90°弧齒錐齒輪嚙合機導軌副的優化設計

□ 吳春紅

上海平信機電制造有限公司 上海 201085

1　優化設計背景

某單位生產的90°弧齒錐齒輪嚙合機如圖1所示，是一種精密齒輪嚙合檢驗設備，其性能指標、運轉平穩性、安裝精度將直接影響齒輪加工機床所加工的錐齒輪產品的檢驗精準度和檢驗質量，檢驗數據可以反映相應加工機床的加工精度，并可以作為調整弧齒錐齒輪加工機床坐標位置數據精準度的依據。

該單位主要生產變角度錐齒輪嚙合機及固定角度錐齒輪嚙合機。長期以來，這兩類產品一直采用燕尾槽型導軌副結構。隨著機床行業的發展，從安裝、調試、修磨工藝、裝配時效及提高生產效率方面考慮，對錐齒輪嚙合機導軌副結構進行優化設計已勢在必行［1-4］。

2　可行性分析

90°弧齒錐齒輪嚙合機是典型的固定角度錐齒輪嚙合機，主要用于檢驗弧齒錐齒輪及直齒錐齒輪銑削加工后的齒面接觸區和齒輪副的尺寸、跳動、運轉平穩性、安裝距離等情況，齒輪的軸交角為90°，不可調。相對于變角度錐齒輪嚙合機，90°弧齒錐齒輪嚙合機導軌副結構的改進更具有代表性。

原產品中作為外協件的燕尾槽型導軌副，其加工周期受到外協單位加工水平、工藝、加工工期及成本上漲等不可控因素的嚴重影響，如果在滿足產品精度的情況下，改為采購標準成品件，不僅可以節約成本，而且能保證加工周期，從機器裝配調試工藝和裝配時效考慮，也會有所簡化和提高。

▲圖1 90°弧齒錐齒輪嚙合機

3　方案的確定

目前在機床行業中得到廣泛應用的線性導軌副具有支撐和導向性好、定位精度高、摩擦因數低、剛性足、潤滑簡單、組裝方便、互換性強等特點［5-7］，應用相對成熟，產品系列齊全，在價格選擇和交貨工期上都有優勢。在90°弧齒錐齒輪嚙合機上采用線性導軌副結構，將是一種不錯的選擇。

4　結構設計

從簡化設計結構的角度出發，筆者對現有零件進行改制。涉及的兩個零件為帶燕尾托板和帶燕尾芯軸座，改制措施如下：①將托板的燕尾部分去除，可以作為滑軌的安裝固定面；②將芯軸座的燕尾槽去除，可以作為滑塊的連接面，同時考慮到兩個芯軸座裝配后軸線等高的要求和調節螺桿的安裝位置，在滑塊與芯軸座之間加裝一塊可修磨墊塊；③考慮到導軌副中滑軌的安裝基準及錐齒輪嚙合機裝調精度的可調性，增加拖板和墊塊臺階，以臺階的一側作為安裝的定位基準［8-10］。

5　線性導軌副尺寸及數量確定

90°弧齒錐齒輪嚙合機通常在常溫及檢驗室環境下工作，不存在環境溫度影響，但作為弧齒或直齒錐齒輪的檢驗設備，其精度等級應在高精度或精密級中選擇。線性導軌副有互換性和非互換性兩種選擇，考慮到滑塊與滑軌配合的貼合度和精密度，采用非互換性的線性導軌副。由于與滑塊連接的芯軸座基座尺寸為102 mm×120 mm，空間不大，因此選用單支滑軌和單滑塊配合的非互換性線性導軌副比較合適，滑軌行程則以原燕尾導軌副的工作行程210 mm為宜。從滑軌所承受力的方向及安裝調試工藝考慮，宜采用單支滑軌有承靠面的配置方式，如圖2所示。

▲圖2 單支滑軌有承靠面配置

6　線性導軌副負荷及壽命計算

單支滑軌滑塊線性導軌副的受力情況如圖3所示，滑塊的工作負荷主要來自于驅動推力N和摩擦力。W為芯軸座和墊塊的重力，W=100 kN，F為鎖緊及齒輪嚙合時的作用力，F=1 kN，N=5 kN，工作負荷Pc=N-μW=2 kN，μ 為摩擦因數，μ=0.03。

▲圖3 單支滑軌滑塊線性導軌副受力示意圖

以上銀科技的產品技術規格為參考和選用依據，同時考慮導軌副與墊塊和托板連接固定的空間及方式，且與機床產品相配套，采用法蘭型、重負荷、上鎖式，行程為210 mm，滑軌經特殊加工與中預壓。根據芯軸座基座尺寸，確定滑軌寬度為25 mm，基本額定動負荷為26.48 kN，初選非互換性線性導軌副的型號為HGW25CA1R210E15ZAP。

在HGW25CA系列產品中，額定動負荷C=26.48 kN，中預壓ZA=0.05C=1.32 kN。

線性導軌副的壽命L為：

式中：fh為硬度因數，fh=1；ft為溫度因數，ft=1；fw為負荷因數，fw=1.2。

代入相關參數，計算得L=67 156 km，計算結果完全符合應用要求。

線性導軌副結構的90°弧齒錐齒輪嚙合機如圖4所示，檢驗測試結果見表1，檢驗結果符合行業標準要求。

▲圖4 線性導軌副結構90°弧齒錐齒輪嚙合機

7　結束語

90°弧齒錐齒輪嚙合機由燕尾槽型導軌副改進為線性導軌副，在滿足功能和制造精度的情況下，簡化了裝配工藝，提高了裝配和調試精度，節約了產品成本。美中不足的是，從外觀上看，采用線性導軌副結構的90°弧齒錐齒輪嚙合機略顯頭重腳輕，在空間許可和可承受負載不變的情況下，如果有寬幅型線性導軌副可供選擇，效果則會更佳。

表1　檢驗測試結果

［1］ 成大先.機械設計手冊［M］.6版.北京：化學工業出版社，2016.

［2］ 李建勇.機電一體化系統設計基礎［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，2009.

［3］ 楊可楨，程光蘊，李仲生，等.機械設計基礎［M］.6版.北京：高等教育出版社，2013.

［4］ 葛中民.機械設計基礎［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1992.

［5］ 姚俊兵，溫詩鑄，王清亮，等.液晶潤滑添加劑5CB的減摩性能研究［J］.潤滑與密封，2000（3）：24-27.

［6］ 徐起賀.滾動直線導軌副的特點、現狀及發展動向［J］.機械制造，2001，39（2）：19-21.

［7］溫詩鑄.從彈流潤滑到薄膜潤滑——潤滑理論研究的新領域［J］.潤滑與密封，1993（6）：48-52，58.

［8］ 余夢生，吳宗澤.機械零部件手冊：選型 設計 指南［M］.北京：機械工業出版社，1996.

［9］ 張鋒，古樂.機械設計課程設計手冊［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［10］范國寶.萬能式及專用式齒輪綜合檢驗儀介紹［J］.機械制造，1957，8（12）：35-36.