消隙齿轮箱的结构改进分析

崔 智

（西安航天华阳机电装备有限公司，陕西 西安710100）

0 引言

大行程数控机床一般都采用齿轮齿条传动结构，为了消除齿轮传动齿间啮合间隙，满足数控机床的高定位和重复定位精度要求，齿轮箱均采用特殊结构，称为消隙齿轮箱。在实际应用中，一台数控落地铣镗床X轴采用消隙齿轮箱传动，经过较长时间的使用，该轴定位精度严重走失，呈现不规则偏差，并且重切走刀无力。对此，我们经过分析确定为消隙齿轮箱设计结构存在缺陷，随后对其进行了简单有效的结构改进。

1 原消隙齿轮箱的工作原理

图1是消隙齿轮箱的结构，运动通过齿轮5输入齿轮箱，带动轴8旋转，当轴8右向旋转时，轴上的右旋斜齿轮与齿轮11啮合，齿轮11通过平键13连接带动轴14左向旋转，轴14上的左旋斜齿轮啮合齿轮15和16通过内胀紧套带动轴18右向旋转，轴18上的直尺轴齿轮与齿条啮合，带动整个齿轮箱向右移动；当轴8向左旋转时带动左旋斜齿轮7与齿轮4啮合，齿轮4通过平键带动轴6向右旋转，轴6上的斜齿轮啮合齿轮2和3带动轴1向左旋转，轴1上的直齿轮与齿条啮合带动齿轮箱向左移动。斜齿轮2和3是两个齿形完全相同的斜齿轮，通过螺钉固定为一体，安装时通过上下两个齿轮的牙型错位来消除与轴1上斜齿轮啮合的侧隙；齿轮15、16与轴14上的齿轮同样原理消除侧隙。齿轮箱与齿条安装啮合后，人工将轴1向左旋转，同时将轴18向右旋转，此时轴1上的齿轮向左旋转与齿条的啮合间隙被消除，轴1向左旋转到左旋斜齿轮7传动啮合间隙被消除，齿轮7被动轴向向上移动压紧碟簧9；同时轴18上的齿轮向右旋转与齿条啮合的间隙被消除，轴18向右旋转到右旋斜齿轮轴8传动的啮合间隙被消除，轴8被动轴向向上移动压紧碟簧9，此时内胀紧套17呈半胀紧状态，当轴8压紧碟簧到一定程度时，轴18与齿轮16相对转动，此时完全锁紧胀紧套17。齿轮箱向右移动时，轴8右侧的齿轮无间隙啮合，左侧齿轮由于侧隙存在不参与传动，仅从动，反之亦然。

此结构的消隙齿轮箱在一台数控落地镗铣床X轴上的实际应用中，经过较长时间的使用，机床出现了定位及重复定位精度严重走失，并且重切走刀无力的问题。

根据机床出现的问题，我们判断为X轴消隙齿轮箱存在设计结构缺陷。图1中，轴18与齿轮16采用内胀紧套连接，由于轴18属于减速最后一级，传递的扭矩最大，并且斜齿轮16啮合产生的轴向力也需要通过内胀紧套消除，而内胀紧套17的胀紧力无法满足传动需求，导致轴18和齿轮16产生不确定的相对转动，进而引起了该机床的故障现象。

图1 原消隙齿轮箱结构图

2 改进后消隙齿轮箱的工作原理

为了消除该齿轮箱的结构缺陷，我们在原结构的基础上设计了如图2所示的新结构。

图2 改进后的消隙齿轮箱结构

增加平键8以保证齿轮5和轴7之间的扭矩传递且不出现相对转动，增加内胀紧套6的厚度，以消除斜齿轮5的轴向力，使齿轮5和轴7完全固定；取消轴3和齿轮1之间的平键，改为用外胀紧套2连接；增加轴承座4，以方便外胀紧套的锁紧。

改进结构后齿轮箱的侧隙调整后靠外胀紧套锁紧，该外胀紧套的锁紧力矩是原内胀紧套的2.5倍，并且轴3传递的扭矩是轴7的0.5倍，所以改进后的消隙齿轮箱可输出扭矩是原结构的5倍，可充分保证机床直线运动的准确性。经过激光干涉仪的测量，改进结构后机床该直线轴的定位精度和重复定位精度达到0.02 mm和0.015 mm，完全满足设计要求。

此改进方法最重要的特点是非常简单方便，仅对1个齿轮、1个轴和1个箱盖进行简单的补充加工，增加两个胀紧套、两个平键、1个轴承座。在所有增加的零件提前准备好的情况下，从机床停机到完全恢复使用，整个维修过程仅耗时两天，将机床使用者的损失减少到了最小。

3 结语

对于有些因局部结构设计缺陷而对设备整体造成巨大影响的情况，我们可以通过巧妙而简单的结构改进，以最快、最经济、最实用的方法消除该缺陷，为用户挽回巨大的损失，同时还可以为类似结构的设计提供很好的借鉴。

［1］周保牛，叶穗，周岳.数控双齿轮消隙减速机的研制［J］.制造技术与机床，2008（12）.

［2］钟文斌，田贵磊，肖圣龙.双齿轮消隙结构的研制与分析［J］.机械设计与制造，2014（4）.