裝配誤差對(duì)螺旋錐齒輪接觸軌跡的影響

郭 婷，張祖智，杜萬里

(中國(guó)北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

齒輪傳動(dòng)是傳遞動(dòng)力的一種主要形式，齒輪是機(jī)械產(chǎn)品的重要零部件.它與帶、鏈、摩擦、液壓等機(jī)械傳動(dòng)相比，具有傳遞功率范圍大、傳動(dòng)效率高、圓周速度高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)尺寸小等一系列優(yōu)點(diǎn)［1］.因此，齒輪已成為機(jī)械傳動(dòng)不可缺少的部件.在單對(duì)齒輪傳動(dòng)中，有平行軸齒輪傳動(dòng)、相交軸齒輪傳動(dòng)、交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)［1］，根據(jù)產(chǎn)品傳遞功能的要求，可以選擇不同的傳動(dòng)形式.當(dāng)要求輸入軸線與輸出軸線相交時(shí)，一般采用錐齒輪傳動(dòng).在錐齒輪傳動(dòng)中，由于螺旋錐齒輪具有比直齒錐齒輪和零度錐齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，承載能力高、高速運(yùn)轉(zhuǎn)噪音和振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于航空、汽車、船舶、工程機(jī)械中.

1 裝配誤差對(duì)接觸軌跡影響分析

錐齒輪傳動(dòng)的基本條件是節(jié)錐面相切，節(jié)錐頂點(diǎn)重合.螺旋錐齒輪一般都是成對(duì)加工和使用的，其加工后的檢驗(yàn)也是成對(duì)檢驗(yàn).在檢驗(yàn)時(shí)，一般檢查成對(duì)齒輪的安裝距、齒面接觸區(qū)、側(cè)隙，等等.在理想的工作條件下，如果齒輪按照?qǐng)D樣設(shè)計(jì)的理論安裝距加工，傳動(dòng)鏈上各零件均符合理論尺寸，則螺旋錐齒輪的工作齒面接觸區(qū)及側(cè)隙應(yīng)按照?qǐng)D樣的要求參與工作.同時(shí)，輪齒的接觸斑點(diǎn)在齒頂和齒端逐漸減弱.這樣，齒輪具有最大的承載能力、并且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無噪聲.但是，在實(shí)際工作過程中，由于尺寸鏈上各零件均有加工誤差、測(cè)量誤差等誤差，由此累積的誤差便使得齒輪對(duì)不能在理論位置接觸，這種理想的輪齒接觸狀態(tài)很難實(shí)現(xiàn).其中軸交角誤差在錐齒輪加工時(shí)形成，后續(xù)裝配很難補(bǔ)償;主動(dòng)錐齒輪與被動(dòng)錐齒輪的安裝距，雖然在一對(duì)齒輪加工成形后就已經(jīng)確定了，但是改變這對(duì)齒輪的軸向安裝位置，即通過安裝調(diào)整要改變接觸區(qū)是可以實(shí)現(xiàn)的.在各種誤差中，軸向裝配誤差對(duì)接觸軌跡的變化影響最大.由此可見，研究裝配誤差對(duì)接觸軌跡變化的影響極其重要.

由于零件加工、測(cè)量等誤差的存在，在錐齒輪系安裝時(shí)，需要對(duì)軸系增加調(diào)整環(huán)節(jié)以調(diào)整螺旋錐齒輪的接觸區(qū)及側(cè)隙，由此可見，裝配調(diào)整環(huán)節(jié)十分重要，裝配誤差直接影響了螺旋錐齒輪接觸位置的正確與否.裝配誤差分為兩類:一種是背錐誤差，即裝配完成后，螺旋錐齒輪對(duì)的節(jié)錐頂點(diǎn)不重合，即背錐δ≠0，如圖1所示，在這種狀態(tài)下，接觸區(qū)的位置及形狀一般很難滿足要求;一種是在δ=0的情況下.接觸區(qū)位置及形狀有可能與要求接近，但嚙合側(cè)隙不滿足要求，即兩錐齒輪存在相似規(guī)律的裝配誤差.在螺旋錐齒輪裝配調(diào)整過程中，要想獲得正確的嚙合位置，首先應(yīng)當(dāng)盡最大可能使一對(duì)相嚙合的齒輪節(jié)錐頂點(diǎn)重合，即將錐齒輪對(duì)的背錐調(diào)整至同一平面，δ=0;δ以大輪高為正，若δ＞0或δ＜0，都會(huì)引起接觸區(qū)位置發(fā)生變化.同時(shí)，在錐齒輪嚙合傳動(dòng)中，為保證嚙合運(yùn)動(dòng)的效率及潤(rùn)滑情況，對(duì)錐齒輪的嚙合側(cè)隙也會(huì)作出規(guī)定，若錐齒輪裝配靠近中心，即使錐齒輪接觸區(qū)位置及形狀滿足要求，錐齒輪的嚙合側(cè)隙也很難滿足要求.因此，裝配誤差的大小直接關(guān)系著螺旋錐齒輪對(duì)正確接觸軌跡的實(shí)現(xiàn)乃至螺旋錐齒輪傳動(dòng)品質(zhì)的高低.

圖1 背錐距離

2 螺旋錐齒輪接觸軌跡物理驗(yàn)證

以某螺旋錐齒輪軸系為例，裝配實(shí)物如圖2所示，圖樣要求齒面接觸區(qū)位置及形狀如圖3所示，要求齒輪嚙合側(cè)隙為0.25～0.35 mm，輸入軸系相關(guān)零件裝配關(guān)系見圖4，輸出軸系相關(guān)零件裝配關(guān)系見圖5，在裝配中裝配誤差通過控制調(diào)整墊調(diào)整量來實(shí)現(xiàn).

圖2 螺旋錐齒輪安裝位置實(shí)物圖

圖3 齒面接觸區(qū)要求 (大輪凸面)

圖4 輸入軸系相關(guān)零件裝配關(guān)系

圖5 輸出軸系相關(guān)零件裝配關(guān)系

2.1 螺旋錐齒輪正確位置的獲取

由圖4、圖5可知，根據(jù)錐齒輪安裝距L1、箱體安裝距L及件1～8的實(shí)際測(cè)量軸向尺寸A、B、C、D、E、F、G、H，錐齒輪安裝距L2、箱體安裝距LL及件1～6的實(shí)際測(cè)量軸向尺寸 A、B、C、D、E、F，按照式(1)、式(2)可分別得到理論調(diào)整量X.

分別測(cè)量輸入軸系、輸出軸系相配合零件的真實(shí)軸向尺寸A、B、C、D、E、F、G、H、錐齒輪的安裝距L1、L2及箱體安裝距L、LL，確定理論調(diào)整量X1為0.88 mm、X2為5.06 mm.按照此數(shù)進(jìn)行裝配調(diào)整，測(cè)量?jī)慑F齒輪背錐距離δ，測(cè)量?jī)奢喗佑|區(qū)位置、側(cè)隙.測(cè)得接觸區(qū)位置及側(cè)隙見表1.

表1 錐齒輪對(duì)理論接觸區(qū)位置及側(cè)隙記錄表 mm

由表1數(shù)據(jù)可知，齒輪側(cè)隙為0.2 mm，不能滿足圖樣要求.由于測(cè)量誤差及零件的彈性變形等因素，按照理論調(diào)整量進(jìn)行裝配，很難滿足設(shè)計(jì)要求.在現(xiàn)實(shí)裝配過程中，往往在通過計(jì)算后，根據(jù)裝配情況，裝配人員反復(fù)調(diào)整、試裝，最終完成符合要求的裝配，這樣需要反復(fù)多次，費(fèi)時(shí)費(fèi)力.因此要想在理論調(diào)整量的基礎(chǔ)上選擇合適的調(diào)整墊必須摸清裝配誤差對(duì)螺旋錐齒輪接觸軌跡的影響，這樣就可以根據(jù)理論調(diào)整量裝配后情況，有針對(duì)性地增減調(diào)整墊.

根據(jù)錐齒輪理論調(diào)整位置裝配情況，對(duì)調(diào)整量進(jìn)行微調(diào)，小輪、大輪均增加調(diào)整量0.17 mm，得到符合要求的印痕位置及側(cè)隙 (見表2).

表2 錐齒輪對(duì)接觸區(qū)位置及側(cè)隙調(diào)整記錄表

2.2 裝配誤差對(duì)螺旋錐齒輪接觸軌跡影響的物理驗(yàn)證

將螺旋錐齒輪對(duì)、大輪軸系按照原正確位置裝配，逐步改變小輪裝配誤差，對(duì)應(yīng)每組誤差量，分別測(cè)量?jī)慑F齒輪背錐距離δ(大輪高時(shí)δ為正，小輪高時(shí)δ為負(fù))，測(cè)量?jī)奢喗佑|印痕位置、側(cè)隙.并根據(jù)測(cè)量結(jié)果求出大輪各點(diǎn)距理論中心位置的距離，繪制背錐距離與各點(diǎn)至接觸區(qū)理論中心位置距離關(guān)系圖 (見圖7)，裝配誤差與各點(diǎn)距接觸區(qū)理論中心位置距離關(guān)系圖 (見圖8)，裝配誤差與側(cè)隙關(guān)系圖 (見圖9).

圖7 背錐距離與各點(diǎn)至接觸區(qū)理論中心位置距離關(guān)系圖

圖8 裝配誤差與各點(diǎn)距接觸區(qū)理論中心位置距離關(guān)系圖

圖9 裝配誤差與側(cè)隙關(guān)系圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

從圖7中可以看出:當(dāng)大輪背錐高時(shí)，隨著背錐距離的增加，齒輪的接觸區(qū)位置逐漸遠(yuǎn)離理論位置.從圖8中可以看出:隨著裝配誤差的減小，逐步趨向于理論數(shù)值時(shí)，齒輪的接觸區(qū)位置逐漸接近理論位置，當(dāng)裝配誤差向反方向增大時(shí)，齒輪的接觸區(qū)位置變化明顯.從圖9中可以看出:隨著裝配誤差的減小，逐步趨向于理論調(diào)整量時(shí)，齒輪的側(cè)隙變化逐漸趨于平穩(wěn)，當(dāng)裝配誤差向反方向增大時(shí)，側(cè)隙變化明顯.

通過螺旋錐齒輪接觸軌跡試驗(yàn)，表明裝配誤差對(duì)錐齒輪接觸區(qū)位置、側(cè)隙影響明顯，可為錐齒輪的裝配提供依據(jù)，對(duì)穩(wěn)態(tài)接觸性能研究提供數(shù)據(jù)支撐.

3 結(jié)論

通過物理試驗(yàn)詳細(xì)分析了螺旋錐齒輪軸系裝配誤差對(duì)螺旋錐齒輪接觸軌跡的影響規(guī)律.結(jié)果表明:裝配誤差對(duì)錐齒輪接觸軌跡和側(cè)隙的偏差影響明顯.通過對(duì)錐齒輪裝配誤差有效的修正，可以把接觸區(qū)位置調(diào)到最佳工作位置，使螺旋錐齒輪在工作中實(shí)際的重合度達(dá)到最大，可以提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，使承載能力提高，把傳動(dòng)噪聲降到最低.

另外，調(diào)整量變化與側(cè)隙變化量的數(shù)值關(guān)系，有待后續(xù)進(jìn)一步研究.

［1］齒輪手冊(cè)編委會(huì).齒輪手冊(cè) ［M］.北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.