数控机床主轴箱课程设计模板全解

2主传动设计

2.1驱动源的选择

机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin是调节电枢电压的方法来调速的，属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。

根据主轴要求的最高转速4000r/min，最大切削功率5.5KW,选择北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500 r/min。

2.2转速图的拟定

根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围

Rdp=nmax/n d=3

(2-1)

而主轴要求的恒功率转速范围Rnp=,远大于交流主轴电动机所能提供的恒功

率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围。

设计变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素，取变速箱的公比①f等于交流主轴电动机的恒功率调速范围Rdp,即①f=Rdp=3,功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。

变速箱的变速级数

Z=lg Rnp/lg Rdp=lg / lg 3=2.99 (2-2)

取Z=3

确定各齿轮副的齿数：

取S=116

由得Z1=39 Z1 '=77

由u=1.54 得Z2=46 Z2 '=70

由u=4.6 得Z3=20 Z3 '=96

由此拟定主传动系统图、转速图以及主轴功率特性图分别如图2-1、图2-2、图2-3。

2.3传动轴的估算

传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载 荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有 较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。 除了载荷比较大的情况外，可以 不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴向，扭转）不致产生过大的 变形（弯曲，失稳，转角）。如果刚度不够，轴上的零件如齿轮，轴承等由于轴 的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。因 此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度轴的直径，画出草图后， 再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。

计算转速n j 是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转 速可以从转速图上直接得出如表 2-1所示。

表

2-1

轴

I

I

计算转速（r/mi n ）

682

150

各轴功率和扭矩计算：

已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），同步带传动效率为0.98,

则：

I 轴:P i =P X 0.98=7.5 X 0.98=7.35 KW U 轴：P 2=P X 0.97=7.35 X 0.97=7.13 KW

I 轴扭矩:T 1=9550P/n 1 =9550 X 7.35/682=1.029 X 105 N.mm II 轴扭矩:T 2=9550P/n 2 =4.539 X 105 N.mm

[? ]是每米长度上允许的扭转角（deg/m ），可根据传动轴的要求选取，其选

图2-2转速图（不合要求）

图2-3主轴功率特性（不合要求）

取的原则如表2-2所示

根据表3-2表2-3许用扭转角的确定

把以上确定的各轴的输入功率 N=7.5KW 计算转速n （如表2-1 ）、允许扭转 角

［? ］（如表2-3）代入扭转刚度的估算公式

可得传动轴的估算直径：d=40mm; 主轴轴径尺寸的确定：

已知车床最大加工直径为D max =400mm,贝 主轴前轴颈直径

D i =0.25D ma x ± 15=85?115mm

后轴颈直径 D2=（0.7

内孔直径 d=0.1D

2.4齿轮模数的估算

按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有 在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时 用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。

齿轮模数的估算有两种方法，第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算， 第二种 是按齿轮的齿面点蚀进行估算，而这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须 已知，所以必须先给出各个齿轮的齿数。

根据齿轮不产生根切的基本条件：齿轮的齿数不小于 17，在该设计中，即 最小齿轮的齿数不小于17。而由于Z3,Z3 '这对齿轮有最大的传动比，各个传动 齿轮中最小齿数的齿轮必然是 Z3。取Z3=20,S=116，则Z3 '96。

从转速图上直接看出直接可以看出 Z3的计算转速是682r/min 。 根据齿轮弯曲疲劳估算公式

N

m 3 _ 323

=2.4 （2-4）

* z* nj

根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算得：m=2.84

由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为 m =3mm ，对比上述结 果，可知这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯 曲疲劳强度，故取同一变速组中的所有齿轮的模数都为 m=3mm 。

可得两轴中心距为 a=175mm.

d=91

N nj[]

(2-3)

取 Di=95mm 取 D 2=75mm 取 d=40mm

?0.85)D 1=67 ?81mm max ± 10=35 ?55mm

现将各齿轮齿数和模数列表如下：

表2-4 齿轮的估算齿数和模数列表

3主轴箱展开图的设计

主轴箱展开图是反映各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸。因此设计从画展开图开始，确定所有零件的位置，结构和尺寸，并以此为依据绘制零件工作图。

3.1各零件结构和尺寸设计

3.1.1设计的内容和步骤

这一阶段的设计内容是通过绘图设计轴的结构尺寸及选出轴承的型号，确定

轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。

3.1.2有关零部件结构和尺寸的确定

传动零件，轴，轴承是主轴部件的主要零件，其它零件的结构和尺寸是根据主要零件的位置和结构而定。所以设计时先画主要零件，后画其它零件，先画传动零件的中心线和轮廓线，后画结构细节。

1）传动轴的估算

这一步在前面已经做了计算。

2）齿轮相关尺寸的计算

为了确定轴的轴向距离，齿轮齿宽的确定是必须的。

齿宽影响齿的强度。但如果太宽，由于齿轮的制造误差和轴的变形，可能接触不均，反而容易引起振动和噪声，一般取齿宽系数①m=（6-10）m。这里取齿宽

系数①m=10, 则齿宽B=①mx m=1CX 3=30mm?将各个齿轮的齿厚确定如表

3-1所示。

齿轮的直径决定了各个轴之间的尺寸，所以在画展开图草图前，各个齿轮的尺寸必须算出。现将主轴部件中各个齿轮的尺寸计算如表3-2所示。

由表3-2可以计算出各轴之间的距离，现将它们列出如表3-3所示