某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱組件精密裝調(diào)技術(shù)

（北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京100074）

0 引言

齒輪箱作為實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)的一種能量轉(zhuǎn)換機(jī)械裝置，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、汽車變速箱等工業(yè)領(lǐng)域。齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性是保證齒輪箱質(zhì)量的先決條件，零件的加工質(zhì)量是其質(zhì)量的基礎(chǔ)，裝配處于齒輪箱制造的最后階段，齒輪箱的質(zhì)量最終通過裝配得到保證和檢驗(yàn)。因此，裝配是決定齒輪箱質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究制訂合理的裝配工藝，采用有效的保證裝配精度的裝配方法，對進(jìn)一步提高齒輪箱質(zhì)量、符合設(shè)計(jì)壽命有著十分重要的意義［1］。

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱組件是關(guān)鍵傳動(dòng)部件，其功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出 （輸入）端與起發(fā)電機(jī)、滑油泵等附件間的扭矩傳輸。齒輪箱組件采用零度弧齒錐齒輪，該型齒輪具有運(yùn)行平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但對軸向安裝距的敏感度非常高。為保證齒輪箱組件轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、工作平穩(wěn)、可靠，需保證精確的齒輪安裝距、適當(dāng)?shù)膰Ш蟼?cè)隙和合理的接觸印痕。由于錐齒輪模數(shù)小，尺寸小，接觸印痕不易檢測，且需多次反復(fù)調(diào)整，調(diào)試難度很大，已成為型號研制的生產(chǎn)短線。因此，開展齒輪箱組件精密裝調(diào)工藝技術(shù)研究，突破關(guān)鍵裝調(diào)技術(shù)，對保證齒輪箱組件的裝配質(zhì)量和型號研制周期具有十分重要的意義。

1 齒輪箱組件結(jié)構(gòu)和裝調(diào)工藝特點(diǎn)分析

1.1 齒輪箱組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

齒輪箱組件主要由1對零度弧齒錐齒輪和2對漸開線直齒圓柱齒輪、軸承、磁力密封、軸承座、箱體、油氣分離器等零件組成，其外形如圖1所示。齒輪箱組件具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大、運(yùn)行平穩(wěn)性要求高、可靠性高、工作壽命長等特點(diǎn)，其運(yùn)行工況極為苛刻，最大工況轉(zhuǎn)速為41000r／min。

圖1 齒輪箱組件外形示意圖Fig.1 Outline diagram of gear box

1.2 齒輪箱組件裝調(diào)工藝特點(diǎn)

根據(jù)齒輪箱組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳動(dòng)性能要求，經(jīng)過分析，其裝調(diào)特點(diǎn)如下：

（1）裝調(diào)質(zhì)量要求高

為保證齒輪箱的傳動(dòng)性能，對齒輪箱組件裝調(diào)質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求，尤其是零度弧齒錐齒輪的裝配質(zhì)量要求很高，既要保證合理的嚙合側(cè)隙，又要保證正確的接觸印痕，裝調(diào)難度大。

（2）裝配精度要求高

齒輪箱組件中的零度弧齒錐齒輪對安裝距非常敏感，一旦安裝距不對，將引起相嚙合的齒輪副在嚙合位置剖面內(nèi)的 “模數(shù)”不相等，導(dǎo)致錐齒輪副接觸印痕不良，嚙合側(cè)隙不滿足要求，因此齒輪、軸承等軸系零件軸向裝配精度要求高，必須安裝到位。

（3）操作可達(dá)性及可檢性差

齒輪箱組件結(jié)構(gòu)緊湊、裝配空間狹小，各齒輪軸系均安裝在箱體內(nèi)部，導(dǎo)致操作可達(dá)性差；軸系安裝質(zhì)量及錐齒輪嚙合側(cè)隙無法直接檢測，可檢驗(yàn)性較差。

2 齒輪箱組件裝調(diào)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 齒輪側(cè)隙檢測技術(shù)

齒輪側(cè)隙是表征齒輪裝配質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。齒輪側(cè)隙主要是為了儲存必要的潤滑油，補(bǔ)償齒輪的加工和裝配誤差及工作時(shí)的熱變形和彈性變形。齒輪側(cè)隙檢測方法主要有塞尺法、百分表法和壓鉛絲法等，為保證齒輪側(cè)隙檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要分析以上檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)齒輪箱組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的檢測方法。齒輪箱組件中的零度弧齒錐齒輪副安裝在箱體和軸承座內(nèi)部，不能采用傳統(tǒng)的方法直接檢測側(cè)隙，如何實(shí)現(xiàn)錐齒輪嚙合側(cè)隙的正確檢測是齒輪箱組件裝調(diào)的難點(diǎn)，齒輪側(cè)隙檢測技術(shù)是齒輪箱組件裝調(diào)關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 弧齒錐齒輪側(cè)隙調(diào)整技術(shù)

弧齒錐齒輪副側(cè)隙對齒輪箱組件的使用壽命、傳動(dòng)平穩(wěn)性等影響極大。間隙太大，齒輪箱會(huì)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)；間隙太小，會(huì)加劇輪齒的磨損，附加載荷相應(yīng)加大，噪音增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有斷齒、軸彎曲及軸承損壞的情況發(fā)生。因此，弧齒錐齒輪副側(cè)隙必須調(diào)整到合適大小。在工程應(yīng)用中，一般通過修磨調(diào)整墊或相關(guān)零件的方法改變錐齒輪的軸向位置，從而調(diào)整錐齒輪副側(cè)隙的大小。但由于缺少軸向位移與側(cè)隙變化量的定量關(guān)系，導(dǎo)致修磨量的大少很難把握，弧齒錐齒輪側(cè)隙調(diào)整技術(shù)是齒輪箱組件裝調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 弧齒錐齒輪接觸印痕檢測與調(diào)整技術(shù)

接觸印痕是表征錐齒輪裝配質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo)。由于制造、裝配、測量誤差，錐齒輪裝配后，接觸印痕一般均需進(jìn)行調(diào)整才能滿足要求。由于影響接觸印痕的因素較多，譬如軸承、軸承座、箱體、錐齒輪安裝距等，并且各個(gè)因素相互耦合，導(dǎo)致問題定位非常困難。由于接觸印痕調(diào)變化規(guī)律不清晰，并且調(diào)整過程中隨著錐齒輪軸向位移的改變，嚙合側(cè)隙也發(fā)生變化，需要保證接觸印痕與側(cè)隙同時(shí)滿足要求，調(diào)整難度很大。因此，錐齒輪接觸印痕檢測與調(diào)整技術(shù)是齒輪箱組件裝調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3 關(guān)鍵技術(shù)解決方案

3.1 齒輪側(cè)隙檢測技術(shù)

（1）直齒輪側(cè)隙檢測技術(shù)

齒輪側(cè)隙檢測一般采用塞尺法、百分表法和壓鉛絲法，通過工藝試驗(yàn)，比較各檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定合理的檢測方法。根據(jù)工藝試驗(yàn)情況，百分表法檢測效率高、操作方便、測量結(jié)果穩(wěn)定性好、不易產(chǎn)生多余物。因此，確定采用百分表法檢測直齒輪側(cè)隙。檢測時(shí)，采用工裝固定一個(gè)齒輪，將百分表壓在另一個(gè)齒輪的節(jié)圓上，擺動(dòng)齒輪進(jìn)行測量，如圖2所示。

圖2 直齒輪側(cè)隙測量示意圖Fig.2 Test diagram of cylindrical gear clearance

（2）弧齒錐齒輪側(cè)隙檢測技術(shù)

由于錐齒輪副安裝在齒輪箱箱體和錐齒輪座內(nèi)部，無法采用傳統(tǒng)方法直接測量。通過研究，確定設(shè)計(jì)專用測量裝置固定從動(dòng)錐齒輪，將主動(dòng)錐齒輪嚙合部位沿軸線轉(zhuǎn)移至齒輪箱組件外部進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)封閉式錐齒輪副嚙合側(cè)隙的檢測。設(shè)計(jì)的專用測量裝置如圖3所示，檢測示意圖如圖4所示。

圖3 錐齒輪側(cè)隙專用測量裝置Fig.3 Special measuring device for spiral bevel gear

圖4 錐齒輪側(cè)隙測量示意圖Fig.4 Test diagram of spiral bevel gear clearance

3.2 弧齒錐齒輪側(cè)隙調(diào)整技術(shù)

（1）弧齒錐齒輪軸向位移與側(cè)隙變化量的定量關(guān)系

錐齒輪側(cè)隙通過調(diào)整錐齒輪的軸向位移保證，錐齒輪遠(yuǎn)離其軸心交點(diǎn)，則輪齒側(cè)隙增大，相反則減少。通過錐齒輪嚙合機(jī)理分析及理論計(jì)算，可得到弧齒錐齒輪側(cè)隙變化量與軸向位移的定量關(guān)系。

根據(jù)理論計(jì)算，得到兩個(gè)錐齒輪側(cè)隙變化量分別為：

其中，Sa1為主動(dòng)錐齒輪側(cè)隙變化量，Sa2為從動(dòng)錐齒輪側(cè)隙變化量，S1為主動(dòng)錐齒輪軸向位移，S2為從動(dòng)錐齒輪軸向位移，δ1為主動(dòng)錐齒輪分錐角，δ2為從動(dòng)錐齒輪分錐角，α為壓力角。

將弧齒錐齒輪副的設(shè)計(jì)參數(shù)值（α＝20°、 δ1＝17°47′、 δ2＝72°13′）帶入式 （1）和式 （2）， 得到錐齒輪軸向位移與側(cè)隙變化量的關(guān)系如下：

（2）錐齒輪側(cè)隙調(diào)整

開展工藝試驗(yàn)，對以上理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。調(diào)整前，測得的側(cè)隙值為0.05mm。采用厚度為0.05mm的調(diào)整墊片，分別安裝在錐齒輪軸系，改變錐齒輪軸向位置，測量不同軸向位移時(shí)的側(cè)隙值，計(jì)算側(cè)隙變化量，測量及計(jì)算結(jié)果如表1所示。主動(dòng)錐齒輪、從動(dòng)錐齒輪側(cè)隙變化量與軸向位移的定量關(guān)系理論曲線和實(shí)際曲線如圖5所示。

表1 錐齒輪側(cè)隙測量值Table 1 Values of the spiral bevel gear clearance

圖5 弧齒錐齒輪軸向位移與側(cè)隙變化量的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between axial displacement and clearance variation

3.3 弧齒錐齒輪接觸印痕檢測與調(diào)整技術(shù)

（1）弧齒錐齒輪接觸印痕檢測技術(shù)

錐齒輪接觸印痕一般采用著色檢查法進(jìn)行檢測。著色檢查時(shí)，在主動(dòng)錐齒輪上涂著色劑，在輕微制動(dòng)的情況下，旋轉(zhuǎn)主動(dòng)錐齒輪，檢查從動(dòng)齒輪上的印痕，著色劑采用紅丹粉和潤滑油進(jìn)行調(diào)制。通過分析，確定影響著色檢查效果的主要因素是著色劑的調(diào)制濃度、涂抹方式、涂層厚度。通過多次工藝試驗(yàn)，得到紅丹粉與潤滑油的調(diào)制比例約為10∶1；涂色時(shí)要沿齒頂向齒根涂色，并且涂抹要均勻，厚度要盡量薄，才能保證能夠獲得清晰的印痕；如果著色劑調(diào)制不當(dāng)、涂抹太厚、不均勻均可導(dǎo)致印痕不清晰。

（2）弧齒錐齒輪接觸印痕影響因素分析

影響錐齒輪接觸印痕的因素較多，譬如軸承、軸承座、箱體、錐齒輪安裝距等，并且各個(gè)因素相互耦合在各種誤差中，導(dǎo)致接觸印痕的調(diào)整難度很大。當(dāng)出現(xiàn)接觸印痕不滿足要求時(shí)，首先對各影響因素進(jìn)行分析，然后調(diào)整。通過分析錐齒輪裝配工藝，得到可能的接觸印痕影響因素，并制定了控制措施，如表2所示。

表2 接觸印痕影響因素分析及控制措施Table 2 Influence factor and control measures of contact spot

（3）弧齒錐齒輪接觸印痕調(diào)整規(guī)律研究

造成錐齒輪嚙合面不正確的因素很多，在檢查和調(diào)整時(shí)，不能片面地根據(jù)圓錐齒輪的嚙合原理進(jìn)行，而應(yīng)考慮造成嚙合面不正確的綜合因素，同時(shí)結(jié)合印痕的位置、齒隙、齒輪傳動(dòng)比的大小和調(diào)整是否方便等進(jìn)行。圓弧錐齒輪接觸印痕調(diào)整的一般規(guī)律如表3所示。

表3 圓弧錐齒輪接觸印調(diào)整一般規(guī)律Table 3 Theoretical change law of bevel gear contact spot

在表3圓弧錐齒輪接觸印痕調(diào)整規(guī)律的基礎(chǔ)上，開展工藝試驗(yàn)，檢測齒輪箱組件中弧齒錐齒輪接觸印痕的實(shí)際變化情況，通過歸納總結(jié)得到如下調(diào)整規(guī)律：

1）印痕位置以齒高方向?yàn)橹鳎X長方向?yàn)榇巍?/p>

2）錐齒輪接觸印痕調(diào)整時(shí)，首先確定調(diào)整哪一個(gè)齒輪，這由接觸印痕在齒長上偏離還是在齒高方向偏離而定，前者應(yīng)調(diào)大輪，后者應(yīng)調(diào)小輪。

3）判定調(diào)整齒輪的方向，即確定安裝距的增減。這由嚙合印痕是偏向小端，還是偏向大端而定，前者應(yīng)減少大輪安裝距，后者應(yīng)減少小輪安裝距；若嚙合印痕偏向齒頂，則應(yīng)減小小輪安裝距，反之增大小輪安裝距。

4）調(diào)整過程中，小錐齒輪軸向調(diào)整量為0.05mm時(shí)，印痕位置基本沒有變化；調(diào)整量為0.10mm時(shí)，印痕沿齒高和齒長方向變化明顯。調(diào)整過程中可以0.05mm為起點(diǎn)，每次增加0.02mm～0.03mm進(jìn)行調(diào)整。大錐齒輪軸向調(diào)整量為0.05mm時(shí)，印痕有明顯變化。調(diào)整過程中可以0.02mm～0.03mm為起點(diǎn)，每次增加 0.01mm～0.02mm進(jìn)行調(diào)整。

5）接觸印痕調(diào)整好要檢查側(cè)隙，不滿足要求時(shí)，需綜合調(diào)整。

4 結(jié)論

根據(jù)齒輪箱組件裝調(diào)工藝特點(diǎn)，制定了合理的裝調(diào)技術(shù)方案，解決了齒輪箱組件裝調(diào)關(guān)鍵技術(shù)，掌握弧齒錐齒輪軸向位移與側(cè)隙變化量的數(shù)值關(guān)系及接觸印痕調(diào)整規(guī)律，完成了一臺齒輪箱組件裝配，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙要求，并通過了試驗(yàn)考核。

本文僅給出了弧齒錐齒輪接觸印痕調(diào)整的半定量規(guī)律，接觸印痕調(diào)整的定量規(guī)律有待后續(xù)進(jìn)一步研究，以提高接觸印痕調(diào)整效率。

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