CN113899328B - 一种连轴装配式大齿轮渐开线样板 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精密齿轮加工与测试技术领域，涉及一种连轴装配式大齿轮渐开线样板，用于大齿轮渐开线精度溯源与测量传递的实体基准，结构包括大齿轮渐开线样板条、芯轴、垫板、配重轴、可调配重环、配重调整紧定螺钉、垫板连接螺钉、样板连接螺钉、偏心密珠轴套。本发明的连轴装配式大齿轮渐开线样板，样板结构及展开长度均满足齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467‑2010中1级精度的基本要求，具有展开长度长、结构紧凑、质心可调、基准统一、结构紧凑、便携的优点，采用轻量化设计，单人手动便可以进行安装和搬运，适用于基圆直径大于500mm的大齿轮渐开线样板的结构设计。

Description

一种连轴装配式大齿轮渐开线样板
技术领域
本发明属于精密齿轮加工与测试技术领域，涉及一种连轴装配式大齿轮渐开线样板，用于大齿轮渐开线精度溯源与测量传递的实体基准。
背景技术
渐开线廓形是目前使用最普遍、加工工艺最成熟的一种齿轮廓形。大渐开线廓形的齿轮一般指齿顶圆直径大于500mm的齿轮，在风电、核电、橡胶塑料机械、大型工程机械、海洋资源勘探装备、大型舰艇等领域得到广泛应用。高端装备对大齿轮加工精度的要求也越来越高，从而对测量大齿轮的仪器精度要求也越来越高。齿轮渐开线样板是校准各种渐开线测量仪器的标准计量器具，主要用于传递齿轮渐开线参数量值、修正仪器示值和确定仪器示值误差。目前，大齿轮渐开线样板的研究尚属国际空白。
在大齿轮样板方面：联邦德国物理技术研究PTB于2009年研制了一种齿顶圆直径1000mm的扇形大齿轮样板，其渐开线的展开长度为120mm，齿廓形状偏差为1.8μm左右，这是公开报道的具有最大渐开线展开长度的齿轮样板；2011年PTB又设计制造了一种齿顶圆直径约为2000mm的大齿圈标准样板，其渐开线的展开长度约为84mm，齿廓形状偏差约为2μm，这是公开报道的具有最大基圆直径的齿轮样板。我国国家计量院也开发出了直径1m的大齿轮多参量标准样板(CN202010124770.2)，制造精度在仅在4～2级之间。上述的齿轮标准样板，重量在0.5t到2t之间，搬运不方便，另外，由于该类齿轮样板是参考圆柱齿轮国际标准ISO1328.1:2013(E)设计的，集成有齿轮渐开线样板、齿轮螺旋线样板和齿距样板，然而该类大齿轮样板的渐开线展开长度相对基圆参数偏小，均不满足我国齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010中对齿轮渐开线样板展开长度的基本要求。
大连理工大学高精度齿轮研究室开发出基圆半径rb＝100mm、渐开线展开长度为60～70mm、齿廓形状偏差小于0.5μm的1级精度齿轮渐开线样板，达到我国1级精度齿轮渐开线样板的公差及展开长度的要求。但具有更大展开长度的齿轮渐开线样板没有涉及。发明专利(CN 201610847011.2)公开了一种大齿轮渐开线样板结构，该大齿轮渐开线样板集成有渐开线样板块和扇形基圆块，但没有直接的基圆圆心，由基圆块上的圆弧确定的基圆圆心存在一定的误差，从而降低了该类型大齿轮渐开线样板的使用性能，市场上也未见该类型的齿轮渐开线样板产品问世。发明专利(CN 201711393983.X)公开了一种自安装基准等公法线齿轮渐开线样板，该齿轮渐开线样板的结构适合中小基圆参数的齿轮渐开线样板，不适合轻量化的大齿轮渐开线样板。除此之外，国内外均未查到有齿顶圆大于500mm，且满足我国齿轮渐开线样板国家标准中1级和2级精度的齿轮渐开线样板的相关文献。
发明内容
为解决符合齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010的大齿轮渐开线样板的结构设计难题，本发明提出一种轻量化的连轴装配式大齿轮渐开线样板。
具体技术方案为：一种连轴装配式大齿轮渐开线样板包括大齿轮渐开线样板条、芯轴、垫板、配重轴、可调配重环、配重调整紧定螺钉、垫板连接螺钉、样板连接螺钉、偏心密珠轴套。
大齿轮渐开线样板条为一体化对称结构，一端设有样板齿，另一端设有安装、定位和锁紧用的样板条连接板、样板条径向基准轴和样板条锁紧螺纹，中间通过带减重槽和减重孔的样板支撑臂连接；样板齿上设有沿样板条径向基准轴的轴线对称的齿轮渐开线样板左齿面和齿轮渐开线样板右齿面各一个，两齿面的宽度不小于6mm，展开长度不短于齿轮渐开线国家标准GB/T 6467-2010的推荐值，且从基圆处给出设计齿廓；大齿轮渐开线样板条两端设有中心孔，便于大齿轮渐开线样板条的样板条连接板安装面、样板条基径向基准轴及样板条锁紧螺纹的加工；大齿轮渐开线样板条通过垫板、配重轴、垫板连接螺钉、样板连接螺钉与芯轴多重固定连接，保证大齿轮渐开线样板条与芯轴的连接刚度与稳定性；
芯轴是大齿轮渐开线样板的加工和测量基准轴，两端结构对称，中间的芯轴连接轴段相对于芯轴轴线对称加工出两个平行的芯轴平槽，芯轴平槽的高度略大于样板条连接板和垫板高度，用于限制大齿轮渐开线样板条和垫板安装后相对于芯轴的旋转自由度；芯轴平槽中间设有一轴线正交于芯轴轴线的基准内孔，同芯轴平槽的平面一起用作大齿轮渐开线样板条的安装基准；芯轴平槽上设有密排的样板条锁紧螺纹孔，用于连接大齿轮渐开线样板条和垫板；芯轴连接轴段到两端依次设有芯轴轴向基准环面、芯轴径向基准圆柱面、基圆盘锁紧螺纹和芯轴中心孔；芯轴轴向基准环面和芯轴径向基准圆柱面分别用于大齿轮渐开线样板的轴向基准和径向基准，该基准面也是采用纯滚动展成原理加工和测量时用于安装基圆盘的轴向基准和径向基准，通过锁紧螺母及垫圈组合可将两基圆盘固定到芯轴上，从而实现了大齿轮渐开线样板加工基准、测量基准及使用基准的统一。
垫板为矩形结构，其上设有均布的通孔，便于垫板与芯轴的连接；
配重轴为带螺纹孔的T型轴，一端设有样板条锁紧螺纹孔，为增加螺纹连接的可靠性，采用细牙螺纹连接；配重轴调整基准面上靠近螺纹孔一端设有两个平行的安装夹持面，便于用扳手将配重轴和大齿轮渐开线样板条通过垫板与芯轴连接到一起；配重轴另一端设有一轴台，用于防止可调配重环移出。
可调配重环为一圆环形结构，径向中间位置设有四个对称的配重调整螺纹孔，用于安装配重调整紧定螺钉，可调配重环内孔直径大于配重轴调整基准面直径1～2mm，可调配重环以配重轴为基准可进行径向和轴向位置的调整，以调整大齿轮渐开线样板的整体质心通过芯轴轴线，从而实现大齿轮渐开线样板的质量平衡。
为减小重力方向对大齿轮渐开线样板齿廓精度的影响，装配后大齿轮渐开线样板芯轴轴线沿竖直方向放置，且不可调换方向。
本发明的有益效果在于，发明了一种连轴装配式大齿轮渐开线样板，样板结构及展开长度均满足齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010中1级精度的基本要求，具有展开长度长、质心可调、基准统一、结构紧凑、便携的优点。大齿轮渐开线样板左右齿面的齿廓倾斜偏差的差异可通过专利(CN 201510560861.X)公开的偏心密珠轴套和专利(CN201510091994.7)公开的补偿方法进行补偿，基圆参数可通过微调芯轴连接轴段的芯轴平槽相对于芯轴轴线的距离尺寸进行调整；采用轻量化设计，单人手动便可以进行安装和搬运，适用于基圆直径大于500mm的大齿轮渐开线样板的结构设计。
附图说明
图1连轴装配式大齿轮渐开线样板。
图2大齿轮渐开线样板条及偏心密珠轴套。
图3芯轴。
图4配重轴和可调配重环。
图中：1大齿轮渐开线样板条；1-1齿轮渐开线样板左齿面；1-2齿轮渐开线样板右齿面；1-3样板条支撑臂；1-3-1减重槽；1-3-2减重孔；1-3-3横版；1-3-4腹板；1-4样板条连接板；1-5样板条连接孔；1-6样板条径向基准轴；1-7样板条锁紧螺纹；1-8样板条中心孔；2芯轴；2-1芯轴连接轴段；2-2芯轴平槽；2-3样板定位面；2-4基准内孔；2-5连接螺纹孔；2-6芯轴轴向基准环面；2-7芯轴径向基准圆柱面；2-8基圆盘锁紧螺纹；2-9芯轴中心孔；3垫板；4配重轴；4-1样板条锁紧螺纹孔；4-2配重轴安装面；4-3配重调整基准面；4-4安装夹持面；4-5轴台；5可调配重环；5-1配重调整螺纹孔；5-2配重环内孔；6配重调整紧定螺钉；7垫板连接螺钉；8样板连接螺钉；9偏心密珠轴套。
具体实施方式
齿轮渐开线样板的国家标准GB/T 6467-2010中基圆半径rb＝400mm是最大规格的齿轮渐开线样板，推荐展开长度是160mm，展开角为23°。以基圆半径参数rb＝400mm的大齿轮渐开线样板为例，阐述一种连轴装配式大齿轮渐开线样板的具体实施方式。
大齿轮渐开线样板条1为一体化对称结构，一端设有样板齿，另一端设有安装、定位和锁紧用的样板条连接板1-4、板条径向基准轴1-6和样板条锁紧螺纹1-7，中间通过带减重槽1-3-1和减重孔1-3-2的样板支撑臂1-3连接；根据大齿轮渐开线样板的工作姿态，设计样板条连接板1-4的矩形尺寸高度大于宽度，以减小大齿轮渐开线样板自重作用下样板齿的扰度变形；设计样板条连接板1-4的高度为100mm，通过公差控制该尺寸小于芯轴平槽2-2高度0～0.01mm，宽度为60mm；样板齿上设有沿样板条径向基准轴1-6的轴线对称的齿轮渐开线样板左齿面1-1和齿轮渐开线样板右齿面1-2各一个，两齿面的宽度为8mm，齿顶圆直径为980mm，设计展开长度约为283mm，齿廓形状和倾斜偏差的计值区间为[10mm，280mm]，有效展开长度可达270mm，比齿轮渐开线样板国家标准推荐展开长度大了110mm，满足1级精度样板对展开长度的要求，且从基圆处给出设计齿廓；为不增加大齿轮渐开线样板的重量，减小样板齿自重下的扰度变形对齿轮渐开线样板左齿面1-1和齿轮渐开线样板右齿面1-2齿廓精度的影响，应尽量将大齿轮渐开线样板左右齿面靠近，设计齿轮渐开线样板左齿面1-1和渐开线样板右齿面1-2渐开线从基圆上的起始点对应的圆心角为12°，大齿轮渐开线样板条1两端设有中心孔1-8，便于大齿轮渐开线样板条1上的样板条连接板1-4、样板条基径向基准轴1-6及样板条锁紧螺纹1-7的加工；在保证大齿轮渐开线样板条1结构刚度的条件下，应尽可能减轻大齿轮渐开线样板条1的质量，样板支撑臂1-3采用截面逐渐减小的锥形腹板结构，样板条连接板1-4和设有减重孔的腹板1-3-4厚度为8mm，其它横板1-3-3的厚度为6mm；大齿轮渐开线样板条1通过垫板3、配重轴4、垫板连接螺钉7、样板连接螺钉与芯轴2多重固定连接，保证大齿轮渐开线样板条1与芯轴2的连接刚度与稳定性。
大齿轮渐开线样板条1的材料为GCr15，通过淬火和液氮深冷处理，使齿轮渐开线样板左齿面1-1和齿轮渐开线样板右齿面1-2的硬度不低于HRC60。
芯轴2是大齿轮渐开线样板的加工和测量基准轴，两端结构对称，全长280mm，中间的芯轴连接轴段2-1的直径为98mm长度为120mm，相对于芯轴2轴线对称加工出两个平行的芯轴平槽2-2，芯轴平槽2-2的高度为100mm，深度为15mm，通过公差控制芯轴平槽2-2的高度略大于样板条连接板1-4和垫板3高度0～0.01mm，用于限制大齿轮渐开线样板条1和垫板3安装后相对于芯轴1的旋转自由度；芯轴平槽2-2中间设有一轴线正交于芯轴2轴线的基准内孔2-4，同芯轴平槽2-2的平面一起用于大齿轮渐开线样板条1的安装基准，芯轴平槽2-2内孔直径的确定要根据样板条径向基准轴1-6直径和偏心密珠轴套9所用钢球的直径确定，虑及芯轴1的刚度及轻量化的设计要求，芯轴2内孔的直径设计为40mm，偏心密珠钢球的直径为5.00mm左右，样板条径向基准轴1-6的尺寸为30mm，并确保偏心密珠轴套9里的钢球与大齿轮渐开线样板条1和芯轴2的单边过盈量在1～3μm之间；芯轴平槽2-2上设有矩形密排的样板条锁紧连接螺纹孔2-5，根据芯轴平槽2-2的尺寸，每个样板条连接板1-4上可设置矩形排列的16个M6的连接螺纹孔2-5，位置与样板条连接板1-4上的样板条连接孔1-5对应，用于连接大齿轮渐开线样板条1和垫板3；芯轴平槽2-2中的两个样板定位面2-3具有较高的平面度、平行度及对称度的要求，芯轴2从芯轴连接轴段到两端依次设有芯轴轴向基准环面2-6、芯轴径向基准圆柱面2-7、基圆盘锁紧螺纹2-8和芯轴中心孔2-9；芯轴径向基准圆柱面2-7直径为66mm，相对于芯轴中心孔2-9的圆跳误差不大于1μm；芯轴轴向基准环面2-6相对于芯轴中心孔2-9的端跳误差不大于1μm，芯轴轴向基准环面2-6和芯轴径向基准圆柱面2-7分别用于该大齿轮渐开线样板的轴向基准和径向基准，该基准面也是采用纯滚动展成原理加工和测量时用于安装基圆盘的轴向基准和径向基准，通过锁紧螺母及垫圈组合可将两基圆盘固定到芯轴2上，从而实现了大齿轮渐开线样板加工基准、测量基准及使用基准的统一；通过精密研磨的工艺可提高芯轴基准面的加工精度。
垫板3为厚8mm的矩形结构，其上设有四个均布的通孔，便于垫板3与芯轴2的连接。
配重轴4为带螺纹孔的T型轴，一端设有样板条锁紧螺纹孔4-1，配重调整基准面4-3的直径为66mm，全长为127mm，轴台4-5的直径为90mm，一端设有与样板条锁紧螺纹1-7配合的，样板条锁紧螺纹孔4-1的参数为M30、螺距1.5、深30mm；配重轴调整基准面上4-3靠近样板条锁紧螺纹孔4-1一端设有两个平行的安装夹持面4-4，便于用扳手将配重轴4和大齿轮渐开线样板条1通过垫板3与芯轴2连接到一起；配重轴4另一端设有一轴台4-5，用于防止可调配重环5移出。
可调配重环5为一圆环形结构，内径为67mm，外径为106mm，长度为80mm，径向中间位置设有四个对称的配重调整螺纹孔5-1，用于安装配重调整紧定螺钉6，可用M12螺距为1.5的平头细牙内六角紧定螺钉；通过三维模型验算当可调配重环5移到距离配重轴轴台4-5约1mm左右时，装配后的连轴大齿轮渐开线样板的理论质心点通过芯轴2的轴线，以便实际装配后可调配重环5有轴向的调整空间。
由于连轴装配式大齿轮渐开线样板各零件存在加工精度、密度均匀性、装配误差等因素的影响，需要装配后对大齿轮渐开线样板以芯轴2中心孔或芯轴径向基准圆柱面为基准进行精确静平衡，调整可调配重环5在配重轴4上的径向和轴向位置，以调整大齿轮渐开线样板的整体质心通过芯轴轴线，从而实现大齿轮渐开线样板的质量平衡。
大齿轮渐开线样板装配前左右齿面精加工前，各零件要进行充分时效处理，大齿轮渐开线样板左右齿面精加工前的装配选择用非偏心的密珠轴套，精加工后在根据左右齿面齿廓倾斜偏差的差异和齿廓形状偏差的凸凹度误差，制作特定偏心量的偏心密珠轴套9进行补偿，补偿后使用力矩扳手均匀将样板连接螺钉8、垫板连接螺钉7和配重轴4固定到芯轴2上，然后整体进行静平衡，调整大齿轮渐开线样板的质心通过芯轴2的轴线。
上述实施例提供的基圆半径为rb＝400mm的大齿轮渐开线样板，整体重量约为20kg，单人即可搬运。为减小重力方向对大齿轮渐开线样板齿廓精度的影响，装配后大齿轮渐开线样板芯轴轴线沿竖直方向放置，且不可调换方向。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，包括：大齿轮渐开线样板条(1)、芯轴(2)、垫板(3)、配重轴(4)、可调配重环(5)、配重调整紧定螺钉(6)、垫板连接螺钉(7)、样板连接螺钉(8)、偏心密珠轴套(9)；
大齿轮渐开线样板条(1)为一体化对称结构，一端设有样板齿，另一端设有安装、定位和锁紧用的样板条连接板(1-4)、样板条径向基准轴(1-6)和样板条锁紧螺纹(1-7)，两端中间通过样板条支撑臂(1-3)连接；样板齿包括沿样板条径向基准轴(1-6)的轴线对称的齿轮渐开线样板左齿面(1-1)和齿轮渐开线样板右齿面(1-2)各一个；大齿轮渐开线样板条(1)通过垫板(3)、配重轴(4)、垫板连接螺钉(7)、样板连接螺钉(8)与芯轴(2)固定连接；
芯轴(2)是大齿轮渐开线样板的加工和测量基准轴，两端结构对称，中间的芯轴连接轴段(2-1)相对于芯轴轴线对称加工出两个平行的芯轴平槽(2-2)，芯轴平槽(2-2)中间设有一轴线正交于芯轴轴线的基准内孔(2-4)，同芯轴平槽的平面一起用作大齿轮渐开线样板条的安装基准；芯轴平槽(2-2)上设有密排的样板条锁紧螺纹孔，用于连接大齿轮渐开线样板条(1)和垫板(3)；芯轴连接轴段到两端依次设有芯轴轴向基准环面(2-6)、芯轴径向基准圆柱面(2-7)、基圆盘锁紧螺纹(2-8)和芯轴中心孔(2-9)；芯轴轴向基准环面(2-6)和芯轴径向基准圆柱面(2-7)分别用于大齿轮渐开线样板的轴向基准和径向基准。
2.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，垫板(3)为矩形结构，其上设有均布的通孔，便于垫板与芯轴的连接。
3.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，所述的配重轴(4)为带螺纹孔的T型轴，一端设有样板条锁紧螺纹孔(1-7)，为增加螺纹连接的可靠性，采用细牙螺纹连接；配重轴调整基准面(4-3)上靠近螺纹孔一端设有两个平行的安装夹持面(4-4)，便于用扳手将配重轴和大齿轮渐开线样板条通过垫板(3)与芯轴(2)连接到一起；配重轴另一端设有一轴台，用于防止可调配重环(5)移出。
4.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，可调配重环(5)为一圆环形结构，径向中间位置设有四个对称的配重调整螺纹孔(5-1)，用于安装配重调整紧定螺钉(6)，可调配重环内孔(5-2)直径大于配重轴调整基准面(4-3)直径1～2mm，可调配重环(5)以配重轴(4)为基准进行径向和轴向位置的调整，以调整大齿轮渐开线样板的整体质心通过芯轴轴线，从而实现大齿轮渐开线样板的质量平衡。
5.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，样板条支撑臂(1-3)上布置减重槽(1-3-1)和减重孔(1-3-2)。
6.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，所述样板齿的两齿面宽度不小于6mm，展开长度不短于齿轮渐开线国家标准GB/T6467-2010的推荐值。
7.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，所述大齿轮渐开线样板条(1)两端设有中心孔，便于大齿轮渐开线样板条的样板条连接板安装面、样板条基径向基准轴及样板条锁紧螺纹的加工。
8.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，所述芯轴平槽(2-2)的高度大于样板条连接板和垫板高度，用于限制大齿轮渐开线样板条和垫板安装后相对于芯轴的旋转自由度。
9.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，所述芯轴轴向基准环面(2-6)和芯轴径向基准圆柱面(2-7)分别在纯滚动展成原理加工和测量时用于安装基圆盘的轴向基准和径向基准，通过锁紧螺母及垫圈组合将两基圆盘固定到芯轴上，从而实现了大齿轮渐开线样板加工基准、测量基准及使用基准的统一。
10.根据权利要求1所述的连轴装配式大齿轮渐开线样板，其特征在于，装配后大齿轮渐开线样板芯轴轴线沿竖直方向放置，且不可调换方向。
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