航天艙門用高精度蝸輪蝸桿減速器裝配工藝研究

王 燕 張 斌 王詠莉 趙本華 任華興 劉 鑫 李 云

設計·工藝

航天艙門用高精度蝸輪蝸桿減速器裝配工藝研究

王 燕 張 斌 王詠莉 趙本華 任華興 劉 鑫 李 云

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

針對蝸輪蝸桿減速器軸系裝配精度高、中心距測試難度大、蝸輪與蝸桿空間位置精度不易保證等裝配技術(shù)難題，制定了高精度蝸輪蝸桿軸系、空間高精度匹配多軸系減速器精密裝配測試技術(shù)方案，采用基準轉(zhuǎn)移—精密儀器測試—裝配尺寸鏈修正計算相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了軸系裝配精度徑跳≤0.01mm、端跳≤0.015mm、軸系竄動≤0.02mm，蝸輪蝸桿減速器空間軸線位置精度優(yōu)于0.05mm，以及蝸輪蝸桿齒面嚙合間隙精度優(yōu)于0.02mm等技術(shù)指標，形成了一套高精度蝸輪蝸桿減速器高可靠的裝配工藝方法，為后續(xù)類似產(chǎn)品精密裝配提供有效指導和借鑒。

蝸輪蝸桿減速器；裝配工藝；精度測量；技術(shù)研究

1 引言

航天器艙門是供航天員和貨物載荷進出艙體的運輸通道，決定著空間實驗任務的成敗，是非常重要的航天器機構(gòu)裝置[1]。蝸輪蝸桿減速器用于艙門開關(guān)操作力矩放大及傳遞，實現(xiàn)艙門的關(guān)閉密封或開啟功能，是航天器艙門的關(guān)鍵機構(gòu)，在航空航天工業(yè)領域中得到廣泛應用[2，3]。但是蝸輪蝸桿齒面嚙合效率低，齒面間磨損大，工作時易發(fā)熱，加之潤滑不良等原因，易發(fā)生失效。隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品運動精度的要求越來越高，對航天制造技術(shù)及產(chǎn)品裝配精度提出了更高的要求[4～6]。

蝸輪蝸桿減速器作為一種高精度航天產(chǎn)品，在使用過程中需滿足高機械效率、低摩擦、長壽命等要求，其裝配質(zhì)量直接影響蝸輪蝸桿減速器的機械效率和使用壽命。為確保蝸輪蝸桿減速器的裝配精度，從優(yōu)化裝配流程、保證軸系裝配精度、控制蝸輪蝸桿軸線空間位置精度等角度出發(fā)，采用基準轉(zhuǎn)移、精密儀器測試和裝配尺寸鏈修正計算相結(jié)合的方法獲得蝸輪蝸桿減速器裝配過程中的數(shù)據(jù)，根據(jù)精測數(shù)據(jù)調(diào)整蝸輪蝸桿減速器位置，實現(xiàn)了軸系精度、蝸輪蝸桿軸線垂直等技術(shù)要求，為保證艙門的可靠運行提供支撐。

2 裝配工藝技術(shù)難點分析

2.1 蝸輪蝸桿軸系裝配精度高

蝸輪蝸桿減速器包括兩大軸系：蝸輪軸系和蝸桿軸系。“左殼體-蝸桿-背靠背裝配角接觸軸承-深溝球軸承”組成蝸桿軸系。“右殼體-蝸輪-蝸輪軸-面對面裝配角接觸軸承”組成蝸輪軸系，如圖1所示。軸向尺寸的保證對于整機的傳動精度、傳動回差及使用壽命有較大影響，在蝸輪蝸桿減速器中，輸出端，徑跳≤0.01mm，端跳≤0.015mm，軸系竄動≤0.005mm，裝配精度高，同時需要保證所有軸系的裝配精度一致性高，另外軸殼之間的傳動采用角接觸球軸承背對背安裝方式，角接觸球軸承的游隙和受力均對輸出端的竄動及跳動有較大的影響。

圖1 蝸輪蝸桿減速器示意圖

2.2 蝸輪蝸桿空間尺寸中心距測試難度大

蝸輪和蝸桿間的中心距是指蝸輪蝸桿嚙合后蝸輪軸線與蝸桿軸線間的最短距離，即蝸輪蝸桿分度圓相切的中心距離，是一種空間幾何尺寸。對裝配要求高，同時測試難度大。

蝸輪和蝸桿的中心距為最終組裝后的空間尺寸，殼體裝配后對軸系均有遮擋，無法實施精確測量，且裝配后蝸輪蝸桿軸系空間位置精確調(diào)試困難，需要模擬裝配蝸輪蝸桿零件，然后精確測量中心距，并將該中心距用于指導殼體相應安裝孔位組合加工，而準確模擬蝸輪蝸桿軸系最終裝配狀態(tài)以及精確測試軸系中心位置比較困難，需要對蝸輪蝸桿軸系模擬裝配方法和軸系中心測試方法開展研究。

2.3 蝸輪蝸桿軸線空間位置精度不易保證

在蝸輪蝸桿減速器中，蝸輪蝸桿分別裝配在不同的殼體上，因左殼體、右殼體為薄壁結(jié)構(gòu)，剛度低，精度要求高，裝卡易變形等，殼體相應蝸輪蝸桿安裝孔的同軸度和垂直度加工精度不易保證，會導致中心距產(chǎn)生較大誤差。

同時零件裝配過程由于形位配合關(guān)系誤差導致空間軸線存在裝配累計誤差，導致蝸桿與蝸輪間的中心距輪齒嚙合間隙0.02mm，蝸桿軸線與蝸輪軸線垂直度0.05mm等實施難度大。

由于渦輪蝸桿軸系存在裝配誤差，齒面嚙合面不能完全按照理論重合，導致齒面嚙合應力增大，對于保證蝸輪蝸桿啟動力矩＜0.01Nm，傳動效率＞35%難度較大。

3 裝配工藝技術(shù)措施

3.1 高精度裝配測試流程的優(yōu)化設計

因蝸輪蝸桿減速器為復雜、高精度機構(gòu)產(chǎn)品，其機構(gòu)裝配測試是重要的研制環(huán)節(jié)，并決定著減速器的精度性能和研制時長，因此需要合理設計裝配測試流程。根據(jù)蝸輪蝸桿減速器空間結(jié)構(gòu)布局特點和精度指標要求，從蝸輪蝸桿零件級、軸系級、減速器整機級幾個維度上都要提出相應的工藝技術(shù)要求，并基于此進行減速器的整機裝配測試方案設計，保證最終的高機械效率、低摩擦、長壽命等性能需求。具體的裝配工藝流程如圖2所示。

圖2 蝸輪蝸桿減速器裝配技術(shù)流程圖

3.2 軸系精密裝調(diào)方法

在蝸輪蝸桿減速器中，要求輸出端，徑跳≤0.01mm，端跳≤0.015mm，軸系竄動≤0.005mm，裝配精度高，同時需要保證所有軸系的裝配精度高，軸系裝配精度對保證整機裝配精度有決定性影響。

3.2.1 軸承軸系預緊方法

為消除軸承中的游隙，需要預緊滾動軸承。常用的預緊方法有力矩預緊和尺寸預緊。為保證蝸輪蝸桿軸系精度，采用尺寸預緊的方式。蝸桿軸系（如圖3所示），主要由角接觸球軸承支撐和提供低摩擦傳動，由于蝸桿軸系精度要求高、摩擦阻力小，因此需要對軸系軸承進行精密裝調(diào)和測試。

1，2—角接觸軸承 3—左殼體 4—蝸桿 5—預緊元件 6—軸承端蓋 7—深溝球軸承

影響蝸桿軸系精度、摩擦阻力的重要因素為軸承的預緊狀態(tài)，若預緊量太小，則達不到預緊的目的；若預緊量過大，則會增加軸承的摩擦力矩，不僅影響軸承的承載能力，還會降低軸承的疲勞壽命。

圖4 角接觸軸承內(nèi)外圈高度差測試示意圖

軸承預緊量是通過施加軸向預緊載荷實現(xiàn)的，在預緊載荷作用下，實際測量預緊量1。使用杠桿千分表壓差法測量軸承內(nèi)、外圈高度差，如圖4所示，將軸承測試裝置放置在0級平臺上，將角接觸軸承背靠背放在軸承測量裝置上，調(diào)整軸承，保證軸承內(nèi)圈端面平面度≤3μm，沿軸線方向施加壓力，用杠桿千分表測量軸承內(nèi)圈和外圈高度，每圈測4個點，按順時針順序測量，內(nèi)圈、外圈的高度差的平均值為1，即軸承的游隙值為1。軸承2外圈頂端距殼體端面的距離值2，軸承端蓋I與殼體安裝配合面的距離值1，預緊元件厚度3。其中3=2-1，則軸承的預緊量1=3+1。計算得到預緊量1的平均值為1=1.115mm，為了保證軸系預緊的可靠性，在預緊量1的基礎上增加0.01～0.02mm，預緊量的調(diào)整范圍為1=1.125～1.135mm。

蝸輪軸系另一端采用的是深溝球軸承，軸承外圈和殼體安裝孔采用間隙配合，同時軸承外圈和軸承端蓋間留出間隙為0.3～0.5mm，以適應空間環(huán)境下的熱脹冷縮變化。

3.2.2 高精度軸承裝配方法

輸出軸系裝配過程中，軸承壓配過程對輸出徑向跳動有較大影響，為保證軸承裝配過程中軸承與軸的同軸度一致，軸承壓配過程中壓力機的力能同步傳遞到軸承的內(nèi)、外圈，因此設計軸承壓入裝置進行角接觸球軸承的裝配，如圖5所示。

圖5 蝸輪蝸桿軸系裝配示意圖

蝸輪軸系、蝸桿軸系與殼體的裝配，采用安裝平臺支撐，安裝平臺支撐面處于水平狀態(tài)，水平度優(yōu)于0.05mm/m，將殼體端面放置在安裝平臺上，利用軸承壓配裝置壓配角接觸軸承后頂住軸承的外端面，倒置于安裝平臺上，用機床壓力機壓配蝸輪軸、蝸桿于殼體。裝配過程中通過修磨預緊元件的厚度來保證蝸輪軸系、蝸桿軸系的軸向尺寸，實現(xiàn)了輸出端：徑跳≤0.01mm，端跳≤0.015mm，軸系竄動≤0.005mm的技術(shù)指標裝，保證了所有軸系裝配精度的一致性。

3.3 蝸輪蝸桿中心距精度控制措施

3.3.1 蝸輪蝸桿中心距精度控制

圖6 蝸輪蝸桿中心距測試裝置示意圖

蝸輪和蝸桿間的中心距為最終裝配后的空間尺寸，殼體裝配后對軸系均有遮擋，無法實施精確測量，且裝配后蝸輪蝸桿軸系空間位置精確調(diào)試困難。采用蝸輪蝸桿中心距測試裝置（如圖6所示）和精密儀器測試相結(jié)合的方法測試蝸輪蝸桿加工后的中心距。

蝸輪蝸桿固定于中心距測試裝置，調(diào)整蝸輪蝸桿中心距測試裝置使裝配用蝸輪向裝配用蝸桿靠近，利用塞尺和高度尺檢驗兩者的嚙合間隙，保證兩者的嚙合間隙0.02mm。轉(zhuǎn)動蝸桿，使蝸輪轉(zhuǎn)動一周（正反向），保證蝸輪蝸桿運轉(zhuǎn)靈活無卡滯現(xiàn)象。蝸輪蝸桿減速器裝配調(diào)試完成后測試蝸輪、蝸桿中心距，分別在蝸桿端面和蝸輪軸端面圓周上采點并擬合成圓，將所形成的圓心分別投影在夾具的端面上，采用接觸式測量方法，深入殼體內(nèi)部測試蝸桿端面和蝸輪軸端面投影點，即為蝸桿和蝸輪的中心距。通過此方法實現(xiàn)了蝸輪與蝸桿中心距精度0.05mm的技術(shù)指標。

3.3.2 殼體中心距精度控制

殼體是蝸輪蝸桿減速器的關(guān)鍵構(gòu)件，其加工質(zhì)量與精度直接決定減速器的傳動性能和機械效率。殼體由左殼體和右殼體組成（圖7所示），具有很高的形位精度，軸承安裝面35mm與設計基準同軸度為0.03mm，圓柱表面粗糙度R1.6μm，與設計基準垂直度0.03mm；殼體配合面的平面度0.03mm，與設計基準垂直度0.03mm；殼體下底端面的平面度0.03mm，殼體配合面軸承安裝面35mm與設計基準垂直度為0.03mm，中心距尺寸公差0.15mm，蝸輪安裝孔與蝸桿安裝孔的垂直度0.03mm，殼體加工過程需要多次裝夾，對保證同軸度提出了較大的挑戰(zhàn)。而且原材料為2A12鋁合金，加工過程中材料易粘刀，結(jié)構(gòu)易變形，機加有較大的難度。

圖7 殼體結(jié)構(gòu)示意圖

采用先零件留余量加工后組件組合加工的方式，制定合理的加工方法，為了將殼體底面變形降到最低，左殼體和右殼體分別粗、精加工；加工過程中兩次真空退火消除應力；左殼體和右殼體組合加工時，為便于拆裝，采取圓柱銷釘定位，銷釘與殼體配合的一端為過盈配合，另一端為過間隙配合；采用刀具補償技術(shù)減小在線測量與離線測量的誤差，最終保證了殼體零件的形位精度，組合加工后殼體的中心距與計算出的蝸輪蝸桿中心距精度優(yōu)于0.05mm。

3.4 蝸輪蝸桿軸線位置精度控制方法

蝸輪蝸桿的軸線垂直度由殼體的機械加工保證。蝸桿的位置已由殼體決定。采用基準轉(zhuǎn)化法、尺寸鏈計算和精測設備測量相結(jié)合的方法，改變蝸輪兩側(cè)調(diào)整元件的厚度調(diào)整蝸輪的軸向位置。

圖8 蝸輪軸系裝配處尺寸鏈計算圖

計算蝸輪軸系尺寸鏈，如圖8所示，修磨調(diào)整角接觸球軸承兩側(cè)預緊元件的厚度01和02，保證軸承按照預配磨高度差預緊。預緊元件的厚度01=1-(1＋3＋5)，預緊元件的厚度02=2-(2＋4＋6)，其中，3、4為軸承外圈寬度，5、6為軸承端蓋與殼體配合面的高度，其尺寸均可通過游標卡尺測得；1、2分別為蝸輪蝸桿形成的組件B面、A面的中心到蝸桿軸肩的距離，其尺寸可通過三坐標測量獲得；

1、2分別為右殼體中心到兩端面的距離，因右殼體上下端面為一體化結(jié)構(gòu)，不易控制測量基準，測量難度大，但是通過基準轉(zhuǎn)移法，將精測基準轉(zhuǎn)移至左殼體35mm的圓中心，使用精測設備掃描轉(zhuǎn)移后的測量基準，可精確測得右殼體中心到兩端面的尺寸1、2，極大地降低了測量難度。

通過基準轉(zhuǎn)化法、尺寸鏈計算和精測設備測量相結(jié)合的裝調(diào)方法，實現(xiàn)了蝸桿軸心線與蝸輪軸心線垂直度優(yōu)于0.03mm，保證了嚙合間隙（即齒側(cè)隙）0.02mm，蝸輪蝸桿間的中心距與殼體中心距間的裝配精度優(yōu)于0.05mm的技術(shù)指標。

3.5 蝸輪蝸桿齒面重合率檢測

蝸輪蝸桿存在裝配誤差，齒面存在不完全嚙合現(xiàn)象，導致傳動效率低、摩擦阻力大等問題，基于此開展重合率檢測，保證蝸輪蝸桿機構(gòu)傳動平穩(wěn)、準確，采用顯色劑定性分析驗證蝸輪蝸桿齒面重合率。采用三維模型計算蝸輪輪齒嚙合面積，根據(jù)=，計算出顯示劑的質(zhì)量。用排筆蘸取定量的顯色劑，均勻連續(xù)地刷涂在蝸輪輪齒嚙合位置處，順時針轉(zhuǎn)動蝸桿一圈。拆除殼體觀察蝸桿輪齒嚙出端顯色劑接觸斑點面積，采用攝影測量法計算顯色劑的接觸面積。接觸斑點面積沿齒長方向達到60%以上，沿齒高方向達到65%以上，蝸輪蝸桿中心調(diào)整到最佳位置，如圖9所示。

圖9 顯色劑驗證接觸斑點效果圖

4 結(jié)束語

分析蝸輪蝸桿減速器裝配難點和技術(shù)要求，結(jié)論如下：

a. 針對航天艙門用蝸輪蝸桿減速器軸系裝配精度高且角接觸球軸承采用“背靠背”的軸系裝配方式特點，通過軸向尺寸控制方法預緊軸承，不但能保證軸承達到最佳的預緊效果，而且輸出端軸系裝配精度徑跳≤0.01mm，端跳≤0.015mm，軸系竄動≤0.02mm。

b. 針對蝸輪蝸桿減速器中心距測量難點，首先設計了輪蝸桿中心距測試裝置，采用蝸輪蝸桿中心距測試裝置和精測設備檢測相結(jié)合的方法測試蝸輪蝸桿加工后的中心距。其次，對殼體采用組合加工的工藝方法，實現(xiàn)組合加工后殼體的中心距與機加后的蝸輪蝸桿中心距的精度優(yōu)于0.05mm。

c. 針對蝸桿軸線控制在蝸輪輪齒的對稱中心平面內(nèi)的裝配難點，采用基準轉(zhuǎn)化法、裝配尺寸鏈修正計算和精密測試設備測量相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了蝸輪安裝孔與蝸桿安裝孔的垂直度達0.03mm，蝸桿的軸線與蝸輪輪齒的對稱中心平面間的精度優(yōu)于0.05mm，蝸輪蝸桿嚙合間隙優(yōu)于0.02mm等技術(shù)指標。

采用上述裝配技術(shù)方法，蝸輪蝸桿減速器的精度、性能指標均滿足要求，成功應用于航天艙門機構(gòu)上并經(jīng)過開關(guān)門多次壽命試驗驗證，證明蝸輪蝸桿減速器采用的裝配工藝方法、工藝路線合理可行，為后續(xù)航天類似機構(gòu)產(chǎn)品的裝配提供參考和借鑒。

1 劉志全，夏祥東. 載人航天器密封艙門的可靠性驗證試驗方法[J]. 中國空間科學技術(shù)，2010(1)：60～64

2 陳少君，胡黎明，張玉良. 大型航天器儀器板裝配工藝研究[J]. 航天制造技術(shù)，2013(4)：4

3 孫利軍. 一種光電轉(zhuǎn)臺的軸承裝配分析[J]. 光電技術(shù)應用，2017(7)：3

4 宋斌. 蝸輪整體結(jié)構(gòu)設計對齒面潤滑影響的仿真研究[D]. 沈陽：東北大學，2012

5 張桂花，李江艷，楊鵬剛. 精密臥式加工中心回轉(zhuǎn)工作臺蝸輪蝸桿機構(gòu)的裝配及調(diào)整分析[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015(24)：12

6 劉其兵. 蝸輪蝸桿參數(shù)化設計及運動仿真[D]. 西安：陜西科技大學，2010

Research on Assembly Technology of High Precision Worm Gear Reducer for Space Hatch

Wang Yan Zhang Bin Wang Yongli Zhao Benhua Ren Huaxing Liu Xin Li Yun

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

To solve the problems of assembly technology, such as high accuracy of worm gear and worm reducer shafting, difficulty in measuring center distance and difficult to guarantee the accuracy of space position between worm gear and worm, etc the technical scheme of precise assembly testing of worm gear and worm shafting with high precision matching and multi-shafting reducer with high space precision is formulated. The method of reference transfer, precision instrument testing and correction calculation of assembly dimension chain is adopted. The assembly precision of shafting has been realized: diameter hop≤0.01mm, end hop≤0.015mm, shafting motion≤0.02mm. The accuracy of the space axis position of worm gear reducer is better than 0.05mm, and the position of the meshing clearance of worm tooth surface is more than 0.02mm. A set of high precision worm gear reducer assembly process method is formed, which can provide effective guidance and reference for the subsequent precision assembly of similar products.

worm gear reducer；assembly processes；measurement of accuracy；technical research

V461

A

國家自然科學基金（U1737207）。

王燕（1987），工程師，材料學專業(yè)；研究方向：航天機構(gòu)產(chǎn)品精密制造和裝配技術(shù)。

2020-03-15