專利名稱：重型磨損齒輪的修復方法
技術領域：
本發明涉及一種磨損齒輪的修復技術，具體地說是對報廢重型大齒輪修復的方法。
重型機械中使用的傳動齒輪磨損后，通常需要及時調換。由于更換大齒輪消耗的材料和工時多，制造周期長，成本高，因此對重型大齒輪的修復利用有很大的現實意義。修復實踐中，對于已磨損報廢的大齒輪修復方法是，將大齒輪齒頂圓車去一層再行切齒，然后配制新的小齒輪與之匹配。該方法中的齒廓修復變位系數是通過計算與檢測齒輪公法線長度來確定的，而齒輪公法線的計算相當繁瑣，檢測也很困難，而且按公法線確定的齒厚減薄量△L2又是個估計值，有時會出現傳動干涉現象。在重型機械中使用的傳動齒輪大多為漸開線直齒圓柱齒輪，當傳動齒輪模數m≥16，齒數Z≥100的大齒數大傳動比直齒圓柱齒輪磨損報廢利用前述方法修復時，常因齒輪直徑過大，公法線難于檢測而無法進行。
本發明的目的是針對上述存在的缺點，提供一種用于重型機械中使用的漸開線圓柱傳動齒輪修復，變位系數計算簡便，易于檢測，修復效率高，效果好的修復方法。
本發明的目的是這樣實現的先將大齒輪齒頂車去一層再行切齒，然后配制小齒輪與修復后大齒輪相匹配的方法進行。其特征是該方法的齒廓修復變位系數是通過在距齒頂圓距離數值上等于模數M位值處，進行的單齒測量大齒輪齒厚減薄量，按漸開線圓柱齒輪任意處齒厚去計算求得變位系數的，所用變位系數X2新＝X2原-KMZ2/0.728(da2-2M);式中X2新為修復大齒輪用的變位系數，X2原為原設計大齒輪變位系數，KM為減薄量，Z2為原大齒輪齒數，da2為原大齒輪齒頂圓直徑，M為齒輪模數。
經對重型報廢齒輪的大量檢測中發現，齒輪齒廓破壞最嚴重的部位是分布在距齒頂距離為與齒輪模數M數值相接近一條線的上、下兩側。為使齒面重新形成漸開線的齒廓，其齒厚減薄量是按實際測得的齒廓磨損量加上一個光整加工余量來確定的。這里的加工余量可按齒輪加工工藝規程或經驗給出，而齒面磨損量是距大齒輪齒頂距離為模數M數值處，在齒厚方向上的實際檢測磨損深度最大值。用此處確定的齒厚減薄量去求取變位系數，可使修復工作取得最經濟的效果。實際的修復工作證明，齒厚減薄量與齒輪模數M之間有一定的關系，這里將齒厚減薄量與模數M的比值定為減薄系數K，則齒厚減薄量在數值上等于KM的積。
在盡可能的保持原齒輪傳動參數不變的情況下，修復大齒輪是最理想的。據此，在距大齒輪齒頂距離為M數值處的原齒厚Sm，修復后的新齒厚S以及齒厚減薄量KM之間有下列關系成立Sm-KM＝S上式中Sm為原大齒輪距齒頂為M數值位置處的齒厚;S為經減薄修復后的輪齒在與上述同一位置處的新齒厚。KM為上述同一位置處的齒厚減薄量。
將上式中的齒厚S按漸開線圓柱齒輪任意處齒厚計算公式代入則有dm[π/2Z2+(2X2原·tanαo)/Z2+invαo-invα′]-KM＝d′m(π/2Z2+(2X2新·tanαo)/Z2+invαo-invα′)上式中X2原為原設計大齒輪的變位系數，X2新為修復大齒輪用待確定的變位系數，dm為大齒輪距齒頂距離為M數值處的直徑，d′m為經減薄修復后的大齒輪在與上述同一位置處的直徑。
對上式中的各項需要說明的是因為是同一大齒輪上的同一位置處的直徑值，所以dm＝d′m＝da2-2M。
又因為修復大齒輪是在保證原設計齒輪傳動副傳動參數不變的前提下進行的，所以修復前、后齒輪傳動嚙合角α′角不變，標準壓力角αo不變。
這里還應說明的一點是，公式中的齒厚S值指的是輪齒的弧齒厚，因本發明主要用在直徑較大齒輪的修復，將修復前、后的齒厚都用弦齒厚代替弧齒厚則其計算相對誤差非常小，可以忽略不計，以此化簡上式并代入標準壓力角αo＝20°數值得X2新＝X2原-(KMZ2)/0.728(da2-2M)為保證修復前、后齒輪傳動參數不變，與修復后大齒輪相匹配的小齒輪的變位系數X1新值可由下式求出X1新＝X∑原-X2新式中X∑原為待修復齒輪付原設計變位系數和。
一般情況下，重型齒輪磨損到1/3M時，就已不能正常傳遞動力而報廢了，實際修復工作中按磨損程度的不同所計算出的K值取值范圍如在0.8≥K＞0的范圍之中時，即可進行齒輪的正常修復工作。
修復用新的變位系數求出后，同時利用原齒輪其他參數很容易求出修復后齒輪的齒頂圓直徑值，這樣，只要將待修復的大齒輪齒頂圓車去一層，達到上述新計算出的齒頂圓直徑值后，用常規的方法即可加工出新的漸開線齒廓完成大齒輪的修復工作。
利用已求出的與修復后大齒輪相匹配的小齒輪新變位系數值，同樣可以計算出匹配小齒輪齒頂圓直徑值，同時利用原設計小齒輪其他參數值很容易制出一小齒輪與修復后大齒輪相匹配，且保持原傳動中心距不變。
本發明所給定的修復方法，適用于漸開線圓柱齒輪(直齒或斜齒)，按非變位齒輪傳動、高變位齒輪傳動、角變位齒輪傳動設計的齒輪付的修復，尤其是對模數M≥16，齒數Z≥100的重型大齒輪修復利用上。本發明使修復齒廓用變位系數的求取變得十分簡單、實用，經修復的大齒輪其所用費用僅為新制齒輪的1/2，所用工時僅為1/4。
圖1為按非變位齒輪傳動設計的漸開線直齒圓柱大齒輪修復齒廓示意圖。
圖2為與圖1修復后大齒輪相匹配新設計的小齒輪齒廓示意圖。
圖3為按高變位齒輪傳動設計的漸開線直齒圓柱大齒輪修復齒廓示意圖。
圖4為與圖3修復后大齒輪相匹配新設計的小齒輪齒廓示意圖。
圖5為按正角變位齒輪傳動設計的漸開線直齒圓柱大齒輪修復齒廓示意圖。
圖6為與圖5修復后大齒輪相匹配新設計的小齒輪齒廓示意圖。
下面結合實施例進一步說明本發明修復磨損重型齒輪的方法。
實施例1對原按非變位齒輪傳動設計的齒輪付的修復。
已知原按非變位齒輪傳動副設計的Φ1.83M×6.4M球磨機用漸開線直齒圓柱齒輪副的修復。修復前經檢測認定傳動齒輪輪齒齒廓磨損嚴重破壞而報廢(見圖1陰影部位)。現用本發明提供的方法進行修復，原設計的傳動齒輪模數M＝22，大齒輪齒數Z2＝144，小齒輪齒數Z1＝21，大齒輪齒頂圓直徑da2＝3212mm，大齒輪變位系數X2原＝0，小齒輪變位系數X1原＝0。原設計中心距a＝1815mm，檢測齒厚Sm＝34.56mm。
1.首先用單齒檢測方法在原大齒輪一輪齒齒廓(1)上，距齒頂園距離數值等于模數M位值處，沿齒厚方向測出一側齒廓磨損深度最大值(2)(見圖1)，本實施例中用上述位置處原設計齒輪齒厚的一半1/2Sm＝17.82mm，減去在上述位置實測到的磨損后齒厚的最小值的一半，本實施例中經檢測為14mm，即可求得一側齒厚磨損深度最大值(2)為3.28mm。
2.計算K值，確定齒厚減薄量測出上述的一側齒廓磨損深度最大值后，還應將這一磨損深度最大值(2)加上一個為實現修復齒廓能加工出新的光整漸開線齒廓(4)，而必須預留光整加工余量(3)，該光整加工余量(3)本實施例中一側取0.5mm，則減薄系數K值為K＝[(3.28+0.5)×2]/M＝3.78×2/22＝0.34
本實施例中求出的K值在0.8≥K＞0范圍之內，說明修復后的齒輪副可實現正常傳動，由此得修復大齒輪所需的齒厚減薄量Km＝3.78×2＝7.56mm。
3.計算新的變位系數值①修復大齒輪用變位系數值，按X2新＝X2原- (K·M·Z2)/(0.728(da2-2M)) 代入數字計算得X2新＝0- (0.34×22×144)/(0.728(3212-2×22)) ＝-0.47②與修復后大齒輪相匹配小齒輪變位系數值，按X1新＝X∑原-X2新＝0-(-0.47)＝0.47計算結果表明，修復后的齒輪付為高變位傳動齒輪付。
4.求出X2新值后即可按已知的原設計參數值計算出修復后大齒輪應有的齒頂圓直徑d′a2值，按d′a2＝M(Z2+2ha★+2X2新)式中ha★為齒頂高系數，一般按標準設計取ha★等1。代入數字計算d′a2＝22×[144+2×1+2×(-0.47)]＝3191.32mm5.將待修復的報廢大齒輪的齒頂圓車去一層使其直徑由da2減為d′a2。
6.將前述已車去一層的大齒輪體放到滾齒機上，按普通齒輪加工方法進行切齒加工，直至形成新的漸開線齒廓，即可完成大齒輪的修復工作。如圖1所示(4)即為修復后新形成的大齒輪齒廓。
制齒時，檢測齒高h＝M＝22mm，檢測齒厚Sm2新由下式求出Sm2新＝dm2新-( (π)/(2Z2) + (2X2新tanα0)/(Z2) +invαo-invαm2新)式中Sm2新為修復后大齒輪距齒頂距離為模數M數值位置處的齒厚值。
dm2新為上述檢測齒厚位置處的直徑值，顯然dm2新＝d′a2-2M＝3191.32-2×22＝3147.32mm又因αo＝20°，查表知inv20°＝0.0149044，invαm2新可通過cosαm2新＝(M·Z2·cosαo)/dm2新求得角αm2新值后用invαm2新＝tanαm2新-αm2新計算出invαm2新＝0.012588403，代入以上各值及其他已知參數可求得Sm2新＝34.14mm，加工中按檢測精度，本實施例給出齒厚檢測公差34.14-0.6-0.8mm。
7.設計一小齒輪令其與已修復大齒輪相匹配①按前計算知小齒輪新變位數X1新＝0.47②計算小齒輪齒頂圓直徑按da1＝(Z1+2ha+2X1新)×M＝(21+2×1+2×0.47)×22＝526.68mm③車毛胚制齒加工計算出小齒輪直徑值后，即可結合原設計小齒輪其他結構參數加工出小齒輪毛胚后，再在滾齒機上用常規方法在保證原設計齒輪參數不變的前提下進行制齒加工，即可制出與修復后大齒輪相匹配的小齒輪。本實施例中檢測齒厚Sm1＝34.94-0.3-0.4mm，檢測齒高h＝M＝22mm。
圖2中(5)即為新設計匹配小齒輪齒廓;(6)為原設計小齒輪標準齒廓。
8.中心距校核計算本實施例原按非變位齒輪傳動設計的齒輪付經修復后成為一對高變位齒輪傳動付，其中心距按高變位齒輪傳動付中心距計算公式計算a＝[(Z1+Z2)/2]×m＝[(144+21)/2]×22＝1815mm上述結果說明修復后齒輪傳動中心距不變。
9.小齒輪齒頂寬校核計算匹配小齒輪齒頂處齒厚由下式計算Sa1＝da1(T/(2Z1)+(2X1tanαo)/Z1+invαo-invαa1)上式中da1為小齒輪齒頂圓直徑，為526.68mm
顯然invαo＝inv20°＝0.0149044式中invαa1同樣可通過cosαa1＝(M·Z1·cosαo)/da1求得αa1＝34°4832′，再由下式求取invαa1＝tanαa1-αa1＝0.085004。
將上述各值并各已知齒輪參數值代入前式并計算可求得Sa1＝11.05mm，該齒輪齒頂寬遠遠大于零，符合使用要求。
該傳動副原設計大齒輪凈重3.6噸，制造費用為7.6萬元，而對其進行修復后只用費用4萬元，節約3.6萬元，且制造工期僅用10天，較新制齒輪用時間減少3/4。經修復的大齒輪因其齒輪體經長時間使用自然時效，再制齒后可避免因輪齒變形而影響精度，其加工精度可達8-8-8KL以上。同時經修復后的齒輪傳動副的嚙合面移向小齒輪漸開線曲率半徑較大的一段，不但能提高小齒輪齒根接觸強度，而且能提高使用壽命近30%。
實施例2對原按高變位齒輪傳動設計的齒輪付的修復此例為對實施例1中經高變位齒輪傳動設計修復的Φ1.83M×6.4M球磨機用漸開線直齒圓柱齒輪付再磨損報廢后的再修復。齒輪付各參數值見實施例1。(見圖3)1.首先用單齒檢測方法在待修復大齒輪一輪齒齒廓(1)上距齒頂距離數值等于模數M位置處，按與實施例1同樣的方法沿齒厚方向測出一側齒廓磨損深度最大值(2)，為2.57mm。
2.計算K值，確定齒厚減薄量按與實施例1同樣的方法再加上一個為使修復齒廓能加工出新的光整漸開線齒廓(4)，而必須預留的光整加工余量(3)，本實施例中一側加工余量(3)仍取0.5mm，由此可用下式計算本實施例減薄系數K值K＝[(2.57+0.5)×2]/M＝(3.07×2)/22＝0.279此次修復如是原按非變位齒輪傳動設計時的減薄系數K值應為K＝[(3.07+3.78)×2]/M＝0.62該次修復相對原按非變位齒輪傳動設計時的減薄系數K值仍在0.8≥K＞0的范圍之內，說明經第二次修復的齒輪傳動付仍可實現正常傳動。
3.計算新的變位系數值①修復大齒輪用變位系數值，按X2新＝X2原-(K·M·Z2)/0.728(da2-2M)代入數值計算X2新＝-0.47-(0.279×22×144)/0.728(3191.32-2×22)＝-0.86②與修復大齒輪相匹配小齒輪用變位系數值，按X1新＝X∑原-X2新＝0-(-0.86)＝0.86該計算結果說明修復后的齒輪傳動付仍為高變位齒輪傳動付。
4.計算修復后大齒輪的齒頂圓直徑值d′a2按高變位齒輪傳動付齒頂圓直徑計算公式da2′＝M(Z2+2ha+2X2新)＝3174.16mm5.將待修復大齒輪齒頂圓車去一層，使其直徑達3174.16mm尺寸值。加工中可按加工精度給出公差。
6.將前述已車去一層的大齒輪體放到滾齒機上按普通方法進行切齒加工，圖3中(4)即為新修復加工出的光整漸開線齒廓。
制齒時，檢測齒高h＝M＝22mm，檢測齒厚Sm2新由下式求出Sm2新＝dm2新(π/2Z2+2X2新tanαo/Z2+invαo-invαm2新)用于實施例1同樣方法經計算可求得Sm2新＝33.50mm，實際檢測中應給出齒厚加工公差值Sm2新＝33.50-0.6-0.8mm。
7.設計一小齒輪令其與修復大齒輪相匹配①按前計算知小齒輪設計變位數X1新＝0.86②計算小齒輪齒頂圓直徑，同樣按da1＝(Z1+2ha+2X1新)×M＝(21+2+2×0.86)×22＝543.84mm③車毛胚制齒加工計算出小齒輪直徑值后，即可結合原設計小齒輪結構參數加工出小齒輪毛胚后，再在滾齒機上用常規方法在保證原設計齒輪參數不變的前提下進行制齒加工，即可加工出與修復后大齒輪相匹配的小齒輪。本實施例中檢測齒厚Sm1＝33.70-0.6-0.8mm，檢測齒高h＝M＝22。
圖4中(5)即為新設計匹配小齒輪齒廓，(6)為原小齒輪齒廓，(7)雙點劃線為標準齒廓。
8.中心距校核計算從本實施例中可以看出，原按高變位齒輪傳動設計的齒輪付經修復后仍為一對高變位齒輪傳動付，其中心距不變，a＝(Z1+Z2)/2×M＝1815mm。
9.小齒輪齒頂寬校核計算匹配小齒輪齒頂齒厚由下式計算Sa1＝da1(π/2Z1+2X1新tanαo/Z1+invαo-invαa1)上式中da1＝543.84mm，X1新＝0.86，Z1＝21，invαo＝inv20°＝0.0149044，invαa1按前述同樣方法可求得invαa1＝0.108115，代入數字計算求得Sa1＝6.20mm，齒頂寬符合使用要求。
本實施例說明原按非變位齒輪傳動設計的漸開線圓柱齒輪傳動付可以經二次維修再次利用，可獲得更大的經濟效益。
實施例3原按正角變位齒輪傳動設計的齒輪付的修復已知原按正角變位齒輪傳動付設計的，Φ2.2M×6.5M球磨機用漸開線直齒圓柱齒輪付的修復，修復前經檢測認定傳動齒輪輪齒齒廓嚴重磨損破壞而報廢。(見圖5陰影部位)原設計參數為模數M＝22，大齒輪齒數Z2＝158，小齒輪齒數Z1＝23，大齒輪齒頂圓直徑da2＝3622.78mm，大齒輪變位系數X2＝2.7，小齒輪變位系數X1＝0.77，原設計理論中心距ao＝1991mm，實際中心距a′＝2059.38mm，大齒輪加工原設計檢測齒厚Sm2＝37.66mm，現用本發明提供的方法進行修復(見圖5)。
1.首先用單齒檢測方法在原大齒輪齒廓(1)上距齒頂距離數值等于模數M位置處，沿齒厚方向測出一側齒廓磨損深度最大值(2)，本實施例中用上述位置處原設計齒輪齒厚的一半1/2Sm2＝18.83mm，減去在上述位置實測到的磨損后齒厚的最小值的一半-本實施例中經檢測為14.88mm，即可求得一側齒厚磨損深度最大值(2)為3.95mm。
2.計算K值，確定齒厚減薄量用測出的上述一側齒廓磨損深度最大值(2)加上光整加工余量(3)，本實施例一側加工余量取0.5mm，即可計算出減薄系數K
K＝[(3.95+0.5)×2]/M＝0.405本實施例中求出的減薄系數K值在0.8≥K＞0范圍之內，說明修復后的大齒輪可實現正常傳動。
即可確定修復大齒輪所需齒厚減薄量為Km＝0.405×22＝8.91mm。
3.求新的變位系數值①修復大齒輪用新的變位系數值，按X2新＝X2原-(K·M·Z2)/0.728(da2-2M)代入數字計算X2新＝2.7-(0.405×22×158)/0.728(3622.78-2×22)＝2.16②與修復大齒輪相匹配小齒輪用新的變位系數，按X1新＝X∑原-X2新＝(2.7-0.77)-2.16＝1.31上述計算結果說明修復后的齒輪傳動付仍為正角變位齒輪傳動。
4.計算修復后大齒輪的齒頂圓直徑da2′值按正角變位齒輪動大齒輪齒頂圓直徑計算公式da2′＝M(Z2+2ha+2X2新-2△y)式中△y為齒頂高變動系數，可由下式求得△y＝X∑-y，其中y為中心距變動系數，由下式求得y＝(a′-a)/M＝(2059.38-1991)/22＝3.108，則△y＝2.16+1.31-3.108＝0.362，代入上式計算da2′＝22×(158+2×1+2×2.16-2×0.362)＝3599.112mm5.將待修復大齒輪齒頂圓車去一層，使其直徑達3599.112mm尺寸值。
6.將前述已車去一層的大齒輪體放到滾齒機上按普通齒輪加工方法進行切齒加工。圖5中(4)即為修復后新加工出的漸開線齒廓，(5)雙點劃線為標準齒廓。
制齒時，檢測齒高h＝M＝22mm，檢測齒厚Sm2新由下式求出Sm2新＝dm2新(π/2Z2+2X2新tanαo/Z2+invαo-invαm2新)式中Sm2新為修復后大齒輪距齒頂距離為模數M數值位置處的齒厚值dm2新為上述檢測齒厚位置處的直徑值，顯然
dm2新＝da2′-2M＝3599.112-2×22＝3555.112mminvαo＝inv20°＝0.0149044invαm2新可通過cosαm2新＝M·Z2·cosαo/dm2新，求得αm2新值后再由invαm2新＝tanαm2新-αm2新，計算出invαm2新＝0.0238445，代入上述各數值及齒輪各已知參數值計算得Sm2新＝38.92mm，給出公差，本實施例為38.92-0.6-0.8mm。
7.設計一小齒輪令其與修復后大齒輪相匹配(見圖6)①按前述計算知X1新＝1.31②計算小齒輪齒頂圓直徑值da1，有da1＝M(Z1+2ha+2X1新-2△y＝22(23+2×1+2×1.31-2×0.362)＝591.712mm③車毛胚，制齒加工計算出小齒輪直徑后，即可結合原設計小齒輪結構參數加工出小齒輪毛胚后，再在滾齒機上用常規方法在保證原設計齒輪參數不變的前提下進行制齒加工，即可加工出與修復后大齒輪相匹配的小齒輪來。
本實施例中計算求得檢測齒厚Sm1新＝39.60mm，加工中給出公差為39.60-0.6-0.8mm。檢測齒高h＝M＝22mm。
圖6中(6)即為新設計匹配小齒輪齒廓，(7)為原設計小齒輪齒廓，(8)雙點劃線為標準齒廓。
8.中心距校核計算本實施例修復后仍為正角變位齒輪傳動，其中心距為a′＝1/2M(Z1+Z2)+yM＝1/2×22(158+23)+3.108×22＝2059.38mm即中心距不變。
9.小齒輪齒頂寬校核計算匹配小齒輪齒頂處齒厚Sal由下式計算Sa1＝da1(π/2Z1+2X1新tanαo/Z1+invαo-invαa1)用前述同樣方法可求得Sa1＝12.71mm，計算結果說明新設計匹配小齒輪符合使用要求。
該傳動副原設計大齒輪凈重4.3噸，制造費用為8.6萬元，而對其進行修復后只用費用4萬元，節約4.6萬元，且制造工期僅用10天，較新制齒輪用時間減少3/4。經修復的大齒輪因其齒輪體經長時間使用，再制齒后可避免因輪齒變形而影響精度，其加工精度可達8-8-8KL以上。同時經修復后的齒輪傳動副的嚙合面移向小齒輪漸開線曲率半徑較大的一段，不但能提高小齒輪齒根接觸強度，而且能提高使用壽命近30%。
權利要求
1.一種重型磨損齒輪的修復方法，先將大齒輪齒頂車去一層再行切齒，然后配制小齒輪與修復后大齒輪相匹配的方法進行。其特征是該方法的齒廓修復變位系數是通過距齒頂圓距離數值上等于模數M位值處，進行的單齒測量大齒輪齒厚減薄量，按漸開線齒輪任意處齒厚去計算求得變位系數的，所用變位系數X2新=X2原-KmZ2/0.728(da2-2M)；式中X2新為修復大齒輪用的變位系數，X2原為原設計大齒輪變位系數，Km為減薄量，Z2為大齒輪齒數，da2為原大齒輪齒頂圓直徑，M為齒輪模數。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征是對于齒面重新形成漸開線的齒廓，其齒厚減薄量是按實際測得的齒面磨損量加上一個光整加工余量來確定的。
全文摘要
本發明涉及一種磨損齒輪的修復技術，具體地說是對報廢重型大齒輪修復的方法。先將大齒輪齒頂圓車去一層再行切齒，然后配制小齒輪與修復后大齒輪相匹配的方法進行。其特征是該方法的齒廓修復變位系數是通過單齒測量大齒輪齒厚減薄量，在漸開線齒輪任意處齒厚計算求得的變位系數。本發明使修復齒廓用變位系數的求取變得十分簡單、實用，經修復的大齒輪其所用費用僅為新制齒輪的1/2，所用工時僅為1/4。
文檔編號F16H55/08GK1109398SQ9411250
公開日1995年10月4日 申請日期1994年9月8日 優先權日1993年10月9日
發明者劉玉璽 申請人:劉玉璽