齒輪箱行業(yè)對齒輪修形以及修形對齒輪傳動(dòng)性能的影響做了大量研究，通常齒輪修形需綜合考慮齒輪、軸系的彈性變形以及齒輪制造、安裝誤差等因素，且該技術(shù)已為行業(yè)成熟技術(shù)，數(shù)家公司推出了多款專業(yè)齒輪箱計(jì)算分析軟件，如 ROMAX、KISSSOFT、 MASTA 等，經(jīng)過各專業(yè)方向驗(yàn)證，分析計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行基本吻合，大幅降低了齒輪傳動(dòng)誤差，齒面偏載問題得到了很好改善，但軸承游隙對齒輪接觸的影響方面關(guān)注還比較少，本文主要針對軸承游隙對齒輪修形參數(shù)的影響進(jìn)行分析探討。
一、軸承游隙簡介
軸承游隙是軸承內(nèi)部的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，指軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體之間的間隙。在齒輪傳動(dòng)中，軸承游隙的變化會影響齒輪的載荷分布、接觸應(yīng)力和振動(dòng)等性能，進(jìn)而影響齒輪實(shí)際接觸效果。因此，研究軸承游隙對齒輪修形的影響具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
軸承游隙的存在主要是因?yàn)檩S承的制造誤差、安裝誤差、配合誤差以及實(shí)際運(yùn)行發(fā)熱出現(xiàn)卡死等多種因素。軸承游隙分為初始游隙、裝配游隙和運(yùn)行游隙三種類型。初始游隙是指軸承未安裝前的游隙，裝配游隙是指軸承內(nèi)圈和軸、外圈和孔的配合狀態(tài)下的游隙，運(yùn)行游隙是指在實(shí)際運(yùn)行過程中考慮發(fā)熱等因素的影響下的游隙。
軸承游隙的大小對軸承的性能有著重要影響。過大的軸承游隙會導(dǎo)致軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，而過小的軸承游隙則會導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)困難甚至卡死。因此，合理的軸承游隙對于保證軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。
二、齒輪修形簡介
齒輪箱因?yàn)槎嘧児r載荷以及制造、安裝誤差等因素，使得齒輪不可避免地產(chǎn)生嚙合沖擊、偏載和振動(dòng)，尤其隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，這些問題愈發(fā)突顯，從而影響齒輪及齒輪箱的使用性能及壽命。齒輪修形是指通過改變齒輪齒形、齒向等參數(shù)，以達(dá)到改善齒輪傳動(dòng)性能的目的。目前行業(yè)內(nèi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對齒輪以及修形都有詳細(xì)規(guī)定，常用的齒輪修形方法有齒廓修形和齒向修形，不同的齒輪修形方法會對齒輪傳動(dòng)性能產(chǎn)生不同的影響。
齒廓修形
齒廓修形是指有目的的微量修削齒廓，使齒廓形狀偏離理論齒廓的方法，將輪齒的齒頂或齒根去除一部分，以減少齒輪嚙合過程中由于輪齒彈性變形和加工誤差引起的嚙入、嚙出沖擊現(xiàn)象。齒廓修形包括修形量、修形長度、修形曲線三要素，見圖 1。
齒向修形
齒向修形是指沿齒寬方向去除一部分材料，以消除由于系統(tǒng)變形、安裝和制造誤差引起的輪齒偏載現(xiàn)象，獲得均勻的齒面載荷分布，齒向修形通常采用螺旋角修形 + 齒端倒坡的形式，見圖 2、圖 3。
三、軸承游隙對修形影響分析
齒輪嚙合理想工況下，齒面載荷沿齒面均勻分布，考慮受力變形、裝配精度等方面的影響，齒面接觸在實(shí)際運(yùn)行過程中會出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，通常采用齒廓 +齒向綜合修形對齒輪接觸進(jìn)行調(diào)整。為防止卡死現(xiàn)象，軸承實(shí)際運(yùn)行游隙需大于零，軸承作為標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，不同工況不同系列產(chǎn)品理論所需游隙均不同，選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無法避免出現(xiàn)軸承游隙偏大的可能性，軸承游隙會造成軸出現(xiàn)微量偏斜，最終影響齒輪嚙合，圖 4 為齒輪箱結(jié)構(gòu)中一種典型軸承布置結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中高速軸軸承采用圓柱滾子軸承 + 配對圓錐滾子軸承配置形式，圓柱滾子軸承為徑向游隙，配對圓錐滾子軸承為軸向游隙 + 徑向游隙。在案例中，齒輪為斜齒輪，在軸向力作用下，圓錐滾子軸承為軸向受力側(cè)，由于圓柱滾子軸承徑向游隙的因素，高速軸會存在微量偏斜，造成實(shí)際運(yùn)行過程中齒面接觸出現(xiàn)偏載，引起運(yùn)行過程中出現(xiàn)振動(dòng)噪聲，甚至影響齒輪使用壽命。齒面接觸偏載在齒輪強(qiáng)度計(jì)算中主要體現(xiàn)在齒面載荷分布系數(shù)，通過對齒面載荷分布系數(shù)的計(jì)算分析可準(zhǔn)確得出對齒輪安全系數(shù)的影響。
下文中以具體案例進(jìn)行分析說明，結(jié)構(gòu)見圖 4，輸入?yún)?shù)見表 1，齒輪軸與齒輪詳細(xì)參數(shù)見表 2。
案例中齒輪軸以及齒輪材料選用 18CrNiMo7- 6，熱處理均采用滲碳淬火處理，利用齒輪分析軟件 ROMAX 建模(見圖 5)計(jì)算，其中高速軸軸承選型圓柱滾子軸承為 NU2240，圓錐滾子軸承為30240+32240組合配置，ROMAX 計(jì)算模型。本文中主要考量軸承游隙對齒輪接觸的影響，計(jì)算中以高速軸軸承以及齒面接觸情況作為分析對象，本文不對具體修形參數(shù)具體計(jì)算方法進(jìn)行研究，將前期分析計(jì)算結(jié)果代入計(jì)算軟件，同時(shí)將高速軸圓柱滾子軸承運(yùn)行游隙分別設(shè)置為 0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm 三種工況進(jìn)行分析計(jì)算，三種工況下對應(yīng)齒面接觸應(yīng)力云圖見圖 6、圖 7、圖 8。
通過圖 6—圖 8 對比可看出，在相同運(yùn)行工況以及修形參數(shù)下，隨著軸承運(yùn)行游隙的增大，齒面載荷出現(xiàn)偏載，見表 3 為三種游隙工況下對應(yīng)齒向載荷分布系數(shù)以及安全系數(shù)。
通過以上計(jì)算結(jié)果可得出，在相同運(yùn)行工況以及修形參數(shù)下，隨著軸承游隙地增大，齒輪接觸以及彎曲安全系數(shù)均呈下降趨勢，軸承游隙的取值一定程度上影響齒輪安全系數(shù)。對應(yīng)不同游隙工況，可考慮通過調(diào)整螺旋角修形方式進(jìn)行修正，保持工況 1 修形參數(shù)不動(dòng)，調(diào)整工況 2、工況 3 螺旋角修形量進(jìn)行分析計(jì)算，調(diào)整修形量后計(jì)算結(jié)果見表 4。
通過以上計(jì)算可得出以下結(jié)論：軸承游隙會對齒輪的實(shí)際嚙合產(chǎn)生影響，需根據(jù)實(shí)際使用工況評估是否影響使用，提出可通過調(diào)整螺旋角修形的方法適應(yīng)不同軸承游隙，從而確保齒輪在理想狀態(tài)運(yùn)行。
四、結(jié)語
軸承游隙也同樣是影響齒輪接觸的重要因素。在實(shí)際設(shè)計(jì)和使用中，尤其是齒輪強(qiáng)度富裕度不足的場合，重點(diǎn)考慮軸承游隙的因素，需要根據(jù)具體情況合理選擇和調(diào)整軸承游隙并采用合適的齒輪修形方法，保證齒輪箱的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和長期穩(wěn)定運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)略.