錐齒輪的調(diào)整

錐齒輪的調(diào)整齒輪傳動(dòng)在農(nóng)業(yè)工程機(jī)械及其它機(jī)械中有著廣泛的應(yīng)用。嚙合印痕是檢驗(yàn)齒輪嚙合質(zhì)量的一個(gè)重要綜合指標(biāo)，切齒、熱處理、裝配之后和加載時(shí)都必須進(jìn)行嚙合印痕試驗(yàn)。

目前，切齒及熱處理方面對(duì)印痕變動(dòng)規(guī)律的研究較多，而對(duì)裝配后和加載時(shí)印痕變化情況則缺乏系統(tǒng)研究，這方面的資料較少，維修生產(chǎn)中，有的拖拉機(jī)說(shuō)明調(diào)整示意圖不正確，有些則沒(méi)有資料，造成混亂，使齒輪傳動(dòng)嚙合不正常。實(shí)踐證明，齒輪嚙合不正常是造成齒輪傳動(dòng)噪聲、磨損加劇甚至斷齒的重要原因。故有必要加深這方面的研究，為此筆者總結(jié)教學(xué)研究結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)嚙合印痕變動(dòng)規(guī)律加以分析研究，提出便于理解掌握的調(diào)整程序以供參考。

1齒輪傳動(dòng)調(diào)整要求

齒輪傳動(dòng)要達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)速度均勻，沒(méi)有沖擊和振動(dòng)，且傳動(dòng)噪聲小，裝配則要精確地保持正常嚙合。所謂正常嚙合，對(duì)圓柱齒輪而言，即應(yīng)保證嚙合間隙和嚙合印痕的要求；對(duì)圓錐齒輪則是保證兩個(gè)錐齒輪節(jié)錐頂和節(jié)錐母線重合，即要求兩錐齒輪軸心線必須垂直相交。由于制造誤差、熱處理變形和承載后齒輪與支撐系統(tǒng)的彈性變形等原因，這些要求很難實(shí)現(xiàn)。所以，在生產(chǎn)實(shí)踐中，錐齒輪通常是通過(guò)嚙合印痕、嚙合間隙和齒背不齊差、軸承預(yù)緊度和噪聲大小來(lái)檢驗(yàn)判斷齒輪的工作情況。嚙合印痕、嚙合間隙和齒背不齊差三者是相互關(guān)聯(lián)的，通常若嚙合印痕正確，齒隙和齒背不齊差也正確。舊齒輪由于齒面磨損，齒厚變薄，引起間隙增加，這是正?，F(xiàn)象。因此，在調(diào)整嚙合印痕時(shí)，不應(yīng)該強(qiáng)行恢復(fù)配對(duì)時(shí)的嚙合間隙，而應(yīng)首先保證正常的嚙合印痕，然后留出間隙。即遵循“嚙合印痕為主，嚙合間隙為輔”的原則。

對(duì)錐軸承施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力是提高支撐剛度的措施之一。實(shí)踐表明錐齒輪兩支撐剛度對(duì)齒輪壽命影響極大。大小錐齒輪在水平和垂直平面內(nèi)的最大變形量應(yīng)不超過(guò)±0.075mm。除在結(jié)構(gòu)上采取一定措施外，通常在安裝錐軸承時(shí)帶有一定的預(yù)緊力。調(diào)整預(yù)緊力時(shí)應(yīng)在大、小錐齒輪不受力的情況下進(jìn)行。預(yù)緊力的大小，以相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪時(shí)有2.06～2.45N*M的阻力矩為宜。對(duì)從動(dòng)錐齒輪的錐軸承，由于其支承結(jié)構(gòu)不同，受熱后軸承的緊度可能增加。故從動(dòng)錐齒輪的錐軸承不宜有預(yù)緊度，甚至可留有適當(dāng)間隙。即便預(yù)緊，其預(yù)緊程度也不宜超過(guò)支承主動(dòng)錐齒輪軸承的預(yù)緊度。在進(jìn)行嚙合印痕調(diào)整時(shí)，應(yīng)保證軸承的預(yù)緊力或間隙不發(fā)生變化。

嚙合間隙是裝配時(shí)產(chǎn)生的。其大小應(yīng)根據(jù)齒輪的工作條件、精度等級(jí)來(lái)確定，通常以制造公差來(lái)保證。其主要作用是貯存潤(rùn)滑油，補(bǔ)償制造和裝配誤差，補(bǔ)償工作時(shí)熱變形和彈性變形。新?lián)Q齒輪在保證正常嚙合的情況下，應(yīng)有0.25～0.5mm的嚙合間隙［1］。

嚙合印痕是指齒輪副在輕微制動(dòng)下，分布在齒面上的接觸斑跡。嚙合印痕的檢查通常采用在主動(dòng)齒輪齒面上涂一層薄紅丹油的方法，轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪副后，在被動(dòng)齒輪的齒面上便會(huì)出現(xiàn)嚙合印痕。正常的嚙合印痕是指在齒寬方向印痕的長(zhǎng)度不得小于齒寬的50%～60%，沿齒高方向的印痕寬度不得小于齒高的40%～50%，而且必須分布在節(jié)錐上［1］。齒輪安裝位置、支承剛度和載荷對(duì)嚙合印痕的位置都有影響。

2齒輪相對(duì)位置改變時(shí)嚙合印痕的變動(dòng)規(guī)律

影響圓柱齒輪嚙合印痕、嚙合間隙變化的因素，除齒輪加工誤差外，使用后主要是因?yàn)闅んw軸心線不平行或軸心線間距變化、齒輪軸彎曲、相配零件不同心、齒輪變形等。雖然影響因素比較復(fù)雜，但相對(duì)較直觀，便于觀察檢測(cè)。

2.1改變安裝距時(shí)錐齒輪嚙合印痕的變動(dòng)規(guī)律

錐齒輪的軸向位置直接影響嚙合狀況，為掌握嚙合印痕的變化規(guī)律，現(xiàn)以直齒錐齒輪為例，討論安裝距不同時(shí)，嚙合印痕的變化。沿軸線移動(dòng)大齒輪或小齒輪，其軸向位移量A1和A2，可分解成兩個(gè)分量：平行節(jié)錐母線的分量B1和B2，以及垂直于節(jié)錐母線的分量C1和C2(見(jiàn)圖1)。這兩個(gè)分量對(duì)齒隙和印痕的影響是不同的。

圖1圓錐直齒嚙合簡(jiǎn)圖

2.1.1垂直分量對(duì)印痕的影響

正確嚙合的圓錐齒輪(即處在標(biāo)準(zhǔn)位置)輪齒從大端到小端，理論上其節(jié)錐線上各嚙合點(diǎn)都相當(dāng)于一對(duì)等模數(shù)的圓柱齒輪的接觸點(diǎn)。各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的齒隙是相等的。因此，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩輪齒的接觸區(qū)域是正確的。

由漸開(kāi)線圓柱齒輪的嚙合原理知，一對(duì)齒輪其齒隙和嚙合角大小與中心距的大小有關(guān)。中心距增大其齒隙和嚙合角也增大。在相同中心距的改變量下，分度圓直徑越大的齒輪，其嚙合角的改變量越小。

常見(jiàn)圓錐齒輪傳動(dòng)稱為收縮頂隙圓錐齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)兩齒輪齒頂圓錐、分度圓錐和齒根圓錐的錐頂部都重合于一點(diǎn)，輪齒由大端到小端逐漸縮小，整個(gè)輪齒各部位的齒廓曲率不同，小端齒廓曲率比大端齒廓曲率大。小端嚙合角在相同位移量下比大端嚙合角改變量大。

由漸開(kāi)線圓柱齒輪嚙合原理知，圓柱齒輪位移量、嚙合角和齒隙間的關(guān)系是Sn=2Δsinα，式中，Sn齒隙，Δ：離開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)位置的位移量，α：嚙合角。

對(duì)錐齒而言，從圖2上A向視圖表明的幾何關(guān)系可得出上述關(guān)系為：

Sn=2Asinφsinα(1)

圖2錐齒輪嚙合示意圖

式中，A指齒輪軸軸向位移量，φ指節(jié)錐半角。

由式(1)可得知，齒線Sn的改變量與垂直分量的改變量即ΔASinφ成正比，即垂直分量Bi(B1,B2)決定齒長(zhǎng)方向齒隙的變化。

由上述分析知，直齒錐齒輪傳動(dòng)，節(jié)錐線上各嚙合點(diǎn)齒隙相等，齒的各截面是同時(shí)嚙入和嚙出的，印痕基本處于中部，若錐齒輪偏離標(biāo)準(zhǔn)位置，沿齒長(zhǎng)方向齒隙變化必不相等，小端齒隙變化量大于大端齒隙變化量，接觸區(qū)域沿齒長(zhǎng)方向移動(dòng)，也即垂直分量使嚙合印痕沿齒長(zhǎng)方向變化明顯，齒輪由標(biāo)準(zhǔn)位置外移，外痕移向大端，反之移向小端。

2.1.2平行分量對(duì)嚙合印痕的影響

一對(duì)正確嚙合的錐齒輪，相嚙合的兩輪齒各法向斷面上的周節(jié)應(yīng)相等。其嚙合過(guò)程是由主動(dòng)齒輪的齒根與被動(dòng)齒輪的齒頂相接觸，到主動(dòng)齒輪齒頂離開(kāi)被動(dòng)齒輪的齒根為止。印痕是在整個(gè)輪齒齒高方向的工作面上(實(shí)際工作只是限于從齒頂?shù)烬X根的一段齒廓參加接觸)。

如圖2所示，齒面在齒線中點(diǎn)M接觸。過(guò)接觸點(diǎn)M取垂直于分度錐母線的m-m截面，得到于M點(diǎn)相接觸的兩齒廓(其中齒輪1的齒廓用虛線表示)。兩齒廓在M點(diǎn)處有一公發(fā)線，嚙合角為αt。

假定把齒輪2制動(dòng)，齒輪1的安裝距增加ΔA1，在同一截面m-m內(nèi)，齒輪2的齒廓不變，齒輪1因截面改變，齒廓改變?yōu)閳D中實(shí)線齒廓。與M2對(duì)應(yīng)的M1點(diǎn)的嚙合角發(fā)生變化，其增量為：

(2)

式中，φi：齒輪“i”的分錐角(調(diào)小輪時(shí)i=1，調(diào)大輪時(shí)i=2)，αt：端面嚙合角，Rm：中點(diǎn)錐距，ΔAi：齒輪安裝距改變量(小輪i=1,大輪i=2)。

兩齒廓M1和M2點(diǎn)在M相重合時(shí)，由于法線不重合，它們不能相切，只能相交。又應(yīng)輪齒是實(shí)體不能相交，必須在圖形“相交”的那段齒廓上重新找一個(gè)切點(diǎn)。齒面是空間曲面，必須考慮運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)的影響。改變齒輪1的安裝距之后，兩齒面已不能在原來(lái)的m-m截面內(nèi)接觸，必然使齒輪2轉(zhuǎn)過(guò)一角度，則相互嚙合的兩輪齒其各法向斷面上的周節(jié)就不相等，且齒輪1的周節(jié)小于齒輪2的周節(jié)，接觸點(diǎn)移向齒輪1齒根(見(jiàn)圖3)。齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因其周節(jié)較小，使后一對(duì)輪齒提前嚙合，前一對(duì)輪齒提前離開(kāi)。這樣，齒輪1的齒頂不能接觸齒輪2的齒根，接觸點(diǎn)移向齒輪1齒根和齒輪2齒頂，反之，情況相反。

a主動(dòng)齒輪外移，嚙合印痕b主動(dòng)齒輪內(nèi)移，嚙合印痕

偏向主動(dòng)小齒輪齒根和被動(dòng)大齒輪齒頂偏向主動(dòng)小齒輪齒頂和被動(dòng)大齒輪齒根

圖3平行分量對(duì)嚙合印痕的影響

由式(2)可以得出，嚙合角增量ΔAiCosφ成正比，而AiCosφi=Ci，即平行分量Ci(C1,C2)決定嚙合角。由此可見(jiàn)，平行分量使嚙合印痕沿齒高方向變化。增大安裝距，嚙合印痕移向被調(diào)齒輪的齒根，配對(duì)齒輪的齒頂；減小安裝距則相反。

綜上所述，任一直齒圓錐齒輪改變安裝距沿軸向移動(dòng)，既有垂直分量又有平行分量，嚙合印痕同時(shí)在齒輪齒長(zhǎng)(或齒寬)和齒高上發(fā)生變化。傳動(dòng)比不等于1時(shí)，由于小輪的分錐角小于大輪的分錐角，增大相同的安裝距，大輪其垂直分量C2大于其平行分量B2，也大于小輪垂直分量C1，小輪其平行分量B1大于其垂直分量C1，也大于大輪平行分量B2(如圖1所示)。故大輪移動(dòng)可明顯地使印痕沿齒長(zhǎng)方向變動(dòng)比小輪顯著；小輪移動(dòng)可明顯使印痕沿齒高方向變動(dòng)，比大輪顯著。

2.1.3改變安裝距時(shí)嚙合印痕的幾種基本規(guī)律

調(diào)整安裝距時(shí)，錐齒輪齒面嚙合印痕位置變化，可分為沿齒高方向和沿齒長(zhǎng)方向變化兩種情況。由于齒輪受載后輪齒會(huì)發(fā)生變形，因此對(duì)于曲齒齒輪，其印痕位置的變化除了同直齒錐齒輪一樣受安裝距的影響外，還受輪齒曲線螺旋角β和曲率半徑ρ的影響。為了便于分析，將齒分為3類：第1類是常用的螺旋角β在35°左右的螺旋錐齒輪，如解放牌汽車(chē)；第2類是指零度和小螺旋角的螺旋錐齒輪，如鐵牛-55，屬零度螺旋錐齒輪?wèn)|方紅-75，β=25°；有些旋耕機(jī)齒輪傳動(dòng)也屬此類；第3類是β=35°延伸外擺線錐齒輪齒輪(也叫準(zhǔn)擺線錐齒)，如豐收-27、37,JX-130汽車(chē)［2］。

2.1.3.1嚙合印痕沿齒高方向的移動(dòng)規(guī)律

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)證實(shí)，齒根在齒高方向的變化只與安裝距有關(guān)，與齒輪的主動(dòng)或從動(dòng)、大輪或小輪、齒面是凹面或凸面、是右旋或左旋，以及嚙合間隙等因素?zé)o關(guān)。調(diào)小輪安裝距時(shí)，嚙合印痕沿齒高方向移動(dòng)明顯。這與直齒錐齒輪的理論分析結(jié)果相符。實(shí)際調(diào)整時(shí)，若印痕在齒高方向偏差較多，應(yīng)以小輪調(diào)整為主，大輪進(jìn)行輔助調(diào)整。

2.1.3.2嚙合印痕沿齒長(zhǎng)方向的移動(dòng)規(guī)律

印痕在齒長(zhǎng)方向的變動(dòng)，除安裝距的影響外，還與齒輪的幾何參數(shù)、切齒刀具的尺寸以及輪齒的凹面、凸面有關(guān)；與齒輪是主動(dòng)或從動(dòng)、左旋或右旋以及嚙合間隙有關(guān)。實(shí)踐證實(shí)，3類齒輪中大輪安裝距的變動(dòng)對(duì)印痕沿齒長(zhǎng)方向的變動(dòng)與直齒錐齒輪的理論分析結(jié)果基本相符，即大輪安裝距的改變使印痕沿齒長(zhǎng)方向變動(dòng)比調(diào)小輪顯著。第2類齒輪，小輪安裝距的變化對(duì)印痕沿齒長(zhǎng)方向變動(dòng)的影響則與第1類、第3類錐齒輪相反。當(dāng)齒面為凸面時(shí)，增大小輪安裝距印痕移向小端；當(dāng)齒面為凹面時(shí)，增大安裝距印痕移向大端。

2.2改變軸線垂直移距時(shí)嚙合印痕的變動(dòng)規(guī)律

軸線垂直移距，指的是兩齒輪軸線沿其垂線方向的位移。理論上錐齒輪的兩軸線垂直相交，軸線垂直移距V=0，+V表示小輪軸線低于大輪軸線；-V表示小輪軸線高于大輪軸線。

拖拉機(jī)、汽車(chē)上不可能調(diào)整軸線垂直移距。在滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行調(diào)整軸線垂直移距試驗(yàn)，研究印痕移動(dòng)規(guī)律，是為了分析齒輪變形，軸承偏磨和軸承間隙等對(duì)嚙合印痕位置的影響。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，軸線垂直移距變動(dòng)對(duì)嚙合印痕沿齒長(zhǎng)方向移動(dòng)的影響十分顯著。印痕移動(dòng)規(guī)律只與調(diào)整方向(即V的符號(hào))、螺旋方向和輪齒凸面或凹面有關(guān)，當(dāng)垂直移距+V方向增大時(shí)，左旋大輪齒面印痕在凹面向小端、齒根方向移動(dòng)，在凸面向大端、齒根方向移動(dòng)；右旋大輪齒面印痕在凹面向大端、齒頂方向移動(dòng)，在凸面向小端、齒頂方向移動(dòng)。

2.3改變軸交角嚙合印痕的變動(dòng)規(guī)律

理論上軸交角ε=90°，以+ε表示兩輪的軸交角向大于90°方向變化；以-ε表示軸交角向小于90°方向變化，實(shí)際工作中不可能調(diào)整軸交角，進(jìn)行軸交角試驗(yàn)以弄清嚙合印痕移動(dòng)規(guī)律，有助于分析各種誤差和變形對(duì)嚙合印痕的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軸交角增大時(shí)，各種螺旋角的弧齒錐齒輪的大輪凹面移動(dòng)規(guī)律相同，即當(dāng)軸交角增大時(shí)向小端、齒根方向移動(dòng)。從β=0°開(kāi)始，隨著螺旋角逐漸增大，軸交角增大時(shí)印痕位置變化的幅度逐漸減??；到β=10°時(shí)，軸交角變動(dòng)對(duì)大輪凸面印痕沿齒長(zhǎng)方向的變動(dòng)無(wú)明顯影響；螺旋角繼續(xù)增大時(shí)，軸交角增大嚙合印痕沿齒長(zhǎng)朝相反方向移動(dòng)。

2.4承受載荷時(shí)錐齒輪嚙合印痕變動(dòng)規(guī)律

承受載荷時(shí)，嚙合印痕的尺寸和位置受到許多因素的影響。這些因素的作用有的互相增強(qiáng)，有的互相削減。若錐齒輪技術(shù)狀態(tài)正常，印痕位置和尺寸正確，軸承完好，間隙適合，則齒輪和支承系統(tǒng)的變形對(duì)印痕位置變動(dòng)起主導(dǎo)作用。由載荷引起的各分力引起的ε變動(dòng)量相互削減，起主導(dǎo)作用的是齒輪安裝距A1、A2和軸線垂直距V的變化。

實(shí)踐表明，第1類圓弧錐齒輪，無(wú)論前進(jìn)檔或倒退檔，承受載荷時(shí)A1、A2和V的變化均促使印痕移向齒面大端，故空載時(shí)印痕調(diào)整應(yīng)偏向小端。東方紅-75弧齒錐齒輪(β=25°)類似第2類印痕變動(dòng)規(guī)律，承載后印痕向大端移動(dòng)幅度不大，故建議空載時(shí)將印痕調(diào)整在齒面中部。第3類錐齒輪(東方紅-75拖拉機(jī)螺旋錐齒輪的配件，有一部分是延伸外擺線齒輪)。對(duì)于前進(jìn)檔工作面(大輪凸面)承載時(shí)，A2和V的變動(dòng)使印痕移向大端，但A1變動(dòng)則使印痕移向小端，A1和A2、V變動(dòng)影響相互抵消，使印痕位置基本不變，接觸區(qū)比較穩(wěn)定，故建議空載時(shí)印痕應(yīng)處于齒面中部。

3錐齒輪的調(diào)整程序

根據(jù)上述分析，實(shí)踐中可參考以下程序進(jìn)行：首先確定調(diào)整哪一齒輪。這由嚙合印痕在齒長(zhǎng)上偏離，還是在齒高方向偏離而定，前者應(yīng)調(diào)大齒輪，后者應(yīng)調(diào)小