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外文資料名稱： 主軸驅(qū)動器變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì) 外文資料出處： 2008) 37:851 附 件： 指 導(dǎo)教師評語： 簽名： 年 月 日 1 主軸驅(qū)動器變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì) D. R. . J. 帥譯 摘要 ： 許多機(jī)床都配備自動變速箱以便擴(kuò)大機(jī)器在刀具主軸低速運(yùn)行下的恒功率范圍。目前，依據(jù)最新的主軸電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，變速箱被布置在水冷發(fā)動機(jī)和機(jī)床撞錘之間。主軸變速箱的功能還要看它的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式。主軸 變速箱的優(yōu)化也考慮到了這一點(diǎn)。作者也由此認(rèn)為這會引起主軸驅(qū)動變速箱生產(chǎn)商的極大興趣。 關(guān)鍵詞 ： 主軸箱設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 最低消耗 最優(yōu)解 1 引言 主軸是主要零部件之一，在加工中心，它的設(shè)計(jì)直接影響到工件的完成質(zhì)量和加工效率。因此，許多工程項(xiàng)目里面的主軸設(shè)計(jì)至關(guān)重要。除非電動機(jī)的功率比很大，一般機(jī)床在其轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不能輸出高扭矩。另外，超大電動機(jī)提供超范圍的扭矩這不僅增加了成本，而且維護(hù)困難。此外，發(fā)動機(jī)的重量會阻礙變速箱的設(shè)計(jì)。因此，主軸齒輪變速箱應(yīng)運(yùn)而生。 圖 1 機(jī)床主軸變速箱允許使用恒功率范圍大的電機(jī)。圖 1是在此范圍內(nèi)的功率和扭矩的說明，其中虛線表示擴(kuò)展時(shí)減速器的狀況。圖 1 1些變速箱中使用的常規(guī)馬達(dá)和自身的開關(guān)一般用帶、鏈或者齒輪來連接?，F(xiàn)在，變速箱被布置在水冷發(fā)動機(jī)和機(jī)床撞錘之間。這樣使之和機(jī)床撞錘共享冷卻系統(tǒng)。這種緊湊質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)可以提供高效率，同時(shí)最大限度的降低了震 2 動和噪音。目前還在就這種設(shè)計(jì)的配置問題做進(jìn)一步的研究。值得注意的是，在符合變速箱綜合設(shè)計(jì)的條件下，優(yōu)化設(shè)計(jì)主要取決于設(shè)計(jì)傳輸所需要的速率和功耗。主軸的設(shè)計(jì)同樣鑒于這種原因，主軸的驅(qū)動變速箱 還需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。因此，為了加工過程中的最好功效和長期運(yùn)轉(zhuǎn)工作，設(shè)計(jì)的最主要的因素是主軸驅(qū)動變速箱的最小傳動功耗。用于變速箱設(shè)計(jì)的行星齒輪和普通齒輪相比，它提供了更加緊湊的結(jié)構(gòu)和更高的效率、速率。所以現(xiàn)在很多主軸變速箱生產(chǎn)商這在研究變速箱配置的功率和輸出速度的比率，和優(yōu)化配置設(shè)計(jì)，提供更多的變速范圍。 2 主軸驅(qū)動變速箱的設(shè)計(jì) 圖 2 在本節(jié)中，我們解釋主軸變速設(shè)計(jì)中一些必須考慮的重要因素。行星齒輪有三種類型，它們的區(qū)分主要取決與彼此間的運(yùn)動和嚙合情況。按照它們工作情況，各部件稱為行星齒輪、中心齒 輪、支架。兩種不同的行星齒輪配置的主軸也不同。如圖 2a 和 b 所示。在圖中， 1和 2 表示中心齒輪， 3是支架， 4和 4′代表行星齒輪。 圖 2主軸變速箱配置的優(yōu)勢在于它是更有趣的經(jīng)濟(jì)，因?yàn)樗话X圈 . 原因是，主軸變速箱齒輪齒圈要硬化、鍛造、避免氧化。此外，如果齒圈不圓，熱量會迅速積聚，降低了輸出速度和扭矩。 另一個(gè)主軸箱設(shè)計(jì)中有趣的是，行星齒輪的配置會有更高的效率。這就是為什么所有的主軸箱設(shè)計(jì)中的減速器和行星齒輪用作輸出，如圖 2a和 主軸變速箱設(shè)計(jì)時(shí)，如何選擇最 佳行星輪的力量和速度比率是很重要的。在此背景下， 3 一些在一個(gè)行星輪 的就是其中一些安排在 主軸上的齒輪。例如，如圖2速箱中有兩個(gè)行星輪，即 。 取值要盡量的小，以盡量減小重量和傳動，同時(shí)保證每個(gè)行星齒輪負(fù)載分配合理。這個(gè)數(shù)值根據(jù)不同的需求，可取 2、3、 4，甚至更大。所有情況下，行星輪的安排始終要讓 3 主軸變速箱設(shè)計(jì)的制約 本節(jié)主要介紹在主軸變速箱設(shè)計(jì)過程中與遇到的制約因素。它們根據(jù)限制的類型分為三類。它們是： 第一個(gè)制約因素是齒面寬度 一制約因素如下： 9m≤ b≤ m 所有的運(yùn)動和動力參數(shù)都取決于齒輪齒數(shù)比 大小，而齒數(shù)比 Z 齒輪副大小齒輪的齒數(shù)比 ,公式是： 齒數(shù)比的定義滿足了威利斯方程， 須是主動輪上的齒數(shù)。如圖 2a 所示，必須采用 0和 0。 理論上講，齒輪的齒數(shù)可以是任意值，但是實(shí)踐中由于限于技術(shù)原因，齒數(shù)比超過一定的范圍齒輪就很難裝配。在這項(xiàng)工作中，齒數(shù)比在設(shè)計(jì)時(shí)最好要和主軸變速箱的接近。他們是： 均衡器 3)是為了約束外部齒輪齒輪，另外均衡器 4)是用于內(nèi)部齒輪的。這樣就不存在齒輪之間的干涉了。 另一個(gè)制約因素，是構(gòu)成行星齒輪的齒輪所用的直徑比例（ 4和 4′）： 4 這些 必須滿足其他幾何關(guān)系。例如，在 圖 2a 中所示，齒數(shù)比相關(guān)的 24夠成的行星齒輪。特別是上述方程中的的模塊齒輪必須滿足下面的幾何關(guān)系，這 便發(fā)現(xiàn)齒輪 4和 4′的直徑比例數(shù)值和 4的條件兩者之間的關(guān)系了。這個(gè)比例是： 重要的需要強(qiáng)調(diào)的是，電力損失從力矩計(jì)算中考慮到重新 獲得切向力 包括電源損失的整體效率的計(jì)算中，我們使用了普通效率的概念【 5， 10】，這是中心齒輪固定時(shí)齒輪副和臂掛鉤的效率。這一效率的引進(jìn)實(shí)際上主軸變速箱的摩擦損失發(fā)生在每一個(gè)齒輪副之間。例如，如果η 14=么 2%的電力通過齒輪副組成的成員 1號齒輪和 4號齒輪之間的摩擦損失掉了。 在設(shè)計(jì)過程中，我們采用了效率值η 0=普通效率。研究中沒有考慮只有總體效率這方面的問題，可能因?yàn)闄?quán)力回流【 5】 啟動特殊機(jī)床總體來講，我們采用了一個(gè)應(yīng)力 ，壓力角α =20°。齒輪選擇的材料是σ 1630 N/ σ 500 N/密度是 700 0 kg/鋼。 最后，每一個(gè)行星齒輪分配到的負(fù)載受到?jīng)Q心使用分配因素中所建議的齒輪制造學(xué)會 6123一 88規(guī)范 [ 7 ]作為一個(gè)函數(shù)的數(shù)目行星（ 。 表 1 5 結(jié)果和討論 本文介紹主軸驅(qū)動變速箱的優(yōu)化問題適合用于一組涵蓋市場銷售范圍的 24 個(gè)設(shè)計(jì)（即不同的速度比和功率）。表 1 列出這些設(shè)計(jì)和數(shù)字識別碼。在這些代碼段，速度比這個(gè)數(shù)字的定義是輸出扭矩和最大輸入速度。例如，代碼 表主軸變速箱的 速比為 1，名義扭矩為 2300大輸入速度是 6500轉(zhuǎn)。 5 表 2 表 2和表 3分別總結(jié)了主軸變速箱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的不同結(jié)構(gòu)的最佳結(jié)果。在這些表格的第一欄根據(jù)表 1 的設(shè)計(jì)代碼給出了具體的主軸變速箱。第二，三和第四欄分別是螺旋角，模數(shù)和齒輪 1和 4分別對應(yīng)的齒輪寬度。以下三個(gè)表欄提供 2和 4′相同的信息。第八和第九欄是每個(gè)最佳主軸變速箱設(shè)計(jì)時(shí)的齒數(shù)。最后， 10 到 13欄分別給予目前最佳的主軸變速箱設(shè)計(jì)中的慣性，數(shù)量和直徑的信息。例如，對于表格 計(jì)（速比 3:1 ，名義扭矩 230牛米，最大輸入速度每分鐘 轉(zhuǎn)速 8000 ）中，主軸變速箱優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)配置是 20 ， 22 ， 88 ，和 = 40。那齒輪 6 表 3 1和 4的螺旋角是 模數(shù)是 寬 他齒輪對，即齒輪 2和 4′，螺旋角是 ，模數(shù) 寬 樣，優(yōu)化設(shè)計(jì)的 24個(gè)不同主軸箱研究，給出了 2兩種配置（表 2和表 3）。請注意這兩個(gè)軸的配置的比較結(jié)果，圖 2外，轉(zhuǎn)動慣量在圖 2而，重要的是最大減速比 ，即 5： 1，圖 2a 的轉(zhuǎn)動慣量直徑是更大的兩個(gè)設(shè)計(jì)。表4 總結(jié)了兩個(gè)配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)的比較。特別是，表 4 分別提供圖 2a 和 b 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的動能（ 轉(zhuǎn)動慣量（ J），生產(chǎn)量（ 和直徑（φ）的平均數(shù)值。 7 表 4 分析信息表 4，重要的是要注意到，盡管圖 2兩個(gè)主軸變速箱設(shè)計(jì)真的沒有太多不同的機(jī)械機(jī)構(gòu)，我們應(yīng)該注意到兩個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)之間的轉(zhuǎn)動慣量（ J），生產(chǎn)量（ 總直徑（φ）。圖 2b 的動能高于其他行星齒輪變速箱設(shè)計(jì)，是因?yàn)樗D(zhuǎn)速更高干擾因素更多。圖 3顯示的是兩個(gè)主軸變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)下 的行星齒輪間的速度和輸入速度。 依據(jù)這些成果，現(xiàn)在可以評估選擇一個(gè)更好的主軸變速箱設(shè)計(jì)。第一分析因素是高效率，因?yàn)檫@一因素更多的參與兩方案的某些價(jià)值評估。事實(shí)上，人們看到在表 4中 1和 1 的速度比率有很高的價(jià)值，特別是 1的方案。在這種情況下，轉(zhuǎn)動慣量 J，生產(chǎn)量 徑φ就顯得過大，因此圖 2反的， 5： 1 的高速率價(jià)值小，甚至 J， φ都不合理。在這種情況下，圖 2外它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是成本較低。 6 結(jié)論 本文介紹了怎樣確定最佳的主 軸變速箱設(shè)計(jì)方法的框架。這個(gè)方法采用了 24 種工業(yè)中應(yīng)用的不同工業(yè)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明該框架確實(shí)是合適的設(shè)計(jì)方法。結(jié)果可以得出以下結(jié)論： 此，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)這些行星齒輪。 大輸入速度，理論輸出速度，速度比）和配置成本。 個(gè)主軸變速箱設(shè)計(jì)的參數(shù)值 KE(b/a)J(b/a)b/a)和φ (b/a)是不是很高（和表 2，圖 3、 4 中的數(shù)值比較），較好的主軸變速箱設(shè)計(jì)應(yīng)符 8 合圖 因素，如果這些數(shù)值比較大，就對照圖 者認(rèn)為，該結(jié)果會引起參與主軸變速箱設(shè)計(jì)和銷售的制造商和工程師的極大興趣。