尹富先/YIN Fu-xian

（江蘇鼎晟液壓有限公司，江蘇 常州 225261）

日系挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)立軸（以下簡(jiǎn)稱立軸）的主要結(jié)構(gòu)一端是動(dòng)力輸入部分的漸開線外花鍵，另一端是動(dòng)力輸出部分的漸開線外齒輪，中間部分與雙列調(diào)心圓柱滾子軸承的內(nèi)圈相配，對(duì)整個(gè)立軸起支承作用，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)立軸結(jié)構(gòu)形狀圖

因?yàn)榱⑤S在挖掘機(jī)的工作過程中承受巨大的沖擊載荷，而且這種沖擊載荷是頻繁出現(xiàn)的，所以立軸與回轉(zhuǎn)支承一樣，發(fā)生斷齒故障的概率比較大，經(jīng)常需要對(duì)該零件進(jìn)行更換。全國(guó)每年各品牌挖掘機(jī)立軸的維修備件市場(chǎng)非?？捎^。如用挖掘機(jī)主機(jī)廠生產(chǎn)的原裝立軸來更換，價(jià)格很高，比如小松PC200-5型挖掘機(jī)的立軸，國(guó)產(chǎn)質(zhì)量好的每件約1800元，而原裝品價(jià)格每件高達(dá)1萬元，還常常缺貨。為了實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)立軸國(guó)產(chǎn)化，首先要對(duì)立軸進(jìn)行測(cè)繪。由于日系挖掘機(jī)在我國(guó)的保有量大約占全國(guó)挖掘機(jī)保有量的60%以上，需求量較大，故以小松PC200-5型挖掘機(jī)的立軸為例進(jìn)行闡述。

1 立軸漸開線花鍵的測(cè)繪

1.1 各主要工業(yè)國(guó)漸開線花鍵標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)的漸開線花鍵標(biāo)準(zhǔn)GB/T3478.1-1995采用的齒形角（或壓力角）為30°、37.5°和45°三種，變位系數(shù)為0；英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)BS3550-1963規(guī)定漸開線花鍵齒形角為30°，變位系數(shù)為0；美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)ANSIB921-1970規(guī)定漸開線花鍵齒形角為30°、37.5°、45°三種，變位系數(shù)為0。上述幾個(gè)制造業(yè)大國(guó)的直齒圓柱漸開線花鍵標(biāo)準(zhǔn)使用的齒形角基本一致，而日本的標(biāo)準(zhǔn)JISD2001-1959規(guī)定漸開線花鍵齒形角為20°，變位系數(shù)有+0.6、+0.633、+0.8、+0.9、+0.957多 種。 而日系品牌挖掘機(jī)立軸的漸開線花鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)正是使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，比較特殊。

1.2 立軸漸開線花鍵齒形角的確定

20°齒形角的漸開線花鍵與30°、37.5°和45°三種漸開線花鍵區(qū)別比較明顯，根據(jù)漸開線花鍵的齒部形狀和日本標(biāo)準(zhǔn)JISD2001-1959的規(guī)定，就能初步確定PC200-5型挖掘機(jī)的立軸漸開線花鍵齒形角為20°。

1.3 立軸漸開線花鍵模數(shù)的確定

對(duì)立軸樣品漸開線花鍵的公法線長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)是：w4=41.90、w3=30.82。根據(jù)機(jī)械原理，可以初算漸開線花鍵的模數(shù)m：

根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)JISD2001-1959，模數(shù)系列中的3.75為優(yōu)先系列常用模數(shù)值，可確定PC200-5型挖掘機(jī)的立軸漸開線花鍵的模數(shù)m=3.75。

1.4 立軸漸開線花鍵變位系數(shù)的確定

根據(jù)機(jī)械原理，漸開線花鍵的公法線長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

對(duì)于PC200-5型挖掘機(jī)立軸，漸開線花鍵公法線跨測(cè)齒數(shù)k=4、齒數(shù)z=22，上兩節(jié)已分別確定了：模數(shù)m=3.75，齒形角α=20°，實(shí)際測(cè)量W4=41.90，設(shè)變位系數(shù)為x，則

根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)JISD2001-1959中的變位系數(shù)系列，有x=+0.8的數(shù)值。根據(jù)計(jì)算值，并考慮到漸開線花鍵加工過程中產(chǎn)生的偏差和測(cè)量誤差，故可推斷PC200-5型挖掘機(jī)立軸漸開線花鍵的理論變位系數(shù)應(yīng)為x＝+0.8。

1.5 立軸漸開線花鍵參數(shù)的進(jìn)一步驗(yàn)證

根據(jù)PC200-5型挖掘機(jī)立軸的大徑、小徑尺寸的測(cè)量值，以及經(jīng)目測(cè)的齒形角、計(jì)算確定的模數(shù)和變位系數(shù)，訂做了一把漸開線花鍵滾刀。用這把花鍵滾刀的齒廓置于PC200-5型挖掘機(jī)立軸樣品漸開線花鍵的齒槽里對(duì)齒形，結(jié)果完全吻合。這就進(jìn)一步驗(yàn)證了PC200-5型挖掘機(jī)立軸樣品漸開線花鍵最基本的、最主要的參數(shù)：齒形角α＝20°，模數(shù)m＝3.75。

用測(cè)量得到的漸開線花鍵尺寸數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及訂做的花鍵滾刀，制造一個(gè)與樣品花鍵相同的外花鍵，再購(gòu)置一個(gè)PC200-5型挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置中與立軸漸開線花鍵相匹配的行星架，行星架上有相對(duì)應(yīng)的內(nèi)花鍵。將二者進(jìn)行裝配后仔細(xì)觀察，結(jié)果是內(nèi)、外漸開線花鍵的齒形非常吻合，且間隙不緊不松，則驗(yàn)證了所確定的漸開線花鍵參數(shù)是正確的。

2 立軸漸開線齒輪的測(cè)繪

2.1 漸開線齒輪齒形角的確定

日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的齒輪齒形角一般為20°和27°兩種。20°的齒形角我們很熟悉，經(jīng)目測(cè)就基本上能確定。根據(jù)對(duì)PC200-5型挖掘機(jī)立軸樣品的漸開線齒輪齒形的目測(cè)，初步認(rèn)定其齒形角不是20°，應(yīng)該可以初步確定其齒形角為27°。

2.2 漸開線齒輪模數(shù)的確定

1）對(duì)立軸樣品漸開線齒輪的公法線長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果是：W3＝79.2、W2＝51，因?yàn)棣粒?7°，根據(jù)機(jī)械原理：基節(jié)tj＝πmcosα＝W3-W2＝79.2-51＝28.2

即：πmcos27°=28.2，所以 m=10.074；

2）測(cè)得立軸樣品的全齒高H=22.5mm，根據(jù)漸開線齒輪參數(shù)的計(jì)算公式：全齒高H＝2.25m＝22.5（m為齒輪模數(shù)），得出m＝10。

3）查日本相關(guān)的齒輪標(biāo)準(zhǔn)，模數(shù)優(yōu)先系列中有m=10的模數(shù)，故可以初步確定PC200-5型挖掘機(jī)立軸齒輪的模數(shù)m＝10。

2.3 漸開線齒輪變位系數(shù)的確定

根據(jù)日本相關(guān)的齒輪標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于PC200-5型挖掘機(jī)立軸，已知k=3，齒輪齒數(shù)z=15，模數(shù)m=10，齒形角α=27°，經(jīng)測(cè)量W3=79.2,考慮到此值是在公法線有-0.2偏差的情況下的實(shí)際公法線，理論上：W3＝79.2+0.2＝79.4

根據(jù)機(jī)械原理，漸開線齒輪公法線長(zhǎng)度計(jì)算公式為：wk=mcosα[π(k-0.5)+zinvα+2xtanα]

因此

解之得：x=0.477，故取變位系數(shù)：x=+0.48

2.4 立軸漸開線齒輪參數(shù)的驗(yàn)證

1）用樣板驗(yàn)證齒輪參數(shù)的正確性 已知 m＝10，z＝15，α＝27°，x＝+0.48，齒頂圓直徑da＝179.6，齒根圓直徑dg＝134.6；用CAD畫出其齒形圖，再用線切割機(jī)床按照CAD圖形，在一塊5mm厚的鋼板上切割出齒形，然后用切割出來的齒形置于PC200-5型挖掘機(jī)立軸漸開線齒輪的齒槽里，手動(dòng)二者嚙合，嚙合順暢、齒形吻合。這說明了測(cè)繪確定的齒輪參數(shù)基本上是正確的。

2）用齒輪滾刀驗(yàn)證樣品的漸開線齒輪參數(shù)

根據(jù)初定的齒形角和模數(shù)，訂做一把齒形角為27°、模數(shù)為10的滾齒刀，置于立軸漸開線齒輪的齒槽里，與立軸樣品的漸開線齒輪手工模擬試滾。結(jié)果在試滾的過程中，樣品立軸的漸開線齒輪與滾齒刀的嚙合過程吻合、順暢，由此可以斷定PC200-5型挖掘機(jī)立軸漸開線齒輪的齒形角和模數(shù)的測(cè)繪數(shù)值是正確的。

3 確定立軸上軸頸的基本偏差及等級(jí)

由于挖掘機(jī)立軸的工況屬于重載、沖擊、交變載荷，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦，確定立軸與雙列調(diào)心圓柱滾子軸承內(nèi)孔相配的軸頸尺寸及其偏差分別是?95n6和?90n6。

4 結(jié) 論

通過對(duì)PC200-5型挖掘機(jī)立軸的主要結(jié)構(gòu)（漸開線外花鍵、漸開線外齒輪、軸承軸頸）的測(cè)量，應(yīng)用機(jī)械原理的知識(shí)，分析、計(jì)算出了立軸漸開線花鍵和漸開線齒輪的主要參數(shù)（齒形角α、模數(shù)m、變位系數(shù)x）。另外，結(jié)合挖掘機(jī)立軸受力狀況，確定了立軸的材料和熱處理技術(shù)要求、形位公差等。依此制造出合格的零件，并經(jīng)用戶使用后證明，采用的測(cè)繪方法是正確、可行的。

[1]濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]朱齊平.進(jìn)口挖掘機(jī)維修手冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[3]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.