锥齿轮的调整

锥齿轮的调整齿轮传动在农业工程机械及其它机械中有着广泛的应用。啮合印痕是检验齿轮啮合质量的一个重要综合指标，切齿、热处理、装配之后和加载时都必须进行啮合印痕试验。

目前，切齿及热处理方面对印痕变动规律的研究较多，而对装配后和加载时印痕变化情况则缺乏系统研究，这方面的资料较少，维修生产中，有的拖拉机说明调整示意图不正确，有些则没有资料，造成混乱，使齿轮传动啮合不正常。实践证明，齿轮啮合不正常是造成齿轮传动噪声、磨损加剧甚至断齿的重要原因。故有必要加深这方面的研究，为此笔者总结教学研究结果和生产实践经验，对啮合印痕变动规律加以分析研究，提出便于理解掌握的调整程序以供参考。

1齿轮传动调整要求

齿轮传动要达到运转时速度均匀，没有冲击和振动，且传动噪声小，装配则要精确地保持正常啮合。所谓正常啮合，对圆柱齿轮而言，即应保证啮合间隙和啮合印痕的要求；对圆锥齿轮则是保证两个锥齿轮节锥顶和节锥母线重合，即要求两锥齿轮轴心线必须垂直相交。由于制造误差、热处理变形和承载后齿轮与支撑系统的弹性变形等原因，这些要求很难实现。所以，在生产实践中，锥齿轮通常是通过啮合印痕、啮合间隙和齿背不齐差、轴承预紧度和噪声大小来检验判断齿轮的工作情况。啮合印痕、啮合间隙和齿背不齐差三者是相互关联的，通常若啮合印痕正确，齿隙和齿背不齐差也正确。旧齿轮由于齿面磨损，齿厚变薄，引起间隙增加，这是正常现象。因此，在调整啮合印痕时，不应该强行恢复配对时的啮合间隙，而应首先保证正常的啮合印痕，然后留出间隙。即遵循“啮合印痕为主，啮合间隙为辅”的原则。

对锥轴承施加适当的预紧力是提高支撑刚度的措施之一。实践表明锥齿轮两支撑刚度对齿轮寿命影响极大。大小锥齿轮在水平和垂直平面内的最大变形量应不超过±0.075mm。除在结构上采取一定措施外，通常在安装锥轴承时带有一定的预紧力。调整预紧力时应在大、小锥齿轮不受力的情况下进行。预紧力的大小，以相当于转动齿轮时有2.06～2.45N*M的阻力矩为宜。对从动锥齿轮的锥轴承，由于其支承结构不同，受热后轴承的紧度可能增加。故从动锥齿轮的锥轴承不宜有预紧度，甚至可留有适当间隙。即便预紧，其预紧程度也不宜超过支承主动锥齿轮轴承的预紧度。在进行啮合印痕调整时，应保证轴承的预紧力或间隙不发生变化。

啮合间隙是装配时产生的。其大小应根据齿轮的工作条件、精度等级来确定，通常以制造公差来保证。其主要作用是贮存润滑油，补偿制造和装配误差，补偿工作时热变形和弹性变形。新换齿轮在保证正常啮合的情况下，应有0.25～0.5mm的啮合间隙［1］。

啮合印痕是指齿轮副在轻微制动下，分布在齿面上的接触斑迹。啮合印痕的检查通常采用在主动齿轮齿面上涂一层薄红丹油的方法，转动齿轮副后，在被动齿轮的齿面上便会出现啮合印痕。正常的啮合印痕是指在齿宽方向印痕的长度不得小于齿宽的50%～60%，沿齿高方向的印痕宽度不得小于齿高的40%～50%，而且必须分布在节锥上［1］。齿轮安装位置、支承刚度和载荷对啮合印痕的位置都有影响。

2齿轮相对位置改变时啮合印痕的变动规律

影响圆柱齿轮啮合印痕、啮合间隙变化的因素，除齿轮加工误差外，使用后主要是因为壳体轴心线不平行或轴心线间距变化、齿轮轴弯曲、相配零件不同心、齿轮变形等。虽然影响因素比较复杂，但相对较直观，便于观察检测。

2.1改变安装距时锥齿轮啮合印痕的变动规律

锥齿轮的轴向位置直接影响啮合状况，为掌握啮合印痕的变化规律，现以直齿锥齿轮为例，讨论安装距不同时，啮合印痕的变化。沿轴线移动大齿轮或小齿轮，其轴向位移量A1和A2，可分解成两个分量：平行节锥母线的分量B1和B2，以及垂直于节锥母线的分量C1和C2(见图1)。这两个分量对齿隙和印痕的影响是不同的。

图1圆锥直齿啮合简图

2.1.1垂直分量对印痕的影响

正确啮合的圆锥齿轮(即处在标准位置)轮齿从大端到小端，理论上其节锥线上各啮合点都相当于一对等模数的圆柱齿轮的接触点。各点所对应的齿隙是相等的。因此，运转时两轮齿的接触区域是正确的。

由渐开线圆柱齿轮的啮合原理知，一对齿轮其齿隙和啮合角大小与中心距的大小有关。中心距增大其齿隙和啮合角也增大。在相同中心距的改变量下，分度圆直径越大的齿轮，其啮合角的改变量越小。

常见圆锥齿轮传动称为收缩顶隙圆锥齿轮传动。这种传动两齿轮齿顶圆锥、分度圆锥和齿根圆锥的锥顶部都重合于一点，轮齿由大端到小端逐渐缩小，整个轮齿各部位的齿廓曲率不同，小端齿廓曲率比大端齿廓曲率大。小端啮合角在相同位移量下比大端啮合角改变量大。

由渐开线圆柱齿轮啮合原理知，圆柱齿轮位移量、啮合角和齿隙间的关系是Sn=2Δsinα，式中，Sn齿隙，Δ：离开标准位置的位移量，α：啮合角。

对锥齿而言，从图2上A向视图表明的几何关系可得出上述关系为：

Sn=2Asinφsinα(1)

图2锥齿轮啮合示意图

式中，A指齿轮轴轴向位移量，φ指节锥半角。

由式(1)可得知，齿线Sn的改变量与垂直分量的改变量即ΔASinφ成正比，即垂直分量Bi(B1,B2)决定齿长方向齿隙的变化。

由上述分析知，直齿锥齿轮传动，节锥线上各啮合点齿隙相等，齿的各截面是同时啮入和啮出的，印痕基本处于中部，若锥齿轮偏离标准位置，沿齿长方向齿隙变化必不相等，小端齿隙变化量大于大端齿隙变化量，接触区域沿齿长方向移动，也即垂直分量使啮合印痕沿齿长方向变化明显，齿轮由标准位置外移，外痕移向大端，反之移向小端。

2.1.2平行分量对啮合印痕的影响

一对正确啮合的锥齿轮，相啮合的两轮齿各法向断面上的周节应相等。其啮合过程是由主动齿轮的齿根与被动齿轮的齿顶相接触，到主动齿轮齿顶离开被动齿轮的齿根为止。印痕是在整个轮齿齿高方向的工作面上(实际工作只是限于从齿顶到齿根的一段齿廓参加接触)。

如图2所示，齿面在齿线中点M接触。过接触点M取垂直于分度锥母线的m-m截面，得到于M点相接触的两齿廓(其中齿轮1的齿廓用虚线表示)。两齿廓在M点处有一公发线，啮合角为αt。

假定把齿轮2制动，齿轮1的安装距增加ΔA1，在同一截面m-m内，齿轮2的齿廓不变，齿轮1因截面改变，齿廓改变为图中实线齿廓。与M2对应的M1点的啮合角发生变化，其增量为：

(2)

式中，φi：齿轮“i”的分锥角(调小轮时i=1，调大轮时i=2)，αt：端面啮合角，Rm：中点锥距，ΔAi：齿轮安装距改变量(小轮i=1,大轮i=2)。

两齿廓M1和M2点在M相重合时，由于法线不重合，它们不能相切，只能相交。又应轮齿是实体不能相交，必须在图形“相交”的那段齿廓上重新找一个切点。齿面是空间曲面，必须考虑运动传动的影响。改变齿轮1的安装距之后，两齿面已不能在原来的m-m截面内接触，必然使齿轮2转过一角度，则相互啮合的两轮齿其各法向断面上的周节就不相等，且齿轮1的周节小于齿轮2的周节，接触点移向齿轮1齿根(见图3)。齿轮1转动时，因其周节较小，使后一对轮齿提前啮合，前一对轮齿提前离开。这样，齿轮1的齿顶不能接触齿轮2的齿根，接触点移向齿轮1齿根和齿轮2齿顶，反之，情况相反。

a主动齿轮外移，啮合印痕b主动齿轮内移，啮合印痕

偏向主动小齿轮齿根和被动大齿轮齿顶偏向主动小齿轮齿顶和被动大齿轮齿根

图3平行分量对啮合印痕的影响

由式(2)可以得出，啮合角增量ΔAiCosφ成正比，而AiCosφi=Ci，即平行分量Ci(C1,C2)决定啮合角。由此可见，平行分量使啮合印痕沿齿高方向变化。增大安装距，啮合印痕移向被调齿轮的齿根，配对齿轮的齿顶；减小安装距则相反。

综上所述，任一直齿圆锥齿轮改变安装距沿轴向移动，既有垂直分量又有平行分量，啮合印痕同时在齿轮齿长(或齿宽)和齿高上发生变化。传动比不等于1时，由于小轮的分锥角小于大轮的分锥角，增大相同的安装距，大轮其垂直分量C2大于其平行分量B2，也大于小轮垂直分量C1，小轮其平行分量B1大于其垂直分量C1，也大于大轮平行分量B2(如图1所示)。故大轮移动可明显地使印痕沿齿长方向变动比小轮显著；小轮移动可明显使印痕沿齿高方向变动，比大轮显著。

2.1.3改变安装距时啮合印痕的几种基本规律

调整安装距时，锥齿轮齿面啮合印痕位置变化，可分为沿齿高方向和沿齿长方向变化两种情况。由于齿轮受载后轮齿会发生变形，因此对于曲齿齿轮，其印痕位置的变化除了同直齿锥齿轮一样受安装距的影响外，还受轮齿曲线螺旋角β和曲率半径ρ的影响。为了便于分析，将齿分为3类：第1类是常用的螺旋角β在35°左右的螺旋锥齿轮，如解放牌汽车；第2类是指零度和小螺旋角的螺旋锥齿轮，如铁牛-55，属零度螺旋锥齿轮东方红-75，β=25°；有些旋耕机齿轮传动也属此类；第3类是β=35°延伸外摆线锥齿轮齿轮(也叫准摆线锥齿)，如丰收-27、37,JX-130汽车［2］。

2.1.3.1啮合印痕沿齿高方向的移动规律

通过理论分析和试验证实，齿根在齿高方向的变化只与安装距有关，与齿轮的主动或从动、大轮或小轮、齿面是凹面或凸面、是右旋或左旋，以及啮合间隙等因素无关。调小轮安装距时，啮合印痕沿齿高方向移动明显。这与直齿锥齿轮的理论分析结果相符。实际调整时，若印痕在齿高方向偏差较多，应以小轮调整为主，大轮进行辅助调整。

2.1.3.2啮合印痕沿齿长方向的移动规律

印痕在齿长方向的变动，除安装距的影响外，还与齿轮的几何参数、切齿刀具的尺寸以及轮齿的凹面、凸面有关；与齿轮是主动或从动、左旋或右旋以及啮合间隙有关。实践证实，3类齿轮中大轮安装距的变动对印痕沿齿长方向的变动与直齿锥齿轮的理论分析结果基本相符，即大轮安装距的改变使印痕沿齿长方向变动比调小轮显著。第2类齿轮，小轮安装距的变化对印痕沿齿长方向变动的影响则与第1类、第3类锥齿轮相反。当齿面为凸面时，增大小轮安装距印痕移向小端；当齿面为凹面时，增大安装距印痕移向大端。

2.2改变轴线垂直移距时啮合印痕的变动规律

轴线垂直移距，指的是两齿轮轴线沿其垂线方向的位移。理论上锥齿轮的两轴线垂直相交，轴线垂直移距V=0，+V表示小轮轴线低于大轮轴线；-V表示小轮轴线高于大轮轴线。

拖拉机、汽车上不可能调整轴线垂直移距。在滚动检验机上进行调整轴线垂直移距试验，研究印痕移动规律，是为了分析齿轮变形，轴承偏磨和轴承间隙等对啮合印痕位置的影响。

根据试验结果，轴线垂直移距变动对啮合印痕沿齿长方向移动的影响十分显著。印痕移动规律只与调整方向(即V的符号)、螺旋方向和轮齿凸面或凹面有关，当垂直移距+V方向增大时，左旋大轮齿面印痕在凹面向小端、齿根方向移动，在凸面向大端、齿根方向移动；右旋大轮齿面印痕在凹面向大端、齿顶方向移动，在凸面向小端、齿顶方向移动。

2.3改变轴交角啮合印痕的变动规律

理论上轴交角ε=90°，以+ε表示两轮的轴交角向大于90°方向变化；以-ε表示轴交角向小于90°方向变化，实际工作中不可能调整轴交角，进行轴交角试验以弄清啮合印痕移动规律，有助于分析各种误差和变形对啮合印痕的影响。

实验结果表明，轴交角增大时，各种螺旋角的弧齿锥齿轮的大轮凹面移动规律相同，即当轴交角增大时向小端、齿根方向移动。从β=0°开始，随着螺旋角逐渐增大，轴交角增大时印痕位置变化的幅度逐渐减小；到β=10°时，轴交角变动对大轮凸面印痕沿齿长方向的变动无明显影响；螺旋角继续增大时，轴交角增大啮合印痕沿齿长朝相反方向移动。

2.4承受载荷时锥齿轮啮合印痕变动规律

承受载荷时，啮合印痕的尺寸和位置受到许多因素的影响。这些因素的作用有的互相增强，有的互相削减。若锥齿轮技术状态正常，印痕位置和尺寸正确，轴承完好，间隙适合，则齿轮和支承系统的变形对印痕位置变动起主导作用。由载荷引起的各分力引起的ε变动量相互削减，起主导作用的是齿轮安装距A1、A2和轴线垂直距V的变化。

实践表明，第1类圆弧锥齿轮，无论前进档或倒退档，承受载荷时A1、A2和V的变化均促使印痕移向齿面大端，故空载时印痕调整应偏向小端。东方红-75弧齿锥齿轮(β=25°)类似第2类印痕变动规律，承载后印痕向大端移动幅度不大，故建议空载时将印痕调整在齿面中部。第3类锥齿轮(东方红-75拖拉机螺旋锥齿轮的配件，有一部分是延伸外摆线齿轮)。对于前进档工作面(大轮凸面)承载时，A2和V的变动使印痕移向大端，但A1变动则使印痕移向小端，A1和A2、V变动影响相互抵消，使印痕位置基本不变，接触区比较稳定，故建议空载时印痕应处于齿面中部。

3锥齿轮的调整程序

根据上述分析，实践中可参考以下程序进行：首先确定调整哪一齿轮。这由啮合印痕在齿长上偏离，还是在齿高方向偏离而定，前者应调大齿轮，后者应调小