日系挖掘机回转立轴主要结构参数的测绘

尹富先/YIN Fu-xian

（江苏鼎晟液压有限公司，江苏 常州 225261）

日系挖掘机回转立轴（以下简称立轴）的主要结构一端是动力输入部分的渐开线外花键，另一端是动力输出部分的渐开线外齿轮，中间部分与双列调心圆柱滚子轴承的内圈相配，对整个立轴起支承作用，结构见图1。

图1 挖掘机回转立轴结构形状图

因为立轴在挖掘机的工作过程中承受巨大的冲击载荷，而且这种冲击载荷是频繁出现的，所以立轴与回转支承一样，发生断齿故障的概率比较大，经常需要对该零件进行更换。全国每年各品牌挖掘机立轴的维修备件市场非常可观。如用挖掘机主机厂生产的原装立轴来更换，价格很高，比如小松PC200-5型挖掘机的立轴，国产质量好的每件约1800元，而原装品价格每件高达1万元，还常常缺货。为了实现挖掘机立轴国产化，首先要对立轴进行测绘。由于日系挖掘机在我国的保有量大约占全国挖掘机保有量的60%以上，需求量较大，故以小松PC200-5型挖掘机的立轴为例进行阐述。

1 立轴渐开线花键的测绘

1.1 各主要工业国渐开线花键标准

我国的渐开线花键标准GB/T3478.1-1995采用的齿形角（或压力角）为30°、37.5°和45°三种，变位系数为0；英国的标准BS3550-1963规定渐开线花键齿形角为30°，变位系数为0；美国的标准ANSIB921-1970规定渐开线花键齿形角为30°、37.5°、45°三种，变位系数为0。上述几个制造业大国的直齿圆柱渐开线花键标准使用的齿形角基本一致，而日本的标准JISD2001-1959规定渐开线花键齿形角为20°，变位系数有+0.6、+0.633、+0.8、+0.9、+0.957多 种。 而日系品牌挖掘机立轴的渐开线花键结构参数正是使用这个标准，因此，比较特殊。

1.2 立轴渐开线花键齿形角的确定

20°齿形角的渐开线花键与30°、37.5°和45°三种渐开线花键区别比较明显，根据渐开线花键的齿部形状和日本标准JISD2001-1959的规定，就能初步确定PC200-5型挖掘机的立轴渐开线花键齿形角为20°。

1.3 立轴渐开线花键模数的确定

对立轴样品渐开线花键的公法线长度进行测量的数据是：w4=41.90、w3=30.82。根据机械原理，可以初算渐开线花键的模数m：

根据日本标准JISD2001-1959，模数系列中的3.75为优先系列常用模数值，可确定PC200-5型挖掘机的立轴渐开线花键的模数m=3.75。

1.4 立轴渐开线花键变位系数的确定

根据机械原理，渐开线花键的公法线长度计算公式为：

对于PC200-5型挖掘机立轴，渐开线花键公法线跨测齿数k=4、齿数z=22，上两节已分别确定了：模数m=3.75，齿形角α=20°，实际测量W4=41.90，设变位系数为x，则

根据日本标准JISD2001-1959中的变位系数系列，有x=+0.8的数值。根据计算值，并考虑到渐开线花键加工过程中产生的偏差和测量误差，故可推断PC200-5型挖掘机立轴渐开线花键的理论变位系数应为x＝+0.8。

1.5 立轴渐开线花键参数的进一步验证

根据PC200-5型挖掘机立轴的大径、小径尺寸的测量值，以及经目测的齿形角、计算确定的模数和变位系数，订做了一把渐开线花键滚刀。用这把花键滚刀的齿廓置于PC200-5型挖掘机立轴样品渐开线花键的齿槽里对齿形，结果完全吻合。这就进一步验证了PC200-5型挖掘机立轴样品渐开线花键最基本的、最主要的参数：齿形角α＝20°，模数m＝3.75。

用测量得到的渐开线花键尺寸数据和结构参数以及订做的花键滚刀，制造一个与样品花键相同的外花键，再购置一个PC200-5型挖掘机回转装置中与立轴渐开线花键相匹配的行星架，行星架上有相对应的内花键。将二者进行装配后仔细观察，结果是内、外渐开线花键的齿形非常吻合，且间隙不紧不松，则验证了所确定的渐开线花键参数是正确的。

2 立轴渐开线齿轮的测绘

2.1 渐开线齿轮齿形角的确定

日本标准规定的齿轮齿形角一般为20°和27°两种。20°的齿形角我们很熟悉，经目测就基本上能确定。根据对PC200-5型挖掘机立轴样品的渐开线齿轮齿形的目测，初步认定其齿形角不是20°，应该可以初步确定其齿形角为27°。

2.2 渐开线齿轮模数的确定

1）对立轴样品渐开线齿轮的公法线长度进行测量的结果是：W3＝79.2、W2＝51，因为α＝27°，根据机械原理：基节tj＝πmcosα＝W3-W2＝79.2-51＝28.2

即：πmcos27°=28.2，所以 m=10.074；

2）测得立轴样品的全齿高H=22.5mm，根据渐开线齿轮参数的计算公式：全齿高H＝2.25m＝22.5（m为齿轮模数），得出m＝10。

3）查日本相关的齿轮标准，模数优先系列中有m=10的模数，故可以初步确定PC200-5型挖掘机立轴齿轮的模数m＝10。

2.3 渐开线齿轮变位系数的确定

根据日本相关的齿轮标准，对于PC200-5型挖掘机立轴，已知k=3，齿轮齿数z=15，模数m=10，齿形角α=27°，经测量W3=79.2,考虑到此值是在公法线有-0.2偏差的情况下的实际公法线，理论上：W3＝79.2+0.2＝79.4

根据机械原理，渐开线齿轮公法线长度计算公式为：wk=mcosα[π(k-0.5)+zinvα+2xtanα]

因此

解之得：x=0.477，故取变位系数：x=+0.48

2.4 立轴渐开线齿轮参数的验证

1）用样板验证齿轮参数的正确性 已知 m＝10，z＝15，α＝27°，x＝+0.48，齿顶圆直径da＝179.6，齿根圆直径dg＝134.6；用CAD画出其齿形图，再用线切割机床按照CAD图形，在一块5mm厚的钢板上切割出齿形，然后用切割出来的齿形置于PC200-5型挖掘机立轴渐开线齿轮的齿槽里，手动二者啮合，啮合顺畅、齿形吻合。这说明了测绘确定的齿轮参数基本上是正确的。

2）用齿轮滚刀验证样品的渐开线齿轮参数

根据初定的齿形角和模数，订做一把齿形角为27°、模数为10的滚齿刀，置于立轴渐开线齿轮的齿槽里，与立轴样品的渐开线齿轮手工模拟试滚。结果在试滚的过程中，样品立轴的渐开线齿轮与滚齿刀的啮合过程吻合、顺畅，由此可以断定PC200-5型挖掘机立轴渐开线齿轮的齿形角和模数的测绘数值是正确的。

3 确定立轴上轴颈的基本偏差及等级

由于挖掘机立轴的工况属于重载、冲击、交变载荷，根据机械设计手册推荐，确定立轴与双列调心圆柱滚子轴承内孔相配的轴颈尺寸及其偏差分别是∅95n6和∅90n6。

4 结 论

通过对PC200-5型挖掘机立轴的主要结构（渐开线外花键、渐开线外齿轮、轴承轴颈）的测量，应用机械原理的知识，分析、计算出了立轴渐开线花键和渐开线齿轮的主要参数（齿形角α、模数m、变位系数x）。另外，结合挖掘机立轴受力状况，确定了立轴的材料和热处理技术要求、形位公差等。依此制造出合格的零件，并经用户使用后证明，采用的测绘方法是正确、可行的。

[1]濮良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]朱齐平.进口挖掘机维修手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社，2005.

[3]吴宗泽.机械设计实用手册[M].北京:化学工业出版社，2010.