2.3 机床的基本传动形式
2.3.1 机床传动的组成
机床的各种运动和动力都来自动力源，并由传动装置将运动和动力传递给执行件来完成各种要求的运动。
因此，为了实现加工过程中所需的各种运动，机床必须具备三个基本部分：
（1）执行件。执行机床运动的部件，通常指机床上直接夹持刀具或工件并实现其运动的零、部件。它是传递运动的末端件，其任务是带动工件或刀具完成一定形式的运动（旋转或直线运动）和保持准确的运动轨迹。常见的执行件有主轴、刀架、工作台等。
（2）动力源。提供运动和动力的装置，是执行件的运动来源（也称为动源）。普通机床通常都采用三相异步电机作动力源（不需对电机调整，连续工作）；数控机床的动源采用的是直流或交流调速电机、伺服电机和步进电机等（可直接对电机调速，频繁启动）。
（3）传动装置。传递运动和动力的装置。传动装置把动力源的运动和动力传给执行件，同时还完成变速、变向、改变运动形式等任务，使执行件获得所需要的运动速度、运动方向和运动形式。
传动装置把执行件与动力源或者把有关执行件之间连接起来，构成传动系统。机床的传动按其所用介质不同，分为机械传动、液压传动、电气传动和气压传动等，这些传动形式的综合运用体现了现代机床传动的特点。
2.3.2 机床常用的传动副
在机床的传动系统中，机械传动仍是主要的传动方式。机械传动常用的传动元件及传动副有带与带轮、齿轮与齿轮、蜗杆与蜗轮、齿轮与齿条、丝杠与螺母等。每一对传动元件称为传动副。
1.带传动
带传动是利用带与带轮之间的摩擦作用，将主动带轮的转动传到从动带轮。
目前，在机床传动中，一般用V形带传动，如图2－11所示。
图2－11 带传动
如不考虑带与带轮之间的相对滑动对传动的影响，主动轮和从动轮的圆周速度都与带的速度相等。即v1＝v2＝v带，又因为
故 
式中：v1、v2——分别为主动轮和从动轮的圆周速度，m／min；
d1、d2——分别为主动轮和从动轮的直径，mm；
n1、n2——分别为主动轮和从动轮的转速，r／min；
i——传动比，即从动轮转速和主动轮转速之比。
如考虑带轮与带之间的滑动，则传动比应乘以滑动系数ε，ε一般为0.98。
带传动的优点是传动平稳；两轴之间的距离可以较大；结构简单、制造和维修方便；过载时带与带轮之间打滑，避免造成机器损坏。其缺点是传动中有打滑现象，无法保证准确的传动比；有摩擦损失，传动效率较低。
2.齿轮传动
齿轮传动是机床上应用最多的一种传动方式。齿轮的种类很多，有直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、人字齿轮等，其中最常用的是直齿圆柱齿轮传动，如图2－12所示。
图2－12 齿轮传动
若z1与n1分别代表主动轮的齿数和转速；z2与n2分别代表从动轮的齿数和转速。齿轮传动中主动轮转过一个齿，从动轮也转过一个齿。因此，单位时间内，主动轮和从动轮转过的齿数相等，即
由上式可知，齿轮传动的传动比等于主动轮与从动轮齿数之比。两者旋转方向相反。
齿轮传动的优点是结构紧凑，传动比准确，传动效率高。缺点是制造复杂，当制造质量不高时，噪声较大，传动不平稳。
3.蜗杆蜗轮传动
只能蜗杆带蜗轮，不能蜗轮带蜗杆，即传动不可逆（摩擦角很小，产生自锁）。如图2－13所示，蜗杆为主动件，将运动传给蜗轮。最常见的传动形式是两件轴线在空间是互相垂直的，蜗杆主动，蜗轮不能作主动件。
图2－13 蜗杆蜗轮传动
蜗杆的头数K相当于齿轮的齿数，转速为n1；蜗轮的齿数为z，转速为n2，则其传动比为
由于z比K数值大得多，因此蜗杆蜗轮传动可得到较大的降速比，且结构紧凑、噪声小，但传动效率比齿轮传动低，需要良好的润滑条件和散热装置。
4.齿轮齿条传动
如图2－14所示，若齿轮为主动件，则将旋转运动变为直线运动；若齿条为主动件，则将直线运动变为旋转运动；若齿条固定不动，则齿轮在齿条上滚动，车床上刀架的纵向进给即通过这种方式实现。此时齿轮轴线的移动速度v（mm／min）为
v＝zpn＝zπmn
式中：z——齿轮的齿数；n——齿轮的转速，r／min；
p——齿条的齿距，mm；m——齿轮模数。
图2－14 齿轮齿条传动
图2－15 螺纹传动
5.丝杠螺母传动
如图2－15所示，用来将旋转运动变为直线运动，常用于进给运动的传动机构中。若将螺母沿轴向剖分成两半，即形成对开螺母，可随时闭合和打开，从而使运动部件运动或停止。车削螺纹时纵向进给运动即采用这种方式。若单线丝杠的螺距为P（mm），转速为n（r／min），则螺母（不转）沿轴线方向移动的速度v（mm／min）为
v＝nP
若用多线螺纹传动时，则丝杠每转一转，螺母移动的距离等于导程（导程L等于线数K与螺距P之乘积，即L＝KP）。
丝杠螺母传动平稳，无噪声，若制造得精确，可提高传动精度，但传动效率低。
2.3.3 传动链及其传动比
将若干传动副依次组合起来，即成为—个传动系统，又称传动链，如图2－16所示。
若已知主动轮轴Ⅰ的转速、带轮的直径和各齿轮的齿数，即可确定传动链中任一轴的转速。
如轴Ⅴ的转速nⅤ可按下式计算
由上式可知：传动链总传动比等于链中所有各传动比的乘积。
图2－16 传动链图
为便于看清机床传动系统图，把各种传动件进行简化，用一些示意性的简图符号表示。
表2－4给出了机床传动系统图中常用的简图符号。
表2－4 传动系统图中的常用简图符号
2.3.4 机床的变速机构
为适应不同的加工要求，机床的主运动和进给运动的速度需经常变换。因此，机床传动系统中要有变速机构。变速机构有无级变速和有级变速两类。目前，有级变速广泛用于中小型通用机床中。
实现机床运动有级变速的基本机构是各种两轴传动机构，它们通过不同方法变换两轴间的传动比，当主动轴转速固定不变时，从动轴得到不同的转速。常用的有级变速机构有以下几种。
1.塔轮变速机构
如图2－17（a）所示，塔轮1和3分别固定在轴Ⅰ和轴Ⅱ上，带2可在带轮上移换三个不同位置。由于两个带轮对应各级的直径比值各不相同，因而当轴Ⅰ以固定不变的转速旋转时，轴Ⅱ可得到三级不同的转速。
图2－17 常用变速机构
塔轮变速机构可以是平带传动，也可以是Ⅴ带传动，其特点是运转平稳，结构简单，但尺寸较大，变速不方便。它主要用于小型、高速以及简式机床上。
2.滑移齿轮变速机构
如图2－17（b）所示，齿轮z1、z2、z3固定在轴Ⅰ上，由齿轮z1′、z2′、z3′组成的三联滑移齿轮块，以花键与Ⅱ轴连接，可沿轴向滑动，通过手柄可拨动三联滑移齿轮，即移换左、中、右三个位置，使其分别与主动轴Ⅰ上的齿轮z1、z2和z3相啮合，于是轴Ⅱ可得到三种不同转速。
此时变速机构的传动路线可用传动链的形式表示：
这种变速机构变速方便（但不能在运转中变速），结构紧凑，传动效率高，机床中应用最广。
3.离合器变速机构
如图2－17（c）所示，固定在轴Ⅰ上的齿轮z1和z2分别与空套在轴Ⅱ上的齿轮z1′和z2′经常保持啮合。由于两对齿轮传动比不同，当轴Ⅰ转速一定时，齿轮z1′和z2′将以不同转速旋转，因而利用带有花键的牙嵌式离合器M1向左或向右移动，使齿轮z1′或z2′分别与轴Ⅱ连接，即轴Ⅱ就可获得两级不同的转速。
以传动链形式表示，可写成：
离合器变速机构变速方便，变速时齿轮不需移动，可采用斜齿轮传动，使传动平稳，齿轮尺寸大时操纵比较省力、可传递较大的转矩，传动比准确。但不能在运转中变速，各对齿轮经常处于啮合状态，故磨损较大，传动效率低。该机构多用于重型机床及采用斜齿轮传动的变速箱等。
目前机床变速箱是有级变速的主要装置。其变速机构由一些基本机构组成，虽然它的结构各有不同，但其基本原理是相同的。
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