机床的运动及传动装置

1.3.1 机床的运动

机械零件的形状多种多样，但其内、外形轮廓总由平面、圆柱面、圆锥面、球面、螺旋面以及各种成形面组成。机床上加工零件，其实质就是借助一定形状的切削刃以及切削刃与被加工表面之间一定规律的相对运动，得到所需形状的表面。如图1-2所示，车床车削圆柱表面，把工件安装于三爪自定心卡盘并起动，首先通过手动将车刀在纵、横向（运动Ⅱ和运动Ⅲ）靠近工件；然后根据所要求的加工直径d，将车刀横向切入一定深度（运动Ⅳ）；接着通过工件旋转（运动Ⅰ）和车刀的纵向直线运动（运动Ⅴ）车削出圆柱表面；当车刀纵向移动所需长度l时，横向退离工件（运动Ⅵ）并纵向退回至起始位置（运动Ⅶ），车削出所需圆柱表面。

图1-2 车削圆柱表面所需运动

机床在加工过程中需要多种运动，按其功用不同主要分为表面成形运动和辅助运动两类。

表面成形运动是保证得到工件要求的表面形状的运动。表面成形运动是机床上最基本的运动，是机床上的刀具和工件为了形成表面发生线而做的相对运动。图1-2中，工件的旋转运动Ⅰ和车刀的纵向运动Ⅴ是形成圆柱表面的成形运动。

表面成形运动又分主运动和进给运动，图1-3所示为几种常见的切削加工方法的主运动和进给运动。

图1-3

图1-3 常见切削加工方法的切削运动

1-主运动 2-进给运动 3-待加工表面 4-过渡表面 5-已加工表面

（1）主运动 主运动是切除工件上的被切削层，使之转变为切屑的运动。它是成形运动中的主要运动。主运动的形式有主轴的旋转、刀架或工作台的直线往复运动等。例如，车床上工件的旋转运动，钻床、镗床、铣床及外圆磨床上刀具的旋转运动。

（2）进给运动 进给运动是使工件切削层相继投入切削，从而加工出完整表面所需的运动，如车外圆时车刀的纵向移动、铣平面时工件的纵向移动、刨平面时工件的横向间歇移动等。

机床在加工过程中除完成成形运动外，还需完成一系列的辅助运动。如图1-2中，运动Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ及Ⅶ与表面成形过程没有直接关系，都属于辅助运动。辅助运动的作用是实现机床加工过程中所必须的各种辅助动作，为表面成形创造条件，主要有以下几种：

（1）切入运动 刀具相对工件切入一定深度，以保证工件达到要求的尺寸。

（2）分度运动 多工位工作台、刀架等周期转位或移位，以便依次加工工件上的各个表面，或依次使用不同刀具对工件进行顺序加工。

（3）调位运动 加工开始前机床有关部位移位，以调整刀具和工件之间的相对位置。

（4）其他各种空行程运动 如切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动，开车、停车、变速、变向等控制运动，装卸、夹紧、松开工件的运动等。

1.3.2 机床传动链

为了实现加工过程中所需的各种运动，机床必须具备3个基本部分：运动源、执行件和传动件。

（1）运动源 为执行件提供运动和动力的装置，如交流异步电动机、直流或交流调速电动机和伺服电动机等。

（2）执行件 执行机床运动的部件，如主轴、刀架、工作台等，用来装夹刀具或工件，直接带动它们完成一定形式的运动，并保证其运动轨迹的准确性。

（3）传动件 传递运动和动力的装置，它把执行件和运动源或有关的执行件之间联系起来，使执行件获得一定速度和方向的运动，并使有关执行件之间保持某种确定的相对运动。

机床在完成某种加工内容时，为了获得所需要的运动，需要一系列的传动件使运动源和执行件，或使执行件和执行件之间保持一定的传动联系。这种构成传动联系的一系列顺序排列的传动件，称为传动链。根据传动联系的性质，传动链分为外联系传动链和内联系传动链两类：

（1）外联系传动链 外联系传动链是联系运动源和机床执行件之间的传动链，其任务只是把运动和动力传递到执行件上。它的传动比大小只影响加工速度或工件的表面粗糙度，而不影响工件表面形状的形成，所以，并不要求运动源和执行件之间有严格的传动比关系。例如，车削螺纹时，从电动机传到机床主轴的传动链就是外联系传动链，它只影响车削螺纹速度的快慢，而对螺纹表面的形成并无影响。

（2）内联系传动链 内联系传动链用来连接有严格运动关系的两执行件，以保证运动的轨迹准确，从而获得准确的加工表面形状和较高的加工精度。例如车床的车螺纹传动链，其两端件为主轴及刀架，在加工中要求严格保证主轴每转一周，刀架纵向移动一个导程，以得到准确的螺纹表面形状及导程。

通常，机床有几种运动，就相应有几条传动链。例如，卧式机床需要有主运动、纵向机动进给运动、横向机动进给运动及车螺纹运动，相应就有主运动传动链、纵向进给传动链、横向进给传动链及车螺纹传动链等。

1.3.3 机床机械传动装置

机床常用的传动装置有机械、液压（气动）和电气传动装置，以及由这3种传动装置组合的复合传动装置。机床的机械传动装置通常由离合器和换置机构组成。换置机构又由变速机构、换向机构和变换运动形式的机构等组成。

1.3.3.1 离合器

离合器用来使安装在同轴线的两轴与空套其上的传动件（如齿轮、带轮等）保持结合或脱开，以传递或断开运动，从而实现机床运动的起动、停止、变速、变向等。离合器的种类较多，按其结构和用途可分为摩擦式离合器、啮合式离合器、超越离合器和安全离合器等。

（1）摩擦式离合器 摩擦式离合器是利用相互压紧的两个零件之间的摩擦力来传递运动和转矩的。摩擦离合器可在运转中接合，接合过程平稳。当载荷过大时，摩擦片的接触面可产生相对滑动，能保护其他机件不受损坏。但传动比不稳定，摩擦片在接合过程中的相对滑动会产生磨损和发热，且结构尺寸较大，一般只能装在转速较高的传动轴上。常用于不需要保持严格的运动关系，而要求在高速运转中接通和断开的传动装置中。

摩擦离合器的结构形式较多，机床上应用较多的是多片式摩擦离合器。多片式摩擦离合器按压紧的力源又可分为机械多片式摩擦离合器、液压离合器和电磁离合器3种。

图1-4所示为机械多片式摩擦离合器的一种。它由空套齿轮2、外摩擦片4、内摩擦片5和加压套7等零件组成。外摩擦片4的内孔空套在轴1上，分布于圆周的4个齿爪嵌入空套齿轮的缺口中；内摩擦片5装入空套齿轮2右端套中，其内花键孔与轴相配合。外摩擦片4左端装有止推片12和3。止推片3在B槽中可以相对止推片12转过半个花键齿距，即B槽限制止推片3的轴向移动，彼此用销钉固定，则构成轴1的组合台阶面以承受压紧摩擦片压力F。在未压紧时，安装在花键轴上的内、外摩擦片互不接触，花键轴输入的动力和运动不能传递给空套齿轮，将动力和运动切断。当操纵机构将滑套9向左移时，其左端内锥面把钢球8径向压入固定套与加压套7的端面的间隙中，并推动加压套7向左移动，带动其上的螺母6把内、外摩擦片压紧，通过摩擦片间的摩擦力，将轴的运动和转矩经内、外摩擦片及空套齿轮传出。此时，滑套9以其内孔的圆柱部分压住钢球，它们之间的作用力方向与滑套运动方向垂直，使滑套处于自锁状态，以保持作用在摩擦片上的压紧力。内外摩擦片间的间隙直接影响传递转矩的大小，当间隙过大时，输出转矩减小，而间隙过小会造成摩擦离合器不能脱开，使机床的主轴不能及时切断运动。调整时，应将弹簧销11压下，旋转螺母6使加压套7轴向移动，使内、外摩擦片的间隙符合要求。机械多片式摩擦离合器通常由人力（或机械）经机械操作机构控制。

图1-4 机械多片式摩擦离合器

1-轴　 2-空套齿轮　 3-止推片　 4-外摩擦片　 5-内摩擦片　 6-螺母　 7-加压套　 8-钢球　 9-滑套　 10-套　 11-弹簧销　 12-止推片

（2）啮合（牙嵌）式离合器由两个端面带爪的零件组成，如图1-5（a、b）所示。右半离合器2通过平键3连接在轴4上，在同一根轴上装有端面铣有齿爪的空套齿轮（左半离合器）1，当操纵机构轴向移动右半离合器2时，使其与齿轮1上的齿爪啮合或脱开，以实现齿轮1与轴4一起旋转或断开运动联系。

图1-5 啮合式离合器

1-空套齿轮 2-右半离合器 3-平键 4-轴

齿轮式离合器由安装在同轴上的滑移齿轮1和空套的内齿轮2组成，如图1-5（c、d）所示。操纵机构使滑移齿轮向右轴向移动与空套内齿轮啮合，将动力和运动经齿轮式离合器传出；如果使滑移齿轮左移与内齿轮脱开，离合器处于分离状态，断开运动联系。

（3）超越离合器 超越离合器用于有快慢两个运动源交替传动的轴上，以实现运动的自动转换。根据传递运动的方向分为单向超越离合器和双向超越离合器两种类型。单向超越离合器机构如图1-6所示，由外壳W、滚柱3、星轮4和传动轴等组成。较慢的运动经齿轮副1、2带动与齿轮2一体的外壳W逆时针单方向转动，滚柱3在弹簧销7的作用下，将外壳W与星轮4卡住，经键带动轴Ⅱ低速旋转。当较高的转速也逆时针方向由电动机M经齿轮副5、6和轴Ⅱ传入时，滚柱3在摩擦力的作用下向后压缩弹簧，使外壳与星轮自动脱开运动联系，直接将较高转速的运动输出。当快速运动源停止转动时，外壳W又通过滚柱3带动轴Ⅱ逆时针方向慢速旋转。

图1-6 超越离合器

1、2、5、6-齿轮 3-滚柱 4-星轮 7-弹簧销

当外壳W逆时针旋转时，楔紧在斜缝中的滚柱受到4个力，即法向力N1、N2和摩擦力f1、f2。由N1、f1组成合力R1，由N2和f2组成合力R2。如果要求滚柱不自动地退出楔缝，则合力R1和R2必须大小相等、方向相反，并且作用在一条直线上，使滚柱楔紧在外壳W与星形轮4之间的斜楔中，星轮4随着齿轮外壳W同向转动，传递慢速机动进给运动。

弹簧销7的作用有两个：一是星轮4快速转动时，吸收滚柱3的惯性力，滚柱3退入宽槽中，齿轮外壳空转；二是在快速转动停止瞬间，滚柱3能及时楔人斜楔，传递慢速机动进给运动，在快速-慢速转换中不会出现间断（或停止）运动（慢速机动进给）状态。

（4）安全离合器 安全离合器是一种过载保护机构，可使机床的传动零件在过载时自动断开传动，以免机构损坏。图1-7所示为安全离合器工作原理示意图。安全离合器由两个端面带螺旋形齿爪的结合子2、3组成，左结合子2空套在轴Ⅰ上，右结合子3通过花键与轴Ⅰ相连，并通过弹簧4的作用与左结合子2紧紧啮合。在正常情况下，运动由齿轮1传至左结合子2左端的齿轮，并通过螺旋形齿爪，将运动经右结合子3传于轴Ⅰ上。当出现过载时，齿爪在传动中产生的轴向力F轴超过预先调好的弹簧力，右结合子压缩弹簧向右移动，并与左结合子脱开，两结合子之间打滑，从而断开传动，保护机构不受损坏。当过载现象消除后，右结合子在弹簧作用下，重与左结合子啮合，并使轴Ⅰ得以继续转动。

图1-7 安全离合器

1-齿轮 2-左结合子 3-右结合子 4-弹簧

1.3.3.2 变速机构

变速机构是实现机床有级变速传动的基本单元，常用定比变速机构、塔齿轮变速机构、滑移齿轮变速机构、离合器变速机构、配换齿轮变速机构和摆移齿轮机构等。

（1）定比变速机构 定比变速机构的传动比固定不变，常用于提升（或降低）执行件的运动速度，有带轮副、齿轮副和蜗轮蜗杆副等形式。带轮副传动如果用Ⅴ带传动，则由于传动带与带轮间存在弹性滑动或打滑，传动比不够稳定。采用同步齿形带传动可避免这种情况。

（2）滑移齿轮变速机构 滑移齿轮变速机构在机床传动系统中应用较为普遍。图1-8（a）所示为滑移齿轮变速机构。齿轮z1、z2和z3固定在轴Ⅰ上，三联滑移齿轮组以花键与轴Ⅱ相连接，当它移动到左、中、右3个不同的位置时，传动副分别为z1／z1′、z2／z2′和z3／z3′相啮合，使轴Ⅰ与轴Ⅱ间有3种不同的传动比。对应轴Ⅰ的每一种转速，轴Ⅱ都可获得3种不同的转速。使用最多的是双联和三联滑移齿轮，也有少数采用四联滑移齿轮。这种变速机构结构紧凑、刚性好、传动效率高、变速方便，但不宜在运转过程中变速。

图1-8 常用机械有级变速机构

（3）塔齿轮变速机构 塔齿轮变速机构如图1-8（b）所示，塔形带轮1和3分别固定在轴Ⅰ和轴Ⅱ上，传动带2可在带轮上移换调整。调整传动带在3个不同位置，使轴与轴间的传动比发生改变，以获得3种不同的转速。传动带有平带和Ⅴ带两种形式。

（4）摆移齿轮变速机构 摆移齿轮变速机构如图1-8（c）所示，轴Ⅰ上装有多个不同齿数的齿轮，通常称为塔轮。摆移架4能绕轴Ⅱ摆动并带动滑移齿轮5沿其轴向移动，在挂轮架的中间轴上装有与滑移齿轮5啮合的空套齿轮6。将摆移架4移动到不同的位置，并做相应的摆动，轴Ⅱ上的滑移齿轮通过中间齿轮6与轴Ⅰ上的不同齿数的齿轮相啮合，以获得多种传动比。该机构刚性较差，用于早期型号车床的进给箱中。

（5）离合器变速机构 离合器变速机构如图1-8（d）所示，固定在轴Ⅰ上的齿轮z1和z2分别与轴Ⅱ上的空套齿轮z1′与z2′一直保持啮合。牙嵌式离合器的中间拨套M通过花键与轴Ⅱ连接。由于两对齿轮的传动比z1／z1′和z2／z2′不同，当离合器的中间拨套M分别向左、右移动与齿轮z1′或z2′啮合时，轴Ⅰ的运动分别经齿轮副z1／z1′或z2／z2′带动轴Ⅱ转动，使轴Ⅱ得到两种不同的转速。

离合器变速机构变速方便，变速时齿轮不用移动，操纵力较小，特别适用于齿轮尺寸较大的传动系统以及斜齿轮传动。为便于电气控制，还可采用电磁离合器。如需在运转过程中变速，可采用摩擦离合器。离合器变速机构的缺点是各对齿轮副总处于啮合状态，磨损较大。摩擦离合器传动效率较低。

（6）配换齿轮变速机构 配换齿轮变速机构又称挂轮机构，常用一对和两对配换齿轮形式，如图1-8（e）所示。一对配换齿轮的挂轮机构由可拆卸的配换齿轮A和B分别安置在中心距固定的轴Ⅰ和轴Ⅱ上，在保持配换齿轮副齿数和不变的情况下，相应改变齿轮A和B的齿数，以改变其传动比，实现输出轴的变速；在两对配换齿轮的挂轮机构中，轴Ⅰ和轴Ⅱ固定在机座上，分别装有固定齿轮A和齿轮D，齿轮C和齿轮B安装在中间轴7上，改变配换齿轮A、B、C和D的齿数，可获得需要的传动比。

配换齿轮变速结构简单、紧凑，但变速麻烦、费时。一对配换齿轮变速机构刚性好，用于不经常变速的齿轮加工机床、半自动和自动机床等的主传动系统。两对配换齿轮变速机构安装在挂轮架8上的中间轴刚性较差，一般只用于进给运动和需要保持准确运动关系的传动系统中。

1.3.3.3 换向机构

换向机构用来变换机床执行件的运动方向。换向机构类型很多，常用的有圆锥齿轮换向机构和滑移齿轮换向机构。

（1）圆锥齿轮换向机构 如图1-9（a）所示，固定在主动轴Ⅰ上的圆锥齿轮同时与空套在轴Ⅱ上的圆锥齿轮z2和z3相啮合，z2和z3转向相反。与花键轴连接的离合器M分别与圆锥齿轮z2和z3的牙嵌式离合器啮合，轴Ⅱ就能分别获得正、反不同方向的旋转运动。

图1-9 换向机构

（2）滑移齿轮换向机构 如图1-9（b）所示，轴Ⅰ上装有双联滑移齿轮z1和z1′，齿轮z2和z3装在花键轴Ⅱ上，中间轴上装有空套齿轮z0。当双联滑移齿轮处于右位时，z1与z2啮合，轴Ⅱ的转向与轴Ⅰ相反；当滑动齿轮z2处于左位（图示位置）时，轴Ⅰ的运动经齿轮z1′、z0和z3传给轴Ⅱ，轴Ⅱ与轴Ⅰ的转向相同。