變速箱齒輪齒厚監(jiān)控方法及實踐

1、變速箱齒輪齒厚監(jiān)控方法及實踐【摘 要】 本文主要闡述了監(jiān)控齒輪齒厚的必要性、監(jiān)控齒厚的方法及選擇、并以BE變速箱四檔主動齒輪為例深入分析了通過R值檢測與中心距檢測來監(jiān)控齒厚，最終保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求?！娟P(guān)鍵詞】 變速箱齒輪，齒厚，監(jiān)控，R值，中心距，檢測 1.前言在轎車變速箱中，傳遞兩軸之間的運動和力矩主要是通過齒輪傳遞系統(tǒng)來實現(xiàn)的，在機械件中齒輪是最重要的零部件之一。變速箱工作性能的好壞，在很大程度上與齒輪傳遞系統(tǒng)有關(guān)，為保證齒輪傳遞系統(tǒng)的質(zhì)量技術(shù)要求，必須對齒輪傳遞系統(tǒng)的相關(guān)零件進行監(jiān)控。本文主要闡述了神龍公司襄樊工廠齒輪件齒厚的監(jiān)控方法及實踐。2.控制齒輪齒厚的必要性圓柱齒輪傳動基本要求中

2、一項為傳動系統(tǒng)側(cè)隙的合理性，因為在齒輪傳遞系統(tǒng)中，傳動側(cè)隙主要作用是儲存潤滑油，補償齒輪受力變形和熱變形，以及齒輪制造及安裝誤差，防止齒輪等部件卡死及燒傷。但側(cè)隙也不能過大，若傳動齒輪側(cè)隙過大，會產(chǎn)生空程，引起換向沖擊,產(chǎn)生噪聲，使齒面過早損壞等。齒輪傳動側(cè)隙是在裝配后自然形成的，側(cè)隙的大小主要決定于齒厚和中心距。為獲得必要的側(cè)隙，ISO1325-75中對齒輪副采用“基中心距制”控制，襄樊工廠齒輪機械件的CSE清單中也要求對中心距進行控制。 “基中心距制”定義為在固定中心距極限偏差下，通過改變齒厚偏差而獲得不同的最小側(cè)隙。因此，側(cè)隙的大小控制主要取決于對齒厚的控制。可見，合理監(jiān)控齒輪齒厚對提高

3、傳動系統(tǒng)的有效壽命非常重要。3.齒厚的監(jiān)控方法與選擇齒厚可以通過直接測量和間接測量得到，主要方法如下：齒厚直接測量方法包括：（1）測量分度圓弦齒厚；（2）測量固定弦齒厚。齒厚間接測量方法包括：（1）測量公法線；（2）測量跨棒距；（3）測量R值；（4）測量中心距。3.1齒厚直接測量方法定義及測量特點分析 分度圓弦齒厚的定義及測量特點分析 分度圓弦齒厚定義為齒輪的分度圓弧齒厚所對應(yīng)的弦長。測量工具主要是齒厚游標卡尺。該測量方法的特點是測量分度圓弦齒厚時，要以齒頂圓作為測量基準，但齒輪實際工作時齒頂圓精度要求不高，故齒頂圓的設(shè)計和加工精度一般較低，影響弦齒厚的測量精度。 固定弦齒厚的定義及測量特點分

4、析 固定弦齒厚定義為基本齒條的兩個齒與齒輪一個齒形對稱接觸時，那兩條接觸線之間的最短距離。測量工具主要是齒厚游標卡尺。該測量方法特點是測量固定弦齒厚時，也要以齒頂圓作為測量基準，影響其測量精度。3.2齒厚間接測量方法定義及測量特點分析 公法線的定義及測量特點分析 公法線定義為測量在“K齒”上的實際尺寸。漸開線齒輪公法線長度是指與兩個異名齒側(cè)相切的兩平行平面間的距離。公法線長度可用公法線千分尺、公法線指示規(guī)、萬能測齒儀進行測量。公法線長度測量比較簡單，在中小模數(shù)的齒輪成批生產(chǎn)中，一般采用測量公法線長度來代替測量齒厚。測量中，因壓力角偏差及切向偏差對公法線測量影響較大，應(yīng)注意進行修正計算，并多次測

5、量取得平均值結(jié)果。目前襄樊工廠進行標準齒輪的驗收時有所采用?？绨艟嗟亩x及測量特點分析 跨棒距定義為兩量棒（球）外側(cè)或內(nèi)側(cè)的跨度。將兩量棒（球）放入沿直徑相對的兩齒槽中，測量兩量棒（球）外側(cè)面或內(nèi)側(cè)面間的跨度，用以控制齒輪齒厚?？绨艟鄿y量特點是不用齒頂圓作定位基準，方法簡單，測量結(jié)果較準確，多用在小模數(shù)、批量生產(chǎn)的齒輪檢測中。襄樊工廠進行花鍵檢測及標準齒輪的驗收時有采用。3.2.3 R值的基本定義及測量特點分析.1 R值定義指齒輪工件中心與鋼球底部切點間的距離（如圖1）。圖1 R值R值檢測可完成齒厚及齒圈徑向跳動的監(jiān)控。襄樊工廠采用檢測齒輪R值方法來監(jiān)控齒厚比較普遍。根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗，現(xiàn)把R值檢具

6、及關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、使用及投資經(jīng)驗進行整理如下，供讀者參考。.2 R值檢具（1）先期投資的R值檢具為立式R值檢具（如圖2）圖2 立式R值檢具該種檢具可進行內(nèi)孔一致、定位面到測頭位置一致的品種檢測，品種換型通過更換測頭及校準件來實現(xiàn)?？刹捎秒娤涫局祷騼x表示值進行數(shù)據(jù)采集。此類型檢具在使用過程中可兼容多個品種，工件裝夾方便，操作簡單；但是其膨脹軸系部分調(diào)整難度較大，檢具膨脹軸系磨損后，要整套更換，投資費用較高。（2）后期投資過程中，結(jié)合立式R值檢具設(shè)計和使用過程中體現(xiàn)的各種特點，同時考慮到部件更換等問題，開發(fā)并投入了臥式R值檢具（如圖3），與立式R值檢具比較，部件復(fù)雜程度低，投資費用大大減少

7、。該種臥式R值檢具可進行多品種檢測，工件裝夾方便，操作簡單。品種換型通過更換脹軸、測頭及校準件實現(xiàn)，受工件定位面和內(nèi)孔形狀影響較小。可采用電箱示值或儀表示值進行數(shù)據(jù)采集。但是在定位面或內(nèi)孔不一致的品種檢測時由于膨脹心軸、測頭、校準件數(shù)量多，需要注意不同品種的標識。圖3 臥式R值檢具.3 R值檢具膨脹心軸在R值檢具的所有部件中，膨脹心軸是非常重要的部件之一。（1）先期投資的R值檢具膨脹軸系（如圖4）結(jié)構(gòu)，其膨脹軸系通過凸輪機構(gòu)促使脹套脹緊，從而達到鎖緊工件的目的。此種結(jié)構(gòu)工件裝夾方便，但是由于整套膨脹軸系精度高，調(diào)整難度較大，檢具膨脹軸系磨損后，需要整套配做，導(dǎo)致投資費用較高。圖4 R值檢具膨脹

8、軸系（2）后期投資的R值檢具膨脹心軸（如圖5）結(jié)構(gòu)，其膨脹心軸通過心軸自脹，達到脹緊工件的目的。此種結(jié)構(gòu)可用于臥式R值檢具上，也用于齒輪測量機上裝夾工件，完成齒輪精度的檢測，工件裝夾方便，但是因要準確控制膨脹心軸的膨脹量，確保工件能夠被脹緊，又便于拆卸，這就提高了該種脹套的設(shè)計、制造要求；因是自脹心軸，工件經(jīng)常裝夾與拆卸會使脹套磨損加快。與圖4結(jié)構(gòu)比較，此種膨脹心軸結(jié)構(gòu)比較簡單，復(fù)雜程度不高，投資費用降低。圖5 R值檢具膨脹心軸（3）此外，立式、臥式R值檢具上通用的膨脹心軸（如圖6）結(jié)構(gòu)，其膨脹心軸通過旋動鎖緊螺母，促使脹套在錐度心軸上移動，從而達到脹緊工件的目的。此種結(jié)構(gòu)還可用于齒輪測量機上

9、裝夾工件，完成齒輪精度的檢測，工件裝夾方便，使用壽命相對較長，其脹套與心軸錐度部分要求配做。制造成本比圖4、圖5結(jié)構(gòu)低。圖6 R值檢具膨脹心軸.4 R值檢具測頭R值檢具測頭是另一重要部件（如圖7）。先期投資設(shè)計的球頭與測頭本體的結(jié)合方式為粘接方式，但在測量過程當(dāng)中球頭經(jīng)常脫落，后期將球頭與測頭本體的結(jié)合方式改為焊接方式，從根本上解決了球頭經(jīng)常脫落的問題。圖7 R值檢具測頭.5 R值檢具及部件精度要求（1）R值檢具精度要求：脹套在裝上檢定環(huán)規(guī)后的徑向跳動和端面跳動精度保證0.005mm；R值檢測為單截面檢測，在檢測鼓形齒輪時，要求工件定位準確，確保R值測頭在工件有效齒的1/2截面位置檢測。（2）

10、測頭技術(shù)要求：球頭精度參照PSA標準為NF E 22-381-0類，40級。直徑公差要求達到±0.003mm，圓度要求達到0.002mm；球頭部分不允許有磕碰、劃傷、剝落等外觀缺陷；測頭要采用防銹和抗蝕能力、硬度高、韌性適中的材料制造，以保證測頭的使用壽命。R值檢具操作簡單，測量方便，適宜大批量生產(chǎn)，襄樊工廠在齒輪類機械件的滾齒、剃齒加工工位及熱后檢查工位都配有R值檢具，以此完成對齒厚的監(jiān)控。.6 三坐標的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三坐標檢測技術(shù)在工廠內(nèi)廣泛應(yīng)用?？梢岳萌鴺送ㄟ^更換測頭完成R值的檢測。3.2.4中心距的基本定義及測量特點分析.1中心距：平行或軸線相交齒輪副的軸間距離

11、（如圖8）。圖8 雙面嚙合儀示意圖襄樊工廠使用中心距測量監(jiān)控比較普遍，根據(jù)現(xiàn)場使用狀況分析，現(xiàn)把中心距測量經(jīng)驗進行整理如下，供讀者參考。.2中心距測量齒厚：在雙嚙儀上使用標準齒輪與工件進行無側(cè)隙嚙合運轉(zhuǎn)時檢查實際齒厚。該種檢查在于測量標準齒輪與被檢工件的實際工作中心距，并且與按照標準齒輪工件產(chǎn)品的各自齒厚計算的理論中心距的值進行比較。實際記錄的中心距的平均變化量顯示了工件的實際齒厚。這種齒厚是真實齒厚與各種誤差（包含徑向誤差、齒形、齒向等）的組合。在雙嚙儀檢具檢測中心距時要特別注意時時校準，加強對固定脫板的監(jiān)控，防止因固定脫板位置漂移，導(dǎo)致檢測誤差的產(chǎn)生。在新標準齒輪驗收中除齒輪精度及相關(guān)參數(shù)

12、要求合格外，要特別關(guān)注齒頂、齒根尺寸的驗收，確保標準齒輪齒部有效嚙合長度的正確。.3優(yōu)點：雙嚙儀使用方便，成本低，測量方便，易于實現(xiàn)自動化，齒輪件生產(chǎn)線使用比較普遍。襄樊工廠在齒輪類機械件的滾齒、剃齒工位及熱后檢查工位都配有雙嚙儀檢具，有效控制中心距，以此完成對齒厚的監(jiān)控。3.3齒輪齒厚測量方法的選擇襄樊工廠齒輪類機械件較多，均為批量生產(chǎn)，主要如MA/BE齒輪線、一二軸線、差速器齒圈線、齒套線、AEB齒輪線等，齒輪齒厚的質(zhì)量監(jiān)控則是這類產(chǎn)品的關(guān)鍵項之一，針對如此多的齒輪類機械件，選擇高效的齒厚監(jiān)控方法是十分必要的。襄樊工廠齒輪件精度要求較高，結(jié)合大批量的生產(chǎn)模式，以及現(xiàn)場檢測效率等因素，沒有選

13、擇測量分度圓弦齒厚、測量固定弦齒厚、測量公法線的齒厚監(jiān)控方法。襄樊工廠目前現(xiàn)場齒輪件檢測實際應(yīng)用過程中，在滾齒、剃齒、熱后檢查工位進行R值檢測、雙嚙儀檢測，兩種監(jiān)控齒厚方法特點分析如下： R值檢測為單點測量，受齒輪精度及其齒面的缺陷的影響較小。熱后磕碰傷工位進行R值檢測確定齒厚，再根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定熱變形量，很方便的合理調(diào)整滾齒、剃齒加工余量，最終保證熱后齒輪滿足產(chǎn)品要求。 R值檢測方便加工設(shè)備調(diào)試，但其不能準確模擬變速箱實際嚙合狀態(tài)，齒輪精度及其齒面的缺陷并不能評價出來。雙嚙儀檢測恰恰彌補了R值檢測的不足，其模擬了變速箱實際嚙合狀態(tài)，反映了實際齒厚的情況。雙嚙儀示值除可監(jiān)控齒形、齒向、齒距

14、、徑向誤差等齒輪精度因素外，還可監(jiān)控齒面劃傷、拉絲、磕碰傷、切削震紋、光潔度差、毛刺、剃齒劃痕、未完全剃齒、漏剃、啃齒痕跡、齒頂無修緣及齒側(cè)有倒棱等表面缺陷因素，能夠基本準確模擬變速箱實際嚙合情況，在滾齒、剃齒工位進行抽檢及熱后檢查工位的100%檢測的方法對齒輪質(zhì)量起到了很好的質(zhì)量監(jiān)控作用。 R值與中心距理論關(guān)系通過R值確定變位系數(shù)偶數(shù)齒M=2 (R+Dk) 奇數(shù)齒M=(2R+Dk)*cos(90/Z)+Dk偶數(shù)齒ax=arc cos (d0/(M-Dk) 奇數(shù)齒ax=arc cos (d0/(M-Dk)*cos(90/Z)inv ax=tng ax-axinv at=tng at-atax=

15、arc cos (d0/(M-Dk) inv an=tng an-anXn=Z/2 ctg an (inv ax-inv at) -Dk/(d0*cos B0)+/(2*Z)其中：M-跨棒距 Z-齒數(shù) an-法向壓力角 ax-任意圓上壓力角at-任意圓上端面壓力角 Dk-鋼球直徑 d0-基圓直徑 B0-基圓螺旋角表1 中心距理論計算已知條件 計算結(jié)果標準齒輪Xn1工件Xn2工件Z標準齒輪ZanMtatinvat=inv at=tng at-atcos at=tgan=求出inv at'at'=端面嚙合角invat'=invat'=2(Xn1+Xn2)tg an/

16、(Z1+Z2)+inv atat'=通過計算器計算得到cos at'=理論中心距a=a=(d1+d2)/2=(Z1+Z2)*mt/2 實際中心距a'=a'=(d1+d2)/2*(cosat/cosat') R值與中心距理論關(guān)系：R值小時，中心距值??；R值大時，中心距值大。R值檢測與雙嚙儀檢測二者理論上存在一一對應(yīng)關(guān)系，實際監(jiān)控中能夠相互補充其不足，通過兩者的有機結(jié)合，有效地保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。4. 應(yīng)用以BE變速箱四檔主動齒輪為例，通過R值檢測及中心距檢測來監(jiān)控齒厚。4.1 BE變速箱四檔主動齒輪熱后R值（圖9、表2）及中心距（表3）圖9 四檔主動齒輪表2

17、 四檔主動齒輪熱后R值熱后R值理論值35.437to35.369刻印值35.366校準值-0.003讀數(shù)值+0.068to0表3 四檔主動齒輪熱后中心距熱后中心距理論值99.571to99.480刻印值99.786校準值0讀數(shù)值-0.215to-0.3064.2 R值檢具與雙嚙儀檢具精度標定。4.2.1熱后R值檢具標定分析R值檢具CMC標定合格，確定了（表2）R值刻印值、校準值及讀數(shù)值。4.2.2 熱后雙嚙儀檢具標定分析（如圖10）圖10 雙嚙儀標定示意圖.1三坐標測量中心距實測校準塊規(guī)，工件芯軸直徑，標準齒輪芯軸直徑：校準塊規(guī)+工件芯軸半徑+標準齒輪芯軸半徑=D1 .2按圖紙理論計算中心距:

18、校準塊規(guī)+工件芯軸半徑+標準齒輪芯軸半徑= D2確定D1-D2=D.3計量室與現(xiàn)場檢具檢測對照（1）先用校準塊規(guī)校準，雙嚙儀視值到“0”位；（2）將標準齒輪裝在標準齒輪心軸上，齒輪工件裝在工件心軸上；（3）標準齒輪與工件做無測隙嚙合，當(dāng)雙嚙儀視值為最大時，使用三坐標測量確定圖11中REP4項中心距值，比較兩者差異；當(dāng)雙嚙儀視值為最小時，再次使用三坐標測量確定下圖11中REP4項中心距值，比較兩者差異。圖15 雙嚙儀測量示意圖根據(jù)以上雙嚙儀實際標定情況，確定檢具系統(tǒng)誤差。從而確定了雙嚙儀刻印值、校準值及讀數(shù)值（見表3）。4.3熱后R值與中心距的實測分析使用其熱后R值檢具與雙嚙儀對熱后15件齒輪工

19、件的R值及中心距進行測量。其中R值要求每件工件分別測量四點后，取其平均值，得到R值實測值；中心距測量最大值與最小值，取其平均值，得到中心距實測值。結(jié)果如圖12所示：圖12 R值與中心距實測趨勢圖從上圖R值與中心距的變化趨勢不難得到：R值偏下限，中心距偏下限。滿足了R值與中心距的理論關(guān)系。通過R值與中心距檢測雙重驗證得到齒厚偏下限。從上圖中又得工序能力CPK=0.47。工序能力嚴重不合格，會產(chǎn)生大量的廢品。4.4熱前到熱后R值與中心距加工過程（如圖13）熱前 滾齒（剃齒）R/中心距值熱處理過程熱后 產(chǎn)品R/中心距值圖13 工藝路線圖從圖13中可知熱前滾齒（剃齒）要經(jīng)過熱處理過程到熱后，最終得到熱后的R值與中心距值。因為在熱處理過程中會使工件齒形、齒向、齒距、徑向誤差等發(fā)生變化，有熱變形產(chǎn)生。根據(jù)襄樊工廠熱變形跟蹤程序，經(jīng)過工藝實驗收集大量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析得到該齒輪件熱變形為0.03mm左右。以4.3中熱后數(shù)據(jù)做為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)將對熱前R值進行適當(dāng)調(diào)整，并計算得到滾齒、剃齒中心距（見表4）。表4 熱前R值與中心距更改