齒輪箱體的同軸度檢測

樊素梅

（中國北車集團長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

0 引言

中國高鐵以其系統(tǒng)技術全、運行速度快、建設規(guī)模大等特點已逐漸成為了中國新的外交名片，中國的高鐵速度代表了世界的高鐵速度。在動車組中采用大功率電機和齒輪箱組成傳動系統(tǒng)，方能使各臺列車完成其各自功能。

北車集團公司生產(chǎn)的200km／h和300km／h的動車組中，均采用電機通過齒輪箱變速后，帶動車輪運轉，實現(xiàn)列車的高速運動。作為傳動裝置中的關鍵部件之一，齒輪箱除了對齒輪精度和齒輪軸等有很高的要求外，對齒輪箱體的加工和裝配要求更高，特別是兩端軸承檔的同軸度，其精度直接影響裝配后齒輪的嚙合、噪音、傳動精度和使用壽命等，因此如何實現(xiàn)其同軸度的精確檢測是關乎該產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。

目前，齒輪箱體的同軸度檢測主要有常規(guī)方法和三坐標檢測方法2種。常規(guī)方法檢測是指采用百分表、V型塊或數(shù)據(jù)采集儀來進行測量，該方法操作十分復雜、工作量大、測量精度不高且很難實現(xiàn)［1］；而三坐標測量機檢測則無需轉動和找正工件，只需利用工件的加工面來建立坐標系，即可實現(xiàn)準確、快速的測量。但在三坐標測量機測量同軸度時，往往由于基準軸線的選取或測量方法的不同，有時會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)相差較大，重復性差的問題，給實際生產(chǎn)帶來了嚴重的影響。

1 齒輪箱體的結構分析

齒輪箱體作為動車組列車機械中傳動動力裝置的重要部件，必須具有足夠的強度和剛度，以免引起沿齒輪齒寬上載荷分布不均的問題。為了增加齒輪箱體的剛度，通常在上面制作出筋板。另外，齒輪箱體要用來支撐和固定軸系零件，保證傳動件軸線位置間的準確性，因而制造精度高、工藝復雜、檢測精度和技術要求都有較高的限制，這些要求會關系到列車的平穩(wěn)性、安全性，以及對速度的準確控制等指標，影響到動車組列車的協(xié)調(diào)運作。作為轉向架的重要部件之一，齒輪箱體加工的好壞直接影響到轉向架的性能，所以準確地熟知齒輪箱體的結構和評價準則尤為重要。

實際上，齒輪箱體的精加工是在數(shù)控機床上完成的，結構如圖1所示。從圖1中可以看出，該件結構復雜，加工精度要求高，特別是軸承檔間的兩圓柱相距較遠，測量時人為因素影響較大，因此實際情況下其同軸度的檢測十分困難。

2 齒輪箱體的測量誤差分析

在傳統(tǒng)方法中，通常采用測量徑向跳動的方法來間接得到齒輪箱體的同軸度誤差。由于齒輪箱體基準圓柱及其所在端面、齒輪軸軸線與軸承檔在加工過程中存在尺寸誤差和垂直度誤差，于是齒輪箱體基準圓柱與齒輪軸軸線可以在任意母線側邊接觸，從而使得齒輪箱體基準圓柱的實際軸線與基準軸軸線位置的不一致，即發(fā)生基準位移誤差。該誤差會直接反映到被測圓柱的徑向跳動中。

圖1 齒輪箱體結構示意圖

圖2 齒輪箱體定位副制造不準確誤差示意圖

根據(jù)圖2，由定位副制造不準確而引起的齒輪箱體基準圓柱發(fā)生的位移誤差，可以描述為

式中：Dmin為基準圓柱的最小直徑；dmax為齒輪軸的最大直徑；δD為基準圓柱的公差；δd為齒輪軸的公差；Δs為基準圓柱和齒輪軸的最小配合間隙，即Δs＝Dmin－dmax。

由圖2和式（1）可知，與齒輪箱體相裝配的齒輪軸軸線，實際上是一個具有確定方向的直線，但其通常是由實際要素來確定的。因此齒輪箱體基準圓柱與齒輪軸軸線所構成的定位副，其在制造與安裝過程中產(chǎn)生的誤差將直接影響到被測圓柱徑向跳動的測量精度。

在圖3中，基準圓柱和被測圓柱的長度分別為L1和L2，間距為L，基準圓柱的偏差為Δd1，被測圓柱的偏差為Δd2，則有

由式（2）可以看出，由于被測圓柱離基準圓柱較遠，齒輪軸的實際軸線延伸至被測圓柱位置處，與被測圓柱軸線的偏移量將會成倍數(shù)放大。因此，引入的測量誤差會導致徑向跳動誤差的增大。

圖3 齒輪箱體圓柱間距誤差示意圖

通過以上分析可知，對于齒輪箱體這樣長距離零件，采用測量徑向跳動來間接評價兩圓柱孔同軸度的檢測方法，會由于誤差太大導致無法準確反映兩圓柱孔的真實情況。

根據(jù)GB／T 1182—2008《產(chǎn)品幾何技術規(guī)范（GPS）幾何公差形狀、方向、位置和跳動公差標注》中同軸度的定義，同軸度是指被測圓柱軸線與基準軸線間不同軸程度，即被測圓柱軸線相對于基準軸線位置的變化量［2］。對于基準軸線的不同，其評價方式主要分為3種：1）圓心—圓心，即投影到同一基準面上的被測圓柱圓心與基準圓柱圓心間的允差；2）軸線—軸線，即以一端圓柱軸線為基準，另一端圓柱軸線對基準軸的允差；3）軸線—公共軸線，即用兩端圓柱建立公共基準軸線，被測圓柱軸線對公共基準軸線的允差。

由于圓心—圓心的同軸度評價方法相當于檢測兩圓柱的同心度，且與裝配的實際情況不符，齒輪箱體基本不使用該方法檢測。所以從圖4中可以看出，同一工件采用軸線—公共軸線的同軸度評價結果要遠遠小于軸線—軸線的同軸度評價結果［3］。

3 同軸度的三坐標檢測方法

三坐標測量機是集光、機、電、算、控制為一體的高精度測量設備，它不僅能對常規(guī)零部件的尺寸及形位公差進行測量，而且還能測量各種形狀復雜的工件。三坐標測量機在測量方法及數(shù)據(jù)處理上嚴格地遵守國家測量技術標準，同時在很大程度上避免了人為因素對測量數(shù)據(jù)的干擾，但測量方法正確與否直接影響到測量結果的真實有效［4］。

采用三坐標檢測方法測量的圓柱軸線，通常是測量一定數(shù)量的矢量點，然后按照一定的計算公式和評價方法，對這些點進行處理，最終創(chuàng)建出基準元素。在實際的測量中，測量的截面數(shù)、每個截面測量的點數(shù)，以及被測元素的形狀誤差等都會對測量要素的軸線位置產(chǎn)生影響，因此，需要合理地安排測量點的位置和數(shù)目，才能反映被測圓柱的實際位置。

通過上述分析，應該合理地安排測量點的數(shù)目和位置，以便能夠準確地測量出被測的元素。由于齒輪箱體圖紙采用軸線—軸線作為基準軸的方法來評價同軸度，因此在檢測時發(fā)現(xiàn)測量結果與給定的公差相差較大，且重復性較差。而采用軸線—公共軸線作為基準軸的方法來評價同軸度，即在基準圓柱和被測圓柱上測量出多個截面圓，以這些截面圓的圓心的連線作為公共軸線基準軸，然后分別計算基準圓柱和被測圓柱對公共軸線的同軸度，取其最大值作為該齒輪箱體的同軸度誤差。這種評價方法更接近工件的實際裝配過程，且測量結果準確、穩(wěn)定。表1為在測量2層截面，每層截面測量10個點的情況下，分別采用不同種評價方法的測量結果。

圖4 不種同軸度誤差分析圖

表1 不同種評價方法的測量結果 mm

在齒輪箱體的實際裝配中，兩軸承擋間的同軸度會反映到中軸（公共軸線）的徑向跳動上。采用軸線—公共軸線評價方法測量的產(chǎn)品往往更接近實際測量的間隙值，其結果也與中軸徑向跳動值相吻合。因此從表1齒輪箱體的測量結果和實際裝配情況可以看出，軸線—公共軸線評價方法更加符合設計要求。

4 結語

目前，我國高鐵技術正處于研究和發(fā)展階段，高速傳動系統(tǒng)中的齒輪箱體必須要有穩(wěn)定的加工程序，以及合格的技術指標來實現(xiàn)其應用的重要位置。在實際測量中，同軸度的測量方法有很多，因此一定要根據(jù)被測零件的結構特點，認真分析圖紙，選用合理可行的測量方法，以減少測量誤差，提高測量精度，給出準確、真實的同軸度評價報告。此外，我們還要人為地控制檢測間室內(nèi)的溫度，減少工件的擺放、清潔度、測量點的數(shù)目和位置等因素對測量帶來的影響，還原產(chǎn)品的真實狀態(tài)。

［1］張福榮，張庭軍.基于三坐標測量機的同軸度測量［J］.機械制造與研究，2009（5）：64－65.

［2］國家標準化管理委員會.GB／T 1182—2008形狀和位置公差通則、定義、符號和圖樣表示法［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［3］曹斌.三坐標測試技術在生產(chǎn)中的應用［J］.工業(yè)計量，2001（81）：205－206.

［4］湯忠芳，褚守云，張金寶，等.抱軸箱軸承孔同軸度的檢測［J］.試驗檢測，2009（2）：37－38.