Коробкой скоростей называется механизм, предназначенный для ступенчатого изменения частоты (скорости) вращения ведомого вала при постоянной частоте вращения, ведущего путем изменения передаточного числа. Изменение частоты вращения достигается включением различных зубчатых кинематических пар между валами. Коробки скоростей должны обеспечивать расчетный ряд частот вращения шпинделя по ГОСТ 8032—56.

Коробки скоростей компактны, удобны в управлении и надежны в работе. К недостаткам коробок скоростей относится трудность или невозможность бесступенчатого регулирования частот вращения, возникновение вибрации и шума на некоторых частотах. Существует большое число различных конструкций коробок скоростей, однако все они представляют собой сочетание отдельных типовых механизмов.

По компоновке коробки скоростей разделяются на коробки с зубчатыми колесами, встроенными в шпиндельную бабку, и коробки скоростей с раздельным приводом, когда шпиндельная бабка и коробка скоростей выполняются в виде отдельных узлов, соединенных ременной передачей.

По способу переключения коробки скоростей бывают со сменными зубчатыми колесами между валами и неизменным межосевым расстоянием, с передвижными колесами или блоками колес, с непередвигаемыми вдоль валов колесами и кулачковыми муфтами, с фрикционными муфтами, с электромагнитными муфтами и с комбинированным переключением. Коробки скоростей выполняются в закрытом корпусе, зубчатые колеса работают в масляной ванне. Такая конструкция предохраняет механизмы от загрязнения, обеспечивает обильное смазывание и хорошее охлаждение механизмов, повышает КПД коробки скоростей.

Коробки скоростей с передвижными блоками зубчатых колес могут передавать большие крутящие моменты при сравнительно небольших радиальных размерах зубчатых колес. Кроме того, в таких коробках в зацеплении находятся только те зубчатые колеса, которые передают поток мощности. Остальные колеса в это время не изнашиваются. Указанные преимущества позволяют широко применять для изменения частоты вращения шпинделя передвижные блоки зубчатых колес. Как правило, в передвижных блоках используют прямозубые колеса. К недостаткам этих коробок скоростей относятся невозможность переключения блоков на ходу; необходимость блокировки, предупреждающей возможность одновременного включения в работу блоков зубчатых колес, совместная работа которых не предусмотрена; относительно большие осевые размеры.

Коробки скоростей с кулачковыми муфтами отличаются тем, что имеют малые осевые перемещения муфт и меньшие силы для переключения, чем у передвижных блоков колес. В коробках скоростей с кулачковыми муфтами могут использоваться косозубые и шевронные зубчатые колеса. Вместе с тем кулачковые муфты не позволяют переключать передачи на ходу при большой разности частот вращения шпинделя, им присущи потери мощности на вращение неработающей пары колес и их изнашивание.

Коробки скоростей с фрикционными и электромагнитными муфтами позволяют быстро и плавно переключать передачи на ходу и под нагрузкой. Недостатками таких коробок скоростей являются потери мощности на вращение неработающей пары колес и их изнашивание; большие радиальные и осевые размеры муфт для передачи больших крутящих моментов; снижение КПД станка вследствие трения в выключенных муфтах; нагревание муфт; необходимость их частого регулирования, передача тепла от муфт шпиндельному узлу. Комбинированные коробки скоростей содержат механизмы с передвижными блоками, кулачковыми муфтами, переборными устройствами.

Коробки скоростей со сменными зубчатыми колесами применяют для ступенчатого регулирования частот вращения выходного вала.

основные схемы коробок скоростей

Схема двухваловой коробки со скользящим блоком зубчатых колес z1 и z3, расположенным на валу I со шлицами, показана на рис. 50, а. Зубчатые колеса z2 и z4 установлены на валу II неподвижно. Расстояние между колесами z2 и z4 должно быть немного больше длины I подвижного блока колес, при этом зубчатые колеса z1 и z2 и колеса z3 и z4, выведены из зацепления. При переключении зубчатых колес непременным условием является их остановка.

Вторая схема коробки скоростей на две частоты вращения (рис. 50, б) содержит кулачковую муфту, скользящую по шпонке или в шлицах. Колеса z1 и z3 установлены на валу I неподвижно и находятся в постоянном зацеплении с колесами z2 и z4, которые имеют кулачки (зубчатые венцы) и сидят на валу II свободно. Включение пар зубчатых колес z1/z2 и z3/z4 производят перемещением кулачковой муфты. Вместо кулачковой муфты могут быть использованы конусная или многодисковая фрикционные муфты. Конструкция коробки скоростей (см. рис. 50, а) получила большое распространение благодаря своей простоте и надежности в работе. Коробка скоростей с муфтами (см. рис. 50, б) имеет недостатки, обусловленные сложностью конструкции, меньшей надежностью в работе и более интенсивным изнашиванием зубчатых колес, находящихся в постоянном зацеплении.

Схема на три частоты вращения изображена на рис. 50, в. Схема на четыре частоты вращения показана на рис. 50, г. На валу I расположены два подвижных блока, состоящие соответственно из колес z1 и z3; z3 и z7, на валу II — неподвижные зубчатые колеса z2, z4, z6, z8. Передвижение блоков обеспечивает зацепление зубчатых колес z1 с z2; z3 с z4; z5 с z6; z7 с z8. Особенностью этой схемы является необходимость предусмотреть блокировку, которая исключит возможность одновременного включения двух пар колес. Один из вариантов блокировочного механизма, состоящего из двух дисков А и Б с вырезами. Блокировочное устройство может быть конструктивно выполнено и другими способами как механически, так и с применением гидравлики.

Вариант трехваловой коробки скоростей на четыре частоты вращения (рис. 50, д) состоит из двух, последовательно расположенных элементарных коробок скоростей на две частоты вращения.

Схемы четырехваловых коробок скоростей (рис. 50, е, ж, з) более сложны по своей структуре. В схеме коробки скоростей (рис. 50, з) два верхних поддиапазона частот вращения образуются при соединении валов II и IV сцепной муфтой:

формула соединения валов сцепной муфты

а два нижних — через одиночные передачи между валами II и III и валами III и IV:

формула соединения валов

Ступенчатое регулирование можно также осуществить сменными зубчатыми колесами z1 и z2 при постоянном расстоянии А между валами I—II (рис. 50, и).

Рассмотренная схема позволяет осуществлять редукцию для получения четырех различных частот вращения выходного вала, а с применением асинхронного двухскоростного или регулируемого электродвигателя постоянного тока диапазон регулирования коробки скоростей значительно расширяется.

Автоматические коробки скоростей. Для осуществления непрерывного процесса резания с постоянной мощностью и скоростью при изменении частоты вращения шпинделя во всех поддиапазонах (что наиболее актуально при торцовом точении) применяют коробки скоростей с автоматическим переключением ступеней (АКС) электромагнитными или гидравлическими муфтами. Коробки АКС выпускаются нескольких типоразмеров и используются в ряде станков с ЧПУ. Унифицированные коробки скоростей АКС предназначены для использования в приводах главного, движения и подач металлорежущих станков токарной, сверлильной, расточной и фрезерной групп, а также для применения в некоторых других машинах. Привод АКС обеспечивает ступенчатое регулирование скорости шпинделя в широком диапазоне с практически постоянной мощностью.

Унифицированные коробки скоростей позволяют сосредоточить с помощью механической передачи все операции управления приводом: пуск, торможение, реверсирование, регулирование скорости. Они обеспечивают высокую скорость переходных процессов, возможность переключения при работе, защиту деталей привода от перегрузок и имеют ряд других преимуществ по сравнению с коробками передач с передвижными блоками зубчатых колес. В АКС применены нормализованные электромагнитные муфты с магнитопроводящими дисками с бесконтактным токоподводом. Гамма АКС включает семь габаритов (0—6) мощностью от 1,5 до 55 кВт.

Дистанционное управление приводом АКС осуществляется с помощью бесконтактной тиристорной системы управления.

кинематическая схема автоматической коробки скоростейКинематическая схема привода главного движения станка 16К20ФЗС4 с АКС приведена на рис. 51. Вращение шпинделю передается от асинхронного электродвигателя (мощностью Р=10 кВт и n = 1460 об/мин), помещенного внутри основания, с помощью клиновых ремней 53 и электромагнитных муфт ЭМ на входной вал I автоматической коробки скоростей (АКС), с выходного вала III АКС с помощью зубчатой цепи или клиновых ремней вращения передается на входной вал IV шпиндельной бабки. В шпиндельной бабке предусмотрено переключение вручную двух диапазонов частот вращения c отношением 1:3 АКС по программе имеет девять значений частоты вращения, а в шпиндельной бабке вследствие переключения блока зубчатых колес z43 и z60 вручную увеличивается вдвое, что вместе обеспечивает 18 частот вращения шпинделя в диапазонах от 35 до 1600 об/мин (по девять частот в каждом диапазоне). Управляются АКС от пульта управления системы ЧПУ ЭМ907. Переключатель на пульте управления в автоматическом режиме устанавливается в положение «Автомат».

Для осуществления нарезания резьбы на станках 16К20ФЗС4 и 16К20ФЗС5 в схеме предусмотрен датчик ВЕ-51. Вал VII получает вращение от шпинделя посредством беззазорной зубчатой передачи 60/60 с передаточным отношением, равным единице.