(北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京100074)
齒輪箱作為實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)的一種能量轉(zhuǎn)換機(jī)械裝置,廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、汽車變速箱等工業(yè)領(lǐng)域。齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性是保證齒輪箱質(zhì)量的先決條件,零件的加工質(zhì)量是其質(zhì)量的基礎(chǔ),裝配處于齒輪箱制造的最后階段,齒輪箱的質(zhì)量最終通過裝配得到保證和檢驗(yàn)。因此,裝配是決定齒輪箱質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究制訂合理的裝配工藝,采用有效的保證裝配精度的裝配方法,對(duì)進(jìn)一步提高齒輪箱質(zhì)量、符合設(shè)計(jì)壽命有著十分重要的意義[1]。
某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱組件是關(guān)鍵傳動(dòng)部件,其功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出 (輸入)端與起發(fā)電機(jī)、滑油泵等附件間的扭矩傳輸。齒輪箱組件采用零度弧齒錐齒輪,該型齒輪具有運(yùn)行平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)軸向安裝距的敏感度非常高。為保證齒輪箱組件轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、工作平穩(wěn)、可靠,需保證精確的齒輪安裝距、適當(dāng)?shù)膰Ш蟼?cè)隙和合理的接觸印痕。由于錐齒輪模數(shù)小,尺寸小,接觸印痕不易檢測(cè),且需多次反復(fù)調(diào)整,調(diào)試難度很大,已成為型號(hào)研制的生產(chǎn)短線。因此,開展齒輪箱組件精密裝調(diào)工藝技術(shù)研究,突破關(guān)鍵裝調(diào)技術(shù),對(duì)保證齒輪箱組件的裝配質(zhì)量和型號(hào)研制周期具有十分重要的意義。
齒輪箱組件主要由1對(duì)零度弧齒錐齒輪和2對(duì)漸開線直齒圓柱齒輪、軸承、磁力密封、軸承座、箱體、油氣分離器等零件組成,其外形如圖1所示。齒輪箱組件具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大、運(yùn)行平穩(wěn)性要求高、可靠性高、工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),其運(yùn)行工況極為苛刻,最大工況轉(zhuǎn)速為41000r/min。
圖1 齒輪箱組件外形示意圖Fig.1 Outline diagram of gear box
根據(jù)齒輪箱組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳動(dòng)性能要求,經(jīng)過分析,其裝調(diào)特點(diǎn)如下:
(1)裝調(diào)質(zhì)量要求高
為保證齒輪箱的傳動(dòng)性能,對(duì)齒輪箱組件裝調(diào)質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求,尤其是零度弧齒錐齒輪的裝配質(zhì)量要求很高,既要保證合理的嚙合側(cè)隙,又要保證正確的接觸印痕,裝調(diào)難度大。
(2)裝配精度要求高
齒輪箱組件中的零度弧齒錐齒輪對(duì)安裝距非常敏感,一旦安裝距不對(duì),將引起相嚙合的齒輪副在嚙合位置剖面內(nèi)的 “模數(shù)”不相等,導(dǎo)致錐齒輪副接觸印痕不良,嚙合側(cè)隙不滿足要求,因此齒輪、軸承等軸系零件軸向裝配精度要求高,必須安裝到位。
(3)操作可達(dá)性及可檢性差
齒輪箱組件結(jié)構(gòu)緊湊、裝配空間狹小,各齒輪軸系均安裝在箱體內(nèi)部,導(dǎo)致操作可達(dá)性差;軸系安裝質(zhì)量及錐齒輪嚙合側(cè)隙無(wú)法直接檢測(cè),可檢驗(yàn)性較差。
齒輪側(cè)隙是表征齒輪裝配質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。齒輪側(cè)隙主要是為了儲(chǔ)存必要的潤(rùn)滑油,補(bǔ)償齒輪的加工和裝配誤差及工作時(shí)的熱變形和彈性變形。齒輪側(cè)隙檢測(cè)方法主要有塞尺法、百分表法和壓鉛絲法等,為保證齒輪側(cè)隙檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要分析以上檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn),并根據(jù)齒輪箱組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的檢測(cè)方法。齒輪箱組件中的零度弧齒錐齒輪副安裝在箱體和軸承座內(nèi)部,不能采用傳統(tǒng)的方法直接檢測(cè)側(cè)隙,如何實(shí)現(xiàn)錐齒輪嚙合側(cè)隙的正確檢測(cè)是齒輪箱組件裝調(diào)的難點(diǎn),齒輪側(cè)隙檢測(cè)技術(shù)是齒輪箱組件裝調(diào)關(guān)鍵技術(shù)之一。
弧齒錐齒輪副側(cè)隙對(duì)齒輪箱組件的使用壽命、傳動(dòng)平穩(wěn)性等影響極大。間隙太大,齒輪箱會(huì)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng);間隙太小,會(huì)加劇輪齒的磨損,附加載荷相應(yīng)加大,噪音增大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)有斷齒、軸彎曲及軸承損壞的情況發(fā)生。因此,弧齒錐齒輪副側(cè)隙必須調(diào)整到合適大小。在工程應(yīng)用中,一般通過修磨調(diào)整墊或相關(guān)零件的方法改變錐齒輪的軸向位置,從而調(diào)整錐齒輪副側(cè)隙的大小。但由于缺少軸向位移與側(cè)隙變化量的定量關(guān)系,導(dǎo)致修磨量的大少很難把握,弧齒錐齒輪側(cè)隙調(diào)整技術(shù)是齒輪箱組件裝調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
接觸印痕是表征錐齒輪裝配質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo)。由于制造、裝配、測(cè)量誤差,錐齒輪裝配后,接觸印痕一般均需進(jìn)行調(diào)整才能滿足要求。由于影響接觸印痕的因素較多,譬如軸承、軸承座、箱體、錐齒輪安裝距等,并且各個(gè)因素相互耦合,導(dǎo)致問題定位非常困難。由于接觸印痕調(diào)變化規(guī)律不清晰,并且調(diào)整過程中隨著錐齒輪軸向位移的改變,嚙合側(cè)隙也發(fā)生變化,需要保證接觸印痕與側(cè)隙同時(shí)滿足要求,調(diào)整難度很大。因此,錐齒輪接觸印痕檢測(cè)與調(diào)整技術(shù)是齒輪箱組件裝調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
(1)直齒輪側(cè)隙檢測(cè)技術(shù)
齒輪側(cè)隙檢測(cè)一般采用塞尺法、百分表法和壓鉛絲法,通過工藝試驗(yàn),比較各檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn),確定合理的檢測(cè)方法。根據(jù)工藝試驗(yàn)情況,百分表法檢測(cè)效率高、操作方便、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性好、不易產(chǎn)生多余物。因此,確定采用百分表法檢測(cè)直齒輪側(cè)隙。檢測(cè)時(shí),采用工裝固定一個(gè)齒輪,將百分表壓在另一個(gè)齒輪的節(jié)圓上,擺動(dòng)齒輪進(jìn)行測(cè)量,如圖2所示。
圖2 直齒輪側(cè)隙測(cè)量示意圖Fig.2 Test diagram of cylindrical gear clearance
(2)弧齒錐齒輪側(cè)隙檢測(cè)技術(shù)
由于錐齒輪副安裝在齒輪箱箱體和錐齒輪座內(nèi)部,無(wú)法采用傳統(tǒng)方法直接測(cè)量。通過研究,確定設(shè)計(jì)專用測(cè)量裝置固定從動(dòng)錐齒輪,將主動(dòng)錐齒輪嚙合部位沿軸線轉(zhuǎn)移至齒輪箱組件外部進(jìn)行測(cè)量,實(shí)現(xiàn)封閉式錐齒輪副嚙合側(cè)隙的檢測(cè)。設(shè)計(jì)的專用測(cè)量裝置如圖3所示,檢測(cè)示意圖如圖4所示。
圖3 錐齒輪側(cè)隙專用測(cè)量裝置Fig.3 Special measuring device for spiral bevel gear
圖4 錐齒輪側(cè)隙測(cè)量示意圖Fig.4 Test diagram of spiral bevel gear clearance
(1)弧齒錐齒輪軸向位移與側(cè)隙變化量的定量關(guān)系
錐齒輪側(cè)隙通過調(diào)整錐齒輪的軸向位移保證,錐齒輪遠(yuǎn)離其軸心交點(diǎn),則輪齒側(cè)隙增大,相反則減少。通過錐齒輪嚙合機(jī)理分析及理論計(jì)算,可得到弧齒錐齒輪側(cè)隙變化量與軸向位移的定量關(guān)系。
根據(jù)理論計(jì)算,得到兩個(gè)錐齒輪側(cè)隙變化量分別為:
其中,Sa1為主動(dòng)錐齒輪側(cè)隙變化量,Sa2為從動(dòng)錐齒輪側(cè)隙變化量,S1為主動(dòng)錐齒輪軸向位移,S2為從動(dòng)錐齒輪軸向位移,δ1為主動(dòng)錐齒輪分錐角,δ2為從動(dòng)錐齒輪分錐角,α為壓力角。
將弧齒錐齒輪副的設(shè)計(jì)參數(shù)值(α=20°、 δ1=17°47′、 δ2=72°13′)帶入式 (1)和式 (2), 得到錐齒輪軸向位移與側(cè)隙變化量的關(guān)系如下:
(2)錐齒輪側(cè)隙調(diào)整
開展工藝試驗(yàn),對(duì)以上理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。調(diào)整前,測(cè)得的側(cè)隙值為0.05mm。采用厚度為0.05mm的調(diào)整墊片,分別安裝在錐齒輪軸系,改變錐齒輪軸向位置,測(cè)量不同軸向位移時(shí)的側(cè)隙值,計(jì)算側(cè)隙變化量,測(cè)量及計(jì)算結(jié)果如表1所示。主動(dòng)錐齒輪、從動(dòng)錐齒輪側(cè)隙變化量與軸向位移的定量關(guān)系理論曲線和實(shí)際曲線如圖5所示。
表1 錐齒輪側(cè)隙測(cè)量值Table 1 Values of the spiral bevel gear clearance
圖5 弧齒錐齒輪軸向位移與側(cè)隙變化量的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between axial displacement and clearance variation
(1)弧齒錐齒輪接觸印痕檢測(cè)技術(shù)
錐齒輪接觸印痕一般采用著色檢查法進(jìn)行檢測(cè)。著色檢查時(shí),在主動(dòng)錐齒輪上涂著色劑,在輕微制動(dòng)的情況下,旋轉(zhuǎn)主動(dòng)錐齒輪,檢查從動(dòng)齒輪上的印痕,著色劑采用紅丹粉和潤(rùn)滑油進(jìn)行調(diào)制。通過分析,確定影響著色檢查效果的主要因素是著色劑的調(diào)制濃度、涂抹方式、涂層厚度。通過多次工藝試驗(yàn),得到紅丹粉與潤(rùn)滑油的調(diào)制比例約為10∶1;涂色時(shí)要沿齒頂向齒根涂色,并且涂抹要均勻,厚度要盡量薄,才能保證能夠獲得清晰的印痕;如果著色劑調(diào)制不當(dāng)、涂抹太厚、不均勻均可導(dǎo)致印痕不清晰。
(2)弧齒錐齒輪接觸印痕影響因素分析
影響錐齒輪接觸印痕的因素較多,譬如軸承、軸承座、箱體、錐齒輪安裝距等,并且各個(gè)因素相互耦合在各種誤差中,導(dǎo)致接觸印痕的調(diào)整難度很大。當(dāng)出現(xiàn)接觸印痕不滿足要求時(shí),首先對(duì)各影響因素進(jìn)行分析,然后調(diào)整。通過分析錐齒輪裝配工藝,得到可能的接觸印痕影響因素,并制定了控制措施,如表2所示。
表2 接觸印痕影響因素分析及控制措施Table 2 Influence factor and control measures of contact spot
(3)弧齒錐齒輪接觸印痕調(diào)整規(guī)律研究
造成錐齒輪嚙合面不正確的因素很多,在檢查和調(diào)整時(shí),不能片面地根據(jù)圓錐齒輪的嚙合原理進(jìn)行,而應(yīng)考慮造成嚙合面不正確的綜合因素,同時(shí)結(jié)合印痕的位置、齒隙、齒輪傳動(dòng)比的大小和調(diào)整是否方便等進(jìn)行。圓弧錐齒輪接觸印痕調(diào)整的一般規(guī)律如表3所示。
表3 圓弧錐齒輪接觸印調(diào)整一般規(guī)律Table 3 Theoretical change law of bevel gear contact spot
在表3圓弧錐齒輪接觸印痕調(diào)整規(guī)律的基礎(chǔ)上,開展工藝試驗(yàn),檢測(cè)齒輪箱組件中弧齒錐齒輪接觸印痕的實(shí)際變化情況,通過歸納總結(jié)得到如下調(diào)整規(guī)律:
1)印痕位置以齒高方向?yàn)橹?,齒長(zhǎng)方向?yàn)榇巍?/p>
2)錐齒輪接觸印痕調(diào)整時(shí),首先確定調(diào)整哪一個(gè)齒輪,這由接觸印痕在齒長(zhǎng)上偏離還是在齒高方向偏離而定,前者應(yīng)調(diào)大輪,后者應(yīng)調(diào)小輪。
3)判定調(diào)整齒輪的方向,即確定安裝距的增減。這由嚙合印痕是偏向小端,還是偏向大端而定,前者應(yīng)減少大輪安裝距,后者應(yīng)減少小輪安裝距;若嚙合印痕偏向齒頂,則應(yīng)減小小輪安裝距,反之增大小輪安裝距。
4)調(diào)整過程中,小錐齒輪軸向調(diào)整量為0.05mm時(shí),印痕位置基本沒有變化;調(diào)整量為0.10mm時(shí),印痕沿齒高和齒長(zhǎng)方向變化明顯。調(diào)整過程中可以0.05mm為起點(diǎn),每次增加0.02mm~0.03mm進(jìn)行調(diào)整。大錐齒輪軸向調(diào)整量為0.05mm時(shí),印痕有明顯變化。調(diào)整過程中可以0.02mm~0.03mm為起點(diǎn),每次增加 0.01mm~0.02mm進(jìn)行調(diào)整。
5)接觸印痕調(diào)整好要檢查側(cè)隙,不滿足要求時(shí),需綜合調(diào)整。
根據(jù)齒輪箱組件裝調(diào)工藝特點(diǎn),制定了合理的裝調(diào)技術(shù)方案,解決了齒輪箱組件裝調(diào)關(guān)鍵技術(shù),掌握弧齒錐齒輪軸向位移與側(cè)隙變化量的數(shù)值關(guān)系及接觸印痕調(diào)整規(guī)律,完成了一臺(tái)齒輪箱組件裝配,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙要求,并通過了試驗(yàn)考核。
本文僅給出了弧齒錐齒輪接觸印痕調(diào)整的半定量規(guī)律,接觸印痕調(diào)整的定量規(guī)律有待后續(xù)進(jìn)一步研究,以提高接觸印痕調(diào)整效率。
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