圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔長度測量裝置的研制

龍 慧，黃長征，李增煜，梁添煒

（韶關(guān)學(xué)院物理與機電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

帶花鍵的齒輪作為一種基礎(chǔ)傳動零件，在機械調(diào)速齒輪箱中廣泛使用，有時為了保證裝配精度及穩(wěn)定傳動的需要，齒輪花鍵孔的里端要求加工有一定錐度，且里端內(nèi)錐孔的長度還有嚴(yán)格的尺寸公差要求.圖1為某一帶里端內(nèi)錐孔的花鍵齒輪結(jié)構(gòu)示意圖，該里端內(nèi)錐孔的端口為錐形，內(nèi)錐測量始點為A點，里端帶內(nèi)錐孔長度LC有公差要求.但是，目前在測量LC時，現(xiàn)有測量裝置難以定位里端內(nèi)錐長度的測量始點A，使里端內(nèi)錐孔的圓柱孔長度難以測量.

目前，里端內(nèi)錐孔長度測量裝置的工程應(yīng)用方法主要有離線剖切法［1］、量具測量法［2］、光學(xué)測量法［3-4］.離線剖切法耗時、耗力；量具測量法由于存在測量定位誤差和較大的測量傳遞誤差，測量結(jié)果不準(zhǔn)確；光學(xué)測量法借助激光技術(shù)，測量精度高，但是成本高、效率低［5］.由于上述原因，目前實際工程中的測量方法還是難以實現(xiàn)高精度和高效率測量.

文獻［6］中提出一種里端內(nèi)錐孔長度測量裝置，該測量裝置測量效率雖高，但測量容易發(fā)生由于結(jié)構(gòu)不對稱而出現(xiàn)晃動現(xiàn)象，以及測量裝置存在傳遞誤差和測量尺寸校準(zhǔn)效率低，從而導(dǎo)致測量結(jié)果不精準(zhǔn).為此，筆者提出一種結(jié)構(gòu)改進后的圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔組合式長度測量裝置.該組合式長度測量裝置由定位塞桿和測量塞桿組成，定位塞桿的外錐面抵在被測圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔的過渡位置，實現(xiàn)長度測量定位；測量塞桿從被測圓柱齒輪的內(nèi)錐孔的另端插入，與定位塞桿平面配合，定位塞桿和測量塞桿均為軸對稱結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)測量尺寸平穩(wěn)傳遞，再根據(jù)千分表的計數(shù)，測量出圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔的長度.

圖1 帶里端內(nèi)錐孔的花鍵齒輪

圖2 測量裝置的定位塞桿

1 測量裝置結(jié)構(gòu)

測量裝置的定位塞桿的結(jié)構(gòu)如圖2所示.定位塞桿的一端呈圓臺形，端平面為一圓平面，側(cè)面為圓錐面，錐角β大于圖1所示被測齒輪花鍵孔內(nèi)錐面的錐角α，即β＞α.由于該測量塞桿的錐角大于零件的錐角，這樣定位塞桿的外錐面能抵在被測圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔，實現(xiàn)通過測量塞桿錐面抵住被測齒輪長度測量始點，從而實現(xiàn)測量的準(zhǔn)確定位.

圖3測量裝置的測量塞桿

圖4 測量裝置工作狀態(tài)示意圖

測量裝置的測量塞桿結(jié)構(gòu)示于3中.測量塞桿的一端部設(shè)有圓柱形的配合塊，其端面上設(shè)有與定位塞桿端平面相配的圓平面，即定位塞桿與測量塞桿的配合塊的配合方式采用平面配合緊密接觸.采用平面接觸傳遞，接觸面積區(qū)域大，因而定位塞桿與測量塞桿能實現(xiàn)精確配合，提高測量的效率和準(zhǔn)確性.測量裝置的定位塞桿和測量塞桿均為軸對稱的結(jié)構(gòu)，測量時不會產(chǎn)生晃動而影響測量精度，避免了操作晃動或其它不精密操作誤差的影響.根據(jù)幾何關(guān)系，配合塊的外端面為平面，即可測量塞桿千分表的測頭頂點與定位塞桿端平面.

實際測量前，將測量塞桿置于水平實驗臺上，利用量塊精確測量千分表表針頭至配合塊外端平面的距離.實際測量時，雖然測量塞桿的定位塞桿的端平面有一定的表面平整度，但在加工精度保證情況下，實際表面平整度誤差尺寸足夠小.因此實際可認(rèn)為測量塞桿的端平面將與定位塞桿的端平面的兩者完全貼合，即認(rèn)為測量塞桿與定位塞桿在端平面處完全重合.由此，便能實現(xiàn)齒輪里端內(nèi)錐孔長度從定位塞桿傳遞至測量塞桿上.測量塞桿上還設(shè)置有千分表，千分表在測量時與圓柱齒輪的端面接觸，即抵在被測圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔長度的端點.

測量裝置的工作狀態(tài)如圖4所示.測量裝置的定位塞桿從被測圓柱齒輪的底端插入，定位塞桿的錐面抵住被測齒輪的內(nèi)錐頂點A，即長度測量始點位置，測量始點A至定位塞桿端平面的距離LA為固定值.測量塞桿從被測圓柱齒輪的內(nèi)錐孔的另端插入并與定位塞桿的平面配合，測量塞桿上的千分表測頭抵在被測內(nèi)錐孔的端點B，即長度測量終點位置，定位塞桿和測量塞桿的重合配合平面至測量終點B的距離LB可根據(jù)千分表指示計算得知，因此被測零件的長度值LC為測量始點A至配合平面距離LA和配合平面至測量終點B的距離LB之和，即LC=LB+LA.

2 裝置測量原理

測量原理如圖5所示.測量時，由于定位塞桿的錐角β大于里端帶內(nèi)錐孔的花鍵齒輪的錐角α，定位塞桿的錐面抵住被測齒輪的內(nèi)錐頂點A.此時，定位塞桿的安裝關(guān)系如圖6所示，測量始點A為測量塞桿的錐面與花鍵齒輪圓柱孔的圓柱面的交點，由于測量始點A為花鍵齒輪圓柱面上點，因此根據(jù)三角計算關(guān)系，可求得測量始點A至定位塞桿端面的距離為LA計算式

式中：D1—花鍵孔內(nèi)徑；d1—定位塞桿端平面的直徑.

在安裝完成定位塞桿后，將測量塞桿從另一端放入，如圖5所示.此時，在重力作用下，測量塞桿與定位塞桿在端平面處完全貼合，實現(xiàn)將花鍵孔長度的測量始端經(jīng)定位塞桿傳遞至測量塞桿上.由于測量前千分表針頭至配合平面的距離為已知，再根據(jù)千分表指示，可得到端平面至千分表針頭的距離LB，最后可求得測量始點A至測量終點B的距離，即里端內(nèi)錐孔的長度LC.

批量測定某型號零件時，首先需對測量裝置進行標(biāo)定工作，即標(biāo)定定位塞桿的測量始點到千分表測頭端點的距離LC.為此，第一步需計算測量始點至端平面的距離LA，由于針對是某一確定型號花鍵孔，則其花鍵圓柱孔內(nèi)徑D1、定位塞桿直徑d1以及錐角β基本尺寸確定且為一恒定不變值，根據(jù)式（1）求得LA的基本尺寸；第二步需利用量塊標(biāo)定端平面至千分表針頭的距離LE.考慮千分表的使用特性和必須有一定的讀數(shù)余量，測量裝置在進行測量時，必須預(yù)留一定的壓縮量LD，則標(biāo)定端平面至千分表針頭的距離LE的表達式為

式中，LE為千分表在無壓縮時至配合面的距離（即標(biāo)定值），壓縮量LD必須保證被測零件的內(nèi)錐孔長度處于公差范圍內(nèi)，千分表均會產(chǎn)生有效偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)千分表有效測量.

圖5 測量原理圖

圖6 定位塞桿裝配示意圖

將式（2）代入式（1），千分表完全釋放時至標(biāo)定平面距離LE的基本尺寸計算式為

式中，LB—標(biāo)定尺寸值；LC—被測圓柱齒輪內(nèi)錐孔長度的基本尺寸；LA—某測量零件始點至端平面恒定長度值；LD—考慮測量范圍的壓縮量.

測量裝置標(biāo)定完成后，將千分表壓縮一定值，再旋轉(zhuǎn)千分表表盤，使千分表零刻度線對準(zhǔn)千分表指針，即完成整個測量裝置的調(diào)節(jié)工作.然后將被測零件裝配到測量裝置上，根據(jù)千分表的偏轉(zhuǎn)讀數(shù)LF，即可測量內(nèi)錐孔長度 L′C為：

式中：L′C—被測齒輪的里端內(nèi)錐孔的實際值；LC—被測零件長度的基本尺寸；LF—千分表的讀數(shù)；δ表示配合公差.

3 工程實例

3.1 零件尺寸

某公司生產(chǎn)的花鍵齒輪的零件圖如圖7所示.其中，花鍵孔小徑直徑為花鍵齒輪的里端內(nèi)錐孔的放大圖如圖7(c)所示，其測量始點為里端內(nèi)錐結(jié)構(gòu)，其長度值為即花鍵孔長度LC合格尺寸在（27.990～28.194）mm 范圍內(nèi).

3.2 測量裝置尺寸確定

測量裝置必須與被測齒輪配合精確，減少徑向和軸向竄動［7］.為此，如圖8所示，測量塞桿直徑基本尺寸與花鍵孔的配合尺寸為；定位塞桿與花鍵孔的配合尺寸為測量裝置的定位塞桿的錐角β設(shè)為40°，大于圖7(c)被測量零件的錐角35°，實現(xiàn)定位塞桿的精確定位.

圖7 花鍵齒輪零件圖

圖8 測量裝置與被測零件的配合尺寸

圖9 測量塞桿的標(biāo)定示意圖

3.3 測量裝置參數(shù)設(shè)定

測量開始前，首先需進行標(biāo)定工作，測量塞桿的標(biāo)定方式如圖9所示.花鍵齒輪的花鍵孔長度基本尺寸28.092 mm，花鍵孔的小徑直徑基本尺寸為29.007 mm，設(shè)定定位塞桿端面直徑d1為10 mm，錐角β為40°，根據(jù)式（1），計算得測量始點至配合面的距離為LA為7.974 mm.為了保證測量裝置在被測長度上下偏差值為102 μm的范圍內(nèi)仍能滿足測量需求，另外設(shè)定48 μm的余量，以便于讀數(shù).即在標(biāo)定時過程中千分表預(yù)設(shè)150 μm的壓縮量.由此，根據(jù)測量的花鍵孔長度基本尺寸為28.092 mm，即可由式（2）計算標(biāo)定值為19.968 mm.

標(biāo)定工作完成后，壓縮千分表的壓縮值為150μm，然后，旋轉(zhuǎn)千分表表盤旋轉(zhuǎn)，使表盤零位對準(zhǔn)千分表指針.

完成整個測量裝置的調(diào)節(jié)工作后，將被測零件裝配到測量裝置上，根據(jù)千分表的偏轉(zhuǎn)量，便能直接得出花鍵孔的長度值.若千分表指針順時針或逆時針偏轉(zhuǎn)在格數(shù)小于102小格，即尺寸變化0.102 mm以內(nèi)，則判定為合格產(chǎn)品；反之，為不合格產(chǎn)品.

在實際測試工作時，由于配合公差、定位塞桿及測量塞桿等制造公差影響，導(dǎo)致被測零件測量值存在誤差.因此，實際應(yīng)用中會考慮這些因素，將采用更為嚴(yán)格的判斷標(biāo)準(zhǔn).如千分表的偏轉(zhuǎn)格數(shù)為80小格作為判斷產(chǎn)品合格的標(biāo)準(zhǔn).

上述測量過程由于測量裝置為軸對稱結(jié)構(gòu)，測量過程十分簡便，同時測量裝置采用平面?zhèn)鬟f尺寸，測量結(jié)果準(zhǔn)確，實用性強.

4 結(jié)論

工程應(yīng)用表明，該組合式長度測量裝置能實現(xiàn)里端內(nèi)錐孔長度測量.組合式長度測量裝置通過定位塞桿的錐面能實現(xiàn)測量長度定位，測量塞桿與定位塞桿利用平面?zhèn)鬟f測量尺寸，減少傳遞誤差，同時，測量裝置完全采用軸對稱結(jié)構(gòu)，測量過程簡便且誤差少，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，方法巧妙，成本低廉，能很好滿足工程實際需要.同時為實現(xiàn)測量里端設(shè)為各種過渡形狀的內(nèi)孔長度提供很好借鑒.

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