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1.傳動設計

輕載數控加工中心的主軸一般采用直連方式，在高速時加工中心主軸扭矩較小，低速時也不能提供較大的扭矩。對于加工范圍大并要求提供主軸低、中、高三擋扭矩的數控加工中心，就需要為主軸設計一個三擋變速箱，將主軸電機的扭矩增大來驅動主軸。這個三擋變速箱傳動比接近等比數列，這樣才比較合理。圖1所示是我公司設計的某數控加工中心主軸三擋撥叉齒輪變速箱。

撥叉1向左移動且撥叉2在空位為一擋，傳動比/= (52/23) x(46/18) x (31/31) x(52/23 ) = 13.063;撥叉 1在空位且撥叉2向左移動為二擋，傳動比/= (52/23) x (34/30) x(31/31 ) x (52/23) =5.793；撥叉1向右移動且撥叉2在空位為三擋，傳動比/= (39/38) x(31/31) x (52/23) =2.320。

為了保證傳動的準確性、平穩性、重載荷及低噪聲，此三擋齒輪變速箱傳動齒輪采用了斜齒輪傳動。這就使普通滑移齒輪的換擋方式行不通，且直齒滑移齒輪的換擋方式傳動平穩性差、間隙大、易磨損齒且易打齒。故采用主、從齒輪一直嚙合并與軸空套，由離合器控制與軸的傳動切換方式，但普通的離合器無法滿足髙精度數控加工中心主軸變速箱的要求。此變速箱采用三擋變速斜齒輪通過髙精度軸承空套在m軸上，三組齒輪均一直嚙合。撥叉1和撥叉2分別推動兩個30齒的直齒滑移外齒輪與30齒的內齒圈充當離合器，滑移齒輪與m軸是花鍵聯接，分別將三個擋位變速傳遞到m軸。這樣的好處是需要變速的齒輪一直嚙合，傳動精度高、齒輪磨損小且不會打齒，傳動平穩。而30齒的內外齒輪充當離合實現轉速的切換，由于是全齒嚙合，故傳動剛性大、間隙小，即使局部齒輪磨損也不會使間隙增大，壽命長，不易打齒，換擋時間短。

2. 互鎖機構設計

此變速箱需要兩個控制軸來控制兩個撥叉實現三擋變速，用多個撥叉來回移動控制多個滑移齒輪離合到達合理位置，來滿足多級變速的需要。多個滑移齒輪之間必須滿足一定的邏輯關系。多個主傳動齒輪同時與同一個軸上多個從動齒輪嚙合，若發生多個滑移齒輪離合同時向m軸傳遞運動的情況，會出現非常嚴重的后果，輕則導致滑移齒輪損壞，重則會使整個齒輪箱報廢。所以必須進行互鎖設計，為此該變速齒輪箱專門設計了兩層互鎖保護，第一層為機械式互鎖機構，第二層為電器系統互鎖保護，保證變速機構的安全可靠。

該數控加工中心主軸變速箱研發的換擋變速機構增加了互鎖圓柱銷，如圖2所示。在當前的狀態下，活塞2左側供油，則軸1推動撥叉停在中位空擋；若活塞2不供油，活塞1右側供油，則軸1推動撥叉向左移動至一擋i=13.063;若活塞2不供油，活塞1左側供油，則軸1推動撥叉向右移動至三擋f=2.320;當軸1換擋時，軸2必須位于空擋位置。由于圓柱銷I:端面被軸_1外圓向下頂，正好卡在軸2的120° V形槽處，軸2被*固定，不能移動。即使在加工中心調試或使用中，電器互鎖出現故障以后，兩個換擋控制軸均不能違反上述邏輯關系而移動。兩個主傳動齒輪不能同時將旋轉運動傳遞給軸3,保證了減速箱的安全旋轉。同理，當活塞3右側供油推動軸2向左運動，軸2外圓頂住圓拄銷的下端面，圓柱銷卡在軸1的120° V形槽里，從而實現軸2移動，軸1必須位于空擋的固定位置。實現軸1和軸2之間的換擋互鎖，此時為二擋—5.793。這種互鎖換擋裝置保證了變速箱在任何情況下，只會通過滑移齒輪將一種運動傳遞給軸3,確保了整個齒輪箱的安全。

3. 結語

對于有多個撥叉實現換擋變速的齒輪箱，有時它們之間有一定的邏輯關系，若多軸同時換擋，則有可能發生齒輪箱的損壞。為此必須設計換擋互鎖裝置，保證一個軸上只有一個運動的輸入。有的換擋變速齒輪箱，僅設計了一層電器互鎖保護，若在電器調試或電器故障時，有可能導致互鎖失敗，造成變速箱的損壞。我公司某數控加工中心主軸三擋撥叉齒輪變速箱換擋時，不僅有電器換擋互鎖，還設計了圓柱銷機械互鎖裝置，結構簡單、安全可靠，滿足了換擋互鎖要求。