燕山大学本科生毕业设计（论文）
第3章 机床主轴箱的设计
3.1 主轴箱的设计要求
1. 具有更大的调速范围，并实现无级调速。 2. 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 3. 良好的抗震性和热稳定性。
3.2主传动系统的设计
3.2.1 主传动功率
机床主传动的功率P 可由下式来确定：
P?Pc
?式中 P－机床主传动的功率 Pc－切削功率 ?－主传动链的总效率 由下式确定：
数控机床的加工范围一般都比较大，pc可根据有代表性的加工情况，
Pc?Fzv/60000?M?n/65500(KW)
式中 Fz－主切削力的切向力（N） v－切削速度（m/min） M－切削扭矩 （N/cm） n－主轴转速 （r/min）
主传动的总效率一般可取为?＝0.70～0.85，数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速来实现，传动链比较短，因此，效率可以取较大值。
12
第3章 机床主轴箱的设计
主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动的功率确定的，如果传动效率定的过大，将使传动件的尺寸笨重而造成浪费，电动机常在低负荷下工作，功率因数太小从而浪费能源。如果功率定的过小，将限制机床的切削加工能力而降低生产率。因此，要较准确合适的选用传动功率。
3.2.2 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4500r/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。
3.2.3 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/nd=4500/1500=3 （3-1） 而主轴要求的恒功率转速范围Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,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Фf等于交流主轴电动机的恒功率调速范围Rdp，即Фf=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=lg30/ lg 3=3.10 (3-2) 取 Z=3
确定各齿轮副的齿数：
13
燕山大学本科生毕业设计（论文）
取S=114
由u=2 得Z1=38 Z1′=76 由u=0.67 得Z2=68 Z2′=46 由u=0.22 得Z3=94 Z3′=20
如取总效率η=0.75，则电动机功率P=5.5/0.75=7.3kw。可选用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，连续额定输出功率为7.5kw。 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3-1、图3-2、图3-3。
图3-1 主传动系统图
14
第3章 机床主轴箱的设计
图3-2转速图 图3-3主轴功率特性
3.2.4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。
15
燕山大学本科生毕业设计（论文）
计算转速nj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3-1所示:
表3-1 各轴的计算转速
轴 计算转速（r/min） Ⅰ 1500 Ⅱ 750 III 173 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），则： Ⅰ轴：P1=Pd×0.99=7.5×0.99=7.42 KW Ⅱ轴：P2=P1×0.97=7.42×0.97=7.20 KW III轴：P3=P2×0.97=7.20×0.97=6.98 KW
Ⅰ轴扭矩：T1=9550P1/n1 =9550×7.42/1500=47.24 N.m
Ⅱ轴扭矩：T2=9550P2/n2 =9550×7.20/750=91.68N.m III轴扭矩：T3=9550P3/n3 =9550×6.98/173=385.31N.m
[φ]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，其选取的原则如表3-2所示:
表3-2 许用扭转角选取原则
轴 [φ]（deg/m） 主轴 0.5-1 一般传动轴 1-1.5 较低的轴 1.5-2
根据表2-2确定各轴所允许的扭转角如表3-3所示:
表3-3 许用扭转角的确定 轴 [φ]（deg/m）
Ⅰ 1 Ⅱ 1 III 1 把以上确定的各轴的输入功率N=7.5KW、计算转速nj（如表2-1）、允许扭转角[φ]（如表2-3）代入扭转刚度的估算公式
d?0.0114T (3-3) [?]
16