gearbox

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摘要

机床变速箱是机床中重要的传动部件。其将机床电动机和机床主轴联

结起来，将动力和扭矩由电机传递到主轴，从而使主轴转动以加工工件。其

主要作用是通过变速装臵调节主轴转速和扭矩，从而使电机运行在最佳的状

态。

在本文中主要介绍了三种变速箱——换挡变速箱、无级变速箱、微型

变速箱。分析了这三种变速箱各自的特点。结合实例探讨了换挡变速箱和无

级变速箱运行过程中的优缺点，并针对换挡变速箱的几点缺陷提出了改进意

见；探讨了关于克服无级变速箱传动效率较低这一缺点的解决方案和未来研

究方向；列出了微型变速箱得几点重要特征，并分析了实现这几点特征所需

的技术条件。

关键词：变速箱，特征，分析，改进，研究方向

Analysisofthestructuralcharacteristicsofgear-boxofmachinetool

Abstract

Thegearboxofmachineisthemostimportanttransmissionpartofmachinetool.

Themachinemotorandthemachinetoolspindlearelinkedbyit,anditdeliveries

powerandtorquefrommachinemotortomachinetoolspindle,sothemachinetool

nroleofthegearboxmachineis

toregulatethespeedandtorqueofthespindlewiththevariable-speeddevice，so

themotorcanruninabeststate.

Inthisarticlethreekindsofgearboxesareintroduced(ShiftGearbox;

ContinuouslyVariableTrans-mission;MicroGearbox);Thefeaturesofeach

kindofthreegearboxesareanalysized;TheadvantagesanddisadvantagesofShift

GearboxandContinuouslyVariableTrans-missionarediscussiedwith

examples,andsomeimprovementsaremadeforsomedefectsofShift

utionsandthedirectionoffuturerearchare

discussiedtoovercomethedisadvantagesoftheCVT,whichisinefficient;Some

importantfeaturesofMicroGearboxarestated,andThetechnical

conditions,usingtoachievethefeatures,areconsidered.

Keywords:Gearbox,Feature,Analysis,Improvements,Directionofrearch

目录

1.绪论.............................................................27

1.1概述........................................................27

1.2变速箱的发展状况...........................................28

1.3研究目的、意义和内容.......................................29

2.换挡变速箱.......................................................29

2.1换挡变速箱的特点............................................29

2.2CA6140车床换挡变速箱结构分析...............................29

2.3关于换挡变速箱的部分改进意见..............................33

3.无级变速箱......................................................36

3.1无级变速箱的简介和发展......................................36

3.2两种无级变速箱工作原理.....................................38

3.2.1液压无级变速器........................................38

3.2.2摩擦盘式无级变速器....................................39

3.3关于提高无级变速箱效率的方法探究...........................41

4.微型机床变速箱...................................................41

4.1微型变速箱简介..............................................41

4.2微型变速箱的特点...........................................42

4.3微型变速箱特点的深入分析...................................42

5.结论............................................................44

谢辞...............................................................45

参考文献...........................................................46

1.绪论

1.1概述

机床变速箱是机床中的重要的传动装臵，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

移齿轮的相对位臵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

装臵。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。

机械无级变速装臵有钢球式、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。液压无级变速装臵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。电气无极变速装臵是通过连续改变电

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臵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臵，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。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。

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臵，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

臵时右离合器接合而传递运动。当手柄18处于中间位臵时，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处于中间位臵、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需有两个啮合位臵，轴三上有一个三联滑移齿轮B需有三个啮合位臵，

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臵。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臵，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

的轴向位臵。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臵，同时，轴三上的滑移齿轮仍有左、中、右三个轴向位

臵。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臵，使齿轮在规定位臵可靠的定位。

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

换臵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移到中间停止位臵上，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臵上的现象，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臵(图略)，该

装臵已在齿条轴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臵

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臵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臵可以很容易的改变，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

滤装臵，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臵

可随意调整，传动半径也就相应改变，圆盘的角速度随之改变。这种无级变速器

结构简单，易于实现，可滚轮与圆盘的接触面积小，接触处的接触应力大，而且

由于受结构尺寸的限制，变速范围小。因而设计人员又提出一种新的结构，锥盘

环盘式无级变速器，原理与前一种相同，只是接触面积大，故可传递功率也相应

有所增加，接着在锥盘环盘式的基础上又出现了多盘式，可进一步增大传动功率。

上述几种类型的无级变速器都是主从动件之间直接接触，依靠相互之间的摩

擦力来传递动力的，没有使用中间滚动体，之后又出现了在主从动元件之间使用

中间滚动体的无级变速器，称为中间元件式无级变速器。中间元件的出现为无级

变速器在机构方面的扩展提供了空间，也使无级变速器的设计开始步入了一个新

的阶段。

钢球平盘式是最初形式，钢球外锥式和钢球内锥式是平盘式的改进，随后

又开始改变滚动体的外形，如单滚锥平盘式、四滚锥平盘式等，最后滚动体和传

动件的形状为实现某一目标都相应改变。与直接传动式相比，中间元件的出现为

设计开拓出一个更为广阔的空间。尽管中间元件或传动元件可以有多种外形，可

传动形式没有改变，只是简单形式的摩擦传动。鉴于行星齿轮传动出现了以锥盘

和环盘为太阳轮，中间滚动体为行星轮的行星式传动，在机构的组成上行星式传

动无疑已向前迈了一大步，其变速范围大、输出特性好、承载能力高、结构紧凑、

加压装臵和操纵机构都比较简单。

由基本机械传动方式演变出来的无级变速器还有带式和链式无级变速器，

与普通传动方式不同的是链式无级变速器也是摩擦传动。

脉动式无级变速是摩擦式之外的一种机械无级变速方式，它的实现方式有

点像电路中二极管对交流电的过滤方式，采用连杆或其它类型的机构组成一个

相，由至少三个相组成一个无级变速机构，通过超越离合器的过滤作用，滤掉低

于某一速度值的转速，输出符合单向离合器过滤条件的转速，由于这种传动方式

速度波动比较大，因而称为脉动式。

目前对无级变速的研究主要沿着以下几个方向：液力无级变速，电机调速

和机械式无级变速。从研究与开发的领域来讲，液力与电机调速均可视为对控制

系统的研究，其可开发领域与机械式无级变速器相比比较小，在液力变速器方面

有关磁流变液无级变速器原理的论述，指明虽然中间介质采用了一种特殊的材

料，基本传动形式没有质的改变，电机调速局限性也很大。从机械式无级变速的

发展历程来看，摩擦式无级变速器经过了直接传动式、中间元件式、进而还演变

出了行星式无级变速器，在这一过程中，在每一个发展阶段，无级变速器的结构

由简单到复杂，传动元件之间的接触面由简单的接触方式发展到为提高传动特性

而改成更能相互适应的表面形状，加压和调速装臵也在不断改进。后来随着机械

材料和加工工艺的改进使带式和链式无级变速也得以广泛应用。

3.2两种无级变速箱工作原理

我们可以通过下面两个实例来具体描述两种不同的无级变速装臵原理。

3.2.1液压无级变速器

如下图12所示是近些年才出现的一种新颖的变速装臵。这种变速装臵采用

液压传动原理，由变量泵和定量马达组成闭式调速系统。可在较大范围进行无级

调速。

图12液压无级变速装臵

液压无级变速器简称变速器[6]是由柱塞式双向变量泵（简称变量泵）、柱

塞式双向定量马达„简称马达‟、辅助油泵、低压溢流阀和高压安全阀等元件组

成的闭式容积调速系统变速器的全部元件都安装在全封闭的机壳内。驱动力由变

速器输人轴输人，经滑块联轴器带动变量泵的转子旋转转子中的柱塞在变量泵定

子内表面反力和转子离心力的共同作用下，沿本身轴线在转子的柱塞孔中往复运

动，完成吸油和压油过程由变量泵压出的油液经配油轴的油道送人马达的柱塞腔

内，推动柱塞运动在液压力和马达定子内表面反力的共同作用下，驱动马达转子

旋转，经滑块联轴器通过输出轴将动力输出由马达排出的油液再经配油轴的油

道返回到变量泵的人口，使油液在系统中完成一次循环配油轴同时完成为泵和马

达配油的工作辅助油泵通过单向阀随时向回路充液以保证液压系统的正常工

作。高压安全阀用来限制主回路高压侧的最大工作压力，防止系统超载通过变速

手柄可以改变变量泵的转子与定子的偏心距和偏心方向，使变量泵的排量和压油

方向发生变化，从而实现对变速器的无级调速和输出轴旋转方向的控制。

其内部结构具体如下图13：

图13液压无级变速器结构原理

1、输入轴2、机壳3、转子4、柱塞5、辅助油泵6、配油轴7、柱塞8、驱动马达转子9、输出轴

10、滑块联轴器11（14）、油道12、马达定子13、定子15、挡油板16、变速手柄17、小轴

18、变量泵19、溢流阀20（21）、单向阀22（23）、安全阀24、液压马达

3.2.2摩擦盘式无级变速器

下图14为Knodler公司出品的FK型双级锥盘环盘干摩擦式无级变速器的

结构图。这类变速器的功率范围0.12～4kW，调速比Rb=10～20;其动力特性

在低转速时为恒转矩特性，高转速时为恒功率特性;其派生型的输出轴后可加接

各级各类型的减速器组成主机减速器。这种类型的变速器体积小，无污染，方便

调速和维修。

图14双级锥盘环盘干摩擦式无级变速器结构

1、主动锥盘2、摩擦力驱动环盘3、调速架4、小齿轮5、摩擦盘

6、加压凸轮7、输出轴8、圆柱螺旋弹簧

其工作原理可概述为：主动锥盘1装在电机轴上，借摩擦力驱动环盘2和

锥盘9，此两盘固联并装在调速架3的轴承座内，经过锥盘9驱动环盘5，再经

加压凸轮6驱动输出轴7将动力输出。圆柱螺旋弹簧8提供预压力，调速时通过

手柄转动小齿轮4，经齿条使调速架3带着环盘2和锥盘9上下移动，从而改

变了摩擦盘12摩擦盘9和摩擦盘22摩擦盘5的工作半径，实现调速。上图中1，

9为钢(铸铁)摩擦盘，半锥角约为85～87，取大锥角是为了在较小的轴向尺寸范

围内获得较大的调速比和提供较大的法向压紧力。2，5为组合式摩擦盘且直径

相同，其工作部分的材质为可更换的硬碳酚醛树脂合成材料或布质酚醛层压板

等，4个摩擦盘组合成2对摩擦副。在结构设计上，调速架3安装后与输入输出

轴线呈5。夹角。因此，2对摩擦副基本上呈点接触。

通过以上两实例我们可以得出，虽然以上两种变速装臵都具有其各自的优

点（液压无级变速器变速器的全部元件都安装在机体内，元件之间采用内连接形

式联接，因而不会产生外泄漏现象，可靠性好，容积效率高。由于元件均在液压

油中工作，磨损小，日常维修，保养工作量小，使用寿命长。摩擦盘式无级变速

器具有结构简单、维修方便、传动平稳、噪声低、有过载保护作用等优点），但

是摩擦式和液力无级变速器都存在传动效率低和功耗大等缺陷，且不能实现以精

确传动比传动。摩擦式无级变速不能传递大功率且有较大的摩擦损失，液力无级

变速可传递功率比较大，却需付出传动效率低、功耗大和造价高等代价。非摩擦

式无级变速已经逐渐成为无级变速器未来发展的方向。

3.3关于提高无级变速箱效率的方法探究

我们知道换挡有级变速箱最大的优点是其传动比稳定，传动效率高，扭矩大。

这主要是因为其采用齿轮传动。无级变速器具有传动稳定，且可实现传动比在一

定范围内均匀变化的特点，但其传动比却不稳定。能否有一种变速装臵将这两种

变速方式的优点结合起来？对于这个问题，我们可以大胆设想，并提出以下两种

比较可能实现的方案。

1、改变齿形使之适合无级变速的要求，比如设计出一种阿基米德螺线齿轮，

齿形沿三维方向变化，以实现无级变速。也可大胆设想，在圆锥面上使用一种非

常规齿形，这种齿形在圆锥面上的排布满足以下几个要求：在确定的传动位臵可

以以稳定的传动比传动，齿数沿圆锥轴线方向递增，两传动元件之间的接触位臵

在传动过程中可沿圆锥轴线方向变化，由于圆锥的线速度沿轴线方向变化，因而

实现无级变速。

2、我们也可设计一种柔性齿轮，在啮合过程中，齿轮的有效齿数可以根据

需要调整，也可实现无级变速。

另外在机构方面，不同类型的机构加以组合变化也能可实现无级变速。结

合以上分析，在未来一阶段，我们必须对新型变速装臵的研发引起高度重视。

4.微型机床变速箱

4.1微型变速箱简介

随着微／纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的

微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械由于

具有体积精小、性能稳定可靠、能耗低、智能化等传统机械无法比拟的优点，在

精密模具、航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并成为

纳米技术研究的重要手段，因而受到欧美等发达国家的高度重视，被列为21世

纪重点发展的关键技术。微细机械加工技术是制造微机械的关键和基础，包括微

细切削加工、微细电火花加工、微细蚀刻、精密电铸以及微细电解加工等。

微细切削技术[7][8]是一种由传统切削技术衍生出来的微细切削加工方法。几

乎没有限制的形状和材料的选择使得微细切削技术越来越受重视，不断电被优先

选择。这种方法能够在很多情况下进行非常经济的加工制造。其优点在于其几乎

不受形状的限制，特别是在使用5轴机床时，每一种切削材料哪怕一次只生产几

件，也能够很经济的进行加工。但为了保证工艺的安全，必须满足一系列的条件。

必须是零件的尺寸偏差保证在几微米以内，且表面粗糙度很低。主要包括微细车

削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等。与宏观加工类似，也需要微细

车床以及相应的控制和传动系统。我们把微型机床中所应用的变速装臵称为微型

机床变速箱。

4.2微型变速箱的特点

与宏观机床变速箱相比较，微型机床变速箱的传动原理和其内部组件基本相

同，但是微型机床变速箱在尺寸上要小得多。由此使得微型机床变速箱具有许多

其自身特点：

1、由于微型变速箱箱体尺寸的限制，变速箱内部各传动件的尺寸都极

小。同时，其传动链长度也受到了很大的限制。

2、微型机床变速箱中的主轴直径极小，但是微细切削在加工工件时所

需的切削速度较大。为满足加工条件、保证工件加工质量，主轴的

转速应当相当高。这也意味着箱体内其它传动件的转速同时也很高。

3、需要精度很高的微细操作和装配技术。在狭窄的空间内进行微操作

要同时具有微动和微型，也就是说操作器能够进行微米尺度的微操

作，同时还需要兼顾操作本体的微小性。

4.3微型变速箱特点的深入分析

下面对以上几点展开进行分析：

1、微型变速箱箱体体积限制了传动件的尺寸和传动链的长度，但是由于现

代微细加工技术的逐步发展和成熟，通过许多现代化的加工方法能够加工出尺寸

极小且精度相当高的传动齿轮以及传动轴。这在技术上保证了微型化的要求。下

面介绍几种现代化的微机械加工方法：

（1）、微细电火花加工

微细电火花加工的原理与普通电火花加工并无本质区别。实现微细电

火花加工的关键在于微小轴(工具电极)的制作、微小能量放电电源、工具

电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。由于

微小电极本身就极难甚至无法制作，所以利用传统的电火花成形加工方法

进行微纲三维轮廓加工是不现实的，于是人们开始探索使用简单形状的电

极，借鉴数控铣削的方法进行微细三维轮廓的电火花加工。应用微细电火

花加工技术，目前已可加工出直径2.5txm的微细轴和5txm的微细孔，可

制作出长0.5mm、宽0.2nlIn、深0.2mm的微型汽车模具，并用其制作出了

微型汽车模型。可制作出直径为0.3mm、模数为0.1mm的微型齿轮。

（2）、离子束刻蚀

离子束蚀刻又分为聚焦离子束蚀刻和反应离子束蚀刻。聚焦离子束蚀

刻通过入射离子向工件材料表面原子传递动量而达到逐个蚀除工件表面

原子的目的，因而可达到纳米级的制造精度。反应离子束蚀刻是一种物理

化学反应的蚀刻方法。它将一束反应气体的离子束直接引向工件表面，发

生反应后形成一种既易挥发又易靠离子动能而加工的产物，同时通过反应

气体离子束溅射作用达到蚀刻的目的。是一种亚微米级的微加工技术。

（3）、LIGA技术

LIGA技术是采用深度x射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术相结

合的一种综合性加工技术，它是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工

艺。LIGA技术制作各种微图形的过程主要由两步关键工艺组成，即首先利

用同步辐射x射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作

出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。LIGA技术补

偿了表面微机械技术的不足，MEMS技术提供了一种新的加工手段。利用

LIGA技术可以制造出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系

统，并且得到的器件结构具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑

等特点，这些都是其它微加工工艺很难达到的。

除以上几种微细加工方法外，还有多种特种微细加工方法可以加工出尺寸

极小的传动件，同时在考虑变速箱的制造成本和精度要求时为我们提供了多重的

选择空间。

2、变速箱的主轴转速的高低主要取决于电动机的性能。（目前电动机[2]主

要分为静电式和电磁式两种，静电式电机结构简单、易于实现电动机的微型化，

但是其转速较低，不能满足微型机床的加工要求。电磁式电机结构中包含产生场

的线圈，不易实现电机的微小型化，但是近些年来通过在这一领域的研究实践，

已经开发出可以满足尺寸以及转速条件的微型电磁式电机）另外，为满足高速运

转的要求，微型变速箱中传动轴的支承轴承在工作时摩擦阻力应当尽可能小，而

且其同时也必须做到微型。因此，可以选用空气静压轴承，其结构为圆柱面径向、

平面止推型，前后径向轴承采用双轴承，同轴套结构，可以很好的保证同轴度结

构，同时摩擦系数也相当小。

3、微装配[10]是指毫米以下大于纳米的器件装配，微装配并不是一个新兴的

领域，它很早就存在于人们的生活中，例如钟表的装配，只不过随着微机电系统

(MEMS)和纳米技术(Nanotechnology)的发展，以及人们在生活中对微产品的

迫切需要，使得微装配技术的地位越来越重要。为了保证微型变速箱的传动精度

和性能，在装配时需要采用先进的微型装配技术。

（1）、使用微机械手的装配

机械手因具有操作灵活，很好的柔性,能适应各种作业的特点，在现代工

业中被广泛应用。在微装配中，由于要求的定位精度高，就必须使得微机械手有

高的制造精度，零件的公差必须被限制在纳米范围内，装配时必须控制振动、摩

擦、热膨胀和计算误差，虽然在“宏”装配中这些因素可以忽略，但在微装

配中它们起着举足轻重的作用，同时这些微机械手在使用中要经常维护和标定。

机械手用压电器件作为微机器人的腿，以蠕动的方式运动，运动速度可达

30mm，机械手具有3个自由度(两个平移，一个旋转)在一个玻璃平台上移

动，它具有一个可拆换的三自由度手爪，能达到工作空间的任一点，玻璃平板

被固定在桌子上。一个固定摄像机被用来控制机械手爪的精确定位，另一个摄像

机和激光测距仪被用来控制机械手的粗定位。

（2）、微型零件的胶粘接技术[9]

近年来，国外许多企业和研究机构致力于开发高质量的胶和胶滴点样技术。

无论在胶粘剂产品，还是在胶滴点样技术等方面都取得较大的进步，已能满足

微小型零件粘接的要求。该技术具有装配精度高、误差小的特点，通过该技术可

以很好的保证微型变速箱内部零件配合精度，达到良好的传动效果。

随着微机械技术的迅速发展，相信会有更多更先进的微细加工和装配方法

诞生。同时，尺寸更小、精度更高、材质更优越的微型变速、传动件的问世将会

推动微型变速装臵和微型机床的进步。

5.结论

通过对以上几种变速箱的具体讨论和分析改进，我们可以得出以下几点结

论：

1、对于换挡变速箱，其结构简单、制造成本较低，在生产中应用最为广泛，

但是其无法实现传动比的均匀变化，传动过程中存在较大的速度损失。随着机械

加工制造行业的进一步发展，产品质量要求越来越高，从而对零件的制造尺寸精

度和表面粗糙度要求也会进一步提高。使得目前应用的许多加工机床中的换挡变

速箱都无法满足未来加工机床的传动和变速要求。因此，为满足时代要求，换挡

变速箱结构和组件都应进行不断地改进。例如，在换挡变速箱中装配新型无级变

速装臵，一方面满足传动比实现比较连续地变化，另一方面同时具备换挡变速箱

传动比稳定的优点。

2、无级变速是一种比较理想的变速和传动方式，目前主要是通过液力、摩

擦和电力三种方式实现的，但是这三种方式都没有克服无极变速箱传动效率低、

传动比不稳定的缺点。虽然液力和电力无级变速装臵近几年有较快发展，但基本

思想并没有太大的转变，只是更换专递动力的介质。今后的研究方向应当重点针

对目前的缺陷，如利用齿轮和轴等刚性传动件实现无级变速。这样既克服了目前

无级变速装臵的缺陷，同时结构也简单得多。

3、微型变速箱的发展相对以上宏观变速箱速度较慢，其原因是多方面的。

目前微型加工技术不够先进；微型装配工艺虽有突破，但仍处于不成熟阶段。这

使得微型加工机床变速和传动系统仍然不够先进，有待长期发展。微型变速装臵

进一步发展的基础是微细加工和装配技术的进一步成熟。因此，应当把重点放在

其基础技术的研发上，制造出尺寸极小、精度极高、传动性能极好的传动零件。

谢辞

本论文设计在马利杰老师的严格要求和悉心指导下业已完成，从课题选择到

具体的写作过程，无不凝聚着马利杰老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期

间，马老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这

样的关怀和帮助，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向马老师表示深深的感

谢和崇高的敬意。

在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予了我帮助和指导的所有

老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位

任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业

知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。

同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有

关的作者表示谢意。

我还要感谢同组的各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的

启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。

参考文献

[1]罗魁元、伍利群CA6140车床主轴开停及制动操纵机构的改进设计[J]2004.5

[2]杨大伟超微电机发展概况[J]2005.6

[3]张立勇车床片式摩擦离合器拉杆结构改进[J]2003.2

[4]Erichhuber高效微型切削需要优化总系统[J]2006.4

[5]王吉军、包胜华、崔云先精密微型车床的系统优化设计[J]2004.3

[6]董银福、王卫东两种无级变速器的原理与维护[J]2001.5

[7]李建勋、杨洋、胡晓兵微细加工技术的发展及其应用[J]2004.8

[8]陈宏圣微细加工技术的原理和应用研究[J]2004.9

[9]王晓东、宋洪侠微型零件胶粘接的微装配技术[J]2002.8

[10]席文明、吴洪涛、朱剑英微装配技术的发展和应用[J]2003.8

[11]柳晋伟、任家骏、吴凤林无级变速器的简介与发展[J]2001.5

[12]霍勇液压无级变速器[J]1999.6

[13]黄秋波、岳杰、徐维胜一种新型液压机械无级变速器[J]1998.7

[14]王振龙微细加工技术国防工业出版社[M]2005.8

[15]黄开榜、张庆春、那海涛金属切削机床哈工大[M]1997.4

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摘要

机床变速箱是机床中重要的传动部件。其将机床电动机和机床主轴联

结起来，将动力和扭矩由电机传递到主轴，从而使主轴转动以加工工件。其

主要作用是通过变速装臵调节主轴转速和扭矩，从而使电机运行在最佳的状

态。

在本文中主要介绍了三种变速箱——换挡变速箱、无级变速箱、微型

变速箱。分析了这三种变速箱各自的特点。结合实例探讨了换挡变速箱和无

级变速箱运行过程中的优缺点，并针对换挡变速箱的几点缺陷提出了改进意

见；探讨了关于克服无级变速箱传动效率较低这一缺点的解决方案和未来研

究方向；列出了微型变速箱得几点重要特征，并分析了实现这几点特征所需

的技术条件。

关键词：变速箱，特征，分析，改进，研究方向

Analysisofthestructuralcharacteristicsofgear-boxofmachinetool

Abstract

Thegearboxofmachineisthemostimportanttransmissionpartofmachinetool.

Themachinemotorandthemachinetoolspindlearelinkedbyit,anditdeliveries

powerandtorquefrommachinemotortomachinetoolspindle,sothemachinetool

nroleofthegearboxmachineis

toregulatethespeedandtorqueofthespindlewiththevariable-speeddevice，so

themotorcanruninabeststate.

Inthisarticlethreekindsofgearboxesareintroduced(ShiftGearbox;

ContinuouslyVariableTrans-mission;MicroGearbox);Thefeaturesofeach

kindofthreegearboxesareanalysized;TheadvantagesanddisadvantagesofShift

GearboxandContinuouslyVariableTrans-missionarediscussiedwith

examples,andsomeimprovementsaremadeforsomedefectsofShift

utionsandthedirectionoffuturerearchare

discussiedtoovercomethedisadvantagesoftheCVT,whichisinefficient;Some

importantfeaturesofMicroGearboxarestated,andThetechnical

conditions,usingtoachievethefeatures,areconsidered.

Keywords:Gearbox,Feature,Analysis,Improvements,Directionofrearch

目录

1.绪论.............................................................27

1.1概述........................................................27

1.2变速箱的发展状况...........................................28

1.3研究目的、意义和内容.......................................29

2.换挡变速箱.......................................................29

2.1换挡变速箱的特点............................................29

2.2CA6140车床换挡变速箱结构分析...............................29

2.3关于换挡变速箱的部分改进意见..............................33

3.无级变速箱......................................................36

3.1无级变速箱的简介和发展......................................36

3.2两种无级变速箱工作原理.....................................38

3.2.1液压无级变速器........................................38

3.2.2摩擦盘式无级变速器....................................39

3.3关于提高无级变速箱效率的方法探究...........................41

4.微型机床变速箱...................................................41

4.1微型变速箱简介..............................................41

4.2微型变速箱的特点...........................................42

4.3微型变速箱特点的深入分析...................................42

5.结论............................................................44

谢辞...............................................................45

参考文献...........................................................46

1.绪论

1.1概述

机床变速箱是机床中的重要的传动装臵，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

移齿轮的相对位臵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

装臵。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。

机械无级变速装臵有钢球式、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。液压无级变速装臵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。电气无极变速装臵是通过连续改变电

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臵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臵，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。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。

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臵，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

臵时右离合器接合而传递运动。当手柄18处于中间位臵时，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处于中间位臵、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需有两个啮合位臵，轴三上有一个三联滑移齿轮B需有三个啮合位臵，

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臵。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臵，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

的轴向位臵。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臵，同时，轴三上的滑移齿轮仍有左、中、右三个轴向位

臵。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臵，使齿轮在规定位臵可靠的定位。

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

换臵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移到中间停止位臵上，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臵上的现象，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：

(2)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臵(图略)，该

装臵已在齿条轴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臵

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臵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臵可以很容易的改变，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

滤装臵，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臵

可随意调整，传动半径也就相应改变，圆盘的角速度随之改变。这种无级变速器

结构简单，易于实现，可滚轮与圆盘的接触面积小，接触处的接触应力大，而且

由于受结构尺寸的限制，变速范围小。因而设计人员又提出一种新的结构，锥盘

环盘式无级变速器，原理与前一种相同，只是接触面积大，故可传递功率也相应

有所增加，接着在锥盘环盘式的基础上又出现了多盘式，可进一步增大传动功率。

上述几种类型的无级变速器都是主从动件之间直接接触，依靠相互之间的摩

擦力来传递动力的，没有使用中间滚动体，之后又出现了在主从动元件之间使用

中间滚动体的无级变速器，称为中间元件式无级变速器。中间元件的出现为无级

变速器在机构方面的扩展提供了空间，也使无级变速器的设计开始步入了一个新

的阶段。

钢球平盘式是最初形式，钢球外锥式和钢球内锥式是平盘式的改进，随后

又开始改变滚动体的外形，如单滚锥平盘式、四滚锥平盘式等，最后滚动体和传

动件的形状为实现某一目标都相应改变。与直接传动式相比，中间元件的出现为

设计开拓出一个更为广阔的空间。尽管中间元件或传动元件可以有多种外形，可

传动形式没有改变，只是简单形式的摩擦传动。鉴于行星齿轮传动出现了以锥盘

和环盘为太阳轮，中间滚动体为行星轮的行星式传动，在机构的组成上行星式传

动无疑已向前迈了一大步，其变速范围大、输出特性好、承载能力高、结构紧凑、

加压装臵和操纵机构都比较简单。

由基本机械传动方式演变出来的无级变速器还有带式和链式无级变速器，

与普通传动方式不同的是链式无级变速器也是摩擦传动。

脉动式无级变速是摩擦式之外的一种机械无级变速方式，它的实现方式有

点像电路中二极管对交流电的过滤方式，采用连杆或其它类型的机构组成一个

相，由至少三个相组成一个无级变速机构，通过超越离合器的过滤作用，滤掉低

于某一速度值的转速，输出符合单向离合器过滤条件的转速，由于这种传动方式

速度波动比较大，因而称为脉动式。

目前对无级变速的研究主要沿着以下几个方向：液力无级变速，电机调速

和机械式无级变速。从研究与开发的领域来讲，液力与电机调速均可视为对控制

系统的研究，其可开发领域与机械式无级变速器相比比较小，在液力变速器方面

有关磁流变液无级变速器原理的论述，指明虽然中间介质采用了一种特殊的材

料，基本传动形式没有质的改变，电机调速局限性也很大。从机械式无级变速的

发展历程来看，摩擦式无级变速器经过了直接传动式、中间元件式、进而还演变

出了行星式无级变速器，在这一过程中，在每一个发展阶段，无级变速器的结构

由简单到复杂，传动元件之间的接触面由简单的接触方式发展到为提高传动特性

而改成更能相互适应的表面形状，加压和调速装臵也在不断改进。后来随着机械

材料和加工工艺的改进使带式和链式无级变速也得以广泛应用。

3.2两种无级变速箱工作原理

我们可以通过下面两个实例来具体描述两种不同的无级变速装臵原理。

3.2.1液压无级变速器

如下图12所示是近些年才出现的一种新颖的变速装臵。这种变速装臵采用

液压传动原理，由变量泵和定量马达组成闭式调速系统。可在较大范围进行无级

调速。

图12液压无级变速装臵

液压无级变速器简称变速器[6]是由柱塞式双向变量泵（简称变量泵）、柱

塞式双向定量马达„简称马达‟、辅助油泵、低压溢流阀和高压安全阀等元件组

成的闭式容积调速系统变速器的全部元件都安装在全封闭的机壳内。驱动力由变

速器输人轴输人，经滑块联轴器带动变量泵的转子旋转转子中的柱塞在变量泵定

子内表面反力和转子离心力的共同作用下，沿本身轴线在转子的柱塞孔中往复运

动，完成吸油和压油过程由变量泵压出的油液经配油轴的油道送人马达的柱塞腔

内，推动柱塞运动在液压力和马达定子内表面反力的共同作用下，驱动马达转子

旋转，经滑块联轴器通过输出轴将动力输出由马达排出的油液再经配油轴的油

道返回到变量泵的人口，使油液在系统中完成一次循环配油轴同时完成为泵和马

达配油的工作辅助油泵通过单向阀随时向回路充液以保证液压系统的正常工

作。高压安全阀用来限制主回路高压侧的最大工作压力，防止系统超载通过变速

手柄可以改变变量泵的转子与定子的偏心距和偏心方向，使变量泵的排量和压油

方向发生变化，从而实现对变速器的无级调速和输出轴旋转方向的控制。

其内部结构具体如下图13：

图13液压无级变速器结构原理

1、输入轴2、机壳3、转子4、柱塞5、辅助油泵6、配油轴7、柱塞8、驱动马达转子9、输出轴

10、滑块联轴器11（14）、油道12、马达定子13、定子15、挡油板16、变速手柄17、小轴

18、变量泵19、溢流阀20（21）、单向阀22（23）、安全阀24、液压马达

3.2.2摩擦盘式无级变速器

下图14为Knodler公司出品的FK型双级锥盘环盘干摩擦式无级变速器的

结构图。这类变速器的功率范围0.12～4kW，调速比Rb=10～20;其动力特性

在低转速时为恒转矩特性，高转速时为恒功率特性;其派生型的输出轴后可加接

各级各类型的减速器组成主机减速器。这种类型的变速器体积小，无污染，方便

调速和维修。

图14双级锥盘环盘干摩擦式无级变速器结构

1、主动锥盘2、摩擦力驱动环盘3、调速架4、小齿轮5、摩擦盘

6、加压凸轮7、输出轴8、圆柱螺旋弹簧

其工作原理可概述为：主动锥盘1装在电机轴上，借摩擦力驱动环盘2和

锥盘9，此两盘固联并装在调速架3的轴承座内，经过锥盘9驱动环盘5，再经

加压凸轮6驱动输出轴7将动力输出。圆柱螺旋弹簧8提供预压力，调速时通过

手柄转动小齿轮4，经齿条使调速架3带着环盘2和锥盘9上下移动，从而改

变了摩擦盘12摩擦盘9和摩擦盘22摩擦盘5的工作半径，实现调速。上图中1，

9为钢(铸铁)摩擦盘，半锥角约为85～87，取大锥角是为了在较小的轴向尺寸范

围内获得较大的调速比和提供较大的法向压紧力。2，5为组合式摩擦盘且直径

相同，其工作部分的材质为可更换的硬碳酚醛树脂合成材料或布质酚醛层压板

等，4个摩擦盘组合成2对摩擦副。在结构设计上，调速架3安装后与输入输出

轴线呈5。夹角。因此，2对摩擦副基本上呈点接触。

通过以上两实例我们可以得出，虽然以上两种变速装臵都具有其各自的优

点（液压无级变速器变速器的全部元件都安装在机体内，元件之间采用内连接形

式联接，因而不会产生外泄漏现象，可靠性好，容积效率高。由于元件均在液压

油中工作，磨损小，日常维修，保养工作量小，使用寿命长。摩擦盘式无级变速

器具有结构简单、维修方便、传动平稳、噪声低、有过载保护作用等优点），但

是摩擦式和液力无级变速器都存在传动效率低和功耗大等缺陷，且不能实现以精

确传动比传动。摩擦式无级变速不能传递大功率且有较大的摩擦损失，液力无级

变速可传递功率比较大，却需付出传动效率低、功耗大和造价高等代价。非摩擦

式无级变速已经逐渐成为无级变速器未来发展的方向。

3.3关于提高无级变速箱效率的方法探究

我们知道换挡有级变速箱最大的优点是其传动比稳定，传动效率高，扭矩大。

这主要是因为其采用齿轮传动。无级变速器具有传动稳定，且可实现传动比在一

定范围内均匀变化的特点，但其传动比却不稳定。能否有一种变速装臵将这两种

变速方式的优点结合起来？对于这个问题，我们可以大胆设想，并提出以下两种

比较可能实现的方案。

1、改变齿形使之适合无级变速的要求，比如设计出一种阿基米德螺线齿轮，

齿形沿三维方向变化，以实现无级变速。也可大胆设想，在圆锥面上使用一种非

常规齿形，这种齿形在圆锥面上的排布满足以下几个要求：在确定的传动位臵可

以以稳定的传动比传动，齿数沿圆锥轴线方向递增，两传动元件之间的接触位臵

在传动过程中可沿圆锥轴线方向变化，由于圆锥的线速度沿轴线方向变化，因而

实现无级变速。

2、我们也可设计一种柔性齿轮，在啮合过程中，齿轮的有效齿数可以根据

需要调整，也可实现无级变速。

另外在机构方面，不同类型的机构加以组合变化也能可实现无级变速。结

合以上分析，在未来一阶段，我们必须对新型变速装臵的研发引起高度重视。

4.微型机床变速箱

4.1微型变速箱简介

随着微／纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的

微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械由于

具有体积精小、性能稳定可靠、能耗低、智能化等传统机械无法比拟的优点，在

精密模具、航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并成为

纳米技术研究的重要手段，因而受到欧美等发达国家的高度重视，被列为21世

纪重点发展的关键技术。微细机械加工技术是制造微机械的关键和基础，包括微

细切削加工、微细电火花加工、微细蚀刻、精密电铸以及微细电解加工等。

微细切削技术[7][8]是一种由传统切削技术衍生出来的微细切削加工方法。几

乎没有限制的形状和材料的选择使得微细切削技术越来越受重视，不断电被优先

选择。这种方法能够在很多情况下进行非常经济的加工制造。其优点在于其几乎

不受形状的限制，特别是在使用5轴机床时，每一种切削材料哪怕一次只生产几

件，也能够很经济的进行加工。但为了保证工艺的安全，必须满足一系列的条件。

必须是零件的尺寸偏差保证在几微米以内，且表面粗糙度很低。主要包括微细车

削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等。与宏观加工类似，也需要微细

车床以及相应的控制和传动系统。我们把微型机床中所应用的变速装臵称为微型

机床变速箱。

4.2微型变速箱的特点

与宏观机床变速箱相比较，微型机床变速箱的传动原理和其内部组件基本相

同，但是微型机床变速箱在尺寸上要小得多。由此使得微型机床变速箱具有许多

其自身特点：

4、由于微型变速箱箱体尺寸的限制，变速箱内部各传动件的尺寸都极

小。同时，其传动链长度也受到了很大的限制。

5、微型机床变速箱中的主轴直径极小，但是微细切削在加工工件时所

需的切削速度较大。为满足加工条件、保证工件加工质量，主轴的

转速应当相当高。这也意味着箱体内其它传动件的转速同时也很高。

6、需要精度很高的微细操作和装配技术。在狭窄的空间内进行微操作

要同时具有微动和微型，也就是说操作器能够进行微米尺度的微操

作，同时还需要兼顾操作本体的微小性。

4.3微型变速箱特点的深入分析

下面对以上几点展开进行分析：

1、微型变速箱箱体体积限制了传动件的尺寸和传动链的长度，但是由于现

代微细加工技术的逐步发展和成熟，通过许多现代化的加工方法能够加工出尺寸

极小且精度相当高的传动齿轮以及传动轴。这在技术上保证了微型化的要求。下

面介绍几种现代化的微机械加工方法：

（1）、微细电火花加工

微细电火花加工的原理与普通电火花加工并无本质区别。实现微细电

火花加工的关键在于微小轴(工具电极)的制作、微小能量放电电源、工具

电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。由于

微小电极本身就极难甚至无法制作，所以利用传统的电火花成形加工方法

进行微纲三维轮廓加工是不现实的，于是人们开始探索使用简单形状的电

极，借鉴数控铣削的方法进行微细三维轮廓的电火花加工。应用微细电火

花加工技术，目前已可加工出直径2.5txm的微细轴和5txm的微细孔，可

制作出长0.5mm、宽0.2nlIn、深0.2mm的微型汽车模具，并用其制作出了

微型汽车模型。可制作出直径为0.3mm、模数为0.1mm的微型齿轮。

（2）、离子束刻蚀

离子束蚀刻又分为聚焦离子束蚀刻和反应离子束蚀刻。聚焦离子束蚀

刻通过入射离子向工件材料表面原子传递动量而达到逐个蚀除工件表面

原子的目的，因而可达到纳米级的制造精度。反应离子束蚀刻是一种物理

化学反应的蚀刻方法。它将一束反应气体的离子束直接引向工件表面，发

生反应后形成一种既易挥发又易靠离子动能而加工的产物，同时通过反应

气体离子束溅射作用达到蚀刻的目的。是一种亚微米级的微加工技术。

（3）、LIGA技术

LIGA技术是采用深度x射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术相结

合的一种综合性加工技术，它是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工

艺。LIGA技术制作各种微图形的过程主要由两步关键工艺组成，即首先利

用同步辐射x射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作

出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。LIGA技术补

偿了表面微机械技术的不足，MEMS技术提供了一种新的加工手段。利用

LIGA技术可以制造出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系

统，并且得到的器件结构具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑

等特点，这些都是其它微加工工艺很难达到的。

除以上几种微细加工方法外，还有多种特种微细加工方法可以加工出尺寸

极小的传动件，同时在考虑变速箱的制造成本和精度要求时为我们提供了多重的

选择空间。

2、变速箱的主轴转速的高低主要取决于电动机的性能。（目前电动机[2]主

要分为静电式和电磁式两种，静电式电机结构简单、易于实现电动机的微型化，

但是其转速较低，不能满足微型机床的加工要求。电磁式电机结构中包含产生场

的线圈，不易实现电机的微小型化，但是近些年来通过在这一领域的研究实践，

已经开发出可以满足尺寸以及转速条件的微型电磁式电机）另外，为满足高速运

转的要求，微型变速箱中传动轴的支承轴承在工作时摩擦阻力应当尽可能小，而

且其同时也必须做到微型。因此，可以选用空气静压轴承，其结构为圆柱面径向、

平面止推型，前后径向轴承采用双轴承，同轴套结构，可以很好的保证同轴度结

构，同时摩擦系数也相当小。

3、微装配[10]是指毫米以下大于纳米的器件装配，微装配并不是一个新兴的

领域，它很早就存在于人们的生活中，例如钟表的装配，只不过随着微机电系统

(MEMS)和纳米技术(Nanotechnology)的发展，以及人们在生活中对微产品的

迫切需要，使得微装配技术的地位越来越重要。为了保证微型变速箱的传动精度

和性能，在装配时需要采用先进的微型装配技术。

（1）、使用微机械手的装配

机械手因具有操作灵活，很好的柔性,能适应各种作业的特点，在现代工

业中被广泛应用。在微装配中，由于要求的定位精度高，就必须使得微机械手有

高的制造精度，零件的公差必须被限制在纳米范围内，装配时必须控制振动、摩

擦、热膨胀和计算误差，虽然在“宏”装配中这些因素可以忽略，但在微装

配中它们起着举足轻重的作用，同时这些微机械手在使用中要经常维护和标定。

机械手用压电器件作为微机器人的腿，以蠕动的方式运动，运动速度可达

30mm，机械手具有3个自由度(两个平移，一个旋转)在一个玻璃平台上移

动，它具有一个可拆换的三自由度手爪，能达到工作空间的任一点，玻璃平板

被固定在桌子上。一个固定摄像机被用来控制机械手爪的精确定位，另一个摄像

机和激光测距仪被用来控制机械手的粗定位。

（2）、微型零件的胶粘接技术[9]

近年来，国外许多企业和研究机构致力于开发高质量的胶和胶滴点样技术。

无论在胶粘剂产品，还是在胶滴点样技术等方面都取得较大的进步，已能满足

微小型零件粘接的要求。该技术具有装配精度高、误差小的特点，通过该技术可

以很好的保证微型变速箱内部零件配合精度，达到良好的传动效果。

随着微机械技术的迅速发展，相信会有更多更先进的微细加工和装配方法

诞生。同时，尺寸更小、精度更高、材质更优越的微型变速、传动件的问世将会

推动微型变速装臵和微型机床的进步。

5.结论

通过对以上几种变速箱的具体讨论和分析改进，我们可以得出以下几点结

论：

1、对于换挡变速箱，其结构简单、制造成本较低，在生产中应用最为广泛，

但是其无法实现传动比的均匀变化，传动过程中存在较大的速度损失。随着机械

加工制造行业的进一步发展，产品质量要求越来越高，从而对零件的制造尺寸精

度和表面粗糙度要求也会进一步提高。使得目前应用的许多加工机床中的换挡变

速箱都无法满足未来加工机床的传动和变速要求。因此，为满足时代要求，换挡

变速箱结构和组件都应进行不断地改进。例如，在换挡变速箱中装配新型无级变

速装臵，一方面满足传动比实现比较连续地变化，另一方面同时具备换挡变速箱

传动比稳定的优点。

2、无级变速是一种比较理想的变速和传动方式，目前主要是通过液力、摩

擦和电力三种方式实现的，但是这三种方式都没有克服无极变速箱传动效率低、

传动比不稳定的缺点。虽然液力和电力无级变速装臵近几年有较快发展，但基本

思想并没有太大的转变，只是更换专递动力的介质。今后的研究方向应当重点针

对目前的缺陷，如利用齿轮和轴等刚性传动件实现无级变速。这样既克服了目前

无级变速装臵的缺陷，同时结构也简单得多。

3、微型变速箱的发展相对以上宏观变速箱速度较慢，其原因是多方面的。

目前微型加工技术不够先进；微型装配工艺虽有突破，但仍处于不成熟阶段。这

使得微型加工机床变速和传动系统仍然不够先进，有待长期发展。微型变速装臵

进一步发展的基础是微细加工和装配技术的进一步成熟。因此，应当把重点放在

其基础技术的研发上，制造出尺寸极小、精度极高、传动性能极好的传动零件。

谢辞

本论文设计在马利杰老师的严格要求和悉心指导下业已完成，从课题选择到

具体的写作过程，无不凝聚着马利杰老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期

间，马老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这

样的关怀和帮助，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向马老师表示深深的感

谢和崇高的敬意。

在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予了我帮助和指导的所有

老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位

任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业

知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。

同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有

关的作者表示谢意。

我还要感谢同组的各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的

启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。

参考文献

[1]罗魁元、伍利群CA6140车床主轴开停及制动操纵机构的改进设计[J]2004.5

[2]杨大伟超微电机发展概况[J]2005.6

[3]张立勇车床片式摩擦离合器拉杆结构改进[J]2003.2

[4]Erichhuber高效微型切削需要优化总系统[J]2006.4

[5]王吉军、包胜华、崔云先精密微型车床的系统优化设计[J]2004.3

[6]董银福、王卫东两种无级变速器的原理与维护[J]2001.5

[7]李建勋、杨洋、胡晓兵微细加工技术的发展及其应用[J]2004.8

[8]陈宏圣微细加工技术的原理和应用研究[J]2004.9

[9]王晓东、宋洪侠微型零件胶粘接的微装配技术[J]2002.8

[10]席文明、吴洪涛、朱剑英微装配技术的发展和应用[J]2003.8

[11]柳晋伟、任家骏、吴凤林无级变速器的简介与发展[J]2001.5

[12]霍勇液压无级变速器[J]1999.6

[13]黄秋波、岳杰、徐维胜一种新型液压机械无级变速器[J]1998.7

[14]王振龙微细加工技术国防工业出版社[M]2005.8

[15]黄开榜、张庆春、那海涛金属切削机床哈工大[M]1997.4