消隙齒輪箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

崔 智

（西安航天華陽機(jī)電裝備有限公司，陜西 西安710100）

0 引言

大行程數(shù)控機(jī)床一般都采用齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，為了消除齒輪傳動(dòng)齒間嚙合間隙，滿足數(shù)控機(jī)床的高定位和重復(fù)定位精度要求，齒輪箱均采用特殊結(jié)構(gòu)，稱為消隙齒輪箱。在實(shí)際應(yīng)用中，一臺(tái)數(shù)控落地銑鏜床X軸采用消隙齒輪箱傳動(dòng)，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的使用，該軸定位精度嚴(yán)重走失，呈現(xiàn)不規(guī)則偏差，并且重切走刀無力。對(duì)此，我們經(jīng)過分析確定為消隙齒輪箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在缺陷，隨后對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單有效的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

1 原消隙齒輪箱的工作原理

圖1是消隙齒輪箱的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)通過齒輪5輸入齒輪箱，帶動(dòng)軸8旋轉(zhuǎn)，當(dāng)軸8右向旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)軸14左向旋轉(zhuǎn)，軸14上的左旋斜齒輪嚙合齒輪15和16通過內(nèi)脹緊套帶動(dòng)軸18右向旋轉(zhuǎn)，軸18上的直尺軸齒輪與齒條嚙合，帶動(dòng)整個(gè)齒輪箱向右移動(dòng)；當(dāng)軸8向左旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)左旋斜齒輪7與齒輪4嚙合，齒輪4通過平鍵帶動(dòng)軸6向右旋轉(zhuǎn)，軸6上的斜齒輪嚙合齒輪2和3帶動(dòng)軸1向左旋轉(zhuǎn)，軸1上的直齒輪與齒條嚙合帶動(dòng)齒輪箱向左移動(dòng)。斜齒輪2和3是兩個(gè)齒形完全相同的斜齒輪，通過螺釘固定為一體，安裝時(shí)通過上下兩個(gè)齒輪的牙型錯(cuò)位來消除與軸1上斜齒輪嚙合的側(cè)隙；齒輪15、16與軸14上的齒輪同樣原理消除側(cè)隙。齒輪箱與齒條安裝嚙合后，人工將軸1向左旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將軸18向右旋轉(zhuǎn)，此時(shí)軸1上的齒輪向左旋轉(zhuǎn)與齒條的嚙合間隙被消除，軸1向左旋轉(zhuǎn)到左旋斜齒輪7傳動(dòng)嚙合間隙被消除，齒輪7被動(dòng)軸向向上移動(dòng)壓緊碟簧9；同時(shí)軸18上的齒輪向右旋轉(zhuǎn)與齒條嚙合的間隙被消除，軸18向右旋轉(zhuǎn)到右旋斜齒輪軸8傳動(dòng)的嚙合間隙被消除，軸8被動(dòng)軸向向上移動(dòng)壓緊碟簧9，此時(shí)內(nèi)脹緊套17呈半脹緊狀態(tài)，當(dāng)軸8壓緊碟簧到一定程度時(shí)，軸18與齒輪16相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)完全鎖緊脹緊套17。齒輪箱向右移動(dòng)時(shí)，軸8右側(cè)的齒輪無間隙嚙合，左側(cè)齒輪由于側(cè)隙存在不參與傳動(dòng)，僅從動(dòng)，反之亦然。

此結(jié)構(gòu)的消隙齒輪箱在一臺(tái)數(shù)控落地鏜銑床X軸上的實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的使用，機(jī)床出現(xiàn)了定位及重復(fù)定位精度嚴(yán)重走失，并且重切走刀無力的問題。

根據(jù)機(jī)床出現(xiàn)的問題，我們判斷為X軸消隙齒輪箱存在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)缺陷。圖1中，軸18與齒輪16采用內(nèi)脹緊套連接，由于軸18屬于減速最后一級(jí)，傳遞的扭矩最大，并且斜齒輪16嚙合產(chǎn)生的軸向力也需要通過內(nèi)脹緊套消除，而內(nèi)脹緊套17的脹緊力無法滿足傳動(dòng)需求，導(dǎo)致軸18和齒輪16產(chǎn)生不確定的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而引起了該機(jī)床的故障現(xiàn)象。

圖1 原消隙齒輪箱結(jié)構(gòu)圖

2 改進(jìn)后消隙齒輪箱的工作原理

為了消除該齒輪箱的結(jié)構(gòu)缺陷，我們?cè)谠Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了如圖2所示的新結(jié)構(gòu)。

圖2 改進(jìn)后的消隙齒輪箱結(jié)構(gòu)

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(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，增加內(nèi)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(jìn)結(jié)構(gòu)后齒輪箱的側(cè)隙調(diào)整后靠外脹緊套鎖緊，該外脹緊套的鎖緊力矩是原內(nèi)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(jìn)后的消隙齒輪箱可輸出扭矩是原結(jié)構(gòu)的5倍，可充分保證機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。經(jīng)過激光干涉儀的測(cè)量，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后機(jī)床該直線軸的定位精度和重復(fù)定位精度達(dá)到0.02 mm和0.015 mm，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

此改進(jìn)方法最重要的特點(diǎn)是非常簡(jiǎn)單方便，僅對(duì)1個(gè)齒輪、1個(gè)軸和1個(gè)箱蓋進(jìn)行簡(jiǎn)單的補(bǔ)充加工，增加兩個(gè)脹緊套、兩個(gè)平鍵、1個(gè)軸承座。在所有增加的零件提前準(zhǔn)備好的情況下，從機(jī)床停機(jī)到完全恢復(fù)使用，整個(gè)維修過程僅耗時(shí)兩天，將機(jī)床使用者的損失減少到了最小。

3 結(jié)語

對(duì)于有些因局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷而對(duì)設(shè)備整體造成巨大影響的情況，我們可以通過巧妙而簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以最快、最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的方法消除該缺陷，為用戶挽回巨大的損失，同時(shí)還可以為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供很好的借鑒。

［1］周保牛，葉穗，周岳.數(shù)控雙齒輪消隙減速機(jī)的研制［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008（12）.

［2］鐘文斌，田貴磊，肖圣龍.雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)的研制與分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（4）.