圓柱齒輪里端內錐孔長度測量裝置的研制

龍 慧，黃長征，李增煜，梁添煒

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005）

帶花鍵的齒輪作為一種基礎傳動零件，在機械調速齒輪箱中廣泛使用，有時為了保證裝配精度及穩定傳動的需要，齒輪花鍵孔的里端要求加工有一定錐度，且里端內錐孔的長度還有嚴格的尺寸公差要求.圖1為某一帶里端內錐孔的花鍵齒輪結構示意圖，該里端內錐孔的端口為錐形，內錐測量始點為A點，里端帶內錐孔長度LC有公差要求.但是，目前在測量LC時，現有測量裝置難以定位里端內錐長度的測量始點A，使里端內錐孔的圓柱孔長度難以測量.

目前，里端內錐孔長度測量裝置的工程應用方法主要有離線剖切法［1］、量具測量法［2］、光學測量法［3-4］.離線剖切法耗時、耗力；量具測量法由于存在測量定位誤差和較大的測量傳遞誤差，測量結果不準確；光學測量法借助激光技術，測量精度高，但是成本高、效率低［5］.由于上述原因，目前實際工程中的測量方法還是難以實現高精度和高效率測量.

文獻［6］中提出一種里端內錐孔長度測量裝置，該測量裝置測量效率雖高，但測量容易發生由于結構不對稱而出現晃動現象，以及測量裝置存在傳遞誤差和測量尺寸校準效率低，從而導致測量結果不精準.為此，筆者提出一種結構改進后的圓柱齒輪里端內錐孔組合式長度測量裝置.該組合式長度測量裝置由定位塞桿和測量塞桿組成，定位塞桿的外錐面抵在被測圓柱齒輪里端內錐孔的過渡位置，實現長度測量定位；測量塞桿從被測圓柱齒輪的內錐孔的另端插入，與定位塞桿平面配合，定位塞桿和測量塞桿均為軸對稱結構，從而實現測量尺寸平穩傳遞，再根據千分表的計數，測量出圓柱齒輪里端內錐孔的長度.

圖1 帶里端內錐孔的花鍵齒輪

圖2 測量裝置的定位塞桿

1 測量裝置結構

測量裝置的定位塞桿的結構如圖2所示.定位塞桿的一端呈圓臺形，端平面為一圓平面，側面為圓錐面，錐角β大于圖1所示被測齒輪花鍵孔內錐面的錐角α，即β＞α.由于該測量塞桿的錐角大于零件的錐角，這樣定位塞桿的外錐面能抵在被測圓柱齒輪里端內錐孔，實現通過測量塞桿錐面抵住被測齒輪長度測量始點，從而實現測量的準確定位.

圖3測量裝置的測量塞桿

圖4 測量裝置工作狀態示意圖

測量裝置的測量塞桿結構示于3中.測量塞桿的一端部設有圓柱形的配合塊，其端面上設有與定位塞桿端平面相配的圓平面，即定位塞桿與測量塞桿的配合塊的配合方式采用平面配合緊密接觸.采用平面接觸傳遞，接觸面積區域大，因而定位塞桿與測量塞桿能實現精確配合，提高測量的效率和準確性.測量裝置的定位塞桿和測量塞桿均為軸對稱的結構，測量時不會產生晃動而影響測量精度，避免了操作晃動或其它不精密操作誤差的影響.根據幾何關系，配合塊的外端面為平面，即可測量塞桿千分表的測頭頂點與定位塞桿端平面.

實際測量前，將測量塞桿置于水平實驗臺上，利用量塊精確測量千分表表針頭至配合塊外端平面的距離.實際測量時，雖然測量塞桿的定位塞桿的端平面有一定的表面平整度，但在加工精度保證情況下，實際表面平整度誤差尺寸足夠小.因此實際可認為測量塞桿的端平面將與定位塞桿的端平面的兩者完全貼合，即認為測量塞桿與定位塞桿在端平面處完全重合.由此，便能實現齒輪里端內錐孔長度從定位塞桿傳遞至測量塞桿上.測量塞桿上還設置有千分表，千分表在測量時與圓柱齒輪的端面接觸，即抵在被測圓柱齒輪里端內錐孔長度的端點.

測量裝置的工作狀態如圖4所示.測量裝置的定位塞桿從被測圓柱齒輪的底端插入，定位塞桿的錐面抵住被測齒輪的內錐頂點A，即長度測量始點位置，測量始點A至定位塞桿端平面的距離LA為固定值.測量塞桿從被測圓柱齒輪的內錐孔的另端插入并與定位塞桿的平面配合，測量塞桿上的千分表測頭抵在被測內錐孔的端點B，即長度測量終點位置，定位塞桿和測量塞桿的重合配合平面至測量終點B的距離LB可根據千分表指示計算得知，因此被測零件的長度值LC為測量始點A至配合平面距離LA和配合平面至測量終點B的距離LB之和，即LC=LB+LA.

2 裝置測量原理

測量原理如圖5所示.測量時，由于定位塞桿的錐角β大于里端帶內錐孔的花鍵齒輪的錐角α，定位塞桿的錐面抵住被測齒輪的內錐頂點A.此時，定位塞桿的安裝關系如圖6所示，測量始點A為測量塞桿的錐面與花鍵齒輪圓柱孔的圓柱面的交點，由于測量始點A為花鍵齒輪圓柱面上點，因此根據三角計算關系，可求得測量始點A至定位塞桿端面的距離為LA計算式

式中：D1—花鍵孔內徑；d1—定位塞桿端平面的直徑.

在安裝完成定位塞桿后，將測量塞桿從另一端放入，如圖5所示.此時，在重力作用下，測量塞桿與定位塞桿在端平面處完全貼合，實現將花鍵孔長度的測量始端經定位塞桿傳遞至測量塞桿上.由于測量前千分表針頭至配合平面的距離為已知，再根據千分表指示，可得到端平面至千分表針頭的距離LB，最后可求得測量始點A至測量終點B的距離，即里端內錐孔的長度LC.

批量測定某型號零件時，首先需對測量裝置進行標定工作，即標定定位塞桿的測量始點到千分表測頭端點的距離LC.為此，第一步需計算測量始點至端平面的距離LA，由于針對是某一確定型號花鍵孔，則其花鍵圓柱孔內徑D1、定位塞桿直徑d1以及錐角β基本尺寸確定且為一恒定不變值，根據式（1）求得LA的基本尺寸；第二步需利用量塊標定端平面至千分表針頭的距離LE.考慮千分表的使用特性和必須有一定的讀數余量，測量裝置在進行測量時，必須預留一定的壓縮量LD，則標定端平面至千分表針頭的距離LE的表達式為

式中，LE為千分表在無壓縮時至配合面的距離（即標定值），壓縮量LD必須保證被測零件的內錐孔長度處于公差范圍內，千分表均會產生有效偏轉，從而實現千分表有效測量.

圖5 測量原理圖

圖6 定位塞桿裝配示意圖

將式（2）代入式（1），千分表完全釋放時至標定平面距離LE的基本尺寸計算式為

式中，LB—標定尺寸值；LC—被測圓柱齒輪內錐孔長度的基本尺寸；LA—某測量零件始點至端平面恒定長度值；LD—考慮測量范圍的壓縮量.

測量裝置標定完成后，將千分表壓縮一定值，再旋轉千分表表盤，使千分表零刻度線對準千分表指針，即完成整個測量裝置的調節工作.然后將被測零件裝配到測量裝置上，根據千分表的偏轉讀數LF，即可測量內錐孔長度 L′C為：

式中：L′C—被測齒輪的里端內錐孔的實際值；LC—被測零件長度的基本尺寸；LF—千分表的讀數；δ表示配合公差.

3 工程實例

3.1 零件尺寸

某公司生產的花鍵齒輪的零件圖如圖7所示.其中，花鍵孔小徑直徑為花鍵齒輪的里端內錐孔的放大圖如圖7(c)所示，其測量始點為里端內錐結構，其長度值為即花鍵孔長度LC合格尺寸在（27.990～28.194）mm 范圍內.

3.2 測量裝置尺寸確定

測量裝置必須與被測齒輪配合精確，減少徑向和軸向竄動［7］.為此，如圖8所示，測量塞桿直徑基本尺寸與花鍵孔的配合尺寸為；定位塞桿與花鍵孔的配合尺寸為測量裝置的定位塞桿的錐角β設為40°，大于圖7(c)被測量零件的錐角35°，實現定位塞桿的精確定位.

圖7 花鍵齒輪零件圖

圖8 測量裝置與被測零件的配合尺寸

圖9 測量塞桿的標定示意圖

3.3 測量裝置參數設定

測量開始前，首先需進行標定工作，測量塞桿的標定方式如圖9所示.花鍵齒輪的花鍵孔長度基本尺寸28.092 mm，花鍵孔的小徑直徑基本尺寸為29.007 mm，設定定位塞桿端面直徑d1為10 mm，錐角β為40°，根據式（1），計算得測量始點至配合面的距離為LA為7.974 mm.為了保證測量裝置在被測長度上下偏差值為102 μm的范圍內仍能滿足測量需求，另外設定48 μm的余量，以便于讀數.即在標定時過程中千分表預設150 μm的壓縮量.由此，根據測量的花鍵孔長度基本尺寸為28.092 mm，即可由式（2）計算標定值為19.968 mm.

標定工作完成后，壓縮千分表的壓縮值為150μm，然后，旋轉千分表表盤旋轉，使表盤零位對準千分表指針.

完成整個測量裝置的調節工作后，將被測零件裝配到測量裝置上，根據千分表的偏轉量，便能直接得出花鍵孔的長度值.若千分表指針順時針或逆時針偏轉在格數小于102小格，即尺寸變化0.102 mm以內，則判定為合格產品；反之，為不合格產品.

在實際測試工作時，由于配合公差、定位塞桿及測量塞桿等制造公差影響，導致被測零件測量值存在誤差.因此，實際應用中會考慮這些因素，將采用更為嚴格的判斷標準.如千分表的偏轉格數為80小格作為判斷產品合格的標準.

上述測量過程由于測量裝置為軸對稱結構，測量過程十分簡便，同時測量裝置采用平面傳遞尺寸，測量結果準確，實用性強.

4 結論

工程應用表明，該組合式長度測量裝置能實現里端內錐孔長度測量.組合式長度測量裝置通過定位塞桿的錐面能實現測量長度定位，測量塞桿與定位塞桿利用平面傳遞測量尺寸，減少傳遞誤差，同時，測量裝置完全采用軸對稱結構，測量過程簡便且誤差少，該裝置結構簡單，方法巧妙，成本低廉，能很好滿足工程實際需要.同時為實現測量里端設為各種過渡形狀的內孔長度提供很好借鑒.

［1］陳金存，安立輝，樊莉，等.內孔凹槽小尺寸測量試驗研究[J].機械管理開發，2013，133(3):10-11.

［2］周琳，周靜，楊硯表.內孔量具的設計[J].機械工程師，2013(11):154.

［3］孟旭，張鎖懷，萬武勇.一種大尺寸孔軸線非接觸測量方法研究[J].機械設計與制造，2013(1):92-94.

［4］熊志勇，趙斌.基于梯形棱鏡三角法內孔測距傳感器[J].光學學報，2011,31(12):1-6.

［5］赫永鵬，于大國，王繼明，等.基于CMOS的深孔直線度測量方法研究[J].組合機床與自動化加工技術,2015(9):63-65.

［6］黃長征，龍慧，陳英懷.一種里端帶內錐孔的圓柱孔長度測量裝置的研制[J].機械設計與制造,2016(8):138-141.

［7］胡鳳蘭.互換性與技術測量基礎[M].北京:高等教育出版社.2010.