齿轮修形在机车的上应用及发展

沈伟斌

摘要： 随着国外先进机车技术的引进，我国城市轻轨、地铁动车、快速列车是城市和城际客运交通的发展方向，它以快速、大容量、舒适、安全、经济及与环境的良好兼容为特征，发挥了铁路的固有优势，因而在世界各地蓬勃发展。本文主要讲述齿轮修形在机车上的应用，及如何对齿轮进行修形，和修形方法。

关键词：齿轮修形；修形量；修形长度；修形曲线

随着国外先进机车技术的引进，我国城市轻轨、地铁动车、快速列车是城市和城际客运交通的发展方向，它以快速、大容量、舒适、安全、经济及与环境的良好兼容为特征，发挥了铁路的固有优势，因而在世界各地蓬勃发展。目前我国正处于大力发展阶段。在机车动力牵引方向，齿轮传动越来越占主导作用，齿轮传动中，随着转速提高或载荷加大，轮齿的变形明显增大，其支承系统的变形也会增大，再加上安装制造等综合误差影响，不可避免地会出现啮入、啮出冲击，载荷突变、速度波动，以及由不同振型、频率组成的各阶振动，从而降低传动精度、缩短使用寿命、降低承载能力、增大齿轮传动噪声。齿轮修形可以尽可能地使齿轮在受载变形后齿面压力分布均匀、减少偏载，同时齿轮在齿廓变形以后仍能保持运转平稳、减少啮入和啮出的冲击。

什么是齿轮修形，即齿轮修形就是切掉齿轮啮合时产生的干涉部分，其主要任务是确定修形的三要素：修形量、修形长度和修形曲线。一般作法是：①沿渐开线相距等于基节的段不修形，啮入端和啮出端修形长度相等，修形量从最大值逐渐变化到零；②修形可以是一对齿的齿顶修形，也可以是单个齿的齿顶和齿根同时修形、与之匹配的另一个齿不修形。

修形量：主要由轮齿受载产生的弹性变形和制造产生的齿距偏差决定。增、减速传动的修形量及齿形公差带方向亦有所不同（主动轮齿距稍大有利）。考虑实践经验及加工方便，各国各公司都有自己的经验计算公式及标准。采用滚剃切齿工艺时，齿形修形量可按规定在刀具基本齿廓上确定，硬齿面齿轮的修形量可在磨齿机上通过修形机构来实现。

在修形工艺上，采用配磨工艺时，制造产生的螺旋线误差已得 到补偿，齿向修形量主要考虑弹性变形和热变形两部分变形量的叠加。由于齿面高速滚滑和高速油气流的摩擦产生的

热量及轴承的影响，使齿轮温升在体内及齿宽方向分布不均匀，因此，研究齿轮的温度场是热变形修形的关键。通过有关研究，得出高速齿轮温度场的主要规律有：

（1）温升主要取决于齿轮的圆周速度，满速后载荷的增加对温升影响不大。

（2）高速轴向油气流的摩擦造成啮出端温度升高，一般距啮出端约1/6齿宽处温度更高。

一般以vx来判断热变形程度。当vx=400～500m/s时，热变形不严重；vx达700m/s时，热变形

较大；超过850m/s后，热变形相当严重，修形难度大。因人字齿角β大，vx小，其热变形量及修形难 度比单斜齿小得多。 （3）小齿轮一般比大齿轮温度高5℃～10℃，传动比小时高5℃～8℃。 设计时，应采用使热变形和弹性变形的效果相抵消的布置方式，减速传动应使人字齿两外侧先进入啮合、单斜齿的小齿轮啮入端的转矩侧，增速传动应相反。

齿向修形通常只修小齿轮，有三种方式：齿端倒坡；鼓形齿；齿向修形，两端倒坡。

前两种方式适用于v<100m/s，热变形小的情况。第三种方式适用于v≥100m/s的情况。

前两种方式的修形量只按弹性变形量计算 0.013mm≤Δ≤0.035mm，l=0.25b；Δ1=Δ，Δ2= 0.00004b，l1=0.15b，l2=0.1b。 第三种方式的修形量，Δ1≤0.03mm，按弹性变形量计算；Δ2≤0.02mm，按热变形量计算。

齿轮啮合传动过程中主、被动齿轮的基节必须处处相等，从理论上讲，精确的渐开线刚性齿轮是完全能够实现上述目标的。但实际中的齿轮副均为弹性体，在一定啮合力作用下会产生相应的弹性变形，使处于啮合线位置的主动轮和被动轮基节出现变化，不再相等。当齿对2进入啮入位置时，由于齿对1的变形，主动轮基节Pb1小于被动轮基节Pb2，轮齿啮入点的啮合力骤然增高，形成了通常所说的啮入冲击。与此类似，在齿对1即将脱离啮合接触时，由于齿对2的变形，Pb1>Pb2，主动轮齿顶将沿被动轮齿根刮行，形成通常所说的啮出冲击 。 为了消除轮齿啮入和啮出冲击，通常采用齿廓修形的方法，即沿齿高方向从齿面上去除一部分材料，从而改变齿廓形状，消除齿对在啮入、啮出位置的几何干涉.齿廓修形的参数包括修形量、修形长度和修形曲线。在小齿轮齿顶修形量为01025mm，齿根修形量为0105mm，修形起点为单双齿啮合交替点，在修形曲线采用二次曲线的情况下，对各啮合齿对上载荷进行分配3。与未修形时相比，进入啮合位置载荷下降约20%，退出啮合位置载荷下降约40%。增大修形 量，啮入和啮出位置轮齿上载荷还将进一步降低。因此，齿廓修形可以显著改善齿轮传动的平稳性。齿轮传动系统在载荷的作用下将会产生弹性变包括轮齿的弯曲变形、剪切变形和接触变形，还有支撑轴的弯曲变形和扭转变形。这些变形将会使轮齿的螺旋线发生畸变，导致轮齿沿一 端接触，造成载荷分布不均匀，出现偏载现象.在前例中，由于主动齿轮（大齿轮）支撑跨距小，齿轮直径大，弯曲、扭转变形小，因此，主动齿轮螺旋角不修形。被动齿轮（小齿轮）支撑跨距大，弯曲、扭转变形大，因此，只对被动齿轮进行螺旋角修形。为被动齿轮螺旋角修形量分别为0″、30″、46″、60″时齿向载荷的分配情况。在 螺旋角没有修形的情况下（修形量为0″ ），载荷偏向转矩输入端；随着修形量增大，偏载现象逐步改善，在修形量为46″的情况下，承载最大的轮齿上载荷最小，载荷沿齿宽对称分布，螺旋角修形量取得最优解；再增大修形量，载荷偏向轮齿另一端。

随着工业经济的现代化，齿轮修形技术理论与工艺水平的提高必将推动机械行业的发展。齿轮齿面修形部位、修形量和修形曲线应针对各种不同的需求和具体对象，有目标地展开工作。 与机械修形相比，齿轮电化学修形是一种成本低、效率高、加工表面质量好的新工艺。在修形的同时，可降低齿轮表面粗糙度值及提高齿形精度。电化学齿轮修形这门新工艺必将展现出广阔的应用前景。

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