CN1109398A - 重型磨损齿轮的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磨损齿轮的修复技术，具体地说是对报废重型大齿轮修复的方法。先将大齿轮齿顶圆车去一层再行切齿，然后配制小齿轮与修复后大齿轮相匹配的方法进行。其特征是该方法的齿廓修复变位系数是通过单齿测量大齿轮齿厚减薄量，在渐开线齿轮任意处齿厚计算求得的变位系数。本发明使修复齿廓用变位系数的求取变得十分简单、实用，经修复的大齿轮其所用费用仅为新制齿轮的1/2，所用工时仅为1/4。

Description

本发明涉及一种磨损齿轮的修复技术，具体地说是对报废重型大齿轮修复的方法。

重型机械中使用的传动齿轮磨损后，通常需要及时调换。由于更换大齿轮消耗的材料和工时多，制造周期长，成本高，因此对重型大齿轮的修复利用有很大的现实意义。修复实践中，对于已磨损报废的大齿轮修复方法是，将大齿轮齿顶圆车去一层再行切齿，然后配制新的小齿轮与之匹配。该方法中的齿廓修复变位系数是通过计算与检测齿轮公法线长度来确定的，而齿轮公法线的计算相当繁琐，检测也很困难，而且按公法线确定的齿厚减薄量△L₂又是个估计值，有时会出现传动干涉现象。在重型机械中使用的传动齿轮大多为渐开线直齿圆柱齿轮，当传动齿轮模数m≥16，齿数Z≥100的大齿数大传动比直齿圆柱齿轮磨损报废利用前述方法修复时，常因齿轮直径过大，公法线难于检测而无法进行。

本发明的目的是针对上述存在的缺点，提供一种用于重型机械中使用的渐开线圆柱传动齿轮修复，变位系数计算简便，易于检测，修复效率高，效果好的修复方法。

本发明的目的是这样实现的：先将大齿轮齿顶车去一层再行切齿，然后配制小齿轮与修复后大齿轮相匹配的方法进行。其特征是该方法的齿廓修复变位系数是通过在距齿顶圆距离数值上等于模数M位值处，进行的单齿测量大齿轮齿厚减薄量，按渐开线圆柱齿轮任意处齿厚去计算求得变位系数的，所用变位系数X_2新＝X_2原-KMZ₂/0.728（da₂-2M）;式中X_2新为修复大齿轮用的变位系数，X_2原为原设计大齿轮变位系数，KM为减薄量，Z₂为原大齿轮齿数，d_a2为原大齿轮齿顶圆直径，M为齿轮模数。

经对重型报废齿轮的大量检测中发现，齿轮齿廓破坏最严重的部位是分布在距齿顶距离为与齿轮模数M数值相接近一条线的上、下两侧。为使齿面重新形成渐开线的齿廓，其齿厚减薄量是按实际测得的齿廓磨损量加上一个光整加工余量来确定的。这里的加工余量可按齿轮加工工艺规程或经验给出，而齿面磨损量是距大齿轮齿顶距离为模数M数值处，在齿厚方向上的实际检测磨损深度最大值。用此处确定的齿厚减薄量去求取变位系数，可使修复工作取得最经济的效果。实际的修复工作证明，齿厚减薄量与齿轮模数M之间有一定的关系，这里将齿厚减薄量与模数M的比值定为减薄系数K，则齿厚减薄量在数值上等于KM的积。

在尽可能的保持原齿轮传动参数不变的情况下，修复大齿轮是最理想的。据此，在距大齿轮齿顶距离为M数值处的原齿厚Sm，修复后的新齿厚S以及齿厚减薄量KM之间有下列关系成立：

Sm-KM＝S

上式中：Sm为原大齿轮距齿顶为M数值位置处的齿厚;S为经减薄修复后的轮齿在与上述同一位置处的新齿厚。KM为上述同一位置处的齿厚减薄量。

将上式中的齿厚S按渐开线圆柱齿轮任意处齿厚计算公式代入则有：

dm[π/2Z₂+（2X_2原·tanα_o）/Z₂+invα_o-invα′]-KM＝d′m（π/2Z₂+（2X_2新·tanα_o）/Z₂+invα_o-invα′）

上式中：X_2原为原设计大齿轮的变位系数，X_2新为修复大齿轮用待确定的变位系数，d_m为大齿轮距齿顶距离为M数值处的直径，d′_m为经减薄修复后的大齿轮在与上述同一位置处的直径。

对上式中的各项需要说明的是：因为是同一大齿轮上的同一位置处的直径值，所以dm＝d′m＝da₂-2M。

又因为修复大齿轮是在保证原设计齿轮传动副传动参数不变的前提下进行的，所以修复前、后齿轮传动啮合角α′角不变，标准压力角α_o不变。

这里还应说明的一点是，公式中的齿厚S值指的是轮齿的弧齿厚，因本发明主要用在直径较大齿轮的修复，将修复前、后的齿厚都用弦齿厚代替弧齿厚则其计算相对误差非常小，可以忽略不计，以此化简上式并代入标准压力角α_o＝20°数值得：

X_2新＝X_2原-（KMZ₂）/0.728（da₂-2M）

为保证修复前、后齿轮传动参数不变，与修复后大齿轮相匹配的小齿轮的变位系数X_1新值可由下式求出：

X_1新＝X_∑原-X_2新

式中：X_∑原为待修复齿轮付原设计变位系数和。

一般情况下，重型齿轮磨损到1/3M时，就已不能正常传递动力而报废了，实际修复工作中按磨损程度的不同所计算出的K值取值范围如在0.8≥K＞0的范围之中时，即可进行齿轮的正常修复工作。

修复用新的变位系数求出后，同时利用原齿轮其他参数很容易求出修复后齿轮的齿顶圆直径值，这样，只要将待修复的大齿轮齿顶圆车去一层，达到上述新计算出的齿顶圆直径值后，用常规的方法即可加工出新的渐开线齿廓完成大齿轮的修复工作。

利用已求出的与修复后大齿轮相匹配的小齿轮新变位系数值，同样可以计算出匹配小齿轮齿顶圆直径值，同时利用原设计小齿轮其他参数值很容易制出一小齿轮与修复后大齿轮相匹配，且保持原传动中心距不变。

本发明所给定的修复方法，适用于渐开线圆柱齿轮（直齿或斜齿），按非变位齿轮传动、高变位齿轮传动、角变位齿轮传动设计的齿轮付的修复，尤其是对模数M≥16，齿数Z≥100的重型大齿轮修复利用上。本发明使修复齿廓用变位系数的求取变得十分简单、实用，经修复的大齿轮其所用费用仅为新制齿轮的1/2，所用工时仅为1/4。

附图说明：

图1为按非变位齿轮传动设计的渐开线直齿圆柱大齿轮修复齿廓示意图。

图2为与图1修复后大齿轮相匹配新设计的小齿轮齿廓示意图。

图3为按高变位齿轮传动设计的渐开线直齿圆柱大齿轮修复齿廓示意图。

图4为与图3修复后大齿轮相匹配新设计的小齿轮齿廓示意图。

图5为按正角变位齿轮传动设计的渐开线直齿圆柱大齿轮修复齿廓示意图。

图6为与图5修复后大齿轮相匹配新设计的小齿轮齿廓示意图。

下面结合实施例进一步说明本发明修复磨损重型齿轮的方法。

实施例1对原按非变位齿轮传动设计的齿轮付的修复。

已知原按非变位齿轮传动副设计的Φ1.83M×6.4M球磨机用渐开线直齿圆柱齿轮副的修复。修复前经检测认定传动齿轮轮齿齿廓磨损严重破坏而报废（见图1阴影部位）。现用本发明提供的方法进行修复，原设计的传动齿轮模数M＝22，大齿轮齿数Z₂＝144，小齿轮齿数Z₁＝21，大齿轮齿顶圆直径da₂＝3212mm，大齿轮变位系数X_2原＝0，小齿轮变位系数X_1原＝0。原设计中心距a＝1815mm，检测齿厚Sm＝34.56mm。

1.首先用单齿检测方法在原大齿轮一轮齿齿廓（1）上，距齿顶园距离数值等于模数M位值处，沿齿厚方向测出一侧齿廓磨损深度最大值（2）（见图1），本实施例中用上述位置处原设计齿轮齿厚的一半1/2Sm＝17.82mm，减去在上述位置实测到的磨损后齿厚的最小值的一半，本实施例中经检测为14mm，即可求得一侧齿厚磨损深度最大值（2）为3.28mm。

2.计算K值，确定齿厚减薄量

测出上述的一侧齿廓磨损深度最大值后，还应将这一磨损深度最大值（2）加上一个为实现修复齿廓能加工出新的光整渐开线齿廓（4），而必须预留光整加工余量（3），该光整加工余量（3）本实施例中一侧取0.5mm，则减薄系数K值为：

K＝[（3.28+0.5）×2]/M＝3.78×2/22＝0.34

本实施例中求出的K值在0.8≥K＞0范围之内，说明修复后的齿轮副可实现正常传动，由此得修复大齿轮所需的齿厚减薄量Km＝3.78×2＝7.56mm。

3.计算新的变位系数值

①修复大齿轮用变位系数值，按：

X_2新＝X_2原- (K·M·Z₂)/(0.728(d_a2-2M)) 代入数字计算得

X_2新＝0- (0.34×22×144)/(0.728（3212-2×22）) ＝-0.47

②与修复后大齿轮相匹配小齿轮变位系数值，按

X_1新＝X_∑原-X_2新＝0-（-0.47）＝0.47

计算结果表明，修复后的齿轮付为高变位传动齿轮付。

4.求出X_2新值后即可按已知的原设计参数值计算出修复后大齿轮应有的齿顶圆直径d′a₂值，按

d′a₂＝M（Z₂+2ha^★+2X_2新）

式中ha^★为齿顶高系数，一般按标准设计取ha^★等1。代入数字计算：

d′_a2＝22×[144+2×1+2×（-0.47）]＝3191.32mm

5.将待修复的报废大齿轮的齿顶圆车去一层使其直径由d_a2减为d′_a2。

6.将前述已车去一层的大齿轮体放到滚齿机上，按普通齿轮加工方法进行切齿加工，直至形成新的渐开线齿廓，即可完成大齿轮的修复工作。如图1所示（4）即为修复后新形成的大齿轮齿廓。

制齿时，检测齿高h＝M＝22mm，检测齿厚S_m2新由下式求出：

Sm_2新＝dm_2新-（ (π)/(2Z₂) + (2X_2新tanα₀)/(Z₂) +invα_o-invα_m2新）式中：

Sm_2新为修复后大齿轮距齿顶距离为模数M数值位置处的齿厚值。

dm_2新为上述检测齿厚位置处的直径值，显然：

dm_2新＝d′_a2-2M＝3191.32-2×22＝3147.32mm

又因α_o＝20°，查表知inv20°＝0.0149044，invαm_2新可通过cosαm_2新＝（M·Z₂·cosα_o）/dm_2新求得角αm_2新值后用invαm_2新＝tanαm_2新-αm_2新计算出invαm_2新＝0.012588403，代入以上各值及其他已知参数可求得Sm_2新＝34.14mm，加工中按检测精度，本实施例给出齿厚检测公差34.14^-0.6 _-0.8mm。

7.设计一小齿轮令其与已修复大齿轮相匹配

①按前计算知小齿轮新变位数X_1新＝0.47

②计算小齿轮齿顶圆直径按：

d_a1＝（Z₁+2ha+2X_1新）×M＝（21+2×1+2×0.47）×22＝526.68mm

③车毛胚制齿加工

计算出小齿轮直径值后，即可结合原设计小齿轮其他结构参数加工出小齿轮毛胚后，再在滚齿机上用常规方法在保证原设计齿轮参数不变的前提下进行制齿加工，即可制出与修复后大齿轮相匹配的小齿轮。本实施例中检测齿厚Sm₁＝34.94^-0.3 _-0.4mm，检测齿高h＝M＝22mm。

图2中（5）即为新设计匹配小齿轮齿廓;（6）为原设计小齿轮标准齿廓。

8.中心距校核计算

本实施例原按非变位齿轮传动设计的齿轮付经修复后成为一对高变位齿轮传动付，其中心距按高变位齿轮传动付中心距计算公式计算：

a＝[（Z₁+Z₂）/2]×m＝[（144+21）/2]×22＝1815mm

上述结果说明修复后齿轮传动中心距不变。

9.小齿轮齿顶宽校核计算：

匹配小齿轮齿顶处齿厚由下式计算：

S_a1＝d_a1（T/（2Z₁）+（2X₁tanα_o）/Z₁+invα_o-invα_a1）

上式中：d_a1为小齿轮齿顶圆直径，为526.68mm

显然invα_o＝inv20°＝0.0149044

式中：invα_a1同样可通过cosα_a1＝（M·Z₁·cosα_o）/d_a1求得α_a1＝34°4832′，再由下式求取invα_a1＝tanα_a1-α_a1＝0.085004。

将上述各值并各已知齿轮参数值代入前式并计算可求得：S_a1＝11.05mm，该齿轮齿顶宽远远大于零，符合使用要求。

该传动副原设计大齿轮净重3.6吨，制造费用为7.6万元，而对其进行修复后只用费用4万元，节约3.6万元，且制造工期仅用10天，较新制齿轮用时间减少3/4。经修复的大齿轮因其齿轮体经长时间使用自然时效，再制齿后可避免因轮齿变形而影响精度，其加工精度可达8-8-8KL以上。同时经修复后的齿轮传动副的啮合面移向小齿轮渐开线曲率半径较大的一段，不但能提高小齿轮齿根接触强度，而且能提高使用寿命近30%。

实施例2对原按高变位齿轮传动设计的齿轮付的修复

此例为对实施例1中经高变位齿轮传动设计修复的Φ1.83M×6.4M球磨机用渐开线直齿圆柱齿轮付再磨损报废后的再修复。齿轮付各参数值见实施例1。（见图3）

1.首先用单齿检测方法在待修复大齿轮一轮齿齿廓（1）上距齿顶距离数值等于模数M位置处，按与实施例1同样的方法沿齿厚方向测出一侧齿廓磨损深度最大值（2），为2.57mm。

2.计算K值，确定齿厚减薄量

按与实施例1同样的方法再加上一个为使修复齿廓能加工出新的光整渐开线齿廓（4），而必须预留的光整加工余量（3），本实施例中一侧加工余量（3）仍取0.5mm，由此可用下式计算本实施例减薄系数K值：

K＝[（2.57+0.5）×2]/M＝（3.07×2）/22＝0.279

此次修复如是原按非变位齿轮传动设计时的减薄系数K值应为

K＝[（3.07+3.78）×2]/M＝0.62

该次修复相对原按非变位齿轮传动设计时的减薄系数K值仍在0.8≥K＞0的范围之内，说明经第二次修复的齿轮传动付仍可实现正常传动。

3.计算新的变位系数值：

①修复大齿轮用变位系数值，按：

X_2新＝X_2原-（K·M·Z₂）/0.728（d_a2-2M）代入数值计算

X_2新＝-0.47-（0.279×22×144）/0.728（3191.32-2×22）＝-0.86

②与修复大齿轮相匹配小齿轮用变位系数值，按

X_1新＝X_∑原-X_2新＝0-（-0.86）＝0.86

该计算结果说明修复后的齿轮传动付仍为高变位齿轮传动付。

4.计算修复后大齿轮的齿顶圆直径值d′_a2

按高变位齿轮传动付齿顶圆直径计算公式：

d_a2′＝M（Z₂+2ha+2X_2新）＝3174.16mm

5.将待修复大齿轮齿顶圆车去一层，使其直径达3174.16mm尺寸值。加工中可按加工精度给出公差。

6.将前述已车去一层的大齿轮体放到滚齿机上按普通方法进行切齿加工，图3中（4）即为新修复加工出的光整渐开线齿廓。

制齿时，检测齿高h＝M＝22mm，检测齿厚S_m2新由下式求出：

Sm_2新＝dm_2新（π/2Z₂+2X_2新tanα_o/Z₂+invα_o-invαm_2新）

用于实施例1同样方法经计算可求得Sm_2新＝33.50mm，实际检测中应给出齿厚加工公差值：Sm_2新＝33.50^-0.6 _-0.8mm。

7.设计一小齿轮令其与修复大齿轮相匹配

①按前计算知小齿轮设计变位数X_1新＝0.86

②计算小齿轮齿顶圆直径，同样按：

d_a1＝（Z₁+2ha+2X_1新）×M＝（21+2+2×0.86）×22＝543.84mm

③车毛胚制齿加工

计算出小齿轮直径值后，即可结合原设计小齿轮结构参数加工出小齿轮毛胚后，再在滚齿机上用常规方法在保证原设计齿轮参数不变的前提下进行制齿加工，即可加工出与修复后大齿轮相匹配的小齿轮。本实施例中检测齿厚Sm₁＝33.70^-0.6 _-0.8mm，检测齿高h＝M＝22。

图4中（5）即为新设计匹配小齿轮齿廓，（6）为原小齿轮齿廓，（7）双点划线为标准齿廓。

8.中心距校核计算：

从本实施例中可以看出，原按高变位齿轮传动设计的齿轮付经修复后仍为一对高变位齿轮传动付，其中心距不变，a＝（Z₁+Z₂）/2×M＝1815mm。

9.小齿轮齿顶宽校核计算：

匹配小齿轮齿顶齿厚由下式计算：

S_a1＝d_a1（π/2Z₁+2X_1新tanα_o/Z₁+invα_o-invα_a1）

上式中：d_a1＝543.84mm，X_1新＝0.86，Z₁＝21，invα_o＝inv20°＝0.0149044，invα_a1按前述同样方法可求得invα_a1＝0.108115，代入数字计算求得S_a1＝6.20mm，齿顶宽符合使用要求。

本实施例说明原按非变位齿轮传动设计的渐开线圆柱齿轮传动付可以经二次维修再次利用，可获得更大的经济效益。

实施例3原按正角变位齿轮传动设计的齿轮付的修复

已知原按正角变位齿轮传动付设计的，Φ2.2M×6.5M球磨机用渐开线直齿圆柱齿轮付的修复，修复前经检测认定传动齿轮轮齿齿廓严重磨损破坏而报废。（见图5阴影部位）原设计参数为模数M＝22，大齿轮齿数Z₂＝158，小齿轮齿数Z₁＝23，大齿轮齿顶圆直径d_a2＝3622.78mm，大齿轮变位系数X₂＝2.7，小齿轮变位系数X₁＝0.77，原设计理论中心距a_o＝1991mm，实际中心距a′＝2059.38mm，大齿轮加工原设计检测齿厚Sm₂＝37.66mm，现用本发明提供的方法进行修复（见图5）。

1.首先用单齿检测方法在原大齿轮齿廓（1）上距齿顶距离数值等于模数M位置处，沿齿厚方向测出一侧齿廓磨损深度最大值（2），本实施例中用上述位置处原设计齿轮齿厚的一半1/2Sm₂＝18.83mm，减去在上述位置实测到的磨损后齿厚的最小值的一半-本实施例中经检测为14.88mm，即可求得一侧齿厚磨损深度最大值（2）为3.95mm。

2.计算K值，确定齿厚减薄量

用测出的上述一侧齿廓磨损深度最大值（2）加上光整加工余量（3），本实施例一侧加工余量取0.5mm，即可计算出减薄系数K：

K＝[（3.95+0.5）×2]/M＝0.405

本实施例中求出的减薄系数K值在0.8≥K＞0范围之内，说明修复后的大齿轮可实现正常传动。

即可确定修复大齿轮所需齿厚减薄量为Km＝0.405×22＝8.91mm。

3.求新的变位系数值

①修复大齿轮用新的变位系数值，按

X_2新＝X_2原-（K·M·Z₂）/0.728（d_a2-2M）代入数字计算

X_2新＝2.7-（0.405×22×158）/0.728（3622.78-2×22）＝2.16

②与修复大齿轮相匹配小齿轮用新的变位系数，按

X_1新＝X_∑原-X_2新＝（2.7-0.77）-2.16＝1.31

上述计算结果说明修复后的齿轮传动付仍为正角变位齿轮传动。

4.计算修复后大齿轮的齿顶圆直径d_a2′值

按正角变位齿轮动大齿轮齿顶圆直径计算公式：

d_a2′＝M（Z₂+2ha+2X_2新-2△y）

式中△y为齿顶高变动系数，可由下式求得：

△y＝X_∑-y，其中y为中心距变动系数，由下式求得：

y＝（a′-a）/M＝（2059.38-1991）/22＝3.108，则

△y＝2.16+1.31-3.108＝0.362，代入上式计算

d_a2′＝22×（158+2×1+2×2.16-2×0.362）＝3599.112mm

5.将待修复大齿轮齿顶圆车去一层，使其直径达3599.112mm尺寸值。

6.将前述已车去一层的大齿轮体放到滚齿机上按普通齿轮加工方法进行切齿加工。图5中（4）即为修复后新加工出的渐开线齿廓，（5）双点划线为标准齿廓。

制齿时，检测齿高h＝M＝22mm，检测齿厚S_m2新由下式求出：

Sm_2新＝dm_2新（π/2Z₂+2X_2新tanα_o/Z₂+invα_o-invα_m2新）

式中：Sm_2新为修复后大齿轮距齿顶距离为模数M数值位置处的齿厚值：dm_2新为上述检测齿厚位置处的直径值，显然：

dm_2新＝d_a2′-2M＝3599.112-2×22＝3555.112mm

invα_o＝inv20°＝0.0149044

invαm_2新可通过cosαm_2新＝M·Z₂·cosα_o/dm_2新，求得α_m2新值后再由invα_m2新＝tanα_m2新-α_m2新，计算出invαm_2新＝0.0238445，代入上述各数值及齿轮各已知参数值计算得：Sm_2新＝38.92mm，给出公差，本实施例为38.92^-0.6 _-0.8mm。

7.设计一小齿轮令其与修复后大齿轮相匹配（见图6）

①按前述计算知X_1新＝1.31

②计算小齿轮齿顶圆直径值d_a1，有：d_a1＝M（Z₁+2ha+2X_1新-2△y＝22（23+2×1+2×1.31-2×0.362）＝591.712mm

③车毛胚，制齿加工

计算出小齿轮直径后，即可结合原设计小齿轮结构参数加工出小齿轮毛胚后，再在滚齿机上用常规方法在保证原设计齿轮参数不变的前提下进行制齿加工，即可加工出与修复后大齿轮相匹配的小齿轮来。

本实施例中计算求得检测齿厚Sm_1新＝39.60mm，加工中给出公差为39.60^-0.6 _-0.8mm。检测齿高h＝M＝22mm。

图6中（6）即为新设计匹配小齿轮齿廓，（7）为原设计小齿轮齿廓，（8）双点划线为标准齿廓。

8.中心距校核计算：

本实施例修复后仍为正角变位齿轮传动，其中心距为：a′＝1/2M（Z₁+Z₂）+yM＝1/2×22（158+23）+3.108×22＝2059.38mm

即中心距不变。

9.小齿轮齿顶宽校核计算：

匹配小齿轮齿顶处齿厚S_al由下式计算：

Sa₁＝d_a1（π/2Z₁+2X_1新tanα_o/Z₁+invα_o-invα_a1）

用前述同样方法可求得S_a1＝12.71mm，计算结果说明新设计匹配小齿轮符合使用要求。

该传动副原设计大齿轮净重4.3吨，制造费用为8.6万元，而对其进行修复后只用费用4万元，节约4.6万元，且制造工期仅用10天，较新制齿轮用时间减少3/4。经修复的大齿轮因其齿轮体经长时间使用，再制齿后可避免因轮齿变形而影响精度，其加工精度可达8-8-8KL以上。同时经修复后的齿轮传动副的啮合面移向小齿轮渐开线曲率半径较大的一段，不但能提高小齿轮齿根接触强度，而且能提高使用寿命近30%。

Claims (2)

1、一种重型磨损齿轮的修复方法，先将大齿轮齿顶车去一层再行切齿，然后配制小齿轮与修复后大齿轮相匹配的方法进行。其特征是该方法的齿廓修复变位系数是通过距齿顶圆距离数值上等于模数M位值处，进行的单齿测量大齿轮齿厚减薄量，按渐开线齿轮任意处齿厚去计算求得变位系数的，所用变位系数X_2新=X_2原-KmZ₂/0.728(da₂-2M)；式中X_2新为修复大齿轮用的变位系数，X_2原为原设计大齿轮变位系数，Km为减薄量，Z₂为大齿轮齿数，da₂为原大齿轮齿顶圆直径，M为齿轮模数。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征是对于齿面重新形成渐开线的齿廓，其齿厚减薄量是按实际测得的齿面磨损量加上一个光整加工余量来确定的。

Images