齿轮加工误差特征及对面齿轮接触特性影响

齿轮加工误差特征及对面齿轮接触特性影响

童雅杰

陕西法士特沃克齿轮有限公司   713702

摘要：目前,在齿轮加工过程中,经常存在许多的误差。在保证齿轮加工制造的同轴度、垂直度和平行公差等质量要求的要求同时，误差是不可能出现绝对消除的。但是如果我们能够准确地把握这些基准面之间的距离变化规律的话，那么就可以做到对同一个对象做不同方面的逼近处理来减少它们之间相对位置上由于发生相互偏差而带来的精度损失,从而提高产品的合格率与生产效率。由于齿轮在工作过程中可能会出现不同的磨损和变形现象,因此，我们需要通过分析来确定它们产生的原因,从而达到对其接触面的控制。

关键词：齿轮加工；误差特征；面齿轮；接触特性

在现代工程与工艺中,工件的质量和精度都在不断地提高，但是仍旧有各种误差的存在。随着科学技术水平的发展提高及加工产品品种的日益丰富，市场竞争日趋激烈化。众多的趋势作用使得对各类齿轮零件检测、检验方法也发生了一系列变化——由传统随机检查向非随机性检查转变，从过去仅仅关注测量表面粗糙度到现在重视平面度尺寸偏差、几何形状误差(如:齿宽或线径)的关系，精度的确定转向了更多地使用数字仪器和标定法。在齿轮加工的过程中,由于多种因素的综合作用,使各工件产生不同程度或较细微小位置上的误差。为了保证接触面的质量和精度能达到设计及制造水平的要求，必须对每个部位提出详细地技术要求。

一、面齿轮与齿轮加工误差

1面齿轮加工分析

面齿轮的加工是指将面磨削为平面,在其表面有齿槽和轮盘等。首先要确定该面上是否存在齿条、线段及孔；其次对所有啮合件进行分析，检查平面外端光轴附近有无砂眼、飞溅物或其它杂屑现象,以及各部分几何尺寸精度要求；最后就是选材时尽量选择硬度适中的材料以保证其表面不发生划伤和变形等。面齿轮加工是指把端面上的平面度、垂直度或者水平线方向位置进行调整,使其符合要求,并通过定位来完成规定尺寸范围内各点位间相对位移量和表面粗糙程度的一种机械工艺。在齿形联轴器制造过程中存在着大量复杂误差。这些精度变化会影响到齿轮副之间配合间隙及装配关系。此外还可能导致最终产品质量下降、机床效率降低等问题。所以,对齿轮加工中的误差特征进行研究,对于提高齿轮副配合精度具有重要意义。

2齿轮典型加工误差分析

2.1单齿齿距误差

单齿距接触,是指当两齿轮啮合时,只要一对齿轮达到同步,在同一时刻内的两对齿轮相对运动。从理论上讲,每齿齿数是由等距廓函数产生的，但在现实生产加工中却很难做到这一点。因此为达到较高要求而制造出满足使用条件的单齿轮齿轮副时,我们应该选择合理、适当原则来确定各部分尺寸和公差标准及方法(如有误差可采用圆白噪声法或投影平均估算法)以实现其最小壁厚与接触刚度指标之间的关系协调，齿距是影响啮合件间相对滑动速度大小主要因素。

2.2齿距累积误差

在齿轮传动过程中,由于各种因素的影响,齿距累积误差是不可避免且难以消除的。在齿轮传动过程中,由于存在各种因素的综合作用,使得各工件间会产生一定数量和质量误差，而这些因素又是不可控、随机发生的。齿轮传动中的误差是一个随机过程,而影响这个过程的是许多因素,其中包括磨齿、夹紧等。这些参数都是在实际生产加工或理论研究试验中被发现的并加以验证的。由于各向同性、均匀性不同及啮合点运动速度不相同，所造成的表面粗糙度也就千差万别，因此要想获得光滑平面且轮廓曲线具有足够小曲率半径是很难实现的。

2.3齿形误差

齿形是齿轮副的主要几何特征之一,它反映了链轮和直动滑板啮合时的受力状况。同时也影响到接触面形状、大小及表面粗糙度。齿形误差是指齿轮在加工过程中,由于接触表面的几何形状不均匀而产生的位置和角度变动，引起齿形变形或裂纹的如平面度、噪声等因素都属于常见因素。例如:加工基准面与设计基准面上有一定间隙，定位基孔间存在磨损及热影响等也可能造成传动轴转动时出现振动现象，齿根切削轮毂表面之间因材料弹性不均匀而产生的位置误差等等，这些都是引起齿轮接触应力集中所导致的。

二、齿轮加工误差的时域和频域特征

1齿距误差的振动特征

1.1 单齿齿距误差时域特征

分析单齿齿距误差时域特征可知，当同一时刻,齿轮啮合过程中每齿面点之间都存在着切向角速度和直线位置，而在不同间隙下两齿距所产生的累计损失(即时间差)为零，该误差指从动螺旋线到定摆平面间每一步经过加工中心度后获得的误差。该方法假定了所有工件都是一个标准空间,而且它不要求有任何几何精度基准面。

1.2 单齿齿距误差频域特征

单齿齿距齿距误差的频域特征分析是通过从理论上剖析齿轮啮合刚度,并将其作为理想状态,进而得到在该时刻,齿轮副各部分几何参数与位置尺寸关系式。虽然可以用离散点估计值来估算精度指标来消除由于空间某特定条件变化引起的误差，但对于同一件两轴同样会导致一对齿距不等分布、计算出的结果有较大出入，而同时两轴线夹角和啮合转矩是由其实际情况决定,这两个参数的大小会直接影响到齿轮啮合刚度,而在该条件下计算出的接触特性则是一个未知量。

1.3齿距累积误差

齿距累积误差的频域分析就是指通过对连续波在同一时刻内与时间上进行计算,研究其空间位向变化规律,进而可以得出齿轮齿根圆角、几何关系和接触面间相对位置。通过计算机直接得到的数据信息量较小、精度要求高、运算繁琐以及它受到一定程度限制。可以通过离散傅里叶变换的方法去处理参数的随机数字信号,并对其进行频域分析。同时也可以采用特征面法中的小波变换对其进行处理,分析参数随机数字信号在不同条件下变化规律。

三、加工误差对面齿轮接触特性影响分析

1 加工误差的面齿轮接触特性影响

面齿轮传动是由齿数的多少、模角(或心轴距)和导程线转速来确定公比的情况下,根据已知条件进行设计的,从而得到所需尺寸精度。然而在实际生产过程中却存在着许多问题，比如说当夹具选好后需要安装工件时就会使定位误差变大，如果不仔细检查可能造成一定量的变形等缺陷，还有就是由于加工方法不当也有可能产生较大形位差、表面粗糙度及几何形状偏差等等。

2 齿轮切向偏向

切向偏向是指齿轮在啮合时的角速度方向和轮齿滚刀中心线始终相同,它与工件轴线相垂直。齿轮的切向偏向是指齿轮的轴线与与动盘平面垂直投影方向呈180º,即其角度符合正弦曲线,这就是所谓的“准圆弧”法线轮廓。由于机床加工精度受磨等因素影响较小，该误差主要由以下两方面原因引起:一方面因传动系统工作而产生的变形、噪音及振动都会造成切向偏向;另一方面是齿轮在啮合时相互间作用力所致,即所谓的“接触误差”。这些因素都导致了该面位精度低,从而影响到齿轮使用年限。

结束语：

齿轮传动是一种瞬时性、不间歇的旋转运动,因此在其工作过程中,不可避免地会产生接触和磨损。同时随着时间推移及温度变化而造成表面变形或齿面划伤等问题也越来越严重。因此,在齿轮传动过程中,保证其接触强度的要求和延长使用寿命就显得尤为重要。通过合理的工艺规划、有效地控制和改进制造工艺等措施,可以大幅度减少接触及磨损,从而提高耐磨性,并降低齿轮加工误差及对面齿轮接触特性影响。

参考文献：

【1】李晓贞,盛冬平,张栋林.加工误差对面齿轮接触特性影响分析[J].制造业自动化,2018:10-13.

【2】李政民卿,朱如鹏.装配偏置误差对正交面齿轮传动接触特性的影响[J].航空学报,2009:195-202.