基于TK6216数控落地铣镗床的无侧隙齿轮传动机构的研究

于TK6216数控落地铣镗床的无侧隙齿轮传动机构的研究

第2 8卷第 6期Vo . 8, . 1 2 No 6

西华大学学报 (自然科学版 )J u n lo h a U iest Nau a ce c o r a fXiu nv ri y tr l in e S

20年 1 09 1月NO . o 9 V2 0

文章编号：63 19 2 0 )60 2 -4 17—5 X(0 9 0 -0 5 0

基于 T 6 K 2控落地铣镗床的无侧隙 1 6数齿轮传动机构的研究柳在鑫，吴江张均富，, 向中凡( .华大学机械工程与自动化学院， 1西四川成都 6 0 3 10 9;

2四川大学制造科学与工程学院， .四川成都 60 3 3中国民航飞行学院， 10 5; .四川广汉 6 80 ) 1 37

摘

要：针对 T 6 1 K 2 6数控落地铣镗床的齿轮副啮合时产生的空回误差，出了一种双斜齿的消除侧隙机构来提

保证齿轮传动的精度，介绍了应用基于特征的造型软件 U G实现齿轮机构特征造型的原理与方法，在精确建模的基础上，确定了最不利加载线的位置，应用有限元法计算了这种载荷分布下轮齿的变形及齿根应力，并绘制了齿根最

大应力随过渡圆角半径的变化趋势曲线。计算分析结果表明，过渡圆角半径越大，越有利于提高轮齿的弯曲强度。关键词：齿轮消隙；齿轮啮合；动精度；回误差传空中图分类号：H 3 T 12文献标识码： A

Re e r h f No Ba k a h e r Tr ns i so f r Fl o p s a c o n. c l s G a a m s i n o o r Ty e

M i i nd Bo i a h ne TK 6 l ng a rng M c i l 21 6L U Z i i, I a— n x WU in HANG J nf Ja g,Z u—,XI G h n . n u AN Z o g f a( .Sho o ca i l n i ei n u m t n Xh aU i rt, hn d 10 9C i 1 colfMeh n a gn r ga dA t ai, iu nv sy C eg u60 3 hn c E e n o o ei a; 2 col Ma uatr gSi c n n i e n Scun U i r t, hn d 10 5 C ia .Sho o f n c i c ne adE gn r g, i a nv sy C eg u60 6 hn; f un e s ei h ei 3 il v t nF

ih nvrt o hn,u n h n6 80 hn ) .Cv i i l t i syf C ia G ag a 13 7C ia iA a o g U e iAb t a t I r e o ei n t h ro fb c a h o e rme hn h r n mis n s se o lo y e Mi i g a d B r g s r c:n o d rt l mi ae t e e r ro a k ls fg a s i g i te ta s s i y tm fF o rT p l n n o i n o l n Ma h n K6 1 c i e T 2 6。a d a— eia e r me h n s wa n r d c d t mp o e t e me h ns t n miso c u a y T e t e r n u lh l l g a c a im s i t u e o i r v h c a im r s s in a c r c . h h oy a d c o a meh d w r t i e o t ef au e— a e d l g sf r to e eat n df m tr b s d mo ei ot eUG, n e rme h n s fa u e mo e i gwa e l e .T e p st n o a r h e n wa a d g a c a im t r d l sr a i d e n z h o io f i t e w ntla e—ie wa s e ti e a e n t e a c r t d 1 n h o t d f r t n a d te t oh r o t s r a c lt d h o d d l sa c ran d b s d o h c u ae mo e .a d t e to h e o mai n h o t o tsr swe e c ua e o n o e l u i g F M.T e c r e o e ma i m t s a yn t i e e tr d io o n e o e tt e to h r o s po td s E n h u v ft xmu sr s v r i g wi d f r n a i f ru d d c m ra h o t o twa lt .T e r s l h e h f e h eut s s o t a h tte f x r lsr n t fte g a c e s s w t出e j ce s n r d u ft e r u d d c m e . h w h t a h e u a t gh o e ri r a e i t l e h n h n r a e i a i s o

o n e o r h Ke r s ei n to fg a l aa c;g a s i g r n miso c u a y;e r ro a k l s y wo d: l mi ain o e c e rn e e rme h n;t s si n a c r c r a r fb c a h o

在渐开线圆柱齿轮传动中，啮合齿面间存在较大的相对滑动¨,了避免因摩擦发热而导致轮 为齿卡死，同时改善齿轮副的润滑状态，轻齿面磨减损，在设计时预先留有一定的齿侧间隙 J。在伺服系统工作过程中，可避免地会由轮齿侧隙产生传不递误差。因此，需要传递高精度角度信息 (者在或位置信息 )的场合，须采用合适的误差调整方法，必

会使进给运动滞后于指令系统，影响了传动链的系统精度，而影响加工精度。基于此，从要想得到高的加工精度，就必须采取措施消除齿轮传动副中的间隙，以提高数控机床的传动精度和定位精度。]

1齿侧间隙的空回误差及消除措施 1 1齿侧间隙的空回误差 .

以控制误差量，提高传动精度，达到更好的运行效果。数控机床进给系统由于经常处于自动变向 J 状态，如果传动链中齿轮传动副存在间隙，向时就反

空回 (称空程或虚动 )是当主动轮改变转亦就动方向时，动轮滞后的一种现象。滞后的角度从

(或主动轮超前的角度 )即空回误差角。产生空回 的主要原因是一对啮合轮齿之间有侧隙。因此，凡

收稿日期：0 90 -3 2 0 - 0 9作者简介：柳在鑫( 9 8),, 17 .男湖北黄梅人，师，士研究生，讲博主要研究方向为智能机器人技术。

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引起侧隙的因素都是造成空回误差的根源。概括起来，造成空回误差的主要因素包括齿轮固有误差和装配误差两大类 _,中齿轮的固有误差指齿轮的 6其 J加工误差，括齿厚变薄、圆偏心、包基齿形误差、向齿误差和中心距增大等，装配误差是指装配后，由相关

与普通卧镗相比，K 26型数控落地铣镗床主 T 61要用来加工大型工件，轴的行程可能会更大； xK 2 6型数控落地铣镗床的负重大， 61 x轴移动的部

件有

滑座、给箱、柱、轴箱、进立主重锤等，重 3 t约 0左右， 0 1的摩擦系数计算，有 3的推动力，按 .要 t 再加上切削力、惯性等其它因素，拟按 7的推动力 t计算。

零件误差所引起的侧隙增大，括轴承游隙和径向包偏摆、轮与轴、齿轴承与壳体 (支架 )轴与轴承的或、配合问题以及轴的刚度不足等。 1 2减小空回的措施 .常见减小空回的措施包括以下几种： () 1调整中心矩

x轴的进给若采用丝杠，丝杠的拉压变形约则占整个传动系统总变形的 3%~5% E,机床 0 0 当 8]进给轴较长时，通滚珠丝杆就难以胜任大负荷的普

两轮中心距可调，调整后，如再经齿轮研磨，以可提高精度。此法可部分消除空回，适应任意负荷。 () 2采用分片齿轮

传动，且滚珠丝杆的制造也将有一定的困难。由并于负重大等因素的影响，柱移动时的阻力会有一立定的波动，计不好就很容易发生爬行现象。基于设以上情况，定在 x坐标上采用双片薄齿错齿及预拟载双小齿轮齿条进给机构，样就有效地避免采用这滚珠丝杠的弊端以及爬行现象的发生。2 2齿轮消隙机构工作原理 .

齿轮做成两片，片套在另一个齿轮的轮齿上，一两片可以相对转动，不能移动。在两片齿轮间装但有弹簧，两片齿轮左右错开。当啮合时，使只要负荷力矩小于弹簧力矩，啮合轮齿间的间隙就可以减小。 它不适用于负荷较大的情况，成本亦高。

如图 1示，入轴 2上的两个斜齿轮齿数、所输模

() 3用游丝消除齿侧间隙在一个齿轮上装有游丝，由它产生的力矩使该齿

数等参数相同旋向相反， 1和轴 3上的两个齿轮轴齿数、数等参数相同而斜齿旋向相反，别与轴 2模分 上的两个斜齿轮啮合。齿轮 4 6相同，以是直齿、可轮，可以是斜齿轮，也斜齿轮比直齿轮传动平稳。进

轮在工作过程中与另一个齿轮的轮齿保持单面接触， 消除轮齿间隙。但是，轮的转动圈数不能多，该在工作起始时的外力矩要大于游丝力矩，否则带不动此传动链，结构简单，用于小型仪表中，这种适成本亦低。 () 4用弹簧拉力使齿轮紧

靠利用弹簧拉力使齿轮紧靠，除轮齿间隙。它消适用于转速范围大、荷不大、负中心距可以自动调整的一对齿轮传动，或位于传动系统端部的一对齿轮，成本一般不高。 () 5可调双片齿轮

给运动由轴 2输入，过两对斜齿轮分别传给轴 1通 和轴 3然后由齿轮 4和 6传动齿条 5带动坐标运，,动部件移动。如果在轴 2上施加轴向力 F,上的其

两个斜齿轮产生微量轴向移动，时轴 1和轴 3便这以相反的方向转过微小的角度，齿轮 4和 6分别使与齿条的两相反齿面贴紧，除间隙。当伺服电动消

机带动轴 2正转时， 1和轴 3同时反转，轴此时由齿轮 4驱动齿条向左移动，轮 6空转；齿反之，当伺服

利用双片齿轮相对转动，啮合齿问侧隙减小，使 调到适当位置后用螺钉固紧。这种结构能传递较大的负荷，结构简单，成本低，只能消除部分齿侧隙。 参照上述结构原理，以设计出其他结构，可以及蜗杆、蜗轮传动来减小空回的结构。

电动机带动轴 2反转时， 1轴 3同时正转，时轴和此由齿轮 6驱动齿条向右移动，轮 4空转。由于齿齿轮 4 6分别与齿条的两相反齿面贴紧，、坐标运动部

2数控机床的齿轮消侧隙机构 2 1机床概述 .

T 61 K 26型数控落地铣镗床有 X、 w、 4个进 Y、 u给轴，能实现任意三轴联动，次装夹即可完成钻一

孑、 L扩孔、镗孔、切沟槽以及平面的铣削等加工。机床主要由床身、滑座、给箱、柱、轴箱等组成。进立主 立柱在床身上移动称为 x轴，主轴箱在立柱上垂直移动称为 Y轴，杆轴向移动称为 w轴，镗平旋盘滑块移动称为 U轴。

1一输出轴；2、3一输入轴；、6输出齿轮；5齿条。 4 -一

图 1双齿轮消隙原理示意图

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柳在鑫等：基于 T 6 1 K 2 6数控落地铣镗床的无侧隙齿轮传动机构的研究

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件需要反向进给时，轮 4或 6能马上驱动齿条换齿

向，从而使反向传动时无间隙。

4基于 A S S的齿轮齿根应力有限 NY 元分析4 1齿轮模型的导入 .

3基于 u的斜齿轮参数化三维建模 GU irpi软件目前已成为世界一流的集成化 ngah

c s机械 C D C M/ A A/ A C E软件，广泛应用于航空、天、航

A S S软件建立了交互式操作菜单环境，大 NY极地简化了分析过程，使设计分析更加直观和可视化， 程序不再仅仅是求解器，同时提供前后处理器，模对型的创建和结果的处理更加方便¨ H。U G和 A - NS S都具有一定的建模和有限元分析功能，两种 Y但软件的突出优势各有不同， G突出的是建模， N U A— S S突出的是有限元分析。因此，以利用 U与 Y可 G

汽车、用机械、具和家用电器等领域。它提供了通模参数化、特征化的概念设计，用区别于多面体的曲采面实体造型，使线框造型、面造型和实体造型融为曲一

体，供可以独立运行的面向对象的集成管理数提

据库系统， C D C M C E各部分的数据能够进是 A/A/ A行自由切换，有良好的二次开发接口和工具 具…。

A S S之间的良好数据接口， U中齿轮模型导 NY把 G人 A S S中， NY再进行有限元分析。将 U中的模型 G通过接口以 IE格式导入 A S S GS N Y,材料为

渐开线圆柱斜齿轮建模前的参数如表 1示。所表 1斜齿圆柱齿轮参数列表

2 CMn i表面渗碳淬火处理，面硬度为 5 0 r T,表 7~6 HR弹性模量为 2 5 P,松比为 0 3密度为 1 C, 0G a泊 .,79 40k/m。。 g

利用表达式功能生成渐开线、廓及螺旋线的齿投影[图 2图 3所示：“如、

4 2最不利加载线位置 .

要得到齿根最大应力，需要确定最不利加载线

位置，不利加载线位置取决于轮齿的啮合位置和最接触线上的载荷分布，齿啮合线的位置和长度随轮齿轮的转动而不断变化，载荷分布简化为沿啮合将线均匀分布，不利加载线位置仅取决于啮合位置。最齿面为全齿宽接触且接触线靠近齿顶时齿根的弯曲

应力最大。根据文献[5确定最不利加载线，位 1]其图 2生成的渐开线图 3齿廓及螺旋线的投影

置分布如图 5所示。

生成了平面的齿轮轮廓后，需要对其拉伸，还生成三维的实体模型。斜齿轮的生成方法不同于直齿轮，轮

齿部分不能通过拉伸方式 ( xt d d B d ) E cr e o y, u

而应使用自由曲面造型 ( reFo etr)描方 Fe rm Fa e扫 u式 (w p) S et创建齿轮的轮齿部分，描过程需要两个扫基本要素：描截面线 ( et nSr g和扫描导扫 S c o t n ) i i引线 ( ud tn ) G ieSr g。扫描截面线即为前面所创建 i的渐开线轮齿，扫描引导线即为螺旋线在齿根圆的柱面上缠绕成的空间螺旋线。最终生成的齿轮模型如图 4所示。图 5齿轮最不利加载线

4 3边界条件与载荷 .

在图 5所示的模型上，给底面、面及对称面上侧的所有节点加以固定约束，制三个平动自由度。限 在划分网格时，这三个面上的节点记录下来，成将形一

个约束节点文件，根据这个文件，用 A S S软使 NY

件中的相关命令，以把这些节点约束直接加到有可限元网格模型上。() a从动轮模型 ( )主动轮模型 b

为了对比不同接触位置处的应力大小，明最证不利加载线位置处的齿根弯曲应力最大，分别对两

图 4斜齿圆柱齿轮模型的生成

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齿的不同接触线施加大小相同的载荷，成约束加完载的有限元简化模型。4 4求解与结果分析 .

齿轮弯曲应力云图如图 6所示，由结果可知，斜

齿轮的最大弯曲应力出现在最不利加载线所在轮齿的齿根处，由于齿轮齿根部的过渡曲线一般由直线和圆弧共同构成，圆弧即过渡圆角，渡圆角的大该过小对齿轮轮齿的弯曲强度有很大的影响。现用有限元方法，究在相同载荷作用下，准参数相同时，研标

分别取过渡圆角半径 p:2、、7mm,出不同、3 5 算的过渡圆角对齿根最大应力的影响，到的轮齿应得力云图如图 6 a、 b、 c、 d所示。 ()( )() ()

() 7 m的齿轮应力云图 d p= l n

图 6齿轮应力云图

由图 6可以看出，齿根应力沿危险截面纵深方

向下降较快，应力区仅在表面较薄一层。为了提高高轮齿弯曲强度，采用表面硬化的热处理方法。可 本例齿轮在热处理时，如果齿根圆角处氮化层深度

大于 0 4 m就可以使齿根表面的强度得以提高。 . 3 m, 在相同的工况下，将不同半径的过渡曲线的齿轮齿根的最大拉应力与最大压应力做比较，得到可

齿根最大应力随过渡圆角半径的变化趋势曲线，如图 7所示。( p= m的齿轮应力云图 a ) 2mI最大拉应力 ( o计算值 ) l l 最大压应力 (台 )拟

—

—

:——一

图 7过渡圆角半径影响曲线

() 3 m的齿轮应力云图 bP= r a

可以看出，过渡圆角半径由 2 m变到 7 m时， a r m

最大拉压应力分别降低了，由此可见过渡圆角半径越大，越有利于提高轮齿的弯曲强度。齿轮过渡圆角半径的选择，将很大程度上影响了齿根弯曲应力

的大小，而影响着齿轮的使用寿命，从在设计时应给子充分的考虑。

5结论 本文提出了一种双斜齿消隙机构来消除T 61 K 26型数控落地铣镗床 x轴反向传动时的间隙，果较好，构简单，动平稳可靠并能达到所效结传( p=mm的齿轮应力云图 c 5 )

要求的传动精度要求。由齿轮应力云图 (下转4页) 2

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t i a e n he sa i tucu a n lss a d mo a h s p p ra d t t t sr t r la ay i n d l c a ay i e u t a e b e s d i p i ld sg fa n l ss r s lsh v e n u e n o t ma e in o ni n v tv OP o 0 0M W ta t b n ni, t i n o a ie M fr1 0 se m ur i e u t h s

J h i y& S n,I c 1 9 o nW l e o s n .,9 3:3 4— 3 8 6 6.

[] in i iz . .adS o,F C nteP nil o e 2 Zeke c,O C n ct . .O h r cpe fR w t ip aa i t n t Ap l ai n i ay i fT r i e a d P mp I el r e t b l y a d Is i p i t n An l sso u b n n u mp l s c o e

[] nent nl ora fr u r a Me o snE gne n, 9 2 J .Itrai a Junlo me

i t d n ier g 17, o N c l h i i i v sia in h sb e o e o b ai O t a tc n n e tg t a e n pr v d t e v d S h ti a o l b x e d d t t y t e sa i n y mi e a iro e e t n e o sud h t tca d d na c b h v o fa y o h rpu o o . n t e mp r tr4 3:4 -5 . ( ) 4 54 0

[] agLx L i d, huJaqag e a.Src rl a— 3 T n ii a Xie Z o in i, t 1 t t aAn y n, n uu l

s fa el rC nrua P mp J .ora o iu nvri, i o nI lrf e tfgl u[] Junl fXh aU ie t s mp e o i sy2 0, 7 3:1 3 i hns) 0 8 2 (0) 1~1 .(nC iee

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t d b h t r lS in e F u d t n o ih a o e y t e Nau a c e c o n ai fSc u n Pr o

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(校：编叶REFERE

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(援 2上 8贝 )

学出版社，03 20 .

可以看出，大弯曲应力出现在最不利加载线所在最齿轮的齿根处，可采用表面硬化的热处理方法来提高轮齿弯曲强度。通过最大应力与过渡圆角半径的

[]机械工程手册编辑委员会、械工程手册[ . 7机 M]北京：械机工业出版社，97 19 .

[]戴曙. 8金属切削机床设计[ . M]修订版，北京：机械工业出版社，9 l20 18:0 .

影响曲线可知，过渡圆角半径增大，也有利于提高轮齿的弯曲强度。 参考文献

[]周保牛， 9叶穗，周岳.数控双齿轮消隙减速机的研制[]制 J.造技术与机床，0 8 1 ) 16 17 20 (2:5—5 .

[0 1]林正忠， C D[ . UG A M]北京：北京大学出版社，0 0 20 .[1 1]马秋成，罗益宁.于 U的齿轮三维建模和消除齿轮投基 G

[]王保民，学全 . 1蒋少齿数渐开线齿轮副啮合区域的研究[] J. 陕西工学院学报，0 1 1 ( ) 13 20,7 4:-.

影的方法[]机械设计与研究，0 1 1 ( ) 2—8 J. 2 0,7 1:72 .[2 1]黄翔，迎光， G应用开发教程与实例精解[ .京：李 U M]北清华大学出版社，0 5 20.

[]张国海， 2王保民，蒋学全.少齿数齿轮传动接触强度的研究[]机械设计，0 4 2 ( ) 1—8 J. 2 0,1 8:61 .

[3 1]龚曙光， S Y AN T S工程应用实例解析[ . M]北京：机械工业出版社，0 3 20 .

[] 3孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[ .京： M]北高等教育出版社，0 6 20.

[4 1]陈精一，蔡国忠.电脑辅助工程分析——A Y Ns s使用指南[ . M]北京：中国铁道出版社，0 191 . 20:—1 [5 1]顾守丰，连小珉，丁能根，斜齿轮弯曲强度三维有限元等.分析模型的建立及其程序实现[]机械科学与技术，96,5 2: J. 19 1 ( )1 7. 7 . 6 1 1

[]胡超，宁， 4施浒宁春林 .齿轮消隙功能实现探索

[]机电工 J.程，0 8 2 ( ) 1—4 2 0,5 2:11.

[]杨学华. 5机械设计中齿轮传动侧隙的解决方法[]昆明理 J.工大学学报：理工版，0 7,2 5:—1 2 0 3 ( ) 91. []赵跃进何献忠. 6精密机械设计基础[, M]北京：京理工大北

(编校：书林 )夏

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