对格里森弧齿锥齿轮接触区的认识与修正

对格里森弧齿锥齿轮接触区的认识与修正广东梅州齿轮厂李普华（广东省梅州市514016）摘要：阐述了对格里森弧齿锥齿轮接触区的认识，介绍了齿面接触区的基本修正方法，分析了接触区的质量要求以及与啮合噪声等质量之间的关系。关键词：弧齿锥齿轮接触区修正RecognizingandCorrectingtheContactZoneonGleasonSpiralBevelGearLiPuHuaGuangdongMeizhouGearFactory(MeizhouGuangdong,514016)Summary:DescribedtheknowledgeofcontactzoneonGleasonspiralbevelgear,introducedthebasiccorrectionmethodoftoothsurfacecontactzone,analyzedthequalityrelationshipsbetweenthecontactzoneandthemeshingnoiserequirements.Keywords:spiralbevelgearcontactzonecorrection弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮（以下简称为弧齿锥齿轮）具有重迭系数大、承载能力强、运转平稳、噪声低的特点。随着工业技术的不断进步和发展，对弧齿锥齿轮的传动性能也不断提出更高的要求。如何提高弧齿锥齿轮的传动性能，降低啮合噪声是一个很复杂的技术问题，这里只是对与弧齿锥齿轮啮合性能密切相关的接触区进行一些分析讨论。一、对接触区的认识1.接触区就是当齿轮旋转进入啮合直至脱离啮合期间，轮齿相互接触的区域。它与齿轮的平稳运转，使用寿命和噪声有直接的影响，它是齿轮设计的一个关键特性。2.接触区主要可分为热前接触区，热后（成品）接触区，安装使用接触区。对于齿轮制造者而言，热后接触区是判断齿轮接触精度合格与否的标准，热前接触区则是根据热后接触区要求和齿轮热处理变形规律确定的。对于齿轮使用者而言，安装使用的接触区就是判断齿轮接触精度合格与否的标准。这里就存在使用滚动检验机在标准安装距下转动形成的接触区与安装使用的接触区可能不一致的问题，当出现不一致的时候容易产生争议。从理论上分析，安装使用的接触区比较容易发生偏差（与制造接触区不一致），主要是壳体误差和安装误差等因素造成，这需要齿轮使用者改进，对于齿轮制造者而言，只有在保证齿轮啮合噪声等质量的前提下，尽量减小齿轮对安装误差的敏感性，这就需要合理确定齿轮接触区长度等质量要求。3.接触区的质量要求，一般来自齿轮的零件图，但实际好些零件图是没有齿面接触区具体要求的，有一些只列出齿轮的精度等级，但现用的GB11365-1989《锥齿轮和准双曲面齿轮精度》标准只规定了精度等级与接触区大小的对应关系，没有规定接触区的位置要求。中国齿轮专业协会2009年发布的三个螺旋锥齿轮技术条件，也只是对锥齿轮进行一个大概的归类提出接触区的质量要求，与具体齿轮的使用特性不一定完全吻合，并且各个精度标准（技术要求）的侧重点也有所不同。因此，直接选用某个标准中的接触区质量要求有时显得不一定合适，这就需要我们在标准的框架范围内结合产品使用特性和实践经验综合设计新的合适的接触区质量要求。但不管如何，热后（成品）接触区的质量要求都应符合“齿轮满负荷时接触区应基本布满整个工作齿面但不出现边缘接触”这个基本原则。4.齿轮齿面接触区质量与齿轮啮合噪声的关系。接触区的一般质量要求是中间偏向小端，形状为椭圆或矩形。根据有关资料分析并通过验证，感觉近似于椭圆、较为理想的但无内对角接触的接触区，齿轮啮合噪声并不是最好的。齿面接触区与齿线形成一个夹角，即形成一定程度的内对角接触，这样的接触区增加了齿轮啮合运转的重合度，这样的齿轮啮合噪声才是比较好的，有时甚至需要较大的内对角接触才能把噪声降下来。[3]但是这样的观点需要得到用户认可才行，否则，这样的接触区有可能在接收检验时被判为不合格。二、接触区的修正[1][2]1.接触区在齿长方向上的修正接触区位于齿长方向的大端或小端，是由于螺旋角误差造成的，一般用改变刀位（或偏心角）的办法来改变轮齿的螺旋角。（1）在铣齿机上偏心角的改变量可用下式计算△ε=/2coskqsin3438ε△v式中：△ε为偏心角的改变量，q为确定刀盘位置的极角，k为偏心半径，△v为滚检机的垂直位移值。（2）修正方向：增大偏心角，螺旋角减小，轮齿凹面接触区移向小端，凸面接触区移向大端；减小偏心角，变化方向刚好相反。左旋齿右旋角的修正方向均相同。2.接触区在齿高方向上的修正接触区靠齿根或齿顶是由于压力角误差造成的，修正方法有如下几种：（1）改变切齿机床的水平轮位修正压力角，这是应用于修整量不大的最常用、最简便的方法之一。修正量(△XP)可依据滚动检验机上主动齿轮安装距变化量(△H)确定，修正方向与变化方向相反，即△XP=-△H。为保持切深不变，还要相应改变床位，改变量为△XB=-△XP·sinδ（δ为小轮根锥角），另外，偏心角也要作适当调整。（2）改变滚切比修正压力角当接触区明显在齿顶或齿根的边缘，要作较大的修正时，采用改变滚切比的修正是一种十分有效的方法。滚比的改变量(△ic)可根据滚检机上主动齿轮安装距改变量(△H)计算确定：△ic=mcos.ic1Lδ·△H（式中Lm为齿面中点锥距、ic为滚比值），不同类别的机床修正方向不相同，对于格里森系列等机床：增大滚比切齿顶，减小滚比切齿根，对于国产机床其方向刚好相反。（3）改变刀倾角及刀转角修正压力角（即刀轴倾斜法修正），此修正适用于单刀号切削法，主要是为了减少刀具的规格。但此项修正牵涉需要调整的项目较多，比较麻烦。3.齿面节线曲率的修正—即调整接触区长度。接触区长度主要决定于两共轭齿面节线曲率半径差，通常用改变刀盘直径的方法进行修正，修正量可用下式计算：△r=2221LLcos1.0211）（mdr（式中L1为实际接触区长度，L2为要求的接触区长度，βm为中点螺旋角，rd为原刀盘半径），修正方向凸、凹面刚好相反。同时，为了保证位置不变，还要相应改变偏心角和摇台角。4.齿形曲率的修正—即接触区宽度的修正接触区的宽窄主要决定于两啮合齿面的齿形曲率，增大齿形曲率会使接触区变窄，反之会使接触区变宽。其主要修正方法是通过改变铣齿机的垂直轮位来实现，为了保证接触区位置不变，还要相应改变偏心角和滚比等。5.对角接触区的修正对角接触产生原因，是因为在切齿过程中，刀号修正制度只能保证齿宽中点处两侧齿面的压力角相等，齿长其它各处的压力角不相等，随齿面节线各点螺旋角的变化而变化，因而在齿的凹面上形成了由小端齿顶经过中点走向大端齿根方向的接触，齿的凸面形成由小端齿根经过中点走向大端齿顶方向的接触，这种接触称为内对角接触，外对角接触的倾斜方向与内对角刚好相反。对角接触常用滚比—水平轮位修正：改变滚切传动比，配合改变水平轮位，使接触区位于齿高方向的要求位置，相应地改变偏心角使接触区位于齿长方向的要求位置，并改变床位来保证齿深。6.以上介绍的是弧齿锥齿轮齿面接触区的“一阶修正”和“二阶修正”，“三阶”、“四阶”修正很少进行，这里不再讨论。三、小结1.首先应设计确定符合产品使用特性、符合“齿轮满负荷时接触区应基本布满整个工作齿面但不出现边缘接触”这个基本原则的接触区质量要求，才会使接触区的修正更具实际意义。2.应用V/H检查法对不良接触区进行移距检查判断，以确定接触区的修正项目及修正量，这是修正接触区的一个重要方法，特别是对齿面节线曲率的判断，更需用此方法。3.修正接触区一般都是要综合调整多个项目，各个项目调整值一般不相同，调整时应先确定主调整项目的调整量，然后对其它调整项目作相应比例的调整，这需要调整人员的丰富经验。当然，这个修正比例也可以从切齿计算结果中获取，这取决于计算软件的功能。4.利用计算软件功能，结合TCA齿面接触分析，对接触区、传动误差等进行预控，可得到比较准确的初始调整卡，减少接触区调整次数。5.以上介绍分析的都是传统的接触区修正方法和基本原理，随着计算机技术日益发展，数控技术广泛应用于弧齿锥齿轮加工、检测方面，接触区的修正方法也发生很大变化（数控铣（磨）齿机取消了摇台、偏心机构、刀倾角和复杂的齿轮传动链等）。先进的计算软件、数控的切（磨）齿机床和齿轮测量中心、构成一个闭环加工系统，也是一套用于开发弧齿锥齿轮理想接触区的先进系统。先进的计算软件对齿轮接触区进行预控，生成切（磨）齿机加工齿轮所需的机床调整参数；对试切件的检测结果进行分析处理，并通过闭环网络系统对铣（磨）齿机进行反调，快速调出理想的接触区，使接触区修正工作变得快捷、可靠。参考文献[1]北京齿轮厂编螺旋锥齿轮【M】北京科学出版社1974年5月[2]齿轮手册编委会齿轮手册北京机械工业出版社2000年9月[3]吴会军魏冰阳接触迹对齿轮副啮合性能的影响【J】机械传动2009年第4期13页～15页