低地板齿轮箱齿轮啮合斑分析与调整

邱永红，杨钉，姜宇飞，邱仕勇

株洲九方装备股份有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

随着现代城市规模的不断扩大，城市轨道交通工具快速发展，与传统城轨车辆如地铁、轻轨等相比，低地板车辆的地板更低，更方便乘客上下车，可省去站台，基建成本比地铁及普通轻轨更低。因此，在国外低地板车辆越来越得到大中型城市的青睐。近年来，中国的城市轨道交通事业快速发展，越来越多的城市逐渐将目光投向线路建设费用低、实用且美观的低地板车辆，未来低地板车辆所占据城轨车辆的市场份额将逐步加大。

低地板齿轮箱作为低地板车辆的核心传动部件，在车辆运行时起着传输电动机力矩、牵引车辆前进的作用。由于车辆地板低，转向架结构紧凑，齿轮箱的边界空间非常有限，因此低地板齿轮箱各部分的装配工艺必须能够有效保证齿轮箱的强度及寿命，尤其是齿轮的装配，其啮合斑是反映两齿轮啮合情况最直观的体现。本文所述低地板齿轮箱（见图1）采用的齿轮是克林根贝格齿轮，两齿轮旋转中心相互垂直，且偏置距为30mm，其中主动齿轮轴采用两个圆锥滚子轴承和一个圆柱滚子轴承支承，从动齿轮采用空心轴加两个圆锥滚子的结构，两齿轮通过箱体垂直安装。齿轮箱组装后，其齿轮啮合斑（见图2）要求齿轮凹面啮合斑距离从动齿轮小端5～15mm，距齿顶3～5mm，啮合斑长度为20～30mm[1]；凸面啮合斑距离从动齿轮小端10～20mm，距离齿顶3mm，啮合斑长度为20～30mm。但在实际组装过程中，两齿轮相对位置的变化都会引起齿轮啮合斑的变化。本文着重介绍组装结构、轴承游隙、偏置距、安装距和齿隙这几个方面对低地板齿轮箱啮合斑的影响。

图1 齿轮箱结构示意

图2 组装后齿轮啮合斑示意

2 低地板齿轮箱结构对齿轮啮合斑的影响与调整

如上所述，低地板车齿轮箱的主动齿轮和从动齿轮采用偏置悬臂结构，当主动齿轮带动从动齿轮转动时，由于存在轴承游隙，所以主动齿轮和从动齿轮的旋转轴线就会产生一定的夹角，当主动齿轮顺时针转动时，主动齿轮与从动齿轮凸面接触，两个齿轮的轴线的夹角变大（见图3），啮合斑向齿轮大端偏移。当主动齿轮逆时针旋转时，主动齿轮与从动齿轮凹面接触，两个齿轮的轴线夹角变小（见图4），啮合斑向齿轮小端偏移。

图3 顺时针转动时轴线夹角变大示意

图4 逆时针旋转时轴线夹角变小示意

因此在组装过程中，必须消除因两齿轮轴线变化导致的啮合斑偏移。从动齿轮必须采用新的修形方式才能适用于低地板齿轮箱的特殊结构[2]。经反复统计验证，最终确定一种新齿轮修形方式（见图5），即从动齿轮出厂时凸面啮合斑域中心向偏大端偏移5～7mm，凹面啮合斑中心向小端偏移3～5mm。经过上述方法修形后的齿轮在装配后，两齿轮轴线夹角变化所导致的啮合斑域偏移恰好与修形后的偏移量相互抵消，使齿轮啮合斑符合使用要求。

图5 齿轮啮合斑新修形方式

3 偏置距对啮合斑的影响与调整

偏置距是指两齿轮轴线在竖直平面上的距离（见图6）。齿轮出厂时，齿轮的偏置距都已按照设计要求加工好，但是在组装时，齿轮的偏置距由箱体的加工尺寸控制，且无法调整。当箱体的偏置距在加工中偏大或者偏小时，齿轮的啮合斑就会偏离正确的啮合位置，啮合形状会呈现混乱状态，或者偏齿顶，或者偏小端，毫无规律可循。因此组装前，箱体的偏置距尺寸必须采用三坐标测量仪检测，检测合格后方能组装。

图6 偏置距示意

4 安装距对啮合斑的影响与调整

安装距P（见图7）是指主动齿轮和从动齿轮在垂直方向的距离，该尺寸可通过调整垫的厚度D进行调节[7]。由图7可知：D=M+P－H。当安装距P比实际值大时，相比理论的啮合斑，凹面啮合斑向小端偏移，同时向齿顶偏移；凸面啮合斑会比理论的啮合斑向大端偏移，同时向齿顶偏移；当安装距P比实际值小时，从动齿轮凹面和凸面的啮合斑则会向相反的方向偏移。在组装过程中，发现从动齿轮

图7 安装距示意

啮合斑与所要求的位置有差异时，可以通过调整安装距（见图8）对啮合斑进行微调。

图8 安装距调整示意

为了确定安装距对啮合斑的影响，选取一组齿轮进行了验证，验证结果如图9所示。

图9 安装距对啮合斑的影响验证

5 齿轮齿隙对啮合斑的影响与调整

齿轮齿隙是指两齿轮在啮合时，固定从动齿轮，将百分表打在主动齿轮分度圆位置，正反转动主动齿轮所得到的百分表读数。

当齿轮齿隙过大时，会加剧齿轮磨损，传递精度下降，降低齿轮的使用寿命；当齿轮齿隙过小时，容易造成齿轮抱死，变速器失效。齿轮的周向齿隙控制在0.20～0.25mm，且在调节其啮合斑时，必须把两齿轮的齿隙值设定为安装时所要求的参数。

当齿轮的出厂齿隙与安装齿隙不相同时，两齿轮的啮合位置就会出现变化。当齿轮的出厂齿隙大于安装齿隙时，或者齿轮出厂齿隙小于安装齿隙时，啮合斑范围变小，接触形状变得细长；只有当齿轮出厂齿隙等于安装齿隙时，啮合斑范围扩大，接触形状符合设计要求。不同齿隙对应的啮合斑如图10所示。

6 从动轴轴承游隙对啮合斑的影响与调整

从动轴轴承游隙是指从动齿轮轴系在其轴向方向的移动量。游隙对啮合斑的影响同齿隙类似，也是影响啮合斑的形状。

当齿轮的出厂游隙大于安装游隙或者小于安装游隙时，啮合斑范围变小，形状变得细长。只有当齿轮出厂游隙等于安装游隙时，啮合斑范围才会在合理区域。不同游隙对应的啮合斑如图11所示。

7 结束语

在实际组装过程中，齿轮的出厂参数，箱体、轴类件和环类件的加工参数及加工精度十分重要，上述调整方法，只能对啮合斑进行微调；当实际啮合斑偏离要求形状较大时，应着重检查箱体偏置距、齿轮安装距、齿轮偏置距、齿隙及相关尺寸的准确性，否则无法调出合格的齿轮啮合斑。由于啮合斑不合格的产品在后期的使用过程中会出现异响、磨损及寿命降低等故障，因此控制好齿轮啮合的啮合斑对组装克林根贝格齿轮十分重要。