專利名稱：：確定齒輪嚙合間隙的方法
技術領域：
：本發明涉及齒輪技術，特別是涉及確定齒輪組中齒輪嚙合間隙的方法。嚙合間隙這一詞用來描述互相嚙合的兩個齒輪牙齒之間的間隙大小，齒輪設計對嚙合規定了最佳值，大規模生產經驗鑒定齒輪組在各種用途中呈現出的差異，以滿足質量要求，此外，必須控制位置關系，以經濟地組裝。嚙合間隙是齒輪研磨和試驗過程中的重要參數。研磨包括在加上研磨劑時使嚙合的齒輪組轉動，同時改變齒輪的相對位置，使齒面平滑并修正接觸表面，研磨齒輪組包括同時控制幾種機械功能，以得到降低齒輪噪聲和提高強度的所需效果，基本的研磨工藝要求是控制嚙合間隙，使之接近設計值，使齒輪組可平滑、不費力地工作。以前的精研機通過機器運動的排序控制嚙合間隙。首先，使齒輪組嚙合到直接接觸狀況，沒有間隙，稱為“金屬對金屬”狀況。當在此位置時，機械運動會被夾緊，然后附加的移動使工件分開，產生嚙合間隙，該過程產生不確定的結果，因為機械零件也包括彈簧、有間隙的移動導向件、偏差等，這些都會變化，由于機械調整在一個嚙合點產生，不考慮在另一個嚙合點出現的部件變化，經濟的位置控制可改進這種局面，因為現在操作者可通過控制輸入補償掉某些機械誤差。盡管這些控制允許較方便的機械調節，但存在著下面的機械狀況。用位置控制(如Ellwanger等人的美國專利NO.3717958中揭示的步進電機)來控制機器運動，如果需要的運動可指定和量化的，則現在有機會實現正確的機器運動。已作了許多努力來用傳感器等其他類似的機械裝置檢測齒輪組的間隙，目的是提供反饋以使機器運動復位的更理想的研磨關系。不幸，反饋裝置對所需要的結果來說仍然變化太大，測量仍在一個嚙合點進行，這是產生變化的一大來源，最終，這種方法在這一時期的機器中被放棄了。計算機數字控制(CNC)來到精研機中，如GINIER等人的美國專利NO.4788476中所述，提供了一種確定間隙狀況的新機會，由直接控制機器運動位置，研磨所需的機床底盤可分解成三或四個機器運動，這樣的底盤更硬，測量時變化更小，現在可重新用傳感器來完成測量間隙的任務。但是，測量本質上仍是機械的，所以還會有一些變化。根據測量的性質，值可能仍然必須同定義的齒輪間隙數學上相關，這種數學模型實際上本身是一變化來源，現在可以幾個嚙合點進行測量以鑒別與部件有關的變化。本發明的一個目的是提出一種測量嚙合間隙的方法，其所有測量在受控條件下進行，由此測量實際的嚙合間隙值，而不是已有技術中的近似值。由本發明得出一種確定齒輪組中嚙合間隙的方法，其中該組包括第一部件和第二部件，第一部件的齒數大于或等于第二的齒數，一種熟知的齒輪組包括一齒輪部件和一小齒輪部件，齒輪部件和齒數等于或大于小齒輪件的齒數，小齒輪部件齒輪組中較小的部件，通常，小齒輪部件是齒輪組中的主動件，而齒輪部件為從動件，本發明將對齒輪和子齒輪部件進行敘述，但是，本發明不限于包括齒輪和小齒輪的齒輪組，而應認為包括任何嚙合的齒輪類部件。本發明的方法包括使第一和第二部件嚙合，并轉動這些部件，這樣第一部件沿第一方向轉動。在預定的增量處，記錄第一和第二部件之一的轉動位置另一部件的轉動位置也同時記錄。然后沿相反方向轉動第一部件，在每一預定的增量處，記錄一個部件的轉動位置，相反轉動方向的轉動位置與第一轉動方向的轉動位置相同，另一部件的轉動位置也隨之同時記錄。在一個部件沿第一方向和第二方向轉動的每一相同增量位置處計算對另一部件的記錄到的轉動位置之間的差別，得到的差值代表齒輪組的嚙合間隙值。本發明的方法進一步包括從所有計算得到的差值中確定單個有代表性的嚙合間隙值，并將此代表值與預定的可接受的間隙值比較，若代表值離預定的可接受值在希望的范圍內，則該齒輪組是可接受的，然后可進一步加工，如研磨。但是，若代表值在希望的范圍以外，則確定獲得可接受的間隙所必需的齒輪和小齒輪部件的相對位置變化，然后可把齒輪和/或小齒輪部件從其先前評估位置移動到新確定的相對位置，然而，進一步加工齒輪組，例如研磨。圖1示意性表示用于實現本發明過程的一種機器。圖2表示用于圖1中機器的控制系統。現在參見附圖詳細敘述本發明。可以在任何能轉動嚙合的齒輪組、監視齒輪組各部件轉動位置并使齒輪組部件彼此相對定位的機械上實現本發明，較好地，該機械是一計算機數字控制的(CNC)研磨或試驗機器，能相對轉動和橫向移動齒輪組部件，并包括對工件軸的轉動位置的電子測量，這類機器是眾所周知的并易于得到。圖1示意性表示出一種這類機器，該機器作為精研機來敘述，但應理解同樣的機器部件也可用于和執行試驗機的適當功能。該精研機包括基座2，其上安裝置齒輪頭4，齒輪頭4位于橫向滑板8上的導軌上，沿第一方向(G軸)直線移動。沿導軌6的移動由電機10推動，橫向滑板8以及齒輪頭4在安裝于基座2的導軌12上直線移動(E軸)，橫向滑板8的移動由電機14經適當的減速齒輪16推動，G和E軸彼此正交。垂直滑板18安裝成經導軌20使齒輪頭4垂直移動(P軸)，垂直滑板18的移動由電機22經減速齒輪24推動，在P軸方向的移動垂直于G和E軸，這使得G、E和P軸彼此垂直。可轉動的齒輪軸26裝在垂直滑板18上，齒輪28可拆卸地裝在齒輪軸26上，齒輪軸26由位于齒輪頭4內的電機36(圖2)轉動。基座2上還有小齒輪軸箱30，一個可轉動的小齒輪32從中穿過，其上可拆卸地安裝著小齒輪部件34，小齒輪軸32由位于基座2內的電機38(圖2)轉動，齒輪軸電機36和小齒輪軸電機38協同工作，形成加工速率，同時產生轉矩差別。工作頭4，橫向滑板8、垂直滑板18以及齒輪軸26和小齒輪軸32的運動分別由各個獨立的驅動電機10、14、22、36和38帶動，上述部件能彼此獨立或同時移動，每一相應的電機與一反饋裝置42(圖2)相關，例如是作為CNC系統部件的直線旋轉編碼器、或傳感器，CNC系統按照輸入到計算機控制器40(圖2)的指令管理驅動電機的運行。在研磨或試驗過程中，沿E和P軸的相對移動產生齒輪組部件接觸部分的位置變化，其作用是改變接觸圖形，研磨包括轉動嚙合的齒輪部件，在齒面的所需位置接觸，這樣，各部件處于特定的E和P軸位置以及特定的G軸位置，以產生所需的間隙。典型地，E、P和G軸的運動都對定位的輪齒接觸圖形的長度方向和深度方向位置有影響，E軸運動的主要影響在于接觸圖形長度方向的相對位置，P軸運動的主要影響在于接觸圖形深度方向的相對位置，而G軸運動的主要影響在于間隙。由于齒輪組被研磨，通過必要時改變E和P設置使接觸間齒面的外部(傘齒輪大端)或內部(傘輪小端)之一移位，以影響這種接觸位置移位，由于E和P改變影響到移位，G軸位置也必須改變以保持所需的間隙，當到達所需的大端或小端位置時，E和P軸位置再次改變，將接觸移動到另一大端或小端位置，而在E和P位置改變的同時G軸也適當改變以保持間隙，然后使接觸位置回到開始位置。本發明消除了一直存在于研磨和測量中的間隙測量的變化，而代之以提供一種快速和準確的間隙測量。本發明的方法包括在研磨或試驗機的齒輪軸上安裝一個齒輪部件，并在小齒輪軸上安裝一個小齒輪部件。齒輪和小齒輪由沿E、P、G軸的相對移動而嚙合，最好是金屬對金屬接觸，然后把部件之一由沿G軸相對退回一個量，以提供間隙。把齒輪和小齒輪之一指定為主動的，而另一個部件指定為從動的，以記錄其角位置。最好是，把小齒輪指定為主動的，而以這種方式討論此過程時，但應明器，為本發明的目的，齒輪部件也可以用作主動的。本發明最好是由與圖2中計算機數字控制40和軸反饋裝置42分開的計算和編碼裝置來進行，計算機44(它最好是至少為例如33MHz處理器)從控制器40接收順序命令，計算機44經面板50與轉動位置反饋裝置相接，轉動位置反饋裝置(例如以特定的編碼器一軸比率與齒輪和小齒輪軸相關的50倍內插的正交信號編碼器46、48)。面板50從計算機44接收順序命令，并將在計算機指定的期間把兩編碼器46、48的同時的讀數配對，對原始數據送到計算機44，計算機44處理這些讀數，如下所述，確定間隙值并發將這些值發送到控制器40。當然，若可能的話，合適的反饋位置裝置42和計算機控制器(CNC)40可用來讀取和處理數據，以按照本發明的方法確定間隙。由于小齒輪作為主動的，轉矩在與齒輪將轉動的相反方向上被加到齒輪軸上，其大小保持齒輪和小齒輪之間的接觸。然后轉動齒輪組，使小齒輪沿第一方向(例如順時針)轉動，而由編碼器在預定增量處測量小齒輪的轉動位置，并記錄下來。增量最好是相等的，例如，每1000個編碼器計算或每30度，但本方法不限于這和相等的增量。在記錄小齒輪轉動位置同時，齒輪的轉動位置也由一編碼器測量和記錄，最好是，這一測量周期持續到齒輪部件的完整的一轉，但是，該過程并非限于那樣，例如，測量周期僅為齒輪或小齒輪轉動的幾度也可以是足夠的，相反，也可以要求等于齒輪和小齒輪齒數乘積(即齒輪齒數比的乘積)的轉數，這樣在測量周期中會出現所有可能的輪齒嚙合組合。當完成這一測量周期后，主動部件(小齒輪)的轉動方向反轉(例如，反時鐘方向)，其為所加的齒輪軸轉矩的方向，并沿該相反轉動方向進行測量，小齒輪的轉動測量剛好在先前測量周期的同一位置外進行。即，對小齒輪的順時針和逆時針轉動測量在同一位置處進行，齒輪部件的轉動位置也與每一小齒輪轉動測量同時記錄，對于這一測量周期的齒輪和小齒輪的轉動量與先前測量周期中的轉動量相同。當收集到所有的測量信息時，對順時針和逆時針轉動每一測量增量處的轉動位置之間的差別加以計算。由于主動部件是沿每一轉動方向的同樣的轉動位置處測量的，因此每一增量處的測量之間的差值為零，所以，僅留下對從動部件的轉動測量，而這些差值代表了在轉動測量每一增量處的實際間隙值，下表提供了測量到的間隙值的一個例子。原始數據(CW)原始數據(CW)原始數據(CCW)原始數據(CCW)原始間隙數據合格的非零間隙數據存儲的合格非零間隙數據小齒輪齒輪小齒輪齒輪54000017950054000018045095095010800003598501080000360760910910894(最小值)16200005395521620000539860308*910216000071977621600007207039279279162700000899660270000090065299299292232400001080058324000010810209629629273780000125971237800001260628916916937(中間值)43200001439905432000014408429379379504860000162010548600001621116101110119625400000179956654000001800488922922964594000019793235940000198028796496499264800002159557648000021604518948941011(最大值)</table></tables>CW＝順時針小齒輪轉動CCW＝逆時針小齒輪轉動*第三數據點因凹痕或毛刺而不合格如表中所見，小齒輪部件是該間隙確定過程中的主動件，所以對于順時針和逆時針方向在同＝轉動位置處進行測量，由于位置相同，不存在差值，這些測量有效地彼此抵消。與每一小齒輪測量同時測量的齒輪轉動位置對每一個同樣的順時針和逆時針小齒轉位置反映出轉動位置差別。例如在順時針轉動的小齒輪位置510000處，測量的齒輪位置為179500個編碼器計數，而在逆時針轉動小齒輪位置540000處，測得的齒輪位置為18℃450個計數，齒輪部件的計數差值為950，這代表了齒輪該位置處的間隙。對于第三數據點，顯著不同的間隙數據308也許表明)在輪齒表面上可能有異常，如凹痕或毛刺。計算機中的邏輯會拒絕該齒輪組或停止處理，以使操作者對齒輪組作目視檢查，該點的數據也許不會被看作有效的，所以，最有可能是從留下的計算值中刪除掉。可以就最小和最大可接受的測量值對計算機編程。間隙和編碼器計數之間關系可由已知的齒輪理論關系表示，建議用下式。此時小齒輪為主動的，而齒輪是從動的其中D＝齒輪齒距(與間隙采用同一單位)NP＝被測的編碼計數器值NT＝每轉數編碼器計數值A＝齒輪螺旋角B＝齒輪壓力角在齒輪部件為主動的而小齒輪部件為從動的情形下，等式右側應再乘以齒輪組比率，例如，若所需的間隙為0.010英寸(0.2540mm)，而每轉編碼器計數的總數NT為720,000×3(編碼器對軸的比率)＝2,160,000，以及上表中的齒輪部件規格為D＝8.800英寸(222.52mm)A＝27度，12分B＝20度對NP(被測量的編碼器計數)解該式，得到935。所以，對齒輪部件轉動位置的編碼器計數算得的差值935等價于0.010英寸(0.2540mm)的間隙量，若上述齒輪部件的可接受范圍是例如0.008-0.012英寸(0.2032-0.3048mm)，則對該范圍的可接受間隙而言，被測量的齒輪部件編碼器計數的可接受差值應為748-1122計數。當然，可以看到，當已知被測編碼器計數時也可以解上式來確定間隙量。第三個間隙數據點的308個編碼器計數大大超出本例的748-1122編碼器計數范圍，而該數據點也許是不合格的，這樣，齒輪組應被檢視，而該齒輪組可能被拒絕。但是，其余的測量值得到中間的間隙值937，其離參考935很近。除了中間值之外，也可以使用平均值，本例中為944個編碼器計數，它離所需值935也很近。本發明的方法可用于對一具體的齒輪組得出綜合數據。通過在中間，小端和大端位置的E和P軸位置實現本發明的過程，可在每一位置通過利用已知的齒輪理論關系確定每一位置可接受的間隙，因而G軸位置，這由迭接的測量間隙、記錄G軸位置來實現。若間隙還可接受，則重復調節G軸位置并測量間隙直到可接受的間隙被得到，以及確定最終的G軸位置時為止。在時間很重要的情形下，如在大量產品研磨環境中，以及必須按照本發明的方法根據單次間隙測量作出G軸位置變化時，可根據已知的齒輪理論關系計算ΔG的變化，齒輪組的部件可沿G軸相對移動計算出的量，然后研磨齒輪組。本發明提出一種更快速和更準確的確定齒輪組中間隙的方法，可實現約3-6秒的周期時間，同時為產生更準確的齒輪組描述，可讀出大量數據點，除了確定間隙用于研磨或試驗外，也可以更準確地測量間隙以加強齒輪組的最后裝配，或使維修用的部件更為合理。盡管參照最佳實施例對本發明進行了敘述，應明白本發明不限于這里的特例，本發明應包括對本領域技術人員而言是顯然的修改，而主題仍在權利要求書實質范圍內。權利要求1.一種確定齒輪組中間隙的方法，齒輪組包括第一和第二齒輪部件，所述第一部件具有多個輪齒，其數目等于或大于所述第二部件的輪齒數目，其特征在于，所述方法包括使所述第一和第二部件嚙合，轉動所述部件，由此所述第一部件沿第一方向轉動，在預定增量處記錄所述第一和第二部件之一的轉動位置，在記錄所述一個部件的同時記錄第一和第二部件的另一個的轉動位置，轉動所述部件，由此所述第一部件沿相反方向轉動，在每一所述預定增量處記錄所述第一和第二部件所述之一的轉動位置，所述一個轉動方向的所述轉動位置與所述相反方向的轉動位置相同，在記錄所述一個部件的同時記錄所述第一和第二部件的另一個的轉動位置，計算所述一個部件沿所述第一方向和所述相反方向轉動時在每一相同增量處對所述第一和第二部件的所述另一個所錄的轉動位置之差值。2.如權利要求1的方法，其特征在于，所述間隙的確定在約3至6秒中實現。3.如權利要求1的方法，其特征在于，把所有算出的差值與一預定的可接受的間隙值比較，任一不在所述可接受范圍內的所述的計算值被認為不合格。4.如權利要求3的方法，其特征在于，根據在所述可接受范圍內的所述計算得的差值確定最小值、最大值和中間或平均值之一。5.如權利要求4的方法，其特征在于，所述中間值或平均值之一是所述中間值。6.一種確定間隙和研磨齒輪組的方法，所述齒輪組包括一齒輪部件和齒輪部件，所述齒輪部件具有多個輪齒，其數目等于或大于所述小齒輪部件的輪齒數，其特征在于，所述方法包括將所述齒輪部件裝在可轉動的齒輪軸上，將所述小齒輪部件裝在可轉動的小齒輪軸上，使所述齒輪和小齒輪部件嚙合，轉動所述部件，由此所述齒輪和小齒輪部件之一沿第一方向轉動，同時對所述齒輪和小齒輪部件的另一個的軸沿與第一方向相反方向施加轉矩，其大小為保持所述齒輪和小齒輪部件之間的接觸，所述一個部件的轉動被劃分為多個預定增量，在每一所述增量處記錄所述齒輪和小齒輪部件之一的轉動位置，在記錄所述一個部件的同時記錄所述齒輪和小齒輪部件中另一個的轉動位置，沿相反方向轉動所述齒輪和小齒輪部件，其轉動量等于所述沿第一方向上轉過的量，沿相反方向轉動量被劃分成所述數量的預定增量，沿所述相反方向的所述轉動的開始點是沿所述第一方向的所述轉動的結束點，在每一所述增量處記錄所述齒輪和小齒輪部件之一的轉動位置，所述一個轉動方向的所述轉動位置與所述相反的轉動方向的所述轉動位置相同，在記錄所述一個部件的同時，記錄所述齒輪和小齒輪部件的另一個的轉動位置，計算所述一個部件沿所述一個方向和所述另一方向轉動時在每一相同增量處對所述齒輪和小齒輪部件中另一個記錄到的轉動位置之間的差值，由算得的所述轉動位置差值確定中間值或平均值之一，比較所述中間值或平均值之一與一預定的可接受的間隙值，以及(a)若所述中間值或平均值之一在離所述預定可接受的間隙值所需范圍內，則研磨所述齒輪和小齒輪部件，或(b)若所述中間值或平均值之一在所述所需范圍外，則確定獲得所述可接受的間隙所必需的所述齒輪和小齒輪部件的相對位置變化，將所述齒輪和小齒輪部件定位至所述確定的相對位置，以及研磨所述齒輪和小齒輪部件。7.如權利要求6的方法，其特征在于，所述一個部件是所述小齒輪部件，所述另一部件是所述齒輪部件，8.如權利要求6的方法，其特征在于，所述中間值或平均值之一是所述中間值。9.如權利要求6的方法，其特征在于，在確定所述中間值或所述平均值之前，所述方法還包括將每一所述算得的轉動位置差值與一預定的可接受的差值范圍比較，并使在所述范圍外的所述位置差值為不合格。10.如權利要求6的方法，其特征在于，所述齒輪和小齒輪部件可沿三條正交軸E、P和G彼此相對移動，并且由所述齒輪和小齒輪部件沿所述G軸的相對移動進行相對定位，得到所述可接受的間隙。11.一種確定齒輪組間隙的方法，所述齒輪組包括齒輪部件和小齒輪部件，所述齒輪部件和齒數等于或大于所述小齒輪部件的齒數，其特征在于，所述方法包括(a)將所述齒輪部件裝在可轉動的齒輪軸上，(b)將所述小齒輪部件裝在可轉動的小齒輪軸上，所述小齒輪和齒輪部件可彼此相對移動，(c)使所述齒輪和小齒輪部件在預定的相對位置處嚙合，(d)轉動所述部件，由此所述齒輪和小齒輪部件沿第一方向轉動，同時對所述齒輪和小齒輪部件中另一個的軸沿與所述第一方向相反的方向施加轉矩，其大小為維持所述齒輪和小齒輪部件之間的接觸，所述一個部件的轉動被劃分為多個預定的增量，(e)在每一所述增量處記錄所述齒輪和小齒輪部件的所述一個部件的轉動位置，(f)在記錄所述一個部件的同時記錄所述齒輪和小齒輪部件的另一個的轉動位置，(g)沿相反方向轉動所述齒輪和小齒輪部件中所述一個，其轉動量等于沿所述第一方向轉過的量，沿相反方向轉動的最被劃分成所述數量的預定增量，沿所述相反方向的所述轉動的開始點為沿所述第一方向的所述轉動的結束點，(h)在每一所述增量處記錄所述齒輪和小齒輪部件的所述一個的轉動位置，所述一個轉動方向的轉動位置與所述相反方向的轉動位置相同，(i)在記錄所述一個部件的同時記錄所述齒輪轉和小齒輪部件中另一個的轉動位置，(j)計算在每一與所述一個部件轉動的同樣增量處對所述齒輪和小齒輪部件的另一個記錄的沿所述一個方向和所述另一方向的轉動位置之間的差值，(k)由算出的所述轉動位置差值確定中間或平均值之一，(l)將所述中間值或平均值之一與一預定的可接受間隙值比較，以及(m)若所述中間值或平均值之一在離所述預定的可接受間隙值所希望的范圍內，則停止所述確定間隙，或(n)若所述中間值或平均值的所述一個在所述所需范圍外，則改變所述齒輪和小齒輪部件的相對位置，產生間隙變化，以及重復步驟(d)至(m)或(n)。12.如權利要求11的方法，其特征在于，所述一個部件是所述小齒輪部件，所述另一部件是所述齒輪部件。13.如權利要求11的方法，其特征在于，所述中間值或平均值中所述一個是所述中間值。14.如權利要求11的方法，其特征在于，在確定所述中間值或所述平均值之前，所述方法進一步包括比較每一算出的所述轉動位置差值與預定的可接受差值范圍，使任一不在所述范圍內的所述位置差值為不合格。15.如權利要求11的方法，其特征在于，所述齒輪和小齒輪部件可沿三條正交軸E、P和G彼此相對移動。16.如權利要求15的方法，其特征在于，所述間隙的變化由所述齒輪和小齒輪部件沿所述G軸的相對移動產生。全文摘要一種確定齒輪間隙的方法，其中齒輪組的一個部件沿第一方向轉動，在預定的增量處記錄轉動位置，另一部件的轉動位置也同時記錄。把一個部件的轉動方向反向，在同樣增量處記錄轉動位置，同時記錄另一部件的轉動位置，算出另一部件記錄得的位置的差值，該差值表示齒輪組間隙大小。文檔編號G01B21/16GK1166873SQ95193333公開日1997年12月3日申請日期1995年5月12日優先權日1994年5月31日發明者詹姆斯·J·杰納達,戴維·A·懷特申請人:格里森工場