唐元玉

(衡陽北方光電信息技術(shù)有限公司，湖南 衡陽 421001)

0 引言

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要、應(yīng)用最為廣泛的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。在齒輪副傳動(dòng)過程中，其加工精度、安裝精度、易損及回程誤差(空回)等是影響傳動(dòng)精度的主要因素[2]。當(dāng)齒輪加工精度達(dá)到7級(jí)或7級(jí)以上時(shí)，回程誤差就成了影響齒輪副傳遞精度最主要的因素。無論是齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還是蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都有傳動(dòng)副側(cè)隙存在，側(cè)隙是防止因加工精度和工作過程產(chǎn)生熱變形導(dǎo)致齒輪卡住、且為齒面間的潤(rùn)滑油膜留下的空間。側(cè)隙的存在給齒輪副嚙合正反轉(zhuǎn)時(shí)帶來空程，使機(jī)構(gòu)不能精確定位，影響重復(fù)定位精度，從而形成回程誤差。因此，在需要高精度齒輪副傳動(dòng)的場(chǎng)合，為提高重復(fù)定位精度，必須合理控制齒輪副側(cè)隙。當(dāng)齒輪加工達(dá)到一定精度后，采用合適的消隙方法及結(jié)構(gòu)便成為最佳的選擇。筆者對(duì)幾種傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)消除間隙方法進(jìn)行了對(duì)比分析，并介紹了本公司設(shè)計(jì)的自動(dòng)消隙齒輪副結(jié)構(gòu)及消除間隙原理。

1 傳統(tǒng)齒輪副消隙方法

1.1 齒輪中心距調(diào)整法消隙

齒輪中心距可調(diào)消隙簡(jiǎn)化原理如圖1所示，齒輪1、齒輪2為相互嚙合的齒輪副，其中一個(gè)齒輪回轉(zhuǎn)中心固定，另一個(gè)齒輪的軸承安裝時(shí)使用軸承套。這個(gè)軸承套一般是偏心的，裝配時(shí)調(diào)整偏心套的偏心方向，使該齒輪向另一個(gè)回轉(zhuǎn)中心固定齒輪靠攏；該齒輪副中心距調(diào)整到合適位置后，需固定偏心套位置狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)兩齒輪中心距調(diào)節(jié)，減少齒輪嚙合側(cè)隙。此方法只能在安裝時(shí)人為補(bǔ)償齒輪加工誤差及齒輪副安裝精度引起的齒輪副固定側(cè)隙，但不能消除齒輪傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的變值側(cè)隙。

圖1 齒輪中心距調(diào)整法消隙簡(jiǎn)化原理

1.2 雙齒輪片、彈簧組合消隙

圖2為雙齒輪片、彈簧組合消隙機(jī)構(gòu)的消隙原理圖。該機(jī)構(gòu)是利用彈簧將固定齒輪2與活動(dòng)齒輪3組合在一起，并同時(shí)與齒輪4嚙合，其中固定齒輪2與軸固定，活動(dòng)齒輪3空套在固定齒輪2上形成浮動(dòng)齒輪。當(dāng)與齒輪4嚙合傳動(dòng)時(shí)，齒輪4的嚙合處正反齒面與固定齒輪2、活動(dòng)齒輪3在彈簧1拉緊力作用下緊緊貼合，從而實(shí)現(xiàn)消除齒輪副傳動(dòng)側(cè)隙的目的。該消隙方法可以消除齒輪本身誤差引起的齒隙，也可以消除溫度變化引起的空程。但由于彈簧尺寸大小的限制，無法實(shí)現(xiàn)大負(fù)載傳遞，常見僅用于儀器、儀表中。

1—拉簧；2—固定齒輪1；3—活動(dòng)齒輪2；4—齒輪3。圖2 雙齒輪片、彈簧組合消隙原理

1.3 雙電機(jī)組合消隙

如圖3所示，用相同的兩臺(tái)電機(jī)分別帶動(dòng)兩套完全相同的減速機(jī)構(gòu)及末級(jí)齒輪，同時(shí)嚙合主軸大齒輪傳動(dòng)。通過電氣控制，使主軸大齒輪在啟動(dòng)和換向的過程中始終受到偏置力矩的作用，兩個(gè)末級(jí)小齒輪分別貼緊主軸大齒輪兩個(gè)相反的嚙合面，使主軸大齒輪不能在齒輪間隙中來回?cái)[動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無回差反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到消除間隙、提高系統(tǒng)精度的目的。該方法原理簡(jiǎn)單，但電氣控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度比較大，常見于進(jìn)口的高精密機(jī)床。

1，3—末級(jí)齒輪；2—主軸大齒輪;4—減速機(jī)2；5—電機(jī)2；6—電機(jī)1；7—減速機(jī)1。圖3 雙電機(jī)組合消隙原理

2 自動(dòng)消隙齒輪副

圖1所示中心距可調(diào)消隙齒輪副壓板裝配固定好后，工作過程中中心距固定不變。這種方法只在安裝時(shí)利用軸承偏心套人為補(bǔ)償齒輪加工誤差及齒輪副安裝精度引起的齒輪副固定側(cè)隙，但不能消除齒輪傳動(dòng)時(shí)因齒輪磨損及齒輪精度產(chǎn)生的回程誤差導(dǎo)致的變值側(cè)隙。通過對(duì)傳統(tǒng)齒輪消隙機(jī)構(gòu)及消隙原理優(yōu)缺點(diǎn)的分析總結(jié)，為進(jìn)一步提高齒輪副傳動(dòng)精度，本公司改進(jìn)原來的固定中心距齒輪副消隙方法，采用新型中心距可調(diào)消隙齒輪副方法設(shè)計(jì)出自動(dòng)消隙齒輪副機(jī)構(gòu)，見圖4。

1—拉桿座；2—拉桿轉(zhuǎn)軸；3—拉桿；4—齒輪安裝座；5—彈簧；6—螺母；7—齒輪1；8—支架；9—安裝座轉(zhuǎn)軸；10—齒輪2。圖4 自動(dòng)消隙齒輪副機(jī)構(gòu)

圖4所示結(jié)構(gòu)為水平布置，齒輪1為驅(qū)動(dòng)輪，齒輪2為被動(dòng)輪。該機(jī)構(gòu)如圖裝配完成后，齒輪1與齒輪安裝座、軸承及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成齒輪1部件，在彈簧與螺母提供的預(yù)壓力作用下，使齒輪1部件能繞安裝座轉(zhuǎn)軸適時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證該齒輪副在工作過程中齒輪1與齒輪2的齒面時(shí)刻緊密貼合。兩齒輪嚙合時(shí)中心距可以自動(dòng)適時(shí)變化[3]，可完全消除齒輪加工誤差及齒輪副安裝精度引起的齒輪副固定側(cè)隙和齒輪傳動(dòng)過程中因齒輪易損及回程誤差而產(chǎn)生的變值側(cè)隙，極大地提高了齒輪副的消隙能力，在不提高齒輪副加工精度的情況下，能夠獲得更高的齒輪副傳遞精度。

自動(dòng)消隙齒輪副機(jī)構(gòu)要達(dá)到零側(cè)隙的工作要求，需滿足徑向壓力必須稍大于驅(qū)動(dòng)力矩形成的徑向分力和齒輪1部件共振頻率需避開工作頻率的要求，根據(jù)該機(jī)構(gòu)參數(shù)(見表1)，結(jié)合相關(guān)公式對(duì)其進(jìn)行考察。

表1 自動(dòng)消隙齒輪副機(jī)構(gòu)參數(shù)

齒輪齒數(shù)模數(shù)m/mm壓力角an/(°)齒高系數(shù)精度[4]/mm 轉(zhuǎn)速/(r·min-1)輸出轉(zhuǎn)矩/(N·m)齒輪12732016GH(-0.078-0.104)≈55.925齒輪215132016HK(-0.14-0.24)10— 注:該齒輪副中心距極限偏差fa為0.026 mm。

由徑向分力公式為Fr=Ft×tanan(Ft為齒輪周向力)，可知Fr=25×1000/(27×3/2)×tan20°=224.67 N。由于齒輪1部件嚙合處徑向力Fr到轉(zhuǎn)軸的力臂長(zhǎng)度為90 mm，彈簧壓力到轉(zhuǎn)軸的力臂長(zhǎng)度為175 mm，因此彈簧需提供的壓力F大于224.67×90/175=115.54 N。由于空間狹小，彈簧的工作行程不需要太大，因此該處彈簧我們選用了幾個(gè)蝶形彈簧組合使用。彈簧變形區(qū)處于彈簧剛度特性曲線為直線區(qū)域，該彈簧組的剛度K=2000 N/mm。

圖5 擺動(dòng)振動(dòng)簡(jiǎn)化模型

圖4所示結(jié)構(gòu)的齒輪副最大側(cè)隙公式應(yīng)為：

Jnmax=Jnmin+

(1)

式(1)中：

Jnmin——最小側(cè)隙；

Ts1，Ts2——齒輪1及齒輪2的齒厚偏差；

an——齒輪壓力角；

fa——中心距極限偏差。

(2)

式(2)中：

fpb1，fpb2——齒輪1、齒輪2基節(jié)極限偏差；

fβ——齒向偏差。

因裝配時(shí)可使Jnmin=0，由GB/T 10095—2008查表得知fpb1=0.009 mm，fpb2=0.011 mm，fβ=0.017 mm。則Jn為0.028 mm，Jnmin為0.136 mm。由以上計(jì)算可以得出，該結(jié)構(gòu)可減少側(cè)隙0.136 mm，實(shí)現(xiàn)了零側(cè)隙傳遞。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)齒輪副消隙方法主要為齒輪中心距調(diào)整法、雙齒輪片和彈簧組合消隙及雙電機(jī)組合消隙。通過對(duì)傳統(tǒng)齒輪消隙機(jī)構(gòu)及消隙原理優(yōu)缺點(diǎn)的分析總結(jié)，進(jìn)一步改進(jìn)原來的固定中心距齒輪副消隙方法，采用了新型中心距可調(diào)消隙齒輪副設(shè)計(jì)出自動(dòng)消隙齒輪副機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在工作過程中能自動(dòng)適時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整中心距，可完全消除齒輪加工誤差及齒輪副安裝精度引起的齒輪副固定側(cè)隙和齒輪傳動(dòng)過程中因齒輪易損及回程誤差而產(chǎn)生的變值側(cè)隙，極大地提高了齒輪副的消隙能力。在不提高齒輪副加工精度的情況下，能夠獲得更高的齒輪副傳遞精度。

該機(jī)構(gòu)選用幾個(gè)蝶形彈簧組合，使用徑向壓力大于驅(qū)動(dòng)力矩形成的徑向分力；其共振頻率避開了齒輪1部件的共振圓頻率和嚙合頻率的15%，符合要求；且在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上減少側(cè)隙0.136 mm，實(shí)現(xiàn)了零側(cè)隙傳遞。