负责的工作态度。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程旨在让学生通过学习机床传动设计的基本知识，掌握传动系统设计和分析的方法，培养实际操作能力。
课程目标具体、可衡量，能够帮助学生和教师在教学过程中明确预期成果，为后续的教学设计和评估提供依据。
二、教学内容1. 机床传动系统概述- 机床传动系统的基本组成与功能- 常见机床传动系统的类型及特点2. 机床传动系统设计原理- 传动方式的选择与应用- 传动比的确定与计算方法- 传动元件的选用原则3. 机床传动系统设计方法- 设计步骤与流程- 参数计算与选用- 结构设计与布局4. 机床传动系统模拟与优化- 常用模拟与优化软件介绍- 传动系统模拟与优化方法- 优化目标与评价指标5. 机床传动系统实践操作- 实验设备与工具的认识- 传动系统的组装与调试- 故障分析与排除方法根据课程目标，教学内容的选择和组织遵循科学性和系统性原则，结合教材相关章节，制定详细的教学大纲。
教学内容的安排和进度如下：第1周：机床传动系统概述第2周：机床传动系统设计原理第3周：机床传动系统设计方法第4周：机床传动系统模拟与优化第5周：机床传动系统实践操作教学内容旨在帮助学生掌握机床传动设计的基本知识，培养实际操作能力，为后续课程学习打下坚实基础。
机床的传动设计_计算转速
19:36 28:37
n /( r/min )
19
《机械制造装备设计》
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
第三节 计算转速
一、研究计算转速的意义
传动零件设计的主要依据是所能承受的载荷大小。载荷取决于
19:36 28:37
n /( r/min )
17
第三节 计算转速
(3)各齿轮副的计算转速
各变速组内一般只计算组内最小，也是强度最薄弱的齿轮，故只 需确定最小齿轮的计算转速。 III轴和IV轴（第二扩大组）间最小齿轮为19，主轴IV获得30-190 共9级转速，主轴IV的计算转速为95，故齿轮19的计算转速为375。 II轴和III轴（第一扩大组）最小齿轮为18，III轴获得118-190共3
10
第三节 计算转速
中型机床及大型机床的 nj 为何较高
刀具：硬质合金 机床：高速发展 主电机功率：较大提高 切削转矩：受刀具、夹具、零件刚度限制，提高幅度不大 结论：较高转速才能达到机床的全部功率
11
第三节 计算转速 钻床的 nj 为何较低
钻床一般在低速下钻、攻大直径孔、螺纹 刀具：多刃 转矩较大，所需功率较大 钻头：大多为高速钢
4
第三节 计算转速
二、机床的功率转矩特性
2.主运动为旋转运动的机床 传动件传递的转矩与切削力、工件和刀具的半径有关。 ① 粗加工时采用大吃刀深度、大走刀量，即较大的切削力 矩，较低转速；精加工时则相反，转速高，切削力矩小； ② 当工件或刀具尺寸较小时，同样的切削面积，切削力矩
3.2 机床的传动设计_扩大变速范围
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
• 例：某多刀半自动车床，主传动采用双速电动机驱动，电动机型 号YDl60L-8/4，额定转速为730/1450r/min，功率为7/11kW;车床 主轴的转速级数为8，最低转速90r/min，最高转速1000r/min。
结构式为：8＝22×21×24
20
z-1 =
1.26 18-1 = 1.2617 = 50；
3
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
一、扩大变速范围的意义
CA6140主轴转速10-1400r/min，R=140
XK5040-1主轴转速12-1500r/min，R=125 Z3040的总变速范围R=80
一般常用机床的变速范围都在 R=80以上。为了满足各种机床的 工艺需求，必须扩大主传动系统的变速范围。
故该钻床可采用混合公比传动。 （3）大公比格数为 （4）钻床的结构式为
'
x 20 16 4, x 8
'
16 21 4 22 24 28
按前缓后急的原则得
16 22 24 25 28
17
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
混合公比传动与单回曲机构相结合，能产生极大的变速范围。 如
24 3 2 2 6 2 9 2 12
结构式中，第三变速组为变形基本组，大公比格数为8，第四 变速组为单回曲机构。总变速范围为
R
24 1 8
23
8
6 . 35 203 1290
18
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
4、双速电动机的传动系统
双速电动机是动力源，必须为第一变速组（电源变速组），但 级比是 2 ，只能为变形基本组（混合公比）或第一扩大组。
第二章主传动系统设计
副的传动比。
传动线的三个特点： a.传动线的高差表明传动比的数值，传动线的倾
斜程度反映传动比u的大小 水平：u＝1 — 等速传动； 向下方倾斜：u＜1 — 降速传动； 向上方倾斜：u＞l — 升速传动。
传动比的数值u＝φx， 可用传动线的高差x （格数）来表示。
b.一个主动转速点引出的传动线数目表示该变速组 中不同传动比的传动副数 第一变速组（a组）：
由轴Ⅰ的主动转速点向 Ⅱ轴引出三条传动线， 表示该变速组有三对不 同传动比的传动副，
第二、三变速组 （b、c组）： Ⅱ——Ⅲ和Ⅲ——IV表 示该变速组有两对不同 传动比的传动副，
c.两条传动轴格线间相互平行的传动线表示同一个 传动副的传动比
第三变速组（c组），当Ⅲ轴为710r、500 r、 355r、250 r、180 r、125 r／min时， 通过升速传动副（60：30） 使主轴得到1400 r、1000 r、 710 r、500 r、355 r、250 r ／min。所以上斜的6条平 行传动线都表示同一个升速 传动副的传动比。
和装配。防护性能好，使用寿命长。
二、主传动系统分类和传动方式 主传动系统一般由动力源（如电动机）、变
速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台）、开 停、换向和制动机构等部分组成。
动力源为执行件提供动力，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。
可见，这个变速组是实现主轴等比转速数列的基
本的、必不可缺的变速组，故称为基本变速组。
基本组的级比φ =φ1＝φ ，级比指数x0＝1。 基型变速系统必有一个基本组，即相邻两条传动
线拉开 l 格。
②第一扩大组的变速特性 在基本组的基础上，起到第一次扩大变速的
传动线的三个特点： a.传动线的高差表明传动比的数值，传动线的倾
斜程度反映传动比u的大小 水平：u＝1 — 等速传动； 向下方倾斜：u＜1 — 降速传动； 向上方倾斜：u＞l — 升速传动。
传动比的数值u＝φx， 可用传动线的高差x （格数）来表示。
b.一个主动转速点引出的传动线数目表示该变速组 中不同传动比的传动副数 第一变速组（a组）：
由轴Ⅰ的主动转速点向 Ⅱ轴引出三条传动线， 表示该变速组有三对不 同传动比的传动副，
第二、三变速组 （b、c组）： Ⅱ——Ⅲ和Ⅲ——IV表 示该变速组有两对不同 传动比的传动副，
c.两条传动轴格线间相互平行的传动线表示同一个 传动副的传动比
第三变速组（c组），当Ⅲ轴为710r、500 r、 355r、250 r、180 r、125 r／min时， 通过升速传动副（60：30） 使主轴得到1400 r、1000 r、 710 r、500 r、355 r、250 r ／min。所以上斜的6条平 行传动线都表示同一个升速 传动副的传动比。
和装配。防护性能好，使用寿命长。
二、主传动系统分类和传动方式 主传动系统一般由动力源（如电动机）、变
速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台）、开 停、换向和制动机构等部分组成。
动力源为执行件提供动力，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。
可见，这个变速组是实现主轴等比转速数列的基
本的、必不可缺的变速组，故称为基本变速组。
基本组的级比φ =φ1＝φ ，级比指数x0＝1。 基型变速系统必有一个基本组，即相邻两条传动
线拉开 l 格。
②第一扩大组的变速特性 在基本组的基础上，起到第一次扩大变速的
机床设计 (2)
2.3 机床的传动联系和传动原理图
2.3.3 传动原理图
车 削 圆 柱 面 时 传 动 原 理 图
机 动 进 给
第二章
机床的运动分析
电子工业出版社
2.3 机床的传动联系和传动原理图
2.3.3 传动原理图
车 削 圆 柱 面 时 传 动 原 理 图
液 压 传 动 进 给
第二章
机床的运动分析
电子工业出版社
答案：卧式车床在形成螺旋表面时需要一个运动——刀具与工件间相对的螺旋运动。
第二章
机床的运动分析
电子工业出版社
图2-7 成形铣刀铣削螺纹
第二章
机床的运动分析
电子工业出版社
2.2 机床的运动
2.2.2 辅助运动
机床上除表面成形运动外，还有在切削加工过程中所 必须的其他一些运动 铣床工作台的快进或快退运动 插齿机上的让刀运动 机床的转位、分度、换向 机床夹具的夹紧与松开 自动换刀
第二章 机床的运动分析 电子工业出版社
第二章 机床的运动分析 电子工业出版社
8．何为定比机构和换置机构？并举出至少两例。
答案： 定比机构：具有固定传动比的机构。例如定比齿轮副、齿轮齿条副、丝杠螺母副
换置机构：可变化传动比的机构。例如齿轮变速箱、挂轮架、各类无极变速机构
10．由复合成形运动分解成的各个分运动与简单运动的区别是 什么？
答案：由复合成形运动分解成的各个分运动，虽然都是直线或旋转运动，与简单运 动相象，但其本质是不同的。复合成形运动是一个运动，它的各个部分是相互依存， 并保持着严格的相对运动关系。
第二章
机床的运动分析
电子工业出版社
9．根据图2-9卧式车床的传动原理图，以加工螺纹表面为例指 出其所表示内容。
机械制造装备设计(第2章 金属切削机床设计5-6 主轴&支承)
2.5.3 主轴部件结构设计
（二）推力轴承的位置配置型式 （2）后端配置 两个方向的推力轴承都布置在后支承处。 这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，
温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。 这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度
机床，如立铣、多刀车床等。
2.5.3 主轴部件结构设计
（二）推力轴承的位置配置型式 （3）两端配置 两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承
2.5.3 主轴部件结构设计
（三）主轴传动件位置的合理布置
合理布置传动件在主轴上的轴 向位置，可以改善主轴的受力情况 ，减少主轴变形，提高主轴的抗振 性。
主轴上传动件轴向布置时，应 尽量靠近前支承，有多个传动件时 ，其中最大传动件应靠近前支承。
2.5.3 主轴部件结构设计
（四）主轴主要结构参数的确定 主轴前、后轴径直径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬 伸量a和主轴主要支承间的跨距L，这些参数将直接影响主 轴旋转精度和主轴刚度。
2.5.3 主轴部件结构设计 （一）主轴部件的支承数目 也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。
角接触 球轴承 背对背
安装
2.配置型式
（1）前端配置 两个方向的推力轴承都布置在前支承处。 这类配置方案在前支承处轴承较多，发热大， 温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度 ，精度高，对提高主轴部件刚度有利。 这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精 度机床或数控机床。
离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组
件的制造和装配质量等。 刚度不足，影响机床的加工精 度、传动质量及工作的平稳性。
2.5.1 主轴部件应满足的基本要求
（3）抗振性：指抵抗受迫振动和自激振动的能力。 主轴振动有两种类型：
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变速范围 R =φ z-1 =1.4112-1 =1.4111= 45；
当 r最后 = 8，φ = 1.26，则 x最后 = 9，结构式 18=31×33×29，变
速范围 R = φ z-1 = 1.26 18-1 = 1.2617 = 50；
一般常用机床的总变速范围都在 R=80 以上。为了满足通用机床 的工艺需求，需要扩大主传动系统的变速范围。
因 njⅢ 是经轴Ⅱ的最低转速355 获得。
故 njⅡ=355 r/min
同理 njⅠ=710 r/min
第三节 计算转速
3.各传动副的计算转速
① 变速组c 传动副 z18/z72 产生nj主，则轴Ⅲ的相应转速355 为主动齿轮z18 的计算转速，即 njcz18=355r/min。
z60/z30 产生的最低主轴转速 250 > nj主，对应的轴Ⅲ最低转速 125为主动齿轮z60的计算转速。
步骤：①首先确定主轴计算转速；②再按传动顺序由后往前依 次确定各传动轴的计算转速；③最后确定各传动件的计算转速。
已知某通用车床转速图，试确 定变速系中传动件的计算转速。
1.主轴的计算转速
Z 1
12 1
nj n1 3 31.51.41 3
90 r / min
第三节 计算转速
2.各传动轴的计算转速 变速组 c 有两个传动副，nj主= 90 由轴Ⅲ通过18/72 获得。轴 Ⅲ相应的转速为355，其最低转速为125，通过60/30使主轴获得转 速为250 >nj主，能传递全部功率。 故 njⅢ=125 r/min
混合公比传动系的Βιβλιοθήκη 计原则♦ 传动系的大公比是小公比的平方， 考虑相对转速损失率，取小公比φ =1.26。
♦ 基本组的传动副数 P0 = 2，级比指 数为 x0 = x’+1。
♦ 因大公比格数是偶数，而变形基本 组的 r0≤1.269 = 8，故取 x’≤8。
♦ 若变形基本组是单回曲机构，则 r0≤1.2612 = 16，故取 x’≤10。
P0 = 3；若取φ = 1.41，则P0 = 2。
采用双速电动机的结构式 8 22 21 24
结论 应用双速电动机，缩短了传动链，从而扩大了变速范围。
第三节 计算转速
一、计算转速的研究意义
传动件设计的主要依据是所能承受的载荷大小。载荷取决于所 传递的功率和转速。当外载一定，转速越高，传递的转矩越小。
第三节 计算转速
恒功率变速范围 nj ~ nmax 主轴每级转速都能传递全部功率， 而输出转矩随转速增高而降低。
恒转矩变速范围 nj ~ nmin 主轴 每级转速都能传递计算转速时的转矩， 而输出功率随转速线性下降。
各类机床主轴的nj可查表2-2计算确定。
第三节 计算转速
三、主变速系统传动件计算转速的确定
控制，增加变速组时，常取传动副数 P≤3。
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
例 已知φ =1.41，结构式 12 = 31×23×26， x2= 6， r2 = 8 ♦ 当增加第三扩大组时，理论级数为 24=31×23×26×212 ， 最后扩大组的变速范围为 r3=φ 12×(2-1)=64 > 8，不符合要求。
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
2. 单回曲机构
当离合器M与z4 结合时，运动经 z1、z2、z3、z4传递。
传动比为
i1
z1 z2
z3 z4
,
即
11 1 i1 4 4 16
当离合器M与 z1 结合时，输入轴的运动直接由轴Ⅰ输出，传 动比为i2 = 1。
极限变速范围扩大为 r’ = i2/i1= 16
♦ 必须减小x3，使 r3 x3(21) 1.416 8 ，即 x3 = 6。此时实际
转速只为24-6=18 级，重复 6 级。总变速范围为：
R (r0r1r2 )r3 121 6(21) 45 8 360
扩大变速范围的机理：增加扩大组及转速级数增加变速范围。 结论：每增加一个变速组能使变速范围R扩大8倍，主轴转速 增加6级。
即 njcz60=125r/min。 ② 变速组b 主动齿轮 z22，z42 的计算转速为 njbz22,24 = 355r/min
③ 变速组a 主动齿轮 z24，z30， z36 的计算转速为 njaz24 = 710r/min
第二章 机床的传动设计
第二节 扩大变速范围传 动系统设计
第三节 计算转速
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
例 某摇臂钻床的主轴转数范围为 n =25 ~ 2000 r/min，公比
φ =1.26，主轴转数级数 Z=16，确定钻床的结构式及结构网。
解（1）钻床要求的总变速范围
R 2000 80 25
（2）钻床的理论转数级数为
Z ' lg 80 1 20 16
结束
2-15 求车床传速图各齿轮、主轴、传动轴的计算转数。
如 结构式 12 = 31×23×26 变成混合公比得：12 = 32×26×27
R Z16 1.2611 1.266 12.5 4 50
扩大变速范围的机理 不增加主轴转速级
数，增大不常用的φ 来扩大总变速范围R。
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
结论 对称混合公比传动系统，是改变传动副数为2的基本组而 形成的，它能使总变速R 扩大4 倍。
对于旋转主运动，主轴转速不仅决定于切削速度，还决定于工 件或刀具的直径。
①粗加工时采用大吃刀深度、大走刀量，较低转速，产生较大 的切削力矩。精加工时则相反。
②当工件或刀具尺寸较小时，切削力矩小，主轴转速高；当工 件或刀具尺寸较大时则相反。
由于功率是转矩与角速度的乘积，所以主运动为旋转运动的机 床属于恒功率传动。
从金属切削原理中可知，切削速度对切削力的影响是不大的。 因此，机床作直线主运动的执行件，不论在什么速度下，都有可 能承受最大切削力。
对于驱动直线运动执行件的传动件，在任意转速下都可能出现 最大转矩。因此，被认为是恒转矩的。
即主运动为直线运动的机床属于恒转矩传动 。
第三节 计算转速
2.主运动为旋转运动的机床
lg
即钻床采用了混合公比传动系。其大公比
格数为
x' 20 16 4, x' 8
（3）钻床的结构式为
16 214 22 24 28
按前密后疏原则整理得
16 22 24 25 28
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
混合公比传动与单回曲机构相结合产生极大的变速范围
混合公比传动结构式 12 32 26 27
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
二、扩大变速范围的方法
1. 增加变速组
传动系总变速范围为： R Z 1
最大相对转速损失率为：
Amax
=
(1
-
1
) ×100%
♦ 当增加公比φ ，或增加传动副数P 和传动组时，都可以增大 R ，但φ 增大，导致Amax 增大，影响机床的生产率。
♦ 当机床类型一定时，φ 为一定值。为便于传动系统的操作和
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
例如 采用单回曲机构φ =1.41，结构式 16 = 21×22×24×28
r3 x3 (P3 1) 1.418(21) 16
R Z 1 1.41161 180
原结构式: 12=31×23×26 变速范围 R =φ z-1 =1.4112-1 =1.4111= 45； 扩大变速范围的机理 扩大极限变速范围来扩大总变速范围。 结论 采用单回曲机构，R 可扩大4倍；若增加的变速组为单回
对于转速恒定的传动件，可直接算出传递的转矩大小，进行 强度设计。对于有几种转速的传动件，必须确定一个经济合理
的转速nj，进行强度设计。
计算转速的研究意义 根据传动件能传递全部功率的最低转速，来确定传动件能传递 的最大转矩，以此作为强度计算和校核的依据。
第三节 计算转速
二、机床的功率转矩特性
1.主运动为直线运动的机床
R Z16 1.2611 1.266 12.5 4 50
结合后的结构式 24 32 26 29 212
结构式中，第三变速组c为基本组，大公比格数为8，第四变速 组d为单回曲机构。总变速范围为
R 2418 1.2623 1.268 203 6.35 1290
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
曲机构，φ =1.26，结构式为30=31×33×29×212 ，R可扩大16倍。
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
3. 对称混合公比传动系统
保持主轴转速中段φ 不变，增大不常用
的转速公比。采取大公比为 1.58 =1.262，且 高速端大公比的转速级数与低速端相等，形 成两端对称的大公比与小公比混合的传动系 统。
机械制造装备设计
第二章 机床的传动设计
2020年4月5日
第二章 机床的传动设计
第二节 扩大变速范围传动系统设计 第三节 计算转速
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
一、扩大变速范围的意义
根据传动顺序及传动副前多后少原则，最后扩大组的传动副数 总是P = 2。
当 r最后 = 8，φ = 1.41时，则 x最后 = 6，结构式 12=31×23×26 ,
第三节 计算转速
3.计算转速（nj ）概念 一般通用机床的工艺范围广，变速范围大。有些典型工艺只需 采用小进给量、低转速，消耗的功率小，主传动不需要传递电 动机的全部功率。 机床传动件设计必须找出需要传递全部功率的最低转速，来确 定所能传递的最大转矩。
计算转速 是指主轴或传动件传递全部功率的最低转速。
4、双速电动机传动系统 双速电动机是动力源，应为第一变速组（电源变速组），但级 比是2，只能作为变形基本组或第一扩大组。 采用双速电动机时，传动顺序与扩 大顺序不一致。由于第一扩大组的x1 = P0，所以双速电动机对基本组传动 副数P0 的取值与φ 要相匹配。
当 r最后 = 8，φ = 1.26，则 x最后 = 9，结构式 18=31×33×29，变
速范围 R = φ z-1 = 1.26 18-1 = 1.2617 = 50；
一般常用机床的总变速范围都在 R=80 以上。为了满足通用机床 的工艺需求，需要扩大主传动系统的变速范围。
因 njⅢ 是经轴Ⅱ的最低转速355 获得。
故 njⅡ=355 r/min
同理 njⅠ=710 r/min
第三节 计算转速
3.各传动副的计算转速
① 变速组c 传动副 z18/z72 产生nj主，则轴Ⅲ的相应转速355 为主动齿轮z18 的计算转速，即 njcz18=355r/min。
z60/z30 产生的最低主轴转速 250 > nj主，对应的轴Ⅲ最低转速 125为主动齿轮z60的计算转速。
步骤：①首先确定主轴计算转速；②再按传动顺序由后往前依 次确定各传动轴的计算转速；③最后确定各传动件的计算转速。
已知某通用车床转速图，试确 定变速系中传动件的计算转速。
1.主轴的计算转速
Z 1
12 1
nj n1 3 31.51.41 3
90 r / min
第三节 计算转速
2.各传动轴的计算转速 变速组 c 有两个传动副，nj主= 90 由轴Ⅲ通过18/72 获得。轴 Ⅲ相应的转速为355，其最低转速为125，通过60/30使主轴获得转 速为250 >nj主，能传递全部功率。 故 njⅢ=125 r/min
混合公比传动系的Βιβλιοθήκη 计原则♦ 传动系的大公比是小公比的平方， 考虑相对转速损失率，取小公比φ =1.26。
♦ 基本组的传动副数 P0 = 2，级比指 数为 x0 = x’+1。
♦ 因大公比格数是偶数，而变形基本 组的 r0≤1.269 = 8，故取 x’≤8。
♦ 若变形基本组是单回曲机构，则 r0≤1.2612 = 16，故取 x’≤10。
P0 = 3；若取φ = 1.41，则P0 = 2。
采用双速电动机的结构式 8 22 21 24
结论 应用双速电动机，缩短了传动链，从而扩大了变速范围。
第三节 计算转速
一、计算转速的研究意义
传动件设计的主要依据是所能承受的载荷大小。载荷取决于所 传递的功率和转速。当外载一定，转速越高，传递的转矩越小。
第三节 计算转速
恒功率变速范围 nj ~ nmax 主轴每级转速都能传递全部功率， 而输出转矩随转速增高而降低。
恒转矩变速范围 nj ~ nmin 主轴 每级转速都能传递计算转速时的转矩， 而输出功率随转速线性下降。
各类机床主轴的nj可查表2-2计算确定。
第三节 计算转速
三、主变速系统传动件计算转速的确定
控制，增加变速组时，常取传动副数 P≤3。
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
例 已知φ =1.41，结构式 12 = 31×23×26， x2= 6， r2 = 8 ♦ 当增加第三扩大组时，理论级数为 24=31×23×26×212 ， 最后扩大组的变速范围为 r3=φ 12×(2-1)=64 > 8，不符合要求。
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
2. 单回曲机构
当离合器M与z4 结合时，运动经 z1、z2、z3、z4传递。
传动比为
i1
z1 z2
z3 z4
,
即
11 1 i1 4 4 16
当离合器M与 z1 结合时，输入轴的运动直接由轴Ⅰ输出，传 动比为i2 = 1。
极限变速范围扩大为 r’ = i2/i1= 16
♦ 必须减小x3，使 r3 x3(21) 1.416 8 ，即 x3 = 6。此时实际
转速只为24-6=18 级，重复 6 级。总变速范围为：
R (r0r1r2 )r3 121 6(21) 45 8 360
扩大变速范围的机理：增加扩大组及转速级数增加变速范围。 结论：每增加一个变速组能使变速范围R扩大8倍，主轴转速 增加6级。
即 njcz60=125r/min。 ② 变速组b 主动齿轮 z22，z42 的计算转速为 njbz22,24 = 355r/min
③ 变速组a 主动齿轮 z24，z30， z36 的计算转速为 njaz24 = 710r/min
第二章 机床的传动设计
第二节 扩大变速范围传 动系统设计
第三节 计算转速
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
例 某摇臂钻床的主轴转数范围为 n =25 ~ 2000 r/min，公比
φ =1.26，主轴转数级数 Z=16，确定钻床的结构式及结构网。
解（1）钻床要求的总变速范围
R 2000 80 25
（2）钻床的理论转数级数为
Z ' lg 80 1 20 16
结束
2-15 求车床传速图各齿轮、主轴、传动轴的计算转数。
如 结构式 12 = 31×23×26 变成混合公比得：12 = 32×26×27
R Z16 1.2611 1.266 12.5 4 50
扩大变速范围的机理 不增加主轴转速级
数，增大不常用的φ 来扩大总变速范围R。
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
结论 对称混合公比传动系统，是改变传动副数为2的基本组而 形成的，它能使总变速R 扩大4 倍。
对于旋转主运动，主轴转速不仅决定于切削速度，还决定于工 件或刀具的直径。
①粗加工时采用大吃刀深度、大走刀量，较低转速，产生较大 的切削力矩。精加工时则相反。
②当工件或刀具尺寸较小时，切削力矩小，主轴转速高；当工 件或刀具尺寸较大时则相反。
由于功率是转矩与角速度的乘积，所以主运动为旋转运动的机 床属于恒功率传动。
从金属切削原理中可知，切削速度对切削力的影响是不大的。 因此，机床作直线主运动的执行件，不论在什么速度下，都有可 能承受最大切削力。
对于驱动直线运动执行件的传动件，在任意转速下都可能出现 最大转矩。因此，被认为是恒转矩的。
即主运动为直线运动的机床属于恒转矩传动 。
第三节 计算转速
2.主运动为旋转运动的机床
lg
即钻床采用了混合公比传动系。其大公比
格数为
x' 20 16 4, x' 8
（3）钻床的结构式为
16 214 22 24 28
按前密后疏原则整理得
16 22 24 25 28
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
混合公比传动与单回曲机构相结合产生极大的变速范围
混合公比传动结构式 12 32 26 27
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
二、扩大变速范围的方法
1. 增加变速组
传动系总变速范围为： R Z 1
最大相对转速损失率为：
Amax
=
(1
-
1
) ×100%
♦ 当增加公比φ ，或增加传动副数P 和传动组时，都可以增大 R ，但φ 增大，导致Amax 增大，影响机床的生产率。
♦ 当机床类型一定时，φ 为一定值。为便于传动系统的操作和
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
例如 采用单回曲机构φ =1.41，结构式 16 = 21×22×24×28
r3 x3 (P3 1) 1.418(21) 16
R Z 1 1.41161 180
原结构式: 12=31×23×26 变速范围 R =φ z-1 =1.4112-1 =1.4111= 45； 扩大变速范围的机理 扩大极限变速范围来扩大总变速范围。 结论 采用单回曲机构，R 可扩大4倍；若增加的变速组为单回
对于转速恒定的传动件，可直接算出传递的转矩大小，进行 强度设计。对于有几种转速的传动件，必须确定一个经济合理
的转速nj，进行强度设计。
计算转速的研究意义 根据传动件能传递全部功率的最低转速，来确定传动件能传递 的最大转矩，以此作为强度计算和校核的依据。
第三节 计算转速
二、机床的功率转矩特性
1.主运动为直线运动的机床
R Z16 1.2611 1.266 12.5 4 50
结合后的结构式 24 32 26 29 212
结构式中，第三变速组c为基本组，大公比格数为8，第四变速 组d为单回曲机构。总变速范围为
R 2418 1.2623 1.268 203 6.35 1290
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
曲机构，φ =1.26，结构式为30=31×33×29×212 ，R可扩大16倍。
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
3. 对称混合公比传动系统
保持主轴转速中段φ 不变，增大不常用
的转速公比。采取大公比为 1.58 =1.262，且 高速端大公比的转速级数与低速端相等，形 成两端对称的大公比与小公比混合的传动系 统。
机械制造装备设计
第二章 机床的传动设计
2020年4月5日
第二章 机床的传动设计
第二节 扩大变速范围传动系统设计 第三节 计算转速
第二节 扩大变速范围的传动系统设计
一、扩大变速范围的意义
根据传动顺序及传动副前多后少原则，最后扩大组的传动副数 总是P = 2。
当 r最后 = 8，φ = 1.41时，则 x最后 = 6，结构式 12=31×23×26 ,
第三节 计算转速
3.计算转速（nj ）概念 一般通用机床的工艺范围广，变速范围大。有些典型工艺只需 采用小进给量、低转速，消耗的功率小，主传动不需要传递电 动机的全部功率。 机床传动件设计必须找出需要传递全部功率的最低转速，来确 定所能传递的最大转矩。
计算转速 是指主轴或传动件传递全部功率的最低转速。
4、双速电动机传动系统 双速电动机是动力源，应为第一变速组（电源变速组），但级 比是2，只能作为变形基本组或第一扩大组。 采用双速电动机时，传动顺序与扩 大顺序不一致。由于第一扩大组的x1 = P0，所以双速电动机对基本组传动 副数P0 的取值与φ 要相匹配。