齒輪箱圓錐過(guò)盈連接計(jì)算及拆裝方法

常 星， 宋俊龍

（智道鐵路設(shè)備有限公司， 山西 太原 030032）

齒輪箱是機(jī)車產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)之一。由于過(guò)盈連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定心精度高，可承受轉(zhuǎn)矩、軸向力或兩者復(fù)合的載荷，對(duì)軸削弱小，承載能力高，并且在沖擊、振動(dòng)載荷下也能可靠地工作。因此，在齒輪箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，大量的選用過(guò)盈連接來(lái)傳遞載荷。

圓錐過(guò)盈連接相較圓柱過(guò)盈連接而言，包容件和被包容件無(wú)需進(jìn)行冷卻或加熱，采用油壓法就能進(jìn)行裝拆。設(shè)備簡(jiǎn)單，操作安全、靈活。同時(shí)由于高壓油膜的存在，在壓裝和拆卸的過(guò)程中可以對(duì)圓錐表面形成保護(hù)，降低配合表面的摩擦系數(shù)，從而降低擦傷結(jié)合表面的概率。尤其是當(dāng)傳遞載荷大、過(guò)盈量大，并且定期需要裝拆、檢查、維修零部件的時(shí)候，可以大大降低由于頻繁拆解造成損傷需要更換零部件的頻率，進(jìn)而節(jié)約成本[1]。并且由于機(jī)車產(chǎn)品的特殊性，對(duì)產(chǎn)品安全性、可靠性等有嚴(yán)格的規(guī)定。在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)，按照規(guī)范需要定期拆裝、監(jiān)控、檢查關(guān)鍵零部件的性能狀態(tài)。因此，在過(guò)盈連接的設(shè)計(jì)計(jì)算中，通常優(yōu)先選用圓錐過(guò)盈連接。

1 圓錐過(guò)盈連接的設(shè)計(jì)計(jì)算

在具體設(shè)計(jì)圓錐過(guò)盈連接時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用工況和約束條件確定相關(guān)零部件基本結(jié)構(gòu)尺寸后，首先是根據(jù)具體傳遞載荷的大小以及材料的特性選擇合適的圓錐過(guò)盈配合，其次是計(jì)算過(guò)盈連接的裝拆參數(shù)，最后需要綜合考慮結(jié)構(gòu)并確定合理的裝拆方法。

1.1 圓錐過(guò)盈配合的計(jì)算[1,2]

1.11傳遞負(fù)荷所需最小過(guò)盈量

1）傳遞負(fù)荷所需的最小結(jié)合壓力。

式中：M 為傳遞扭矩，N·mm；K 為安全系數(shù)；lf為接合長(zhǎng)度，mm；μ為摩擦系數(shù)；dm為結(jié)合面平均圓錐直徑，mm。

2）包容件直徑比。

式中：da為包容件外徑，mm。

3）被包容件直徑比。

式中：di為被包容件內(nèi)徑，mm。

4）包容件傳遞負(fù)荷所需的最小直徑變化量。

式中：Ca和Ea為計(jì)算系數(shù)，查閱參考文獻(xiàn)[1]相關(guān)表格獲得。

5）被包容件傳遞負(fù)荷所需的最小直徑變化量。

式中：Ci和Ei為計(jì)算系數(shù)，查閱參考文獻(xiàn)[1]相關(guān)表格獲得。

6）傳遞負(fù)荷所需的最小過(guò)盈量。

考慮壓平量的最小過(guò)盈量。

式中：Raa為包容件輪廓算術(shù)平均偏差；Rai為被包容件的輪廓算術(shù)平均偏差。

1.1.1 不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大有效過(guò)盈量

式中為包容件材料屈服點(diǎn)，MPa。

2）被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力。

3）連接件不產(chǎn)生塑性變形的最大結(jié)合壓力。

4）包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量。

5）被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量。

6）連接件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大有效過(guò)盈量。

1.1.3 選擇配合

選出的配合，其最大過(guò)盈量[δmax]和最小過(guò)盈量[δmin]應(yīng)滿足下列要求。

1）保證過(guò)盈連接傳遞給定的負(fù)荷。

2）保證連接件不產(chǎn)生塑性變形。

初選基本過(guò)盈量δb，按初選的基本過(guò)盈量δb，最大圓錐直徑，δe，max、δmin，參照 GB/T 5371、GB/T 1801 和GB/T 1802，確定選用的配合。

給出配合的最大過(guò)盈量[δmax]和最小過(guò)盈量[δmin]。

1.2 油壓裝拆相關(guān)參數(shù)的確定

在裝拆圓錐過(guò)盈連接的過(guò)程中，主要是使用油壓法進(jìn)行裝拆。即在包容件和被包容件之間的結(jié)合面上，注入符合壓力要求的高壓油，使包容件和被包容件之間的結(jié)合面發(fā)生彈性變形，形成間隙，同時(shí)在結(jié)合面之間形成一道油膜。

安裝時(shí)，需要使用特定的液壓裝置，在被包容件上施加不小于特定值的軸向推力，將被包容件推入包容件內(nèi)。而拆卸時(shí)，當(dāng)高壓油在帶有錐度的結(jié)合面上形成的軸向分力足夠大時(shí)，被包容件會(huì)自動(dòng)從包容件中退出。

1.2.1 軸向位移極根值和軸向位移公差的計(jì)算

如圖1和圖2所示，由于內(nèi)、外圓錐直徑公差帶的原因，實(shí)際初始位置應(yīng)位于極限初始位置1和極限初始位置2之間，即內(nèi)圓錐為最小極限圓錐、外圓錐為最大極限圓錐和內(nèi)圓錐為最大極限圓錐、外圓錐為最小極限圓錐之間。終止位置是為了使內(nèi)、外圓錐得到要求的過(guò)盈量，所規(guī)定的相互軸向位置。而軸向位移極限值即是為了得到最小過(guò)盈量和最大過(guò)盈量的軸向位移量[3]。

圖1 最大、最小過(guò)盈位置示意圖

圖2 初始位置變動(dòng)量示意圖

由于通過(guò)控制圓錐配合相對(duì)軸向位移量，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整其過(guò)盈量。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，這是評(píng)估相互配合圓錐表面加工精度以及實(shí)際過(guò)盈量是否滿足要求的重要指標(biāo)，尤其是圓錐配合需要頻繁拆卸、安裝的場(chǎng)合。當(dāng)拆卸后零件尺寸檢驗(yàn)或相關(guān)零件重新裝配時(shí)，特別是材料硬度較差的情況，都必須通過(guò)測(cè)量起始位置和終止位置的數(shù)據(jù)，來(lái)間接評(píng)估軸向位移公差是否能滿足實(shí)際使用要求，一定程度上可以實(shí)現(xiàn)間接檢測(cè)內(nèi)、外圓錐是否超差。

1）軸向位移極限值。

式中：C為結(jié)合面錐度。

2）軸向位移公差。

1.2.2 裝拆油壓入力的確定

除上述參數(shù)以外，還需要確定合理的裝拆油壓，進(jìn)而選擇合適的高壓油泵。并且安裝時(shí)，也需要使用滿足壓入力要求的液壓推力裝置將圓錐過(guò)盈配合壓裝到位。

1）配合面最大結(jié)合壓力。

2）裝拆油壓。

3）壓入力。

實(shí)際操作中，除了油壓法，有時(shí)也會(huì)用到脹縮法對(duì)圓錐過(guò)盈配合進(jìn)行裝拆。尤其是特殊情況下，使用油壓法在合理壓力范圍內(nèi)無(wú)法拆卸成功時(shí)，需要結(jié)合脹縮法和油壓法進(jìn)行拆卸，即加熱包容件至一定溫度，然后打入高壓油完成拆卸。而裝配過(guò)程使用脹縮法，如果能夠合理計(jì)算安排生產(chǎn)節(jié)拍，將省去油壓法裝配的保壓時(shí)間，進(jìn)而可以大大提高生產(chǎn)效率。

但需要注意加熱包容件時(shí)，加熱應(yīng)均勻，不得產(chǎn)生局部過(guò)熱。通?？梢圆捎眉訜釥t或電磁感應(yīng)加熱裝置。未經(jīng)熱處理的裝配件，加熱溫度應(yīng)小于400℃，經(jīng)過(guò)熱處理的裝配件，加熱溫度應(yīng)小于回火溫度。

1.2.3 典型裝拆方法

圖3為圓錐面過(guò)盈配合裝配原理示意圖。通過(guò)油桿1中心的油孔向圓錐配合表面注入滿足裝拆油壓要求的液壓油，同時(shí)油桿1穿過(guò)液壓推力裝置2的中心，并通過(guò)螺母3將液壓推力裝置軸向進(jìn)行限位。裝配時(shí)，首先是注入高壓液壓油，當(dāng)圓錐配合表面有油液滲出時(shí)，開(kāi)始操作液壓裝置，將外圓錐件推入內(nèi)圓錐件中[4]。

圖3 圓錐面過(guò)盈配合裝配原理示意圖

圖4為圓錐面過(guò)盈配合拆卸原理示意圖，與裝配過(guò)程不同的是，此處不需要液壓推力裝置。由于圓錐過(guò)盈配合的特性，當(dāng)注入一定壓力范圍的液壓油后，待其配合面充分潤(rùn)滑后，內(nèi)圓錐件和外圓錐件會(huì)自動(dòng)脫離，并且速度快、沖擊力大。因此需要在中間合適距離位置安裝緩沖裝置2，用來(lái)吸收沖擊力，并避免裝配件磕碰損傷。

圖4 圓錐面過(guò)盈配合拆卸原理示意圖

實(shí)際生產(chǎn)中，特別需要注意的是，上述高壓元件長(zhǎng)期處于高壓、變載荷、高沖擊的工作環(huán)境中，為了生產(chǎn)安全，需要定期檢查、更換各相關(guān)元件。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某機(jī)車產(chǎn)品齒輪箱輸入端連接為例，其輸入軸與聯(lián)軸器為圓錐過(guò)盈連接，錐度1∶50，傳遞扭矩M為824 N·m，結(jié)合面平均圓錐直徑dm為67.08 mm，結(jié)合長(zhǎng)度lf為88 mm，材料為17Cr2Ni2Mo，屈服強(qiáng)度σs為1 050 MPa，表面粗糙度Ra為0.8。

按照上述計(jì)算方法，傳遞負(fù)荷所需的最小結(jié)合壓力pf，min=22 MPa，包容件傳遞負(fù)荷所需的最小直徑變化量ea，min=0.020 1 mm，被包容件傳遞負(fù)荷所需的最小直徑變化量ei，min=0.015 9 mm，傳遞負(fù)荷所需的最小過(guò)盈量δe，min=0.036 mm，考慮壓平量的最小過(guò)盈量δmin=0.041 mm。

包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力pfa，max=323.4 MPa，被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力pfi，max=525 MPa，連接件不產(chǎn)生塑性變形的最大結(jié)合壓力為pf，max=294 MPa。包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量ea，max=0.269mm，被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量ei，max=0.212 mm，連接件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大有效過(guò)盈量 δe，max=0.481 mm。

然后，初選基本過(guò)盈量δb=0.261 mm，配合尺寸為 H7/z6，最小過(guò)盈量[δmin]=0.18 mm，最大過(guò)盈量[δmax]=0.229 mm。

軸向位移極限值 Ea，min=9 mm，Ea，max=11.45 mm，軸向位移公差TE=2.45 mm，配合面最大結(jié)合壓力[pf，max]=139.9 MPa，裝拆油壓 px=153.9 MPa，壓入力Pxi=85 578.6 N。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，內(nèi)錐選取H7，外錐選取z6，并且裝配時(shí)應(yīng)確保壓入行程在9mm至11.45mm之間。高壓油泵應(yīng)至少滿足153.9 MPa壓力范圍，選取的液壓推力裝置應(yīng)滿足壓入力不小于85 578.6 N的要求。

3 結(jié)論

由于機(jī)車產(chǎn)品的特殊性，其齒輪箱輸入和輸出部分傳遞扭矩經(jīng)常采用圓錐過(guò)盈配合。本文詳細(xì)介紹了圓錐過(guò)盈配合的計(jì)算過(guò)程，以及常用裝拆方法油壓法的相關(guān)參數(shù)及典型結(jié)構(gòu)。

實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)重新使用拆卸后的零件之前，應(yīng)仔細(xì)檢查是否有影響使用的缺陷，特別是內(nèi)、外圓錐面，拆卸后尺寸會(huì)有細(xì)微的變化，原則上應(yīng)重新對(duì)傳遞載荷復(fù)核計(jì)算。

此外，經(jīng)過(guò)頻繁拆裝的圓錐過(guò)盈配合，由于表面壓平的原因，使得過(guò)盈量相對(duì)有所減少，相比上述計(jì)算值，應(yīng)考慮適量增大軸向位移極限值0.5～1.0mm。而當(dāng)環(huán)境溫度低，液壓油黏度變大，此時(shí)可以適當(dāng)增大裝拆油壓以提高效率，但一定不允許超過(guò)引起材料塑性變形的極限值。