低地板齒輪箱齒輪嚙合斑分析與調整

邱永紅，楊釘，姜宇飛，邱仕勇

株洲九方裝備股份有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

隨著現代城市規模的不斷擴大，城市軌道交通工具快速發展，與傳統城軌車輛如地鐵、輕軌等相比，低地板車輛的地板更低，更方便乘客上下車，可省去站臺，基建成本比地鐵及普通輕軌更低。因此，在國外低地板車輛越來越得到大中型城市的青睞。近年來，中國的城市軌道交通事業快速發展，越來越多的城市逐漸將目光投向線路建設費用低、實用且美觀的低地板車輛，未來低地板車輛所占據城軌車輛的市場份額將逐步加大。

低地板齒輪箱作為低地板車輛的核心傳動部件，在車輛運行時起著傳輸電動機力矩、牽引車輛前進的作用。由于車輛地板低，轉向架結構緊湊，齒輪箱的邊界空間非常有限，因此低地板齒輪箱各部分的裝配工藝必須能夠有效保證齒輪箱的強度及壽命，尤其是齒輪的裝配，其嚙合斑是反映兩齒輪嚙合情況最直觀的體現。本文所述低地板齒輪箱（見圖1）采用的齒輪是克林根貝格齒輪，兩齒輪旋轉中心相互垂直，且偏置距為30mm，其中主動齒輪軸采用兩個圓錐滾子軸承和一個圓柱滾子軸承支承，從動齒輪采用空心軸加兩個圓錐滾子的結構，兩齒輪通過箱體垂直安裝。齒輪箱組裝后，其齒輪嚙合斑（見圖2）要求齒輪凹面嚙合斑距離從動齒輪小端5～15mm，距齒頂3～5mm，嚙合斑長度為20～30mm[1]；凸面嚙合斑距離從動齒輪小端10～20mm，距離齒頂3mm，嚙合斑長度為20～30mm。但在實際組裝過程中，兩齒輪相對位置的變化都會引起齒輪嚙合斑的變化。本文著重介紹組裝結構、軸承游隙、偏置距、安裝距和齒隙這幾個方面對低地板齒輪箱嚙合斑的影響。

圖1 齒輪箱結構示意

圖2 組裝后齒輪嚙合斑示意

2 低地板齒輪箱結構對齒輪嚙合斑的影響與調整

如上所述，低地板車齒輪箱的主動齒輪和從動齒輪采用偏置懸臂結構，當主動齒輪帶動從動齒輪轉動時，由于存在軸承游隙，所以主動齒輪和從動齒輪的旋轉軸線就會產生一定的夾角，當主動齒輪順時針轉動時，主動齒輪與從動齒輪凸面接觸，兩個齒輪的軸線的夾角變大（見圖3），嚙合斑向齒輪大端偏移。當主動齒輪逆時針旋轉時，主動齒輪與從動齒輪凹面接觸，兩個齒輪的軸線夾角變小（見圖4），嚙合斑向齒輪小端偏移。

圖3 順時針轉動時軸線夾角變大示意

圖4 逆時針旋轉時軸線夾角變小示意

因此在組裝過程中，必須消除因兩齒輪軸線變化導致的嚙合斑偏移。從動齒輪必須采用新的修形方式才能適用于低地板齒輪箱的特殊結構[2]。經反復統計驗證，最終確定一種新齒輪修形方式（見圖5），即從動齒輪出廠時凸面嚙合斑域中心向偏大端偏移5～7mm，凹面嚙合斑中心向小端偏移3～5mm。經過上述方法修形后的齒輪在裝配后，兩齒輪軸線夾角變化所導致的嚙合斑域偏移恰好與修形后的偏移量相互抵消，使齒輪嚙合斑符合使用要求。

圖5 齒輪嚙合斑新修形方式

3 偏置距對嚙合斑的影響與調整

偏置距是指兩齒輪軸線在豎直平面上的距離（見圖6）。齒輪出廠時，齒輪的偏置距都已按照設計要求加工好，但是在組裝時，齒輪的偏置距由箱體的加工尺寸控制，且無法調整。當箱體的偏置距在加工中偏大或者偏小時，齒輪的嚙合斑就會偏離正確的嚙合位置，嚙合形狀會呈現混亂狀態，或者偏齒頂，或者偏小端，毫無規律可循。因此組裝前，箱體的偏置距尺寸必須采用三坐標測量儀檢測，檢測合格后方能組裝。

圖6 偏置距示意

4 安裝距對嚙合斑的影響與調整

安裝距P（見圖7）是指主動齒輪和從動齒輪在垂直方向的距離，該尺寸可通過調整墊的厚度D進行調節[7]。由圖7可知：D=M+P－H。當安裝距P比實際值大時，相比理論的嚙合斑，凹面嚙合斑向小端偏移，同時向齒頂偏移；凸面嚙合斑會比理論的嚙合斑向大端偏移，同時向齒頂偏移；當安裝距P比實際值小時，從動齒輪凹面和凸面的嚙合斑則會向相反的方向偏移。在組裝過程中，發現從動齒輪

圖7 安裝距示意

嚙合斑與所要求的位置有差異時，可以通過調整安裝距（見圖8）對嚙合斑進行微調。

圖8 安裝距調整示意

為了確定安裝距對嚙合斑的影響，選取一組齒輪進行了驗證，驗證結果如圖9所示。

圖9 安裝距對嚙合斑的影響驗證

5 齒輪齒隙對嚙合斑的影響與調整

齒輪齒隙是指兩齒輪在嚙合時，固定從動齒輪，將百分表打在主動齒輪分度圓位置，正反轉動主動齒輪所得到的百分表讀數。

當齒輪齒隙過大時，會加劇齒輪磨損，傳遞精度下降，降低齒輪的使用壽命；當齒輪齒隙過小時，容易造成齒輪抱死，變速器失效。齒輪的周向齒隙控制在0.20～0.25mm，且在調節其嚙合斑時，必須把兩齒輪的齒隙值設定為安裝時所要求的參數。

當齒輪的出廠齒隙與安裝齒隙不相同時，兩齒輪的嚙合位置就會出現變化。當齒輪的出廠齒隙大于安裝齒隙時，或者齒輪出廠齒隙小于安裝齒隙時，嚙合斑范圍變小，接觸形狀變得細長；只有當齒輪出廠齒隙等于安裝齒隙時，嚙合斑范圍擴大，接觸形狀符合設計要求。不同齒隙對應的嚙合斑如圖10所示。

6 從動軸軸承游隙對嚙合斑的影響與調整

從動軸軸承游隙是指從動齒輪軸系在其軸向方向的移動量。游隙對嚙合斑的影響同齒隙類似，也是影響嚙合斑的形狀。

當齒輪的出廠游隙大于安裝游隙或者小于安裝游隙時，嚙合斑范圍變小，形狀變得細長。只有當齒輪出廠游隙等于安裝游隙時，嚙合斑范圍才會在合理區域。不同游隙對應的嚙合斑如圖11所示。

7 結束語

在實際組裝過程中，齒輪的出廠參數，箱體、軸類件和環類件的加工參數及加工精度十分重要，上述調整方法，只能對嚙合斑進行微調；當實際嚙合斑偏離要求形狀較大時，應著重檢查箱體偏置距、齒輪安裝距、齒輪偏置距、齒隙及相關尺寸的準確性，否則無法調出合格的齒輪嚙合斑。由于嚙合斑不合格的產品在后期的使用過程中會出現異響、磨損及壽命降低等故障，因此控制好齒輪嚙合的嚙合斑對組裝克林根貝格齒輪十分重要。