外文翻译--主轴驱动器变速箱的优化设计 中文版

外文资料名称： 主轴驱动器变速箱的优化设计 外文资料出处： 2008) 37:851 附 件： 指 导教师评语： 签名： 年 月 日 1 主轴驱动器变速箱的优化设计 D. R. . J. 帅译 摘要 ： 许多机床都配备自动变速箱以便扩大机器在刀具主轴低速运行下的恒功率范围。目前，依据最新的主轴电机驱动技术，变速箱被布置在水冷发动机和机床撞锤之间。主轴变速箱的功能还要看它的结构和驱动方式。主轴 变速箱的优化也考虑到了这一点。作者也由此认为这会引起主轴驱动变速箱生产商的极大兴趣。 关键词 ： 主轴箱设计 优化设计 最低消耗 最优解 1 引言 主轴是主要零部件之一，在加工中心，它的设计直接影响到工件的完成质量和加工效率。因此，许多工程项目里面的主轴设计至关重要。除非电动机的功率比很大，一般机床在其转速范围内不能输出高扭矩。另外，超大电动机提供超范围的扭矩这不仅增加了成本，而且维护困难。此外，发动机的重量会阻碍变速箱的设计。因此，主轴齿轮变速箱应运而生。 图 1 机床主轴变速箱允许使用恒功率范围大的电机。图 1是在此范围内的功率和扭矩的说明，其中虚线表示扩展时减速器的状况。图 1 1些变速箱中使用的常规马达和自身的开关一般用带、链或者齿轮来连接。现在，变速箱被布置在水冷发动机和机床撞锤之间。这样使之和机床撞锤共享冷却系统。这种紧凑质量轻的结构可以提供高效率，同时最大限度的降低了震 2 动和噪音。目前还在就这种设计的配置问题做进一步的研究。值得注意的是，在符合变速箱综合设计的条件下，优化设计主要取决于设计传输所需要的速率和功耗。主轴的设计同样鉴于这种原因，主轴的驱动变速箱 还需要进一步的优化设计研究。因此，为了加工过程中的最好功效和长期运转工作，设计的最主要的因素是主轴驱动变速箱的最小传动功耗。用于变速箱设计的行星齿轮和普通齿轮相比，它提供了更加紧凑的结构和更高的效率、速率。所以现在很多主轴变速箱生产商这在研究变速箱配置的功率和输出速度的比率，和优化配置设计，提供更多的变速范围。 2 主轴驱动变速箱的设计 图 2 在本节中，我们解释主轴变速设计中一些必须考虑的重要因素。行星齿轮有三种类型，它们的区分主要取决与彼此间的运动和啮合情况。按照它们工作情况，各部件称为行星齿轮、中心齿 轮、支架。两种不同的行星齿轮配置的主轴也不同。如图 2a 和 b 所示。在图中， 1和 2 表示中心齿轮， 3是支架， 4和 4代表行星齿轮。 图 2主轴变速箱配置的优势在于它是更有趣的经济，因为它不包括齿圈 . 原因是，主轴变速箱齿轮齿圈要硬化、锻造、避免氧化。此外，如果齿圈不圆，热量会迅速积聚，降低了输出速度和扭矩。 另一个主轴箱设计中有趣的是，行星齿轮的配置会有更高的效率。这就是为什么所有的主轴箱设计中的减速器和行星齿轮用作输出，如图 2a和 主轴变速箱设计时，如何选择最 佳行星轮的力量和速度比率是很重要的。在此背景下， 3 一些在一个行星轮 的就是其中一些安排在 主轴上的齿轮。例如，如图2速箱中有两个行星轮，即 。 取值要尽量的小，以尽量减小重量和传动，同时保证每个行星齿轮负载分配合理。这个数值根据不同的需求，可取 2、3、 4，甚至更大。所有情况下，行星轮的安排始终要让 3 主轴变速箱设计的制约 本节主要介绍在主轴变速箱设计过程中与遇到的制约因素。它们根据限制的类型分为三类。它们是： 第一个制约因素是齿面宽度 一制约因素如下： 9m b m 所有的运动和动力参数都取决于齿轮齿数比 大小，而齿数比 Z 齿轮副大小齿轮的齿数比 ,公式是： 齿数比的定义满足了威利斯方程， 须是主动轮上的齿数。如图 2a 所示，必须采用 0和 0。 理论上讲，齿轮的齿数可以是任意值，但是实践中由于限于技术原因，齿数比超过一定的范围齿轮就很难装配。在这项工作中，齿数比在设计时最好要和主轴变速箱的接近。他们是： 均衡器 3)是为了约束外部齿轮齿轮，另外均衡器 4)是用于内部齿轮的。这样就不存在齿轮之间的干涉了。 另一个制约因素，是构成行星齿轮的齿轮所用的直径比例（ 4和 4）： 4 这些 必须满足其他几何关系。例如，在 图 2a 中所示，齿数比相关的 24够成的行星齿轮。特别是上述方程中的的模块齿轮必须满足下面的几何关系，这 便发现齿轮 4和 4的直径比例数值和 4的条件两者之间的关系了。这个比例是： 重要的需要强调的是，电力损失从力矩计算中考虑到重新 获得切向力 包括电源损失的整体效率的计算中，我们使用了普通效率的概念【 5， 10】，这是中心齿轮固定时齿轮副和臂挂钩的效率。这一效率的引进实际上主轴变速箱的摩擦损失发生在每一个齿轮副之间。例如，如果 14=么 2%的电力通过齿轮副组成的成员 1号齿轮和 4号齿轮之间的摩擦损失掉了。 在设计过程中，我们采用了效率值 0=普通效率。研究中没有考虑只有总体效率这方面的问题，可能因为权力回流【 5】 启动特殊机床总体来讲，我们采用了一个应力 ，压力角 =20。齿轮选择的材料是 1630 N/ 500 N/密度是 700 0 kg/钢。 最后，每一个行星齿轮分配到的负载受到决心使用分配因素中所建议的齿轮制造学会 6123一 88规范 7 作为一个函数的数目行星（ 。 表 1 5 结果和讨论 本文介绍主轴驱动变速箱的优化问题适合用于一组涵盖市场销售范围的 24 个设计（即不同的速度比和功率）。表 1 列出这些设计和数字识别码。在这些代码段，速度比这个数字的定义是输出扭矩和最大输入速度。例如，代码 表主轴变速箱的 速比为 1，名义扭矩为 2300大输入速度是 6500转。 5 表 2 表 2和表 3分别总结了主轴变速箱设计基础上的不同结构的最佳结果。在这些表格的第一栏根据表 1 的设计代码给出了具体的主轴变速箱。第二，三和第四栏分别是螺旋角，模数和齿轮 1和 4分别对应的齿轮宽度。以下三个表栏提供 2和 4相同的信息。第八和第九栏是每个最佳主轴变速箱设计时的齿数。最后， 10 到 13栏分别给予目前最佳的主轴变速箱设计中的惯性，数量和直径的信息。例如，对于表格 计（速比 3:1 ，名义扭矩 230牛米，最大输入速度每分钟 转速 8000 ）中，主轴变速箱优化设计的基础配置是 20 ， 22 ， 88 ，和 = 40。那齿轮 6 表 3 1和 4的螺旋角是 模数是 宽 他齿轮对，即齿轮 2和 4，螺旋角是 ，模数 宽 样，优化设计的 24个不同主轴箱研究，给出了 2两种配置（表 2和表 3）。请注意这两个轴的配置的比较结果，图 2外，转动惯量在图 2而，重要的是最大减速比 ，即 5： 1，图 2a 的转动惯量直径是更大的两个设计。表4 总结了两个配置的优化设计的比较。特别是，表 4 分别提供图 2a 和 b 设计基础上的动能（ 转动惯量（ J），生产量（ 和直径（）的平均数值。 7 表 4 分析信息表 4，重要的是要注意到，尽管图 2两个主轴变速箱设计真的没有太多不同的机械机构，我们应该注意到两个优化设计之间的转动惯量（ J），生产量（ 总直径（）。图 2b 的动能高于其他行星齿轮变速箱设计，是因为它转速更高干扰因素更多。图 3显示的是两个主轴变速箱的优化设计下 的行星齿轮间的速度和输入速度。 依据这些成果，现在可以评估选择一个更好的主轴变速箱设计。第一分析因素是高效率，因为这一因素更多的参与两方案的某些价值评估。事实上，人们看到在表 4中 1和 1 的速度比率有很高的价值，特别是 1的方案。在这种情况下，转动惯量 J，生产量 径就显得过大，因此图 2反的， 5： 1 的高速率价值小，甚至 J， 都不合理。在这种情况下，图 2外它还有一个优点就是成本较低。 6 结论 本文介绍了怎样确定最佳的主 轴变速箱设计方法的框架。这个方法采用了 24 种工业中应用的不同工业设计。实验证明该框架确实是合适的设计方法。结果可以得出以下结论： 此，必须优化设计这些行星齿轮。 大输入速度，理论输出速度，速度比）和配置成本。 个主轴变速箱设计的参数值 KE(b/a)J(b/a)b/a)和 (b/a)是不是很高（和表 2，图 3、 4 中的数值比较），较好的主轴变速箱设计应符 8 合图 因素，如果这些数值比较大，就对照图 者认为，该结果会引起参与主轴变速箱设计和销售的制造商和工程师的极大兴趣。