齒輪箱過盈配合裝配工藝方法研究

常 星

(智道鐵路設備有限公司，山西 太原030032)

在高速動車齒輪箱設計中，大量選用了過盈配合和過渡配合，如大齒輪和輸出軸之間為圓錐過盈配合，迷宮系統(tǒng)與軸之間為圓柱過盈配合，軸承內(nèi)外圈與軸和軸承座之間分別為圓柱過盈配合和過渡配合等。相應的裝配方法也有脹縮法、壓入法和油壓法可以選用，但具體選用哪種裝配工藝必須從實現(xiàn)難易程度、有效性、操作性等多方面綜合去考慮[1]。

如輸入軸與聯(lián)軸器之間的圓錐過盈配合，由于包容件加熱困難，采用油壓法更為合理；大齒輪和輸出軸之間的圓錐過盈配合，通過設計特殊的工裝，加熱包容件，采用脹縮法可以避免壓入法極易擦傷零件表面的風險；齒輪箱迷宮系統(tǒng)和軸承系統(tǒng)，由于零件相對較小，過盈量不大，采用脹縮法更便于操作。

壓入法，當大齒輪和輸出軸為圓柱過盈配合時，常選用此種裝配工藝；油壓法，在參考文獻[2]中，已經(jīng)有了清晰的闡述；因此，本文主要針對脹縮法的計算方法，結(jié)合具體的齒輪箱設計實例，通過具體試驗，驗證其合理性和有效性。

1 加熱方法和冷凍方法的確定

脹縮法，有加熱包容件和冷凍被包容件兩種形式，但由于冷凍膨脹系數(shù)較加熱膨脹系數(shù)小，零件溫度過低又會產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象，且冷凍速度較加熱速度偏慢，因此除非包容件不易加熱，或過盈量小，或為過渡配合，一般以加熱包容件為首選。而對于軸承外圈和軸承座之間的過渡配合，由于軸承座加熱相對困難，冷凍軸承外圈實現(xiàn)起來更為容易。

具體到加熱方法，火焰加熱，熱傳導快，但受熱不均勻；油浴加熱，加熱均勻，升溫緩慢，常用于需要嚴格控制加熱溫度的場合；電磁感應加熱，升溫速度快，環(huán)保節(jié)能，但設備復雜，成本相對較高，通用性也差；電爐加熱，由于爐內(nèi)溫度不均勻性，零件溫度波動大，但設備操作簡單、調(diào)整靈活、成本低、安全可靠、升溫速度較快。對于不需要嚴格控制加熱溫度，且許多包容件裝配過程中需要反復測量、計算和加工后，才能進行裝配的使用條件，電爐加熱的特點很好滿足了上述要求。

對于冷凍方法，由于軸承有最低溫度的使用要求，例如輸出軸選用的圓錐滾子軸承，在高于-54 ℃的條件下才能保證穩(wěn)定的外形尺寸，因此采用冷凍柜就可以滿足要求。

2 加熱溫度和冷凍溫度的確定

參考文獻[3]中，加熱溫度：

式中：[δmax] 為配合的最大過盈量，mm；Δ 為裝配的最小間隙，通常為相同公稱直徑間隙配合H7/g6 的最大間隙，或2 至3 倍過盈量，mm；αa，αi分別為材料的加熱和冷凍線脹系數(shù)，加熱和冷凍大小不同，可查表獲取；t為裝配的環(huán)境溫度，℃；eit為被包容件外徑的冷縮量，mm；df為配合的結(jié)合直徑，mm。

在上述計算過程中，一般是以最大過盈量為準，而實際過盈量并沒有達到最大，因此計算溫度值是有裕量的。對于裝配最小間隙，按照不同方法選取，計算結(jié)果差別也很大。

因此，在確定溫度時，首先應參考按照不同方法確定的裝配最小間隙的條件下計算出的結(jié)果，然后綜合考慮材料極限、設備溫差效應以及生產(chǎn)節(jié)奏等，最后通過實際裝配效果，來最終確定裝配溫度。

3 設計實例

以某型齒輪箱軸承內(nèi)外圈以及大齒輪裝配為例，詳細分析其裝配溫度的確定過程。

如果裝配最小間隙按照相同公稱直徑間隙配合H7/g6 的最大間隙進行計算：輸入側(cè)圓柱滾子軸承內(nèi)圈加熱溫度為138.8 ℃，軸承外圈冷凍溫度為-81.4 ℃；輸出側(cè)圓錐滾子軸承內(nèi)圈加熱溫度為115.9 ℃，軸承外圈冷凍溫度為-53.7 ℃；大齒輪加熱溫度為219 ℃。

如果裝配最小間隙按照2 倍過盈量進行計算：輸入側(cè)圓柱滾子軸承內(nèi)圈加熱溫度為114.5 ℃，軸承外圈冷凍溫度為-39.7 ℃；輸出側(cè)圓錐滾子軸承內(nèi)圈加熱溫度為130 ℃，軸承外圈冷凍溫度為-43.3 ℃；大齒輪加熱溫度為339 ℃。

考慮到兩種軸承的最低使用溫度都應大于-50 ℃，結(jié)合上述計算值，冷凍溫度初步選取為-40 ℃。

圓柱滾子軸承通常能夠在不超過150 ℃條件下，保證穩(wěn)定的外形尺寸；圓錐滾子軸承通常能夠在不超過120 ℃條件下，保證穩(wěn)定的外形尺寸；雖然有些經(jīng)過特殊熱處理的圓錐滾子軸承內(nèi)外圈能夠承受150℃的溫度，但長時間的高溫會增加軸承其他附屬配件的風險。因此，結(jié)合上述計算值，圓錐滾子軸承加熱溫度初步選取為120 ℃，圓柱滾子軸承加熱溫度分別選取為120 ℃、135 ℃和150 ℃，并通過試驗來驗證哪個溫度更為合適[4]。

考慮到大齒輪的低溫回火，加熱溫度一般不能超過180 ℃[5]。由于加熱溫度降低，大齒輪內(nèi)孔脹量減少，增加了裝配困難，但同時也提高了裝配精度，改善了熱裝完成冷卻過程中的軸向收縮問題。因此，加熱最高溫度初步選取為175 ℃。

由于熱裝大齒輪采用的是軸線處于垂直位置的常規(guī)豎式裝配，按照參考文獻[7]，熱裝軸向收縮間隙

式中：[δmax] 為配合的最大過盈量，mm；f為熱裝面上的摩擦系數(shù)；L為輪轂長度，mm；D為孔徑，mm；D1為輪外徑，mm；d為軸外徑，mm；μ 為柏松比。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，熱裝軸向收縮間隙最大值約為0.115 mm，在不考慮專用的熱裝工裝加工誤差條件下，其理論計算軸向收縮最大間隙滿足設計要求。

4 試驗方案

基于車間現(xiàn)有PAHS-780 型和PAYS-3125 型加熱爐，DW-FW351 型工業(yè)冷凍柜，采用FLUKE 51Ⅱ型接觸式測溫儀，完成零件加熱、冷凍，和表面溫度數(shù)據(jù)測量過程。

圓柱滾子軸承內(nèi)圈，加熱爐溫度分別設定為150 ℃、135 ℃和120 ℃，分別完成三次試驗過程；每隔10 min 記錄一次數(shù)據(jù)，待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后測量過程結(jié)束；然后分別驗證在不同溫度條件下，裝配過程是否順利。

圓錐滾子軸承內(nèi)圈，加熱爐溫度設定為120 ℃，每隔10 min 記錄一次數(shù)據(jù)，待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后測量過程結(jié)束；然后驗證裝配過程是否順利。

軸承外圈，冷凍柜溫度設定為-40 ℃；開始階段每隔10 min 記錄一次數(shù)據(jù)，待溫度下降減緩時，逐漸增加測量時間間隔，待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后測量過程結(jié)束，然后驗證裝配過程是否順利。

大齒輪，加熱爐加熱程序設置為，從常溫升溫至150 ℃并保溫，共持續(xù)1 h；從150 ℃升溫至175 ℃并保溫，共持續(xù)2 h。每隔30 min 記錄一次數(shù)據(jù)，待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后（加熱保溫時間共計不少于3 h），且表面溫度≥160 ℃時，開始熱裝大齒輪，并記錄熱裝結(jié)束時大齒輪表面溫度；待大齒輪恢復至室溫后，使用3D 設備和軸跳動設備分別測量相應數(shù)據(jù)，驗證熱裝軸向收縮量和專用工裝精度是否滿足設計要求，試驗結(jié)束。

5 試驗結(jié)果

如圖1 所示，由于爐內(nèi)溫度分布不均，實際零件熱平衡溫度分別為：設置溫度150 ℃，熱平衡溫度≤141 ℃；設置溫度135 ℃，熱平衡溫度≤133.2 ℃；設置溫度120 ℃，熱平衡溫度≤114.6 ℃；并圍繞熱平衡溫度上下波動。

圖1 圓柱滾子軸承內(nèi)圈溫升記錄

加熱爐設置為120 ℃，加熱時間20 min 以上，軸承內(nèi)圈裝配過程中偶爾會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，需要橡膠錘輔助安裝。

加熱爐設置為135 ℃或150 ℃，加熱時間20 min以上，裝配過程十分順利。

如圖2 所示，由于爐內(nèi)溫度分布不均，實際零件熱平衡溫度為≤115.2 ℃，并圍繞熱平衡溫度上下波動。由于輸出軸軸承內(nèi)圈尺寸相對較大，為保證完全熱透，并改善裝配過程，要求在加熱爐設置為120 ℃情況下，加熱時間應不少于2 min；按照此條件，裝配過程十分順利，未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。從表1 中的數(shù)據(jù)也可以體現(xiàn)出內(nèi)圈尺寸增加量為最大過盈量的兩倍以上。

圖2 圓錐滾子軸承內(nèi)圈溫升記錄

表1 圓錐滾子軸承內(nèi)圈尺寸變化

如圖3 所示，零件表面溫度下降緩慢，兩小時以后溫度下降速度逐漸趨于平緩，3 h 以后基本達到冷平衡溫度。裝配過程十分順利，未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。從表2 中的數(shù)據(jù)也可以體現(xiàn)出外圈尺寸減少量為最大過盈量1.5 倍以上。

圖3 軸承外圈溫降記錄

如圖4 所示，大齒輪溫度緩慢上升，在加熱150 min后，表面溫度已經(jīng)達到160 ℃以上；設置加熱爐程序，爐內(nèi)溫度上升速度約5 ℃/min，并在150 ℃和175 ℃條件下進行保溫，因此大齒輪內(nèi)外溫升均勻；加熱3 h 后，大齒輪基本達到熱平衡溫度。

表2 圓錐滾子軸承外圈尺寸變化

圖4 大齒輪溫度記錄

熱裝過程十分順利，恢復室溫后，3D 設備和軸跳動設備測量結(jié)果滿足設計要求。

6 結(jié)論

圓柱滾子軸承內(nèi)圈，將加熱爐設置為135 ℃，同時加熱時間不少于20 min。這樣，零件熱平衡溫度相對較高，可以改善裝配過程；也不會對零件造成損害和減少軸承使用壽命；并且可以加快升溫速度，對于其它需要測量、加工的零件，可以縮短熱裝等待時間，提高生產(chǎn)效率。

圓錐滾子軸承內(nèi)圈，將加熱爐設置為120 ℃，加熱時間不少于2 h，可以保證軸承內(nèi)圈完全熱透，改善裝配過程，同時對軸承保持架也不會有任何風險。

軸承外圈，冷凍柜溫度設定為-40 ℃，為了改善裝配過程，冷凍時間應不少于2 h。

大齒輪，按照加熱爐程序，爐內(nèi)溫度上升速度約5 ℃/min，并在150 ℃和175 ℃條件下進行保溫，因此大齒輪內(nèi)外溫升均勻；熱裝完成后，大齒輪表面溫度在5 min 內(nèi)急劇下降約80 ℃，隨后3D 設備和軸跳動設備測量結(jié)果表明，大齒輪已完全抱緊輸出軸，軸向收縮量在允許范圍內(nèi)，工裝精度滿足要求，大齒輪安裝到位。

綜上，脹縮法裝配溫度的確定，需要綜合考慮配合過盈量、最小裝配間隙、材料溫度限制、熱處理溫度限制、生產(chǎn)節(jié)奏、生產(chǎn)效率、具體加熱冷凍方法的特點、以及實現(xiàn)難易程度等，并且通過實際裝配效果，來最終確定。而合理的裝配溫度，可以有效地提高生產(chǎn)效率，同時降低返工返修的頻率，并最終改善裝配過程。