齒輪修形在機車的上應用及發展

沈偉斌

摘要： 隨著國外先進機車技術的引進，我國城市輕軌、地鐵動車、快速列車是城市和城際客運交通的發展方向，它以快速、大容量、舒適、安全、經濟及與環境的良好兼容為特征，發揮了鐵路的固有優勢，因而在世界各地蓬勃發展。本文主要講述齒輪修形在機車上的應用，及如何對齒輪進行修形，和修形方法。

關鍵詞：齒輪修形；修形量；修形長度；修形曲線

隨著國外先進機車技術的引進，我國城市輕軌、地鐵動車、快速列車是城市和城際客運交通的發展方向，它以快速、大容量、舒適、安全、經濟及與環境的良好兼容為特征，發揮了鐵路的固有優勢，因而在世界各地蓬勃發展。目前我國正處于大力發展階段。在機車動力牽引方向，齒輪傳動越來越占主導作用，齒輪傳動中，隨著轉速提高或載荷加大，輪齒的變形明顯增大，其支承系統的變形也會增大，再加上安裝制造等綜合誤差影響，不可避免地會出現嚙入、嚙出沖擊，載荷突變、速度波動，以及由不同振型、頻率組成的各階振動，從而降低傳動精度、縮短使用壽命、降低承載能力、增大齒輪傳動噪聲。齒輪修形可以盡可能地使齒輪在受載變形后齒面壓力分布均勻、減少偏載，同時齒輪在齒廓變形以后仍能保持運轉平穩、減少嚙入和嚙出的沖擊。

什么是齒輪修形，即齒輪修形就是切掉齒輪嚙合時產生的干涉部分，其主要任務是確定修形的三要素：修形量、修形長度和修形曲線。一般作法是：①沿漸開線相距等于基節的段不修形，嚙入端和嚙出端修形長度相等，修形量從最大值逐漸變化到零；②修形可以是一對齒的齒頂修形，也可以是單個齒的齒頂和齒根同時修形、與之匹配的另一個齒不修形。

修形量：主要由輪齒受載產生的彈性變形和制造產生的齒距偏差決定。增、減速傳動的修形量及齒形公差帶方向亦有所不同（主動輪齒距稍大有利）。考慮實踐經驗及加工方便，各國各公司都有自己的經驗計算公式及標準。采用滾剃切齒工藝時，齒形修形量可按規定在刀具基本齒廓上確定，硬齒面齒輪的修形量可在磨齒機上通過修形機構來實現。

在修形工藝上，采用配磨工藝時，制造產生的螺旋線誤差已得 到補償，齒向修形量主要考慮彈性變形和熱變形兩部分變形量的疊加。由于齒面高速滾滑和高速油氣流的摩擦產生的

熱量及軸承的影響，使齒輪溫升在體內及齒寬方向分布不均勻，因此，研究齒輪的溫度場是熱變形修形的關鍵。通過有關研究，得出高速齒輪溫度場的主要規律有：

（1）溫升主要取決于齒輪的圓周速度，滿速后載荷的增加對溫升影響不大。

（2）高速軸向油氣流的摩擦造成嚙出端溫度升高，一般距嚙出端約1/6齒寬處溫度更高。

一般以vx來判斷熱變形程度。當vx=400～500m/s時，熱變形不嚴重；vx達700m/s時，熱變形

較大；超過850m/s后，熱變形相當嚴重，修形難度大。因人字齒角β大，vx小，其熱變形量及修形難 度比單斜齒小得多。 （3）小齒輪一般比大齒輪溫度高5℃～10℃，傳動比小時高5℃～8℃。 設計時，應采用使熱變形和彈性變形的效果相抵消的布置方式，減速傳動應使人字齒兩外側先進入嚙合、單斜齒的小齒輪嚙入端的轉矩側，增速傳動應相反。

齒向修形通常只修小齒輪，有三種方式：齒端倒坡；鼓形齒；齒向修形，兩端倒坡。

前兩種方式適用于v<100m/s，熱變形小的情況。第三種方式適用于v≥100m/s的情況。

前兩種方式的修形量只按彈性變形量計算 0.013mm≤Δ≤0.035mm，l=0.25b；Δ1=Δ，Δ2= 0.00004b，l1=0.15b，l2=0.1b。 第三種方式的修形量，Δ1≤0.03mm，按彈性變形量計算；Δ2≤0.02mm，按熱變形量計算。

齒輪嚙合傳動過程中主、被動齒輪的基節必須處處相等，從理論上講，精確的漸開線剛性齒輪是完全能夠實現上述目標的。但實際中的齒輪副均為彈性體，在一定嚙合力作用下會產生相應的彈性變形，使處于嚙合線位置的主動輪和被動輪基節出現變化，不再相等。當齒對2進入嚙入位置時，由于齒對1的變形，主動輪基節Pb1小于被動輪基節Pb2，輪齒嚙入點的嚙合力驟然增高，形成了通常所說的嚙入沖擊。與此類似，在齒對1即將脫離嚙合接觸時，由于齒對2的變形，Pb1>Pb2，主動輪齒頂將沿被動輪齒根刮行，形成通常所說的嚙出沖擊 。 為了消除輪齒嚙入和嚙出沖擊，通常采用齒廓修形的方法，即沿齒高方向從齒面上去除一部分材料，從而改變齒廓形狀，消除齒對在嚙入、嚙出位置的幾何干涉.齒廓修形的參數包括修形量、修形長度和修形曲線。在小齒輪齒頂修形量為01025mm，齒根修形量為0105mm，修形起點為單雙齒嚙合交替點，在修形曲線采用二次曲線的情況下，對各嚙合齒對上載荷進行分配3。與未修形時相比，進入嚙合位置載荷下降約20%，退出嚙合位置載荷下降約40%。增大修形 量，嚙入和嚙出位置輪齒上載荷還將進一步降低。因此，齒廓修形可以顯著改善齒輪傳動的平穩性。齒輪傳動系統在載荷的作用下將會產生彈性變包括輪齒的彎曲變形、剪切變形和接觸變形，還有支撐軸的彎曲變形和扭轉變形。這些變形將會使輪齒的螺旋線發生畸變，導致輪齒沿一 端接觸，造成載荷分布不均勻，出現偏載現象.在前例中，由于主動齒輪（大齒輪）支撐跨距小，齒輪直徑大，彎曲、扭轉變形小，因此，主動齒輪螺旋角不修形。被動齒輪（小齒輪）支撐跨距大，彎曲、扭轉變形大，因此，只對被動齒輪進行螺旋角修形。為被動齒輪螺旋角修形量分別為0″、30″、46″、60″時齒向載荷的分配情況。在 螺旋角沒有修形的情況下（修形量為0″ ），載荷偏向轉矩輸入端；隨著修形量增大，偏載現象逐步改善，在修形量為46″的情況下，承載最大的輪齒上載荷最小，載荷沿齒寬對稱分布，螺旋角修形量取得最優解；再增大修形量，載荷偏向輪齒另一端。

隨著工業經濟的現代化，齒輪修形技術理論與工藝水平的提高必將推動機械行業的發展。齒輪齒面修形部位、修形量和修形曲線應針對各種不同的需求和具體對象，有目標地展開工作。 與機械修形相比，齒輪電化學修形是一種成本低、效率高、加工表面質量好的新工藝。在修形的同時，可降低齒輪表面粗糙度值及提高齒形精度。電化學齒輪修形這門新工藝必將展現出廣闊的應用前景。

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