1 前言

　　螺旋圓錐齒輪傳動由于具有嚙合線長、重合系數(shù)大、傳動平穩(wěn)、噪音小、承載能力大等特點，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、機床等兩軸線相交傳動的高速、重載齒輪傳動系統(tǒng)。但對齒輪齒面的齒形和齒向的加工，以及裝配環(huán)節(jié)對齒輪裝配位置的調(diào)整，由于螺旋圓錐齒輪的特殊性，與直齒圓柱齒輪有較大的差 異。螺旋圓錐齒輪工作時產(chǎn)生的軸向、周向和徑向的分力，會改變齒輪副原始裝配位置，而改變齒輪副的嚙合接觸區(qū)域，影響齒輪副的承載能力和工作質(zhì)量。在齒輪副齒面加工和裝配調(diào)整時，齒面的齒形、齒向要按局部共軛原理設(shè)計和修正，并要求在各種工作位置用涂刷著色劑的方式檢查嚙合接觸區(qū)域，以 避免因裝配誤差和傳動系統(tǒng)受力變化引起接觸區(qū)域的變化而可能岀現(xiàn)的邊緣接觸。因此，螺旋圓錐齒輪設(shè)計時，在完成傳動參數(shù)選擇、精度設(shè)計以及承載能力校核后，按局部共軛接觸方法要對齒輪副各種工況條件(如：啟動工作狀態(tài)、長期工作狀態(tài)等)下的工作嚙合位置進行分析，編制岀齒輪副加工和裝配 時的嚙合接觸區(qū)域說明書，供齒輪加工和裝配時檢測使用。一般情況下，由于螺旋圓錐齒輪的工況條件和計算較為復(fù)雜，嚙合說明書多采取由齒輪副工作后的金屬磨痕來反推和迭代確定。嚙合說明書對齒輪副磨齒和裝配嚙合檢查區(qū)域檢查的安裝位置和著色接觸區(qū)域印痕的現(xiàn)狀、尺寸、位置布局以及側(cè)隙等均有要求。嚙合說明書嚙合接觸區(qū)域印痕形狀和尺寸的要求見圖1a。

　　圖1齒面接觸區(qū)印痕形狀和尺寸

　　2 嚙合接觸區(qū)域的著色檢測

　　螺旋圓錐齒輪在加工和裝配時，對嚙合接觸區(qū)域的檢查，傳統(tǒng)上是著色嚙合檢査。即齒輪副安裝在專用嚙合設(shè)備或?qū)Ｓ脟Ш瞎ぱb上，涂色于其中一個齒輪齒面，運轉(zhuǎn)齒輪副，在另一個齒輪齒面上觀察和測量接觸印痕。齒輪齒面最終的加工方式一般為磨齒，磨齒工序嚙合接觸區(qū)域檢查是在專用的圓錐齒輪滾動檢驗機(如:Gleason No.523萬能型滾動檢驗機)進行(見圖2a)，檢驗標準是設(shè)計編制的嚙合說明書。齒面的粗加工通常為銑齒，工序安排在齒輪零件熱處理之前，銑齒工序齒面的檢測一般嚙合說明書沒有要求，多數(shù)加工工藝用減薄的"標準齒輪”在無加載系統(tǒng)的專用嚙合滾動機(見圖2b)或?qū)Ｓ霉ぱb(如：嚙合圓盤，見圖2c)進行嚙合著色檢查。裝配工序嚙合接觸區(qū)域的檢查在傳動機匣殼體上進行，與磨齒工序的區(qū)別是齒輪副滾動是用手工轉(zhuǎn)動齒輪，嚙合說明書要求的限力加載要求難于實現(xiàn)。

　　圖2嚙合檢驗設(shè)備及工裝

　　3 嚙合接觸區(qū)域的三坐標檢測

　　數(shù)學邏輯上，點可以構(gòu)成線，通過線也可以構(gòu)成面。齒輪副嚙合區(qū)域曲面可以用點來檢測和控制，只要測量的點足夠多，用點來擬合面，曲面的特征(如：平面度、輪廓度等)是完全可以替代的，尤其數(shù)控三坐標測量機的出現(xiàn)，實現(xiàn)由測量點的坐標來替代著色檢查曲面是可行的。

　　必要性分析：

　　著色接觸區(qū)域尺寸的測量邊界確認存在困難：現(xiàn)代齒輪設(shè)計均需要對齒面齒廓進行倒角倒圓。倒角倒圓后給齒輪嚙合接觸區(qū)域尺寸的測量，其尺寸邊界的判斷或色形拓印尺寸邊界的確認等帶來困難，尺寸測量的誤差相對也較大。生產(chǎn)現(xiàn)場齒輪嚙合實際的著色印痕見圖1b。

　　著色接觸區(qū)域色形判斷和尺寸測量標準，在認識上存在較多的不確定性：螺旋圓錐齒輪專業(yè)性強，多數(shù)是外委齒輪專業(yè)化廠家加工制造，主機廠家集成裝配，其中齒輪嚙合接觸區(qū)域的驗收，傳統(tǒng)的做法是拓印，這種傳遞方式存在較多的缺陷和不確定性，比如：著色印痕色形的確認、尺寸邊界的確認等，尤其是裝配時，無加載狀態(tài)下的嚙合接觸印痕其色形和尺寸測量與磨齒時加載狀態(tài)的差異問題，一直是螺旋圓錐齒輪加工和裝配難于協(xié)調(diào)的環(huán)節(jié)。

　　著色接觸區(qū)域檢查方式難于滿足現(xiàn)代齒輪設(shè)計的要求：隨著用戶要求的提升，設(shè)計對齒輪的加工和裝配也提出了較高的要求。比如：齒面滲層深度的均勻性、齒面加工的完整性等，傳統(tǒng)意義上預(yù)留足夠加工余量保證齒面磨得岀來的做法，是滿足不了現(xiàn)代齒輪設(shè)計要求的。因此，在熱處理前的銑齒工序，也要按滲層均勻性要求對齒面的磨削余量進行控制，有效的控制手段就是與磨齒工序同樣采取齒面三坐標采點檢查。

　　可行性分析：

　　由測量點來擬合面替代曲面測量，從數(shù)學邏輯上是可行的。只要測量的點足夠多，曲面的特征是完全可以表達的。

　　對齒輪齒面進行網(wǎng)格劃分后采點測量，并進行曲面擬合，既可作為齒面輪廓度(實際擬合面與標準擬合面的差值)的綜合測量評價指標，也可作為齒面單點凸凹的控制要求。見圖3，某型航空發(fā)動機螺旋圓錐齒輪齒面網(wǎng)格劃分及三坐標測量結(jié)果

　　圖3齒面網(wǎng)格劃分及三坐標測量結(jié)果

　　當前市面上銷售的齒輪數(shù)控三坐標測量機基本上都帶有齒面網(wǎng)格劃分、齒面采點測量以及齒輪相關(guān)參數(shù)的自動數(shù)控編程和自動計算、自動評價及打印功能。

　　螺旋圓錐齒輪嚙合接觸區(qū)域的三坐標檢測，可以和檢驗圓柱齒輪一樣，直接讀出齒形誤差和齒向誤差的數(shù)值和方向，Gleason公司已建議采用三坐標測量對圓錐齒輪齒形、齒向進行檢驗，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的與樣品齒輪嚙合的著色檢驗法。只要在網(wǎng)格圖中的測量數(shù)據(jù)合格，零件即為合格，并可互換，而不需配對使用。

　　4 加工嚙合接觸區(qū)域的控制

　　螺旋圓錐錐齒輪的加工工藝，以熱處理劃分有熱處理前和熱處理后兩個階段，按齒面的加工劃分有精加工(磨齒)和粗加工(銑齒)。

　　磨齒嚙合區(qū)域檢測傳統(tǒng)工藝是加工齒輪與檢驗用"標準齒輪”嚙合著色和主動輪、從動輪相互嚙合著色檢測，最終配對交付。根據(jù)嚙合接觸區(qū)域的三坐標檢測分析，用三坐標檢測替代嚙合著色檢測是可行性的。但在實際操作中，為給齒輪加工和設(shè)備調(diào)整提供數(shù)據(jù)(比如:接觸區(qū)V-H調(diào)整位移量與設(shè)備加工參數(shù)調(diào)整等)，為嚙合接觸區(qū)形狀、趨勢以及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、噪音等綜合評價,可以采取“齒面三坐標檢測為主、嚙合著色檢查為輔”方式對磨齒工序嚙合接觸區(qū)域進行檢測和控制。

　　銑齒工序?qū)Ш辖佑|區(qū)域嚙合說明書沒有要求，但為保證齒面的滲層深度和均勻性，建議銖齒工序齒面的粗加工完全采取“三坐標檢測替代嚙合著色檢測”方式。

　　5 裝配嚙合接觸區(qū)域的控制

　　對于螺旋圓錐齒輪傳動，其嚙合接觸區(qū)域的控制，在磨齒加工時，可用三坐標測量機測量齒面的點來替代傳統(tǒng)的嚙合著色檢查，但在裝配時，如何確認和控制各種工況條件下的嚙合接觸區(qū)域，可以采取“定距裝配并輔以嚙合著色檢查”的方法。

　　定距裝配：螺旋圓錐齒輪嚙合說明書是根據(jù)齒輪工作后齒面的實際金屬磨痕經(jīng)不斷修訂、反復(fù)迭代形成的，用于磨齒和裝配調(diào)整齒輪副嚙合接觸區(qū)域的標準。該標準反映了齒輪副在各種工況條件下的接觸區(qū)域要求(即理想的嚙合接觸區(qū)域)。若齒輪副裝配時通過調(diào)整傳動殼體、軸承等組件的尺寸，保證磨齒時的位置狀態(tài)，使齒輪副在嚙合說明書要求的安裝距下裝配，其齒輪副嚙合接觸區(qū)域?qū)⑹亲罾硐氲?，這種操作就是“定距裝配”。

　　定距裝配，其齒輪副嚙合接觸區(qū)域為磨齒時的理論位置狀態(tài)，也是嚙合說明書要求的狀態(tài)。定距裝配一般由傳動殼體、軸承、齒輪自身等組成，其位置尺寸可用齒輪副主動軸、從動軸上的調(diào)整墊進行調(diào)整。在計算調(diào)整墊尺寸時，傳動殼體、軸承的寬度等的尺寸要用實測值(齒輪副用理論安裝距值)。對于軸承軸向游隙的處理，嚙合說明書中要求的大側(cè)隙、小側(cè)隙檢查就是綜合考慮軸承游隙和傳動系統(tǒng)剛性(如：彈性變形、加工及裝配誤差等)等工況條件下齒輪副岀現(xiàn)的極限位置而設(shè)計檢查的指標。定距裝配下，按嚙合說明書檢查正常側(cè)隙、大側(cè)隙、小側(cè)隙以及齒圈徑向跳動等與相關(guān)技術(shù)條件，符合要求說明齒輪副的裝配處于理想的位置。

　　例如：某型發(fā)動機傳動機匣主動齒輪按“定距裝配”計算調(diào)整墊δ1厚度尺寸，見圖4。

　　δ1=L5+L6+L7-L1-L2-L3-L4

　　式中：L1和L3：軸承寬度

　　L2：隔圈寬度

　　L4：齒輪安裝距

　　L5：單邊游隙

　　L6：殼體槽深

　　L7：傳動機匣從動軸中心到殼體端面的尺寸

　　δ1：主動齒輪調(diào)整墊厚度

　　圖4某型發(fā)動機定距裝配調(diào)整墊計算尺寸鏈圖

　　輔以嚙合著色檢查：雖然傳統(tǒng)的嚙合著色檢查存在尺寸邊界不清、印痕判斷不準、測量精度不高等不足，但嚙合著色檢查用于發(fā)現(xiàn)粗大誤差以及綜合誤差，作為配合三坐標檢測和定距裝配的一種輔助手段是有必要的。特別是用于檢查驗證調(diào)整墊的尺寸計算、傳動殼體測量、軸承寬度及游隙測量等誤差綜合引起的嚙合接觸印痕的現(xiàn)狀和位置趨勢的判斷是有效果的。

　　某系列二代航空發(fā)動機附件機匣中心軸傳動螺旋圓錐齒輪副的交付，采取磨齒工序“三坐標檢測為主、嚙合著色檢查為輔”，裝配工序“定距裝配并輔以著色檢查”的措施后，磨齒加工和裝配現(xiàn)場工藝要求明確、操作簡單易行，外委外協(xié)溝通快鍵、有效，齒輪工作后金屬磨痕良好，累計生產(chǎn)交付近4000 余臺套，未發(fā)生過因磨齒和裝配嚙合接觸區(qū)域問題引起的質(zhì)量故障。

　　6 結(jié)論

　　綜上所述，可以得岀以下結(jié)論：

　　1.螺旋圓錐齒輪齒面的嚙合接觸區(qū)域控制用“三坐標檢測替代嚙合著色檢查”的工藝方法是可行的。

　　2.螺旋圓錐齒輪加工及裝配中對嚙合接觸區(qū)域的檢測，磨齒工序采取“齒面三坐標檢測為主、嚙合著色檢查為輔”、銑齒工序采取“三坐標檢測替代嚙合著色檢測”、裝配工序采取“定距裝配并輔以著色檢查”的工藝方法是可行的。

　　3.直齒圓錐齒輪齒面嚙合區(qū)域的檢測也可采取該工藝方法。