樊素梅

（中國北車集團(tuán)長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

0 引言

中國高鐵以其系統(tǒng)技術(shù)全、運(yùn)行速度快、建設(shè)規(guī)模大等特點(diǎn)已逐漸成為了中國新的外交名片，中國的高鐵速度代表了世界的高鐵速度。在動車組中采用大功率電機(jī)和齒輪箱組成傳動系統(tǒng)，方能使各臺列車完成其各自功能。

北車集團(tuán)公司生產(chǎn)的200km／h和300km／h的動車組中，均采用電機(jī)通過齒輪箱變速后，帶動車輪運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)列車的高速運(yùn)動。作為傳動裝置中的關(guān)鍵部件之一，齒輪箱除了對齒輪精度和齒輪軸等有很高的要求外，對齒輪箱體的加工和裝配要求更高，特別是兩端軸承檔的同軸度，其精度直接影響裝配后齒輪的嚙合、噪音、傳動精度和使用壽命等，因此如何實(shí)現(xiàn)其同軸度的精確檢測是關(guān)乎該產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

目前，齒輪箱體的同軸度檢測主要有常規(guī)方法和三坐標(biāo)檢測方法2種。常規(guī)方法檢測是指采用百分表、V型塊或數(shù)據(jù)采集儀來進(jìn)行測量，該方法操作十分復(fù)雜、工作量大、測量精度不高且很難實(shí)現(xiàn)［1］；而三坐標(biāo)測量機(jī)檢測則無需轉(zhuǎn)動和找正工件，只需利用工件的加工面來建立坐標(biāo)系，即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的測量。但在三坐標(biāo)測量機(jī)測量同軸度時(shí)，往往由于基準(zhǔn)軸線的選取或測量方法的不同，有時(shí)會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)相差較大，重復(fù)性差的問題，給實(shí)際生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響。

1 齒輪箱體的結(jié)構(gòu)分析

齒輪箱體作為動車組列車機(jī)械中傳動動力裝置的重要部件，必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以免引起沿齒輪齒寬上載荷分布不均的問題。為了增加齒輪箱體的剛度，通常在上面制作出筋板。另外，齒輪箱體要用來支撐和固定軸系零件，保證傳動件軸線位置間的準(zhǔn)確性，因而制造精度高、工藝復(fù)雜、檢測精度和技術(shù)要求都有較高的限制，這些要求會關(guān)系到列車的平穩(wěn)性、安全性，以及對速度的準(zhǔn)確控制等指標(biāo)，影響到動車組列車的協(xié)調(diào)運(yùn)作。作為轉(zhuǎn)向架的重要部件之一，齒輪箱體加工的好壞直接影響到轉(zhuǎn)向架的性能，所以準(zhǔn)確地熟知齒輪箱體的結(jié)構(gòu)和評價(jià)準(zhǔn)則尤為重要。

實(shí)際上，齒輪箱體的精加工是在數(shù)控機(jī)床上完成的，結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出，該件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，特別是軸承檔間的兩圓柱相距較遠(yuǎn)，測量時(shí)人為因素影響較大，因此實(shí)際情況下其同軸度的檢測十分困難。

2 齒輪箱體的測量誤差分析

在傳統(tǒng)方法中，通常采用測量徑向跳動的方法來間接得到齒輪箱體的同軸度誤差。由于齒輪箱體基準(zhǔn)圓柱及其所在端面、齒輪軸軸線與軸承檔在加工過程中存在尺寸誤差和垂直度誤差，于是齒輪箱體基準(zhǔn)圓柱與齒輪軸軸線可以在任意母線側(cè)邊接觸，從而使得齒輪箱體基準(zhǔn)圓柱的實(shí)際軸線與基準(zhǔn)軸軸線位置的不一致，即發(fā)生基準(zhǔn)位移誤差。該誤差會直接反映到被測圓柱的徑向跳動中。

圖1 齒輪箱體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 齒輪箱體定位副制造不準(zhǔn)確誤差示意圖

根據(jù)圖2，由定位副制造不準(zhǔn)確而引起的齒輪箱體基準(zhǔn)圓柱發(fā)生的位移誤差，可以描述為

式中：Dmin為基準(zhǔn)圓柱的最小直徑；dmax為齒輪軸的最大直徑；δD為基準(zhǔn)圓柱的公差；δd為齒輪軸的公差；Δs為基準(zhǔn)圓柱和齒輪軸的最小配合間隙，即Δs＝Dmin－dmax。

由圖2和式（1）可知，與齒輪箱體相裝配的齒輪軸軸線，實(shí)際上是一個(gè)具有確定方向的直線，但其通常是由實(shí)際要素來確定的。因此齒輪箱體基準(zhǔn)圓柱與齒輪軸軸線所構(gòu)成的定位副，其在制造與安裝過程中產(chǎn)生的誤差將直接影響到被測圓柱徑向跳動的測量精度。

在圖3中，基準(zhǔn)圓柱和被測圓柱的長度分別為L1和L2，間距為L，基準(zhǔn)圓柱的偏差為Δd1，被測圓柱的偏差為Δd2，則有

由式（2）可以看出，由于被測圓柱離基準(zhǔn)圓柱較遠(yuǎn)，齒輪軸的實(shí)際軸線延伸至被測圓柱位置處，與被測圓柱軸線的偏移量將會成倍數(shù)放大。因此，引入的測量誤差會導(dǎo)致徑向跳動誤差的增大。

圖3 齒輪箱體圓柱間距誤差示意圖

通過以上分析可知，對于齒輪箱體這樣長距離零件，采用測量徑向跳動來間接評價(jià)兩圓柱孔同軸度的檢測方法，會由于誤差太大導(dǎo)致無法準(zhǔn)確反映兩圓柱孔的真實(shí)情況。

根據(jù)GB／T 1182—2008《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）幾何公差形狀、方向、位置和跳動公差標(biāo)注》中同軸度的定義，同軸度是指被測圓柱軸線與基準(zhǔn)軸線間不同軸程度，即被測圓柱軸線相對于基準(zhǔn)軸線位置的變化量［2］。對于基準(zhǔn)軸線的不同，其評價(jià)方式主要分為3種：1）圓心—圓心，即投影到同一基準(zhǔn)面上的被測圓柱圓心與基準(zhǔn)圓柱圓心間的允差；2）軸線—軸線，即以一端圓柱軸線為基準(zhǔn)，另一端圓柱軸線對基準(zhǔn)軸的允差；3）軸線—公共軸線，即用兩端圓柱建立公共基準(zhǔn)軸線，被測圓柱軸線對公共基準(zhǔn)軸線的允差。

由于圓心—圓心的同軸度評價(jià)方法相當(dāng)于檢測兩圓柱的同心度，且與裝配的實(shí)際情況不符，齒輪箱體基本不使用該方法檢測。所以從圖4中可以看出，同一工件采用軸線—公共軸線的同軸度評價(jià)結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸線—軸線的同軸度評價(jià)結(jié)果［3］。

3 同軸度的三坐標(biāo)檢測方法

三坐標(biāo)測量機(jī)是集光、機(jī)、電、算、控制為一體的高精度測量設(shè)備，它不僅能對常規(guī)零部件的尺寸及形位公差進(jìn)行測量，而且還能測量各種形狀復(fù)雜的工件。三坐標(biāo)測量機(jī)在測量方法及數(shù)據(jù)處理上嚴(yán)格地遵守國家測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在很大程度上避免了人為因素對測量數(shù)據(jù)的干擾，但測量方法正確與否直接影響到測量結(jié)果的真實(shí)有效［4］。

采用三坐標(biāo)檢測方法測量的圓柱軸線，通常是測量一定數(shù)量的矢量點(diǎn)，然后按照一定的計(jì)算公式和評價(jià)方法，對這些點(diǎn)進(jìn)行處理，最終創(chuàng)建出基準(zhǔn)元素。在實(shí)際的測量中，測量的截面數(shù)、每個(gè)截面測量的點(diǎn)數(shù)，以及被測元素的形狀誤差等都會對測量要素的軸線位置產(chǎn)生影響，因此，需要合理地安排測量點(diǎn)的位置和數(shù)目，才能反映被測圓柱的實(shí)際位置。

通過上述分析，應(yīng)該合理地安排測量點(diǎn)的數(shù)目和位置，以便能夠準(zhǔn)確地測量出被測的元素。由于齒輪箱體圖紙采用軸線—軸線作為基準(zhǔn)軸的方法來評價(jià)同軸度，因此在檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果與給定的公差相差較大，且重復(fù)性較差。而采用軸線—公共軸線作為基準(zhǔn)軸的方法來評價(jià)同軸度，即在基準(zhǔn)圓柱和被測圓柱上測量出多個(gè)截面圓，以這些截面圓的圓心的連線作為公共軸線基準(zhǔn)軸，然后分別計(jì)算基準(zhǔn)圓柱和被測圓柱對公共軸線的同軸度，取其最大值作為該齒輪箱體的同軸度誤差。這種評價(jià)方法更接近工件的實(shí)際裝配過程，且測量結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定。表1為在測量2層截面，每層截面測量10個(gè)點(diǎn)的情況下，分別采用不同種評價(jià)方法的測量結(jié)果。

圖4 不種同軸度誤差分析圖

表1 不同種評價(jià)方法的測量結(jié)果 mm

在齒輪箱體的實(shí)際裝配中，兩軸承擋間的同軸度會反映到中軸（公共軸線）的徑向跳動上。采用軸線—公共軸線評價(jià)方法測量的產(chǎn)品往往更接近實(shí)際測量的間隙值，其結(jié)果也與中軸徑向跳動值相吻合。因此從表1齒輪箱體的測量結(jié)果和實(shí)際裝配情況可以看出，軸線—公共軸線評價(jià)方法更加符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

目前，我國高鐵技術(shù)正處于研究和發(fā)展階段，高速傳動系統(tǒng)中的齒輪箱體必須要有穩(wěn)定的加工程序，以及合格的技術(shù)指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的重要位置。在實(shí)際測量中，同軸度的測量方法有很多，因此一定要根據(jù)被測零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，認(rèn)真分析圖紙，選用合理可行的測量方法，以減少測量誤差，提高測量精度，給出準(zhǔn)確、真實(shí)的同軸度評價(jià)報(bào)告。此外，我們還要人為地控制檢測間室內(nèi)的溫度，減少工件的擺放、清潔度、測量點(diǎn)的數(shù)目和位置等因素對測量帶來的影響，還原產(chǎn)品的真實(shí)狀態(tài)。

［1］張福榮，張庭軍.基于三坐標(biāo)測量機(jī)的同軸度測量［J］.機(jī)械制造與研究，2009（5）：64－65.

［2］國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB／T 1182—2008形狀和位置公差通則、定義、符號和圖樣表示法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］曹斌.三坐標(biāo)測試技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)計(jì)量，2001（81）：205－206.

［4］湯忠芳，褚守云，張金寶，等.抱軸箱軸承孔同軸度的檢測［J］.試驗(yàn)檢測，2009（2）：37－38.