消隙齒輪箱的結構改進分析

崔 智

（西安航天華陽機電裝備有限公司，陜西 西安710100）

0 引言

大行程數控機床一般都采用齒輪齒條傳動結構，為了消除齒輪傳動齒間嚙合間隙，滿足數控機床的高定位和重復定位精度要求，齒輪箱均采用特殊結構，稱為消隙齒輪箱。在實際應用中，一臺數控落地銑鏜床X軸采用消隙齒輪箱傳動，經過較長時間的使用，該軸定位精度嚴重走失，呈現不規則偏差，并且重切走刀無力。對此，我們經過分析確定為消隙齒輪箱設計結構存在缺陷，隨后對其進行了簡單有效的結構改進。

1 原消隙齒輪箱的工作原理

圖1是消隙齒輪箱的結構，運動通過齒輪5輸入齒輪箱，帶動軸8旋轉，當軸8右向旋轉時，軸上的右旋斜齒輪與齒輪11嚙合，齒輪11通過平鍵13連接帶動軸14左向旋轉，軸14上的左旋斜齒輪嚙合齒輪15和16通過內脹緊套帶動軸18右向旋轉，軸18上的直尺軸齒輪與齒條嚙合，帶動整個齒輪箱向右移動；當軸8向左旋轉時帶動左旋斜齒輪7與齒輪4嚙合，齒輪4通過平鍵帶動軸6向右旋轉，軸6上的斜齒輪嚙合齒輪2和3帶動軸1向左旋轉，軸1上的直齒輪與齒條嚙合帶動齒輪箱向左移動。斜齒輪2和3是兩個齒形完全相同的斜齒輪，通過螺釘固定為一體，安裝時通過上下兩個齒輪的牙型錯位來消除與軸1上斜齒輪嚙合的側隙；齒輪15、16與軸14上的齒輪同樣原理消除側隙。齒輪箱與齒條安裝嚙合后，人工將軸1向左旋轉，同時將軸18向右旋轉，此時軸1上的齒輪向左旋轉與齒條的嚙合間隙被消除，軸1向左旋轉到左旋斜齒輪7傳動嚙合間隙被消除，齒輪7被動軸向向上移動壓緊碟簧9；同時軸18上的齒輪向右旋轉與齒條嚙合的間隙被消除，軸18向右旋轉到右旋斜齒輪軸8傳動的嚙合間隙被消除，軸8被動軸向向上移動壓緊碟簧9，此時內脹緊套17呈半脹緊狀態，當軸8壓緊碟簧到一定程度時，軸18與齒輪16相對轉動，此時完全鎖緊脹緊套17。齒輪箱向右移動時，軸8右側的齒輪無間隙嚙合，左側齒輪由于側隙存在不參與傳動，僅從動，反之亦然。

此結構的消隙齒輪箱在一臺數控落地鏜銑床X軸上的實際應用中，經過較長時間的使用，機床出現了定位及重復定位精度嚴重走失，并且重切走刀無力的問題。

根據機床出現的問題，我們判斷為X軸消隙齒輪箱存在設計結構缺陷。圖1中，軸18與齒輪16采用內脹緊套連接，由于軸18屬于減速最后一級，傳遞的扭矩最大，并且斜齒輪16嚙合產生的軸向力也需要通過內脹緊套消除，而內脹緊套17的脹緊力無法滿足傳動需求，導致軸18和齒輪16產生不確定的相對轉動，進而引起了該機床的故障現象。

圖1 原消隙齒輪箱結構圖

2 改進后消隙齒輪箱的工作原理

為了消除該齒輪箱的結構缺陷，我們在原結構的基礎上設計了如圖2所示的新結構。

圖2 改進后的消隙齒輪箱結構

增加平鍵8以保證齒輪5和軸7之間的扭矩傳遞且不出現相對轉動，增加內脹緊套6的厚度，以消除斜齒輪5的軸向力，使齒輪5和軸7完全固定；取消軸3和齒輪1之間的平鍵，改為用外脹緊套2連接；增加軸承座4，以方便外脹緊套的鎖緊。

改進結構后齒輪箱的側隙調整后靠外脹緊套鎖緊，該外脹緊套的鎖緊力矩是原內脹緊套的2.5倍，并且軸3傳遞的扭矩是軸7的0.5倍，所以改進后的消隙齒輪箱可輸出扭矩是原結構的5倍，可充分保證機床直線運動的準確性。經過激光干涉儀的測量，改進結構后機床該直線軸的定位精度和重復定位精度達到0.02 mm和0.015 mm，完全滿足設計要求。

此改進方法最重要的特點是非常簡單方便，僅對1個齒輪、1個軸和1個箱蓋進行簡單的補充加工，增加兩個脹緊套、兩個平鍵、1個軸承座。在所有增加的零件提前準備好的情況下，從機床停機到完全恢復使用，整個維修過程僅耗時兩天，將機床使用者的損失減少到了最小。

3 結語

對于有些因局部結構設計缺陷而對設備整體造成巨大影響的情況，我們可以通過巧妙而簡單的結構改進，以最快、最經濟、最實用的方法消除該缺陷，為用戶挽回巨大的損失，同時還可以為類似結構的設計提供很好的借鑒。

［1］周保牛，葉穗，周岳.數控雙齒輪消隙減速機的研制［J］.制造技術與機床，2008（12）.

［2］鐘文斌，田貴磊，肖圣龍.雙齒輪消隙結構的研制與分析［J］.機械設計與制造，2014（4）.