尹富先/YIN Fu-xian

（江蘇鼎晟液壓有限公司，江蘇 常州 225261）

日系挖掘機回轉(zhuǎn)立軸（以下簡稱立軸）的主要結(jié)構(gòu)一端是動力輸入部分的漸開線外花鍵，另一端是動力輸出部分的漸開線外齒輪，中間部分與雙列調(diào)心圓柱滾子軸承的內(nèi)圈相配，對整個立軸起支承作用，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 挖掘機回轉(zhuǎn)立軸結(jié)構(gòu)形狀圖

因為立軸在挖掘機的工作過程中承受巨大的沖擊載荷，而且這種沖擊載荷是頻繁出現(xiàn)的，所以立軸與回轉(zhuǎn)支承一樣，發(fā)生斷齒故障的概率比較大，經(jīng)常需要對該零件進行更換。全國每年各品牌挖掘機立軸的維修備件市場非?？捎^。如用挖掘機主機廠生產(chǎn)的原裝立軸來更換，價格很高，比如小松PC200-5型挖掘機的立軸，國產(chǎn)質(zhì)量好的每件約1800元，而原裝品價格每件高達1萬元，還常常缺貨。為了實現(xiàn)挖掘機立軸國產(chǎn)化，首先要對立軸進行測繪。由于日系挖掘機在我國的保有量大約占全國挖掘機保有量的60%以上，需求量較大，故以小松PC200-5型挖掘機的立軸為例進行闡述。

1 立軸漸開線花鍵的測繪

1.1 各主要工業(yè)國漸開線花鍵標準

我國的漸開線花鍵標準GB/T3478.1-1995采用的齒形角（或壓力角）為30°、37.5°和45°三種，變位系數(shù)為0；英國的標準BS3550-1963規(guī)定漸開線花鍵齒形角為30°，變位系數(shù)為0；美國的標準ANSIB921-1970規(guī)定漸開線花鍵齒形角為30°、37.5°、45°三種，變位系數(shù)為0。上述幾個制造業(yè)大國的直齒圓柱漸開線花鍵標準使用的齒形角基本一致，而日本的標準JISD2001-1959規(guī)定漸開線花鍵齒形角為20°，變位系數(shù)有+0.6、+0.633、+0.8、+0.9、+0.957多 種。 而日系品牌挖掘機立軸的漸開線花鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)正是使用這個標準，因此，比較特殊。

1.2 立軸漸開線花鍵齒形角的確定

20°齒形角的漸開線花鍵與30°、37.5°和45°三種漸開線花鍵區(qū)別比較明顯，根據(jù)漸開線花鍵的齒部形狀和日本標準JISD2001-1959的規(guī)定，就能初步確定PC200-5型挖掘機的立軸漸開線花鍵齒形角為20°。

1.3 立軸漸開線花鍵模數(shù)的確定

對立軸樣品漸開線花鍵的公法線長度進行測量的數(shù)據(jù)是：w4=41.90、w3=30.82。根據(jù)機械原理，可以初算漸開線花鍵的模數(shù)m：

根據(jù)日本標準JISD2001-1959，模數(shù)系列中的3.75為優(yōu)先系列常用模數(shù)值，可確定PC200-5型挖掘機的立軸漸開線花鍵的模數(shù)m=3.75。

1.4 立軸漸開線花鍵變位系數(shù)的確定

根據(jù)機械原理，漸開線花鍵的公法線長度計算公式為：

對于PC200-5型挖掘機立軸，漸開線花鍵公法線跨測齒數(shù)k=4、齒數(shù)z=22，上兩節(jié)已分別確定了：模數(shù)m=3.75，齒形角α=20°，實際測量W4=41.90，設(shè)變位系數(shù)為x，則

根據(jù)日本標準JISD2001-1959中的變位系數(shù)系列，有x=+0.8的數(shù)值。根據(jù)計算值，并考慮到漸開線花鍵加工過程中產(chǎn)生的偏差和測量誤差，故可推斷PC200-5型挖掘機立軸漸開線花鍵的理論變位系數(shù)應(yīng)為x＝+0.8。

1.5 立軸漸開線花鍵參數(shù)的進一步驗證

根據(jù)PC200-5型挖掘機立軸的大徑、小徑尺寸的測量值，以及經(jīng)目測的齒形角、計算確定的模數(shù)和變位系數(shù)，訂做了一把漸開線花鍵滾刀。用這把花鍵滾刀的齒廓置于PC200-5型挖掘機立軸樣品漸開線花鍵的齒槽里對齒形，結(jié)果完全吻合。這就進一步驗證了PC200-5型挖掘機立軸樣品漸開線花鍵最基本的、最主要的參數(shù)：齒形角α＝20°，模數(shù)m＝3.75。

用測量得到的漸開線花鍵尺寸數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及訂做的花鍵滾刀，制造一個與樣品花鍵相同的外花鍵，再購置一個PC200-5型挖掘機回轉(zhuǎn)裝置中與立軸漸開線花鍵相匹配的行星架，行星架上有相對應(yīng)的內(nèi)花鍵。將二者進行裝配后仔細觀察，結(jié)果是內(nèi)、外漸開線花鍵的齒形非常吻合，且間隙不緊不松，則驗證了所確定的漸開線花鍵參數(shù)是正確的。

2 立軸漸開線齒輪的測繪

2.1 漸開線齒輪齒形角的確定

日本標準規(guī)定的齒輪齒形角一般為20°和27°兩種。20°的齒形角我們很熟悉，經(jīng)目測就基本上能確定。根據(jù)對PC200-5型挖掘機立軸樣品的漸開線齒輪齒形的目測，初步認定其齒形角不是20°，應(yīng)該可以初步確定其齒形角為27°。

2.2 漸開線齒輪模數(shù)的確定

1）對立軸樣品漸開線齒輪的公法線長度進行測量的結(jié)果是：W3＝79.2、W2＝51，因為α＝27°，根據(jù)機械原理：基節(jié)tj＝πmcosα＝W3-W2＝79.2-51＝28.2

即：πmcos27°=28.2，所以 m=10.074；

2）測得立軸樣品的全齒高H=22.5mm，根據(jù)漸開線齒輪參數(shù)的計算公式：全齒高H＝2.25m＝22.5（m為齒輪模數(shù)），得出m＝10。

3）查日本相關(guān)的齒輪標準，模數(shù)優(yōu)先系列中有m=10的模數(shù)，故可以初步確定PC200-5型挖掘機立軸齒輪的模數(shù)m＝10。

2.3 漸開線齒輪變位系數(shù)的確定

根據(jù)日本相關(guān)的齒輪標準，對于PC200-5型挖掘機立軸，已知k=3，齒輪齒數(shù)z=15，模數(shù)m=10，齒形角α=27°，經(jīng)測量W3=79.2,考慮到此值是在公法線有-0.2偏差的情況下的實際公法線，理論上：W3＝79.2+0.2＝79.4

根據(jù)機械原理，漸開線齒輪公法線長度計算公式為：wk=mcosα[π(k-0.5)+zinvα+2xtanα]

因此

解之得：x=0.477，故取變位系數(shù)：x=+0.48

2.4 立軸漸開線齒輪參數(shù)的驗證

1）用樣板驗證齒輪參數(shù)的正確性 已知 m＝10，z＝15，α＝27°，x＝+0.48，齒頂圓直徑da＝179.6，齒根圓直徑dg＝134.6；用CAD畫出其齒形圖，再用線切割機床按照CAD圖形，在一塊5mm厚的鋼板上切割出齒形，然后用切割出來的齒形置于PC200-5型挖掘機立軸漸開線齒輪的齒槽里，手動二者嚙合，嚙合順暢、齒形吻合。這說明了測繪確定的齒輪參數(shù)基本上是正確的。

2）用齒輪滾刀驗證樣品的漸開線齒輪參數(shù)

根據(jù)初定的齒形角和模數(shù)，訂做一把齒形角為27°、模數(shù)為10的滾齒刀，置于立軸漸開線齒輪的齒槽里，與立軸樣品的漸開線齒輪手工模擬試滾。結(jié)果在試滾的過程中，樣品立軸的漸開線齒輪與滾齒刀的嚙合過程吻合、順暢，由此可以斷定PC200-5型挖掘機立軸漸開線齒輪的齒形角和模數(shù)的測繪數(shù)值是正確的。

3 確定立軸上軸頸的基本偏差及等級

由于挖掘機立軸的工況屬于重載、沖擊、交變載荷，根據(jù)機械設(shè)計手冊推薦，確定立軸與雙列調(diào)心圓柱滾子軸承內(nèi)孔相配的軸頸尺寸及其偏差分別是?95n6和?90n6。

4 結(jié) 論

通過對PC200-5型挖掘機立軸的主要結(jié)構(gòu)（漸開線外花鍵、漸開線外齒輪、軸承軸頸）的測量，應(yīng)用機械原理的知識，分析、計算出了立軸漸開線花鍵和漸開線齒輪的主要參數(shù)（齒形角α、模數(shù)m、變位系數(shù)x）。另外，結(jié)合挖掘機立軸受力狀況，確定了立軸的材料和熱處理技術(shù)要求、形位公差等。依此制造出合格的零件，并經(jīng)用戶使用后證明，采用的測繪方法是正確、可行的。

[1]濮良貴.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2005.

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[3]吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.