常 星， 宋俊龍

（智道鐵路設(shè)備有限公司， 山西 太原 030032）

齒輪箱是機車產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)之一。由于過盈連接結(jié)構(gòu)簡單，定心精度高，可承受轉(zhuǎn)矩、軸向力或兩者復(fù)合的載荷，對軸削弱小，承載能力高，并且在沖擊、振動載荷下也能可靠地工作。因此，在齒輪箱設(shè)計過程中，大量的選用過盈連接來傳遞載荷。

圓錐過盈連接相較圓柱過盈連接而言，包容件和被包容件無需進行冷卻或加熱，采用油壓法就能進行裝拆。設(shè)備簡單，操作安全、靈活。同時由于高壓油膜的存在，在壓裝和拆卸的過程中可以對圓錐表面形成保護，降低配合表面的摩擦系數(shù)，從而降低擦傷結(jié)合表面的概率。尤其是當(dāng)傳遞載荷大、過盈量大，并且定期需要裝拆、檢查、維修零部件的時候，可以大大降低由于頻繁拆解造成損傷需要更換零部件的頻率，進而節(jié)約成本[1]。并且由于機車產(chǎn)品的特殊性，對產(chǎn)品安全性、可靠性等有嚴格的規(guī)定。在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)，按照規(guī)范需要定期拆裝、監(jiān)控、檢查關(guān)鍵零部件的性能狀態(tài)。因此，在過盈連接的設(shè)計計算中，通常優(yōu)先選用圓錐過盈連接。

1 圓錐過盈連接的設(shè)計計算

在具體設(shè)計圓錐過盈連接時，根據(jù)實際使用工況和約束條件確定相關(guān)零部件基本結(jié)構(gòu)尺寸后，首先是根據(jù)具體傳遞載荷的大小以及材料的特性選擇合適的圓錐過盈配合，其次是計算過盈連接的裝拆參數(shù)，最后需要綜合考慮結(jié)構(gòu)并確定合理的裝拆方法。

1.1 圓錐過盈配合的計算[1,2]

1.11傳遞負荷所需最小過盈量

1）傳遞負荷所需的最小結(jié)合壓力。

式中：M 為傳遞扭矩，N·mm；K 為安全系數(shù)；lf為接合長度，mm；μ為摩擦系數(shù)；dm為結(jié)合面平均圓錐直徑，mm。

2）包容件直徑比。

式中：da為包容件外徑，mm。

3）被包容件直徑比。

式中：di為被包容件內(nèi)徑，mm。

4）包容件傳遞負荷所需的最小直徑變化量。

式中：Ca和Ea為計算系數(shù)，查閱參考文獻[1]相關(guān)表格獲得。

5）被包容件傳遞負荷所需的最小直徑變化量。

式中：Ci和Ei為計算系數(shù)，查閱參考文獻[1]相關(guān)表格獲得。

6）傳遞負荷所需的最小過盈量。

考慮壓平量的最小過盈量。

式中：Raa為包容件輪廓算術(shù)平均偏差；Rai為被包容件的輪廓算術(shù)平均偏差。

1.1.1 不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大有效過盈量

式中為包容件材料屈服點，MPa。

2）被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力。

3）連接件不產(chǎn)生塑性變形的最大結(jié)合壓力。

4）包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量。

5）被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量。

6）連接件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大有效過盈量。

1.1.3 選擇配合

選出的配合，其最大過盈量[δmax]和最小過盈量[δmin]應(yīng)滿足下列要求。

1）保證過盈連接傳遞給定的負荷。

2）保證連接件不產(chǎn)生塑性變形。

初選基本過盈量δb，按初選的基本過盈量δb，最大圓錐直徑，δe，max、δmin，參照 GB/T 5371、GB/T 1801 和GB/T 1802，確定選用的配合。

給出配合的最大過盈量[δmax]和最小過盈量[δmin]。

1.2 油壓裝拆相關(guān)參數(shù)的確定

在裝拆圓錐過盈連接的過程中，主要是使用油壓法進行裝拆。即在包容件和被包容件之間的結(jié)合面上，注入符合壓力要求的高壓油，使包容件和被包容件之間的結(jié)合面發(fā)生彈性變形，形成間隙，同時在結(jié)合面之間形成一道油膜。

安裝時，需要使用特定的液壓裝置，在被包容件上施加不小于特定值的軸向推力，將被包容件推入包容件內(nèi)。而拆卸時，當(dāng)高壓油在帶有錐度的結(jié)合面上形成的軸向分力足夠大時，被包容件會自動從包容件中退出。

1.2.1 軸向位移極根值和軸向位移公差的計算

如圖1和圖2所示，由于內(nèi)、外圓錐直徑公差帶的原因，實際初始位置應(yīng)位于極限初始位置1和極限初始位置2之間，即內(nèi)圓錐為最小極限圓錐、外圓錐為最大極限圓錐和內(nèi)圓錐為最大極限圓錐、外圓錐為最小極限圓錐之間。終止位置是為了使內(nèi)、外圓錐得到要求的過盈量，所規(guī)定的相互軸向位置。而軸向位移極限值即是為了得到最小過盈量和最大過盈量的軸向位移量[3]。

圖1 最大、最小過盈位置示意圖

圖2 初始位置變動量示意圖

由于通過控制圓錐配合相對軸向位移量，可以實現(xiàn)精確調(diào)整其過盈量。因此，在生產(chǎn)實踐中，這是評估相互配合圓錐表面加工精度以及實際過盈量是否滿足要求的重要指標(biāo)，尤其是圓錐配合需要頻繁拆卸、安裝的場合。當(dāng)拆卸后零件尺寸檢驗或相關(guān)零件重新裝配時，特別是材料硬度較差的情況，都必須通過測量起始位置和終止位置的數(shù)據(jù)，來間接評估軸向位移公差是否能滿足實際使用要求，一定程度上可以實現(xiàn)間接檢測內(nèi)、外圓錐是否超差。

1）軸向位移極限值。

式中：C為結(jié)合面錐度。

2）軸向位移公差。

1.2.2 裝拆油壓入力的確定

除上述參數(shù)以外，還需要確定合理的裝拆油壓，進而選擇合適的高壓油泵。并且安裝時，也需要使用滿足壓入力要求的液壓推力裝置將圓錐過盈配合壓裝到位。

1）配合面最大結(jié)合壓力。

2）裝拆油壓。

3）壓入力。

實際操作中，除了油壓法，有時也會用到脹縮法對圓錐過盈配合進行裝拆。尤其是特殊情況下，使用油壓法在合理壓力范圍內(nèi)無法拆卸成功時，需要結(jié)合脹縮法和油壓法進行拆卸，即加熱包容件至一定溫度，然后打入高壓油完成拆卸。而裝配過程使用脹縮法，如果能夠合理計算安排生產(chǎn)節(jié)拍，將省去油壓法裝配的保壓時間，進而可以大大提高生產(chǎn)效率。

但需要注意加熱包容件時，加熱應(yīng)均勻，不得產(chǎn)生局部過熱。通常可以采用加熱爐或電磁感應(yīng)加熱裝置。未經(jīng)熱處理的裝配件，加熱溫度應(yīng)小于400℃，經(jīng)過熱處理的裝配件，加熱溫度應(yīng)小于回火溫度。

1.2.3 典型裝拆方法

圖3為圓錐面過盈配合裝配原理示意圖。通過油桿1中心的油孔向圓錐配合表面注入滿足裝拆油壓要求的液壓油，同時油桿1穿過液壓推力裝置2的中心，并通過螺母3將液壓推力裝置軸向進行限位。裝配時，首先是注入高壓液壓油，當(dāng)圓錐配合表面有油液滲出時，開始操作液壓裝置，將外圓錐件推入內(nèi)圓錐件中[4]。

圖3 圓錐面過盈配合裝配原理示意圖

圖4為圓錐面過盈配合拆卸原理示意圖，與裝配過程不同的是，此處不需要液壓推力裝置。由于圓錐過盈配合的特性，當(dāng)注入一定壓力范圍的液壓油后，待其配合面充分潤滑后，內(nèi)圓錐件和外圓錐件會自動脫離，并且速度快、沖擊力大。因此需要在中間合適距離位置安裝緩沖裝置2，用來吸收沖擊力，并避免裝配件磕碰損傷。

圖4 圓錐面過盈配合拆卸原理示意圖

實際生產(chǎn)中，特別需要注意的是，上述高壓元件長期處于高壓、變載荷、高沖擊的工作環(huán)境中，為了生產(chǎn)安全，需要定期檢查、更換各相關(guān)元件。

2 設(shè)計實例

以某機車產(chǎn)品齒輪箱輸入端連接為例，其輸入軸與聯(lián)軸器為圓錐過盈連接，錐度1∶50，傳遞扭矩M為824 N·m，結(jié)合面平均圓錐直徑dm為67.08 mm，結(jié)合長度lf為88 mm，材料為17Cr2Ni2Mo，屈服強度σs為1 050 MPa，表面粗糙度Ra為0.8。

按照上述計算方法，傳遞負荷所需的最小結(jié)合壓力pf，min=22 MPa，包容件傳遞負荷所需的最小直徑變化量ea，min=0.020 1 mm，被包容件傳遞負荷所需的最小直徑變化量ei，min=0.015 9 mm，傳遞負荷所需的最小過盈量δe，min=0.036 mm，考慮壓平量的最小過盈量δmin=0.041 mm。

包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力pfa，max=323.4 MPa，被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力pfi，max=525 MPa，連接件不產(chǎn)生塑性變形的最大結(jié)合壓力為pf，max=294 MPa。包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量ea，max=0.269mm，被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量ei，max=0.212 mm，連接件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大有效過盈量 δe，max=0.481 mm。

然后，初選基本過盈量δb=0.261 mm，配合尺寸為 H7/z6，最小過盈量[δmin]=0.18 mm，最大過盈量[δmax]=0.229 mm。

軸向位移極限值 Ea，min=9 mm，Ea，max=11.45 mm，軸向位移公差TE=2.45 mm，配合面最大結(jié)合壓力[pf，max]=139.9 MPa，裝拆油壓 px=153.9 MPa，壓入力Pxi=85 578.6 N。

根據(jù)上述計算結(jié)果，內(nèi)錐選取H7，外錐選取z6，并且裝配時應(yīng)確保壓入行程在9mm至11.45mm之間。高壓油泵應(yīng)至少滿足153.9 MPa壓力范圍，選取的液壓推力裝置應(yīng)滿足壓入力不小于85 578.6 N的要求。

3 結(jié)論

由于機車產(chǎn)品的特殊性，其齒輪箱輸入和輸出部分傳遞扭矩經(jīng)常采用圓錐過盈配合。本文詳細介紹了圓錐過盈配合的計算過程，以及常用裝拆方法油壓法的相關(guān)參數(shù)及典型結(jié)構(gòu)。

實際生產(chǎn)中，當(dāng)重新使用拆卸后的零件之前，應(yīng)仔細檢查是否有影響使用的缺陷，特別是內(nèi)、外圓錐面，拆卸后尺寸會有細微的變化，原則上應(yīng)重新對傳遞載荷復(fù)核計算。

此外，經(jīng)過頻繁拆裝的圓錐過盈配合，由于表面壓平的原因，使得過盈量相對有所減少，相比上述計算值，應(yīng)考慮適量增大軸向位移極限值0.5～1.0mm。而當(dāng)環(huán)境溫度低，液壓油黏度變大，此時可以適當(dāng)增大裝拆油壓以提高效率，但一定不允許超過引起材料塑性變形的極限值。