齒輪箱過盈配合裝配工藝方法研究

常 星

(智道鐵路設備有限公司，山西 太原030032)

在高速動車齒輪箱設計中，大量選用了過盈配合和過渡配合，如大齒輪和輸出軸之間為圓錐過盈配合，迷宮系統與軸之間為圓柱過盈配合，軸承內外圈與軸和軸承座之間分別為圓柱過盈配合和過渡配合等。相應的裝配方法也有脹縮法、壓入法和油壓法可以選用，但具體選用哪種裝配工藝必須從實現難易程度、有效性、操作性等多方面綜合去考慮[1]。

如輸入軸與聯軸器之間的圓錐過盈配合，由于包容件加熱困難，采用油壓法更為合理；大齒輪和輸出軸之間的圓錐過盈配合，通過設計特殊的工裝，加熱包容件，采用脹縮法可以避免壓入法極易擦傷零件表面的風險；齒輪箱迷宮系統和軸承系統，由于零件相對較小，過盈量不大，采用脹縮法更便于操作。

壓入法，當大齒輪和輸出軸為圓柱過盈配合時，常選用此種裝配工藝；油壓法，在參考文獻[2]中，已經有了清晰的闡述；因此，本文主要針對脹縮法的計算方法，結合具體的齒輪箱設計實例，通過具體試驗，驗證其合理性和有效性。

1 加熱方法和冷凍方法的確定

脹縮法，有加熱包容件和冷凍被包容件兩種形式，但由于冷凍膨脹系數較加熱膨脹系數小，零件溫度過低又會產生冷脆現象，且冷凍速度較加熱速度偏慢，因此除非包容件不易加熱，或過盈量小，或為過渡配合，一般以加熱包容件為首選。而對于軸承外圈和軸承座之間的過渡配合，由于軸承座加熱相對困難，冷凍軸承外圈實現起來更為容易。

具體到加熱方法，火焰加熱，熱傳導快，但受熱不均勻；油浴加熱，加熱均勻，升溫緩慢，常用于需要嚴格控制加熱溫度的場合；電磁感應加熱，升溫速度快，環保節能，但設備復雜，成本相對較高，通用性也差；電爐加熱，由于爐內溫度不均勻性，零件溫度波動大，但設備操作簡單、調整靈活、成本低、安全可靠、升溫速度較快。對于不需要嚴格控制加熱溫度，且許多包容件裝配過程中需要反復測量、計算和加工后，才能進行裝配的使用條件，電爐加熱的特點很好滿足了上述要求。

對于冷凍方法，由于軸承有最低溫度的使用要求，例如輸出軸選用的圓錐滾子軸承，在高于-54 ℃的條件下才能保證穩定的外形尺寸，因此采用冷凍柜就可以滿足要求。

2 加熱溫度和冷凍溫度的確定

參考文獻[3]中，加熱溫度：

式中：[δmax] 為配合的最大過盈量，mm；Δ 為裝配的最小間隙，通常為相同公稱直徑間隙配合H7/g6 的最大間隙，或2 至3 倍過盈量，mm；αa，αi分別為材料的加熱和冷凍線脹系數，加熱和冷凍大小不同，可查表獲取；t為裝配的環境溫度，℃；eit為被包容件外徑的冷縮量，mm；df為配合的結合直徑，mm。

在上述計算過程中，一般是以最大過盈量為準，而實際過盈量并沒有達到最大，因此計算溫度值是有裕量的。對于裝配最小間隙，按照不同方法選取，計算結果差別也很大。

因此，在確定溫度時，首先應參考按照不同方法確定的裝配最小間隙的條件下計算出的結果，然后綜合考慮材料極限、設備溫差效應以及生產節奏等，最后通過實際裝配效果，來最終確定裝配溫度。

3 設計實例

以某型齒輪箱軸承內外圈以及大齒輪裝配為例，詳細分析其裝配溫度的確定過程。

如果裝配最小間隙按照相同公稱直徑間隙配合H7/g6 的最大間隙進行計算：輸入側圓柱滾子軸承內圈加熱溫度為138.8 ℃，軸承外圈冷凍溫度為-81.4 ℃；輸出側圓錐滾子軸承內圈加熱溫度為115.9 ℃，軸承外圈冷凍溫度為-53.7 ℃；大齒輪加熱溫度為219 ℃。

如果裝配最小間隙按照2 倍過盈量進行計算：輸入側圓柱滾子軸承內圈加熱溫度為114.5 ℃，軸承外圈冷凍溫度為-39.7 ℃；輸出側圓錐滾子軸承內圈加熱溫度為130 ℃，軸承外圈冷凍溫度為-43.3 ℃；大齒輪加熱溫度為339 ℃。

考慮到兩種軸承的最低使用溫度都應大于-50 ℃，結合上述計算值，冷凍溫度初步選取為-40 ℃。

圓柱滾子軸承通常能夠在不超過150 ℃條件下，保證穩定的外形尺寸；圓錐滾子軸承通常能夠在不超過120 ℃條件下，保證穩定的外形尺寸；雖然有些經過特殊熱處理的圓錐滾子軸承內外圈能夠承受150℃的溫度，但長時間的高溫會增加軸承其他附屬配件的風險。因此，結合上述計算值，圓錐滾子軸承加熱溫度初步選取為120 ℃，圓柱滾子軸承加熱溫度分別選取為120 ℃、135 ℃和150 ℃，并通過試驗來驗證哪個溫度更為合適[4]。

考慮到大齒輪的低溫回火，加熱溫度一般不能超過180 ℃[5]。由于加熱溫度降低，大齒輪內孔脹量減少，增加了裝配困難，但同時也提高了裝配精度，改善了熱裝完成冷卻過程中的軸向收縮問題。因此，加熱最高溫度初步選取為175 ℃。

由于熱裝大齒輪采用的是軸線處于垂直位置的常規豎式裝配，按照參考文獻[7]，熱裝軸向收縮間隙

式中：[δmax] 為配合的最大過盈量，mm；f為熱裝面上的摩擦系數；L為輪轂長度，mm；D為孔徑，mm；D1為輪外徑，mm；d為軸外徑，mm；μ 為柏松比。

代入相關數據，熱裝軸向收縮間隙最大值約為0.115 mm，在不考慮專用的熱裝工裝加工誤差條件下，其理論計算軸向收縮最大間隙滿足設計要求。

4 試驗方案

基于車間現有PAHS-780 型和PAYS-3125 型加熱爐，DW-FW351 型工業冷凍柜，采用FLUKE 51Ⅱ型接觸式測溫儀，完成零件加熱、冷凍，和表面溫度數據測量過程。

圓柱滾子軸承內圈，加熱爐溫度分別設定為150 ℃、135 ℃和120 ℃，分別完成三次試驗過程；每隔10 min 記錄一次數據，待測量數據穩定后測量過程結束；然后分別驗證在不同溫度條件下，裝配過程是否順利。

圓錐滾子軸承內圈，加熱爐溫度設定為120 ℃，每隔10 min 記錄一次數據，待測量數據穩定后測量過程結束；然后驗證裝配過程是否順利。

軸承外圈，冷凍柜溫度設定為-40 ℃；開始階段每隔10 min 記錄一次數據，待溫度下降減緩時，逐漸增加測量時間間隔，待測量數據穩定后測量過程結束，然后驗證裝配過程是否順利。

大齒輪，加熱爐加熱程序設置為，從常溫升溫至150 ℃并保溫，共持續1 h；從150 ℃升溫至175 ℃并保溫，共持續2 h。每隔30 min 記錄一次數據，待測量數據穩定后（加熱保溫時間共計不少于3 h），且表面溫度≥160 ℃時，開始熱裝大齒輪，并記錄熱裝結束時大齒輪表面溫度；待大齒輪恢復至室溫后，使用3D 設備和軸跳動設備分別測量相應數據，驗證熱裝軸向收縮量和專用工裝精度是否滿足設計要求，試驗結束。

5 試驗結果

如圖1 所示，由于爐內溫度分布不均，實際零件熱平衡溫度分別為：設置溫度150 ℃，熱平衡溫度≤141 ℃；設置溫度135 ℃，熱平衡溫度≤133.2 ℃；設置溫度120 ℃，熱平衡溫度≤114.6 ℃；并圍繞熱平衡溫度上下波動。

圖1 圓柱滾子軸承內圈溫升記錄

加熱爐設置為120 ℃，加熱時間20 min 以上，軸承內圈裝配過程中偶爾會出現卡頓現象，需要橡膠錘輔助安裝。

加熱爐設置為135 ℃或150 ℃，加熱時間20 min以上，裝配過程十分順利。

如圖2 所示，由于爐內溫度分布不均，實際零件熱平衡溫度為≤115.2 ℃，并圍繞熱平衡溫度上下波動。由于輸出軸軸承內圈尺寸相對較大，為保證完全熱透，并改善裝配過程，要求在加熱爐設置為120 ℃情況下，加熱時間應不少于2 min；按照此條件，裝配過程十分順利，未出現卡頓現象。從表1 中的數據也可以體現出內圈尺寸增加量為最大過盈量的兩倍以上。

圖2 圓錐滾子軸承內圈溫升記錄

表1 圓錐滾子軸承內圈尺寸變化

如圖3 所示，零件表面溫度下降緩慢，兩小時以后溫度下降速度逐漸趨于平緩，3 h 以后基本達到冷平衡溫度。裝配過程十分順利，未出現卡頓現象。從表2 中的數據也可以體現出外圈尺寸減少量為最大過盈量1.5 倍以上。

圖3 軸承外圈溫降記錄

如圖4 所示，大齒輪溫度緩慢上升，在加熱150 min后，表面溫度已經達到160 ℃以上；設置加熱爐程序，爐內溫度上升速度約5 ℃/min，并在150 ℃和175 ℃條件下進行保溫，因此大齒輪內外溫升均勻；加熱3 h 后，大齒輪基本達到熱平衡溫度。

表2 圓錐滾子軸承外圈尺寸變化

圖4 大齒輪溫度記錄

熱裝過程十分順利，恢復室溫后，3D 設備和軸跳動設備測量結果滿足設計要求。

6 結論

圓柱滾子軸承內圈，將加熱爐設置為135 ℃，同時加熱時間不少于20 min。這樣，零件熱平衡溫度相對較高，可以改善裝配過程；也不會對零件造成損害和減少軸承使用壽命；并且可以加快升溫速度，對于其它需要測量、加工的零件，可以縮短熱裝等待時間，提高生產效率。

圓錐滾子軸承內圈，將加熱爐設置為120 ℃，加熱時間不少于2 h，可以保證軸承內圈完全熱透，改善裝配過程，同時對軸承保持架也不會有任何風險。

軸承外圈，冷凍柜溫度設定為-40 ℃，為了改善裝配過程，冷凍時間應不少于2 h。

大齒輪，按照加熱爐程序，爐內溫度上升速度約5 ℃/min，并在150 ℃和175 ℃條件下進行保溫，因此大齒輪內外溫升均勻；熱裝完成后，大齒輪表面溫度在5 min 內急劇下降約80 ℃，隨后3D 設備和軸跳動設備測量結果表明，大齒輪已完全抱緊輸出軸，軸向收縮量在允許范圍內，工裝精度滿足要求，大齒輪安裝到位。

綜上，脹縮法裝配溫度的確定，需要綜合考慮配合過盈量、最小裝配間隙、材料溫度限制、熱處理溫度限制、生產節奏、生產效率、具體加熱冷凍方法的特點、以及實現難易程度等，并且通過實際裝配效果，來最終確定。而合理的裝配溫度，可以有效地提高生產效率，同時降低返工返修的頻率，并最終改善裝配過程。