变速箱齿轮齿厚监控方法及实践

1、变速箱齿轮齿厚监控方法及实践【摘 要】 本文主要阐述了监控齿轮齿厚的必要性、监控齿厚的方法及选择、并以BE变速箱四档主动齿轮为例深入分析了通过R值检测与中心距检测来监控齿厚，最终保证产品的质量要求。【关键词】 变速箱齿轮，齿厚，监控，R值，中心距，检测 1.前言在轿车变速箱中，传递两轴之间的运动和力矩主要是通过齿轮传递系统来实现的，在机械件中齿轮是最重要的零部件之一。变速箱工作性能的好坏，在很大程度上与齿轮传递系统有关，为保证齿轮传递系统的质量技术要求，必须对齿轮传递系统的相关零件进行监控。本文主要阐述了神龙公司襄樊工厂齿轮件齿厚的监控方法及实践。2.控制齿轮齿厚的必要性圆柱齿轮传动基本要求中

2、一项为传动系统侧隙的合理性，因为在齿轮传递系统中，传动侧隙主要作用是储存润滑油，补偿齿轮受力变形和热变形，以及齿轮制造及安装误差，防止齿轮等部件卡死及烧伤。但侧隙也不能过大，若传动齿轮侧隙过大，会产生空程，引起换向冲击,产生噪声，使齿面过早损坏等。齿轮传动侧隙是在装配后自然形成的，侧隙的大小主要决定于齿厚和中心距。为获得必要的侧隙，ISO1325-75中对齿轮副采用“基中心距制”控制，襄樊工厂齿轮机械件的CSE清单中也要求对中心距进行控制。 “基中心距制”定义为在固定中心距极限偏差下，通过改变齿厚偏差而获得不同的最小侧隙。因此，侧隙的大小控制主要取决于对齿厚的控制。可见，合理监控齿轮齿厚对提高

3、传动系统的有效寿命非常重要。3.齿厚的监控方法与选择齿厚可以通过直接测量和间接测量得到，主要方法如下：齿厚直接测量方法包括：（1）测量分度圆弦齿厚；（2）测量固定弦齿厚。齿厚间接测量方法包括：（1）测量公法线；（2）测量跨棒距；（3）测量R值；（4）测量中心距。3.1齿厚直接测量方法定义及测量特点分析 分度圆弦齿厚的定义及测量特点分析 分度圆弦齿厚定义为齿轮的分度圆弧齿厚所对应的弦长。测量工具主要是齿厚游标卡尺。该测量方法的特点是测量分度圆弦齿厚时，要以齿顶圆作为测量基准，但齿轮实际工作时齿顶圆精度要求不高，故齿顶圆的设计和加工精度一般较低，影响弦齿厚的测量精度。 固定弦齿厚的定义及测量特点分

4、析 固定弦齿厚定义为基本齿条的两个齿与齿轮一个齿形对称接触时，那两条接触线之间的最短距离。测量工具主要是齿厚游标卡尺。该测量方法特点是测量固定弦齿厚时，也要以齿顶圆作为测量基准，影响其测量精度。3.2齿厚间接测量方法定义及测量特点分析 公法线的定义及测量特点分析 公法线定义为测量在“K齿”上的实际尺寸。渐开线齿轮公法线长度是指与两个异名齿侧相切的两平行平面间的距离。公法线长度可用公法线千分尺、公法线指示规、万能测齿仪进行测量。公法线长度测量比较简单，在中小模数的齿轮成批生产中，一般采用测量公法线长度来代替测量齿厚。测量中，因压力角偏差及切向偏差对公法线测量影响较大，应注意进行修正计算，并多次测

5、量取得平均值结果。目前襄樊工厂进行标准齿轮的验收时有所采用。跨棒距的定义及测量特点分析 跨棒距定义为两量棒（球）外侧或内侧的跨度。将两量棒（球）放入沿直径相对的两齿槽中，测量两量棒（球）外侧面或内侧面间的跨度，用以控制齿轮齿厚。跨棒距测量特点是不用齿顶圆作定位基准，方法简单，测量结果较准确，多用在小模数、批量生产的齿轮检测中。襄樊工厂进行花键检测及标准齿轮的验收时有采用。3.2.3 R值的基本定义及测量特点分析.1 R值定义指齿轮工件中心与钢球底部切点间的距离（如图1）。图1 R值R值检测可完成齿厚及齿圈径向跳动的监控。襄樊工厂采用检测齿轮R值方法来监控齿厚比较普遍。根据应用经验，现把R值检具

6、及关键部件的结构设计优化、使用及投资经验进行整理如下，供读者参考。.2 R值检具（1）先期投资的R值检具为立式R值检具（如图2）图2 立式R值检具该种检具可进行内孔一致、定位面到测头位置一致的品种检测，品种换型通过更换测头及校准件来实现。可采用电箱示值或仪表示值进行数据采集。此类型检具在使用过程中可兼容多个品种，工件装夹方便，操作简单；但是其膨胀轴系部分调整难度较大，检具膨胀轴系磨损后，要整套更换，投资费用较高。（2）后期投资过程中，结合立式R值检具设计和使用过程中体现的各种特点，同时考虑到部件更换等问题，开发并投入了卧式R值检具（如图3），与立式R值检具比较，部件复杂程度低，投资费用大大减少

7、。该种卧式R值检具可进行多品种检测，工件装夹方便，操作简单。品种换型通过更换胀轴、测头及校准件实现，受工件定位面和内孔形状影响较小。可采用电箱示值或仪表示值进行数据采集。但是在定位面或内孔不一致的品种检测时由于膨胀心轴、测头、校准件数量多，需要注意不同品种的标识。图3 卧式R值检具.3 R值检具膨胀心轴在R值检具的所有部件中，膨胀心轴是非常重要的部件之一。（1）先期投资的R值检具膨胀轴系（如图4）结构，其膨胀轴系通过凸轮机构促使胀套胀紧，从而达到锁紧工件的目的。此种结构工件装夹方便，但是由于整套膨胀轴系精度高，调整难度较大，检具膨胀轴系磨损后，需要整套配做，导致投资费用较高。图4 R值检具膨胀

8、轴系（2）后期投资的R值检具膨胀心轴（如图5）结构，其膨胀心轴通过心轴自胀，达到胀紧工件的目的。此种结构可用于卧式R值检具上，也用于齿轮测量机上装夹工件，完成齿轮精度的检测，工件装夹方便，但是因要准确控制膨胀心轴的膨胀量，确保工件能够被胀紧，又便于拆卸，这就提高了该种胀套的设计、制造要求；因是自胀心轴，工件经常装夹与拆卸会使胀套磨损加快。与图4结构比较，此种膨胀心轴结构比较简单，复杂程度不高，投资费用降低。图5 R值检具膨胀心轴（3）此外，立式、卧式R值检具上通用的膨胀心轴（如图6）结构，其膨胀心轴通过旋动锁紧螺母，促使胀套在锥度心轴上移动，从而达到胀紧工件的目的。此种结构还可用于齿轮测量机上

9、装夹工件，完成齿轮精度的检测，工件装夹方便，使用寿命相对较长，其胀套与心轴锥度部分要求配做。制造成本比图4、图5结构低。图6 R值检具膨胀心轴.4 R值检具测头R值检具测头是另一重要部件（如图7）。先期投资设计的球头与测头本体的结合方式为粘接方式，但在测量过程当中球头经常脱落，后期将球头与测头本体的结合方式改为焊接方式，从根本上解决了球头经常脱落的问题。图7 R值检具测头.5 R值检具及部件精度要求（1）R值检具精度要求：胀套在装上检定环规后的径向跳动和端面跳动精度保证0.005mm；R值检测为单截面检测，在检测鼓形齿轮时，要求工件定位准确，确保R值测头在工件有效齿的1/2截面位置检测。（2）

10、测头技术要求：球头精度参照PSA标准为NF E 22-381-0类，40级。直径公差要求达到±0.003mm，圆度要求达到0.002mm；球头部分不允许有磕碰、划伤、剥落等外观缺陷；测头要采用防锈和抗蚀能力、硬度高、韧性适中的材料制造，以保证测头的使用寿命。R值检具操作简单，测量方便，适宜大批量生产，襄樊工厂在齿轮类机械件的滚齿、剃齿加工工位及热后检查工位都配有R值检具，以此完成对齿厚的监控。.6 三坐标的应用随着科学技术的发展，三坐标检测技术在工厂内广泛应用。可以利用三坐标通过更换测头完成R值的检测。3.2.4中心距的基本定义及测量特点分析.1中心距：平行或轴线相交齿轮副的轴间距离

11、（如图8）。图8 双面啮合仪示意图襄樊工厂使用中心距测量监控比较普遍，根据现场使用状况分析，现把中心距测量经验进行整理如下，供读者参考。.2中心距测量齿厚：在双啮仪上使用标准齿轮与工件进行无侧隙啮合运转时检查实际齿厚。该种检查在于测量标准齿轮与被检工件的实际工作中心距，并且与按照标准齿轮工件产品的各自齿厚计算的理论中心距的值进行比较。实际记录的中心距的平均变化量显示了工件的实际齿厚。这种齿厚是真实齿厚与各种误差（包含径向误差、齿形、齿向等）的组合。在双啮仪检具检测中心距时要特别注意时时校准，加强对固定脱板的监控，防止因固定脱板位置漂移，导致检测误差的产生。在新标准齿轮验收中除齿轮精度及相关参数

12、要求合格外，要特别关注齿顶、齿根尺寸的验收，确保标准齿轮齿部有效啮合长度的正确。.3优点：双啮仪使用方便，成本低，测量方便，易于实现自动化，齿轮件生产线使用比较普遍。襄樊工厂在齿轮类机械件的滚齿、剃齿工位及热后检查工位都配有双啮仪检具，有效控制中心距，以此完成对齿厚的监控。3.3齿轮齿厚测量方法的选择襄樊工厂齿轮类机械件较多，均为批量生产，主要如MA/BE齿轮线、一二轴线、差速器齿圈线、齿套线、AEB齿轮线等，齿轮齿厚的质量监控则是这类产品的关键项之一，针对如此多的齿轮类机械件，选择高效的齿厚监控方法是十分必要的。襄樊工厂齿轮件精度要求较高，结合大批量的生产模式，以及现场检测效率等因素，没有选

13、择测量分度圆弦齿厚、测量固定弦齿厚、测量公法线的齿厚监控方法。襄樊工厂目前现场齿轮件检测实际应用过程中，在滚齿、剃齿、热后检查工位进行R值检测、双啮仪检测，两种监控齿厚方法特点分析如下： R值检测为单点测量，受齿轮精度及其齿面的缺陷的影响较小。热后磕碰伤工位进行R值检测确定齿厚，再根据现场实际情况确定热变形量，很方便的合理调整滚齿、剃齿加工余量，最终保证热后齿轮满足产品要求。 R值检测方便加工设备调试，但其不能准确模拟变速箱实际啮合状态，齿轮精度及其齿面的缺陷并不能评价出来。双啮仪检测恰恰弥补了R值检测的不足，其模拟了变速箱实际啮合状态，反映了实际齿厚的情况。双啮仪示值除可监控齿形、齿向、齿距

14、、径向误差等齿轮精度因素外，还可监控齿面划伤、拉丝、磕碰伤、切削震纹、光洁度差、毛刺、剃齿划痕、未完全剃齿、漏剃、啃齿痕迹、齿顶无修缘及齿侧有倒棱等表面缺陷因素，能够基本准确模拟变速箱实际啮合情况，在滚齿、剃齿工位进行抽检及热后检查工位的100%检测的方法对齿轮质量起到了很好的质量监控作用。 R值与中心距理论关系通过R值确定变位系数偶数齿M=2 (R+Dk) 奇数齿M=(2R+Dk)*cos(90/Z)+Dk偶数齿ax=arc cos (d0/(M-Dk) 奇数齿ax=arc cos (d0/(M-Dk)*cos(90/Z)inv ax=tng ax-axinv at=tng at-atax=

15、arc cos (d0/(M-Dk) inv an=tng an-anXn=Z/2 ctg an (inv ax-inv at) -Dk/(d0*cos B0)+/(2*Z)其中：M-跨棒距 Z-齿数 an-法向压力角 ax-任意圆上压力角at-任意圆上端面压力角 Dk-钢球直径 d0-基圆直径 B0-基圆螺旋角表1 中心距理论计算已知条件 计算结果标准齿轮Xn1工件Xn2工件Z标准齿轮ZanMtatinvat=inv at=tng at-atcos at=tgan=求出inv at'at'=端面啮合角invat'=invat'=2(Xn1+Xn2)tg an/

16、(Z1+Z2)+inv atat'=通过计算器计算得到cos at'=理论中心距a=a=(d1+d2)/2=(Z1+Z2)*mt/2 实际中心距a'=a'=(d1+d2)/2*(cosat/cosat') R值与中心距理论关系：R值小时，中心距值小；R值大时，中心距值大。R值检测与双啮仪检测二者理论上存在一一对应关系，实际监控中能够相互补充其不足，通过两者的有机结合，有效地保证了产品的质量。4. 应用以BE变速箱四档主动齿轮为例，通过R值检测及中心距检测来监控齿厚。4.1 BE变速箱四档主动齿轮热后R值（图9、表2）及中心距（表3）图9 四档主动齿轮表2

17、 四档主动齿轮热后R值热后R值理论值35.437to35.369刻印值35.366校准值-0.003读数值+0.068to0表3 四档主动齿轮热后中心距热后中心距理论值99.571to99.480刻印值99.786校准值0读数值-0.215to-0.3064.2 R值检具与双啮仪检具精度标定。4.2.1热后R值检具标定分析R值检具CMC标定合格，确定了（表2）R值刻印值、校准值及读数值。4.2.2 热后双啮仪检具标定分析（如图10）图10 双啮仪标定示意图.1三坐标测量中心距实测校准块规，工件芯轴直径，标准齿轮芯轴直径：校准块规+工件芯轴半径+标准齿轮芯轴半径=D1 .2按图纸理论计算中心距:

18、校准块规+工件芯轴半径+标准齿轮芯轴半径= D2确定D1-D2=D.3计量室与现场检具检测对照（1）先用校准块规校准，双啮仪视值到“0”位；（2）将标准齿轮装在标准齿轮心轴上，齿轮工件装在工件心轴上；（3）标准齿轮与工件做无测隙啮合，当双啮仪视值为最大时，使用三坐标测量确定图11中REP4项中心距值，比较两者差异；当双啮仪视值为最小时，再次使用三坐标测量确定下图11中REP4项中心距值，比较两者差异。图15 双啮仪测量示意图根据以上双啮仪实际标定情况，确定检具系统误差。从而确定了双啮仪刻印值、校准值及读数值（见表3）。4.3热后R值与中心距的实测分析使用其热后R值检具与双啮仪对热后15件齿轮工

19、件的R值及中心距进行测量。其中R值要求每件工件分别测量四点后，取其平均值，得到R值实测值；中心距测量最大值与最小值，取其平均值，得到中心距实测值。结果如图12所示：图12 R值与中心距实测趋势图从上图R值与中心距的变化趋势不难得到：R值偏下限，中心距偏下限。满足了R值与中心距的理论关系。通过R值与中心距检测双重验证得到齿厚偏下限。从上图中又得工序能力CPK=0.47。工序能力严重不合格，会产生大量的废品。4.4热前到热后R值与中心距加工过程（如图13）热前 滚齿（剃齿）R/中心距值热处理过程热后 产品R/中心距值图13 工艺路线图从图13中可知热前滚齿（剃齿）要经过热处理过程到热后，最终得到热后的R值与中心距值。因为在热处理过程中会使工件齿形、齿向、齿距、径向误差等发生变化，有热变形产生。根据襄樊工厂热变形跟踪程序，经过工艺实验收集大量数据、统计分析得到该齿轮件热变形为0.03mm左右。以4.3中热后数据做为基础数据将对热前R值进行适当调整，并计算得到滚齿、剃齿中心距（见表4）。表4 热前R值与中心距更改