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关键词：
变速箱，特征，分析，改进，研究方向
Analysisofthestructuralcharacteristicsofgear-boxofmachinetool
Abstract
Thegearboxofmachineisthemostimportanttransmissionpartofmachinetool.Themachinemotorandthemachinetoolspindlearelinkedbyit,anditdeliveriespowerandtorquefrommachinemotortomachinetoolspindle,sothemachinetoolspindlecanrotatetoprocesstheworkpiece.Themainroleofthegearboxmachineistoregulatethespeedandtorqueofthespindlewiththevariable-speeddevice，sothemotorcanruninabeststate.
Inthisarticlethreekindsofgearboxesareintroduced（ShiftGearbox;
ContinuouslyVariableTrans-mission;
MicroGearbox）;
Thefeaturesofeachkindofthreegearboxesareanalysized;
TheadvantagesanddisadvantagesofShiftGearboxandContinuouslyVariableTrans-missionarediscussiedwithexamples,andsomeimprovementsaremadeforsomedefectsofShiftGearbox.Thesolutionsandthedirectionoffutureresearchare
discussiedtoovercomethedisadvantagesoftheCVT,whichisinefficient;
SomeimportantfeaturesofMicroGearboxarestated,andThetechnicalconditions,usingtoachievethefeatures,areconsidered.
Keywords:
Gearbox,Feature,Analysis,Improvements,Directionofresearch
1.绪论
1.1概述
机床变速箱是机床中的重要的传动装置，机床运行性能的好坏很大程度上决定于机床变速箱的传动性能。
机床变速箱主要是由变速传动机构和操纵机构组成。
它将电动机和主轴联结起来，通过传动轴和齿轮以及其它传动件将电动机动力传递到主轴。
既然是变速箱，顾名思义其主要作用是改变主轴转速，从而实现加工要求的目的。
但是，其作用并不仅仅是改变转速这么简单，这主要是由电动机的物理性质决定的。
任何电动机都有其峰值转速；
其次，电动机最大功率及最大扭矩在一定的转速区出现。
变速箱中的变速机构通过改变传动比从而达到改变电动机运行状态的目的。
保持合理的传动比可以使电动机工作在其最佳的动力性能状态下。
机床变速箱按照尺寸大小可划分为传统尺寸机床变速箱和微型机
床变速箱。
同时，传统尺寸变速箱依照变速方式的不同可分为换挡变速箱（又称有级变速箱）和无级变速箱。
换挡变速箱是目前在机床上应用最广泛的一种。
它采用齿轮传动，
具有若干个定值传动比。
这种变速箱主要由传动轴、滑移齿轮、离合器、变速机构以及其它传动件组成。
变速过程通过箱体内操纵变速机构改变滑移齿轮的相对位置从而改变整体传动比来实现的。
它具有传动扭矩大，效率高，功率大以及传动比稳定的优点。
这些优点使其广泛应用于普通机床中。
但是，其传动比比较固定，无法实现均匀变化，从而造成传动件有较大的冲击载荷，且需要人工调定传动比以保证电机良好运行。
无级变速箱[11]是较换挡变速箱后发展起来并逐渐被广泛应用的变速
装置。
它与换挡变速箱最大的区别是其可以实现传动比在一定范围内均匀连续的变化。
无级变速的实现方式可分为液力式、电力式和机械式三种。
机械无级变速装置有钢球式、宽带式多种结构，它们都利用摩擦力来传递转矩通过连续改变摩擦传动副的工作半径来实现无级变速。
其主要应用于小型车床和铣床中。
液压无级变速装置利用油液为介质来传动动力，通过连续的改变输入液压机的油液流量来实现无极变速。
其主要应用于刨床、拉床等执行件为直线运动的机床中。
电气无极变速装置是通过连续改变电动机的转速来实现无级变速，其主要适用于大型机床和数控机床。
无级变速箱通过传动比连续均匀的变动能使机床获得最有利的切削速度。
微型机床变速箱[14]是微细加工技术发展的产物。
微细加工技术是加工
技术自身发展的必然，同时也是微型机械技术发展对加工技术需求的促进。
所谓微细加工技术就是能够制造微小加工零件的加工技术的总称。
其包括微细切削加工、磨料加工、微细电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、等离子加工等[4][5]。
在这里主要涉及微细切削加工。
微型切削加工和精密加工是紧密联系的，都是现代先进加工技术的前沿。
微细切削加工是指微小尺寸零件的生产加工技术。
随着机械制造及其相关科学技术的发展，切削加工技术可以达到极高的加工精度和极微细的尺寸，已经成为微细加工领域中极为重要的加工手段。
微细切削加工的主要方法有微细车削、微细铣削、微细磨削、微孔钻削等，其均为微量切削（又称极薄切削）。
以上各种不同的切削加工方式都有与之对应的微型加工机床。
大多数微型机床的结构组成与宏观机床相似，其中微型变速箱仍然是微型机床中最重要的传动部件。
与传统变速箱不同的是，微型变速箱尺寸极小，传动精度较高。
1.2变速箱的发展状况
机床变速箱是机床中极其重要的传动部件，因此在人们开始应用机械时变速箱就已经诞生。
早期的机床变速箱主要是简易的换挡变速箱，也就是通过单纯通过齿轮和传动轴以及简单的变速机构来实现传动和变速。
随着机械行业的发展，加工技术和金属材料日益先进，使得换挡变速箱结构日趋复杂和先进。
但是人们通过长时间的生产和应用，发现换挡变速箱具有其设计原理上的缺陷，其无法实现传动比的均匀变化，造成速度损失，从而影响加工条件。
因此，人们开始研究实现传动比连续变化的方案，也就是无级变速。
无级变速箱是在19世纪90年代出现的，至20世纪30年代以后才开始发展，由于受当时各方面因素如机械发展水平、材质和加工工艺等条件的限制，进展十
分缓慢。
20世纪50年代，尤其是70年代以后，随着科技的发展，原本无法解决或很难解决的技术难题一一突破，加之实际生产中对无级变速箱的需求越来越多，无级变速箱得到了很大的发展，得到了较为广泛的应用。
目前无级变速箱的研究和应用主要包括以下几个方面[12]：
液力无级变速、电力无级变速和机械无级变速。
近年来以液力和电力无级变速为主要的研究方向，取得了较为较大成果。
在20世纪七十年代，随着机械制造业的发展，人们不再满足于对传统机械的应用，从而提出微机械的概念。
到20世纪90年代诞生了对应于加工微型机械零件的微型机床，该机床所应用的传动和变速装置称为微型机床变速箱。
微型变速箱的发展是近些年才引起广泛重视的。
随着微细加工技术的进步，微小型传动件在生产数量和质量上都已经达到一定得要求，使得微型变速箱在近几年的发展迅速。
但由于目前技术仍不够先进，微型变速箱在尺寸和传动精度上都无法达到令人满意的程度。
但随着微细加工技术的深入，微型变速箱发展前景将极其可观。
1.3研究目的、意义和内容
机床变速箱是机床中的重要的传动装置，机床运行性能的好坏很大程度上决定于机床变速箱的传动性能。
目前应用的机床变速箱主要可以分为宏观变速箱和微型变速箱。
其中宏观变速箱按照变速方式的不同又可分为换挡变速箱和无级变速箱两种。
对这几种变速箱各自的特点进行深入的分析和总结有助于对机床变速箱这一重要部件产生系统性的理解，从而方便发现目前某些变速箱设计的不足之处以及某类变速箱的整体缺陷。
这有助于提出针对目前机床变速箱的改进意见，同时也有利于探索未来机床变速箱的研究方向。
因此，对机床变速箱的进一步研究和发展具有理论和现实意义。
2.换挡变速箱
2.1换挡变速箱的特点
换挡变速箱是通过滑移齿轮、交换齿轮、离合器等变速传动副使执行件实现速度的改变。
其通过传动齿轮实现定比传动（往往具有几个到十几个定值传动比），因此其传动比变换是跳跃式的，存在速度损失。
但是其传动扭矩大，效率高切且制造成本较低。
因此换挡变速箱广泛应用于传统加工机床当中。
2.2CA6140车床换挡变速箱结构分析
我们结合CA6140车床变速箱进行具体分析：
CA6140车床[15]是目前使用极为广泛的加工机床。
这种机床的传动变速系统采用了典型的换挡变速箱形式。
下面我们以CA6140车床变速箱为实例，描述换挡变速箱的工作特点。
并结合其特点提出几点局部的改进方案。
下图是CA6140传动系统图1：
图1CA6140机床传动系统
从图中我们可以看出，CA6140车床变速箱共有两条传动链：
一条是从主电动机到主轴的外联系传动链，在传动系统图中体现为主运动传动链；
另一条是从主轴到刀架的传动链，它根据被加工工件的不同可分为内联系传动链和外联系传动链，其体现为进给传动链。
我们在这里主要讨论其主运动传动链。
主传动链的执行件为电动机和主轴。
它的作用是把电动机的运动和动力传给主轴，使主轴带动工件转动，并满足主轴转向和换向的要求。
主运动从电动机开始，经过三角带轮传给第一根轴，再通过摩擦离合器，一组双联滑移齿轮以及反转齿轮传给轴二。
轴二的运动通过一组三联滑移齿轮传至轴三。
轴三的运动转到主轴有两条路线：
一条是经过齿轮副直接传给主轴（此时主轴上的齿式离合器左移），使主轴得到450~1400r/min的六种高转速；
另一条是主轴上的齿式离合器在图示位置，运动经齿轮副20/80或齿轮副50/50传给轴四，再由齿轮副51/50传给轴五，最后由齿轮副26/58和齿式离合器传给主轴，使主轴获得10~500r/min的18种低转速。
CA6140车床主运动的传动路线表达式如下图2所示：
图2传动路线表达式
双向多片式摩擦离合器装在主轴箱中的轴一上，由内摩擦片、外摩擦片、止推片、压块和空套齿轮等组成。
离合器右半部分使主轴反转，主要用于退刀，传递的扭矩小，所以片数较少。
下图3中所示的是摩擦离合器左半部分，图中内摩擦片3的内孔为花键孔，与轴一的花键啮合，随着轴一一起转动；
外摩擦片2空套在轴一上，它的外圆上有四个凸爪，嵌在空套齿轮1的缺口槽中，能带动齿轮1转动。
当内外摩擦片压紧时，轴一的转动通过内外摩擦片的摩擦力传给了齿轮1，再通过其他的传动齿轮使主轴正转。
同理，当右离合器内外摩擦片压紧时，轴一的转动传给了轴一右端的齿轮，从而使主轴反转。
当左、右离合器都处于脱开状态，这时轴一虽然转动，但主轴处于停止状态。
图3双向多片式摩擦离合器左半部分
1、空套齿轮2、外摩擦片3、内摩擦片4、弹簧销5、销6、元宝销7、杆8、压块9、螺母1011、止推片
摩擦离合器的工作是通过手柄18来操纵的（见下图4）。
当手柄18向上扳动时，连杆20向外移动，通过曲柄21、扇齿轮17、齿条22使滑套12向右移动，将元宝销6的右端向下压，元宝销6下端推动轴一内孔中的拉杆向左移动，带动压块8向左压紧。
于是，左离合器开始传递运动。
同理，将手柄18扳至下端位置时右离合器接合而传递运动。
当手柄18处于中间位置时，左右离合器全部脱开，主轴停止转动。
摩擦离合器除了传递运动和扭矩外，还能起到过载保护的作用。
摩擦片之间
图4CA6140开停操纵机构
12、滑套13、调节螺钉14、杠杆15、制动带16、制动盘17、齿扇
18、手柄19、操纵杠20、杆21、曲柄22、齿轴条
的压紧力是根据离合器应传递的转矩来确定的。
当机床过载时摩擦片打滑，就可以避免损坏机床。
压紧力可以通过下图a中的螺母9来调整。
制动器安装在轴四上（见下图5），由制动盘16、制动带15、调节螺钉13和杠杆14等组件组成。
制动器的作用是在左、右离合器全部脱开时，是主轴迅速停止转动，以缩短辅助时间。
为了使用方便和安全操作，摩擦离合器和制动器采用联合操纵，两套机构都由手柄18来操纵。
当左或右离合器接合时，杠杆14与齿条20的左侧或右侧的凹槽相接触，使制动带15放松，此时制动器不起作用；
当左或右离合器都脱开时，齿条22处于中间位置、杠杆14与齿条轴22上的凸起相接触，杠杆14向逆时针方向摆动，将制动带15拉紧，制动带和制动盘之间的摩擦力使主轴迅速停止转动。
制动带为一钢带，为增加摩擦系数，在其内侧固定一层酚醛石棉。
图5CA6140制动器
变速操纵机构。
主轴箱上有七个滑移齿轮，其中5个用于改变主轴的转速，1个用于车削左右螺纹的变换，1个用于正常导程和扩大导程的变换。
改变主轴转速的5个滑移齿轮由两套操纵机构控制，另2个滑移齿轮由一套操纵机构控制。
下图6所示为控制轴二和轴三上滑移齿轮的操纵机构。
轴二上有1个双联滑移齿轮A需有两个啮合位置，轴三上有一个三联滑移齿轮B需有三个啮合位置，这两个滑移齿轮由一个装在主轴箱前侧的手柄同时操纵。
手柄通过链传动使轴4转动，在轴4上固定有盘形凸轮3和曲柄2、凸轮3有六个不同的变速位置。
当杠杆6的滚子中心处于凸轮曲线的大半径时，轴二的双滑移齿轮在左端位置，同时，曲柄2通过拨叉操纵轴三上的滑移齿轮，使该齿轮处于左、中、右三种不同的轴向位置。
同理，当杠杆5上的滚子中心处于凸轮曲线小半径时，轴二上的双联滑移齿轮处于右端位置，同时，轴三上的滑移齿轮仍有左、中、右三个轴向位置。
当手柄转一圈时，靠曲柄2和凸轮3的配合，使轴三得到六种不同的转速。
该机构中采用钢球定位装置，使齿轮在规定位置可靠的定位。
图6变速操纵机构
1、拨叉2、曲柄3、盘形凸轮4、轴5、杠杆6、拨叉
2.3关于换挡变速箱的部分改进意见
从理论上看，主轴的该套操纵机构，构思新颖，设计巧妙，开停及制动使用一个操纵手柄7，彼此互锁，易学易记，极为方便。
但经多年操作实践，它还存在两个不足之处:
（1）不方便停车换挡变速。
在实际操作中，一般在主轴停转后，常需要进行换挡变速操作。
此时操作者必须用一只手挂挡，用另一只手转动主轴的卡盘，才能使换置机构中的滑移齿轮啮合换挡。
而这时，主轴因传动轴Ⅳ被刹紧，故无法使同一传动链中的主轴转动，于是造成了变速换挡困难。
所以在实际操作中，为了换挡，操作者不得不将制动带6调松。
然而这样做，又给主轴的刹车造成困难，因此操作者便采取反转刹车，让主轴进入瞬时反转，使主轴进入很快减速，然后将手柄7移到中间停止位置上，使主轴停车。
这种反转刹车对于小载荷的加工影响不大，但如果是在大载荷、高转速下加工工件时，反向刹车危害就显而易见，一则反转所产生的冲击力会打坏传动链上的齿轮，甚至发生大工件因夹具不力而飞出来的危险;
二则在高速反转刹车中，会产生损害操作者健康的高噪声。
（2）制动器的制动力调整不方便，造成主轴刹车不可靠。
当操作者将制动带6调整的制动力超过实际所需的制动力时，就会出现扳转手柄7十分费力，甚至出现主轴不能稳定地停留在所需的位置上的现象，若这时强行使主轴停转后，操作者的手一旦离开主轴7时，主轴就会自动恢复原来的运动。
其所以出现此现象，这主要是因制动带6调节太短了，造成了杠杆5下部触头与齿条轴14上两个凹圆柱面槽上的接触应力太大，杠杆5的下部触头很难爬上两凹圆柱槽之间的凸峰上，而凸峰与下部触头都是点接触，稍有偏位它们之间的接触应力就会产生轴向方向的分力，当人的手离开手柄7后，它就会克服原操作系统所设定的碰珠定位压力（图略），而将齿条轴14推动，使之又滑回原来的凹圆柱面槽中，于是主轴又自动恢复原来的运动。
这是一个极易发生灾难性事故的隐患，因此，主轴开停及制动操纵机构很有改进设计的必要。
改进方案[1]如下：
（1）拆去现有机床上的制动带6，杠杆5，以及传动轴Ⅳ上的制动轮;
在传动轴Ⅳ的尾端安上单片（或多片）电磁制动器（见下图7）。
图7开停及制动操纵机构改进后
1、衔铁2、弹簧3、花键套4、制动片5、激磁线圈6、箱体7、壳体8、传动轴9、磁轭
（2）从上图中可知，电磁制动器的激磁线圈、磁轭、壳体是安在主轴箱的外壁上，依靠电磁场力吸回衔铁而压紧在制动片上，从而使轴Ⅳ迅速停止，故主轴也随即停止。
其制动力的大小与电磁铁的规格大小和所需的电流大小有关。
（3）保留原CA6140车床齿条轴14上已设定的碰珠定位装置（图略），该装置已在齿条轴14上设定了三个定位凹坑，三个凹坑与齿条轴14上两个凹圆柱面槽和中间的凸峰的距离相对应，并以此来限定主轴的正、停、反的运转。
（4）改进原主电机控制线路（见下图9）。
其工作原理是:
当行程开关SQ触头被凸轮顶点压下，此时图中的电流立即使延时断开继电器KT带电，因而电磁铁YB也得电，于是就执行制动任务;
若KT继电器所调定的延时时间已到了，延时断开继电器KT将其常闭触头自动切断电流，进而电磁铁YB即刻断电。
这样传动轴Ⅳ就处于自由停止状态，主轴亦为自由停止状态，此时便可轻松扳动主轴，进行换挡变化，而不必再使用反转刹车了。
图8改进前电路图9改进后电路
当主轴由正转进入反转，或反转进入正转时，操作还是同样方便，其中间仅通过瞬时刹车，SQ仅瞬时接通，立即又进入切断工作。
YB电磁铁的瞬时通电，这对于主轴改变运转方向还是有一定的缓冲作用，因而保护了主轴及传动链上的元件。
另外，对于传统换挡变速箱中的齿轮换挡拨叉机构也应有所改进。
随着主轴转速的提高，齿轮换档机构中的滑移齿轮的线速度也大大提高，与之接触的拨叉表面磨损也愈加严重，既损耗功率，也影响温升。
尤其在立式机床中，由于滑移齿轮是多联齿轮、重量大，磨损也就严重。
故有必要对传统的拨叉机构进行改进。
新机构的设计的思路应当重点放在如何减少拨叉与齿轮之间的摩擦系数。
可以设想将滑动改进成为滚动，即在拨叉与齿轮之间采用滚动轴承，使滑动接触变为滚动接触,从而达到减少摩擦，降低拨叉表面磨损的目的。
摩擦离合器拉杆在长期的生产实践中同样也暴露出一些结构缺陷[3]。
下图10为拉杆原始结构图：
图10拉杆原始结构1、拉杆2、摆杆
拉杆1右端铣有一个槽，槽内装有摆杆2。
其作用是，操纵离合器手柄，经传动机构拨动滑环，推动摆杆2绕支点左右摆动，从而推动拉杆1左右移动，压紧摩擦片，实现主轴的正转、反转或停车。
在实际生产过程中，特别是车削不能提开合螺母的螺纹时，主轴频繁地正反转，需摆杆2左右频繁摆动，导致拉杆槽左下角处发生断裂，影响车床正常工作。
为此，我们对拉杆结构进行相应改进。
如下图11：
图11拉杆改进后
在直径为22mm的拉杆右端，加工出长30mm宽12mm的方形通槽，从而将原来的不对称结构改为对称结构，改善了拉杆受力状况。
原摆杆的下端插入通槽中，其他结构不变。
安装好后，拉杆的使用性能与原结构相同，拉杆断裂现象消除。
3.无级变速箱
3.1无级变速箱的简介和发展
无级变速器[13]是在19世纪90年代出现的，至20世纪30年代以后才开始发展，由于受当时各方面因素如机械发展水平、材质和加工工艺等条件的限制，进展十分缓慢。
20世纪50年代，尤其是70年代以后，随着科技的发展，原本无法解决或很难解决的技术难题一一突破，加之实际生产中对无级变速器的需求越来越多，无级变速器得到了很大的发展，并在汽车等交通工具上广泛应用。
无级变速需要解决的两个技术问题就是转速的连续变化与在任意传动位置下的稳定运转。
满足这两个要求可以有多种传动方式：
利用柔性介质传动，如利用液体作传动介质的液力传动。
该种传动方式是一种组合传动方式，将中间充满液体的液力变矩器或液力耦合器置于发动机与变速箱之间利用液体的柔性可使液力变矩器或液力耦合器的传动比在一定范围内变化，与有级的变速箱组合可实现相当范围的无级变速。
以电磁流为介质的传动，该种变速方式以电机调速为主体，有电磁滑差式、直流电动机式和交流电动机式。
摩擦传动，由于在摩擦传动中，主从动件之间的接触位置可以很容易的改变，利用这一特点可以连续改变传动比，所以摩擦式无级变速是目前应用最为广泛的一种变速方式。
脉动式无级变速是以组合方式来实现无级变速，以连杆机构为主体，单向超越离合器为转速过滤装置，过滤出某一范围内的转速，这一范围之外的转速将不被输出，由于这种输出转速具有脉动性，所以称之为脉动式无级变速。
不同的实现方式将使对变速器的研究沿着不同的方向逐步向前发展。
柔性液体或电磁流为介质的传动方式导致对无级变速的研究朝着控制方向发展。
液力无级变速的实现途径是液力变矩器或液力耦合器，它们通常与齿轮变速箱组合。
齿轮变速箱是有级传动方式，而前者是无级的，在齿轮变速箱的两个传动比之间，液力变矩器或耦合器可实现转速的无级变化，因而实现无级传动。
这种传动方式需要考虑液力变矩器或耦合器的传动特性以及液力变矩器或耦合器与齿轮变速箱之间的协调控制，本质上是用液力变矩器来控制齿轮变速箱。
电磁流为介质的无级变速传动通常称为电力无级调速传动，又可分为直流传动和交流传动，这种无级变速方式涉及到电机控制领域，调速性能依赖于电机调速与控制水平。
由机构或纯机械构件实现无级变速的称为机械无级变速传动，目前所具有的传动形式主要有摩擦式和脉动式两种。
在机械设计基础理论中，机械传动的基本形式有摩擦传动、齿轮传动、带传动、链传动和机构传动等。
摩擦式无级变速器的传动方式就是由这些基本的传动方式演变组合而成，脉动式无级变速器是由机构组合而成。
摩擦式是最简单且最容易实现无级变速的一种传动方式，无级变速器的设计就是从摩擦式开始的。
滚轮平盘式是结构最简单的一种，滚轮为主动件，平盘是从动件，滚轮依靠其与平盘之间的摩擦力带动平盘转动，滚轮与平盘的接触位置可随意调整，传动半径也就相应改变，圆盘的角速度随之
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