秦继东
（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）
摘 要：文章详细描述了齿轮间隙的形成原理及影响因素，对齿轮法向侧隙超差的情况进行了分析，给出了有效的控制方法；同时介绍了齿轮间隙的测量方法，重点对间接测量的原理及误差进行了探讨，解决了现场难题，具有一定推广价值。
关键词：转向架；驱动单元；齿隙；测量
0 引言
目前国内机车及地铁转向架驱动单元齿轮箱主要采用主动齿轮、从动齿轮进行一级减速及传递扭矩，齿轮副在理论上不应该存在齿隙，但在实际应用过程中，为避免齿轮摩擦发热膨胀卡死，齿廓之间必须留有间隙，即为齿隙。齿隙的控制及测量关系到齿轮传动装置的稳定运行，是转向架驱动单元生产制造过程中的重要控制参数。
1 齿隙计算及控制
一般日常所说的齿隙均为法向齿侧间隙，最小法向齿侧间隙国标已经进行了规定，未对最大法向侧隙值进行规定；由于轨道交通车辆在运行过程中存在齿轮正反转换向的情况，因此，为减小回程误差造成的冲击和振动，需要综合考虑最小法向侧隙和最大法向侧隙，在组装过程中将齿隙控制在合理范围内。
1.1 齿轮副最小法向齿隙值计算及分析
计算齿轮副的最小法向侧隙时，主要考虑齿轮副热变形和齿轮润滑方式，其计算公式如下[1]：
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根据上式可知，在实际组装过程中，若出现齿隙过小低于设计值的情况，调整齿隙的有效解决办法只有调整齿轮中心距；以HXD1型机车为例，齿轮间隙最小为0.251mm，在组装过程中出现齿轮间隙较小的情况，一般采取更换电机及抱轴箱的方式进行调节，现场验证增大值在0.01~0.02mm。
1.2 齿轮副最大法向齿隙值计算及分析
在中心距一定的情况下计算齿轮副最大法向侧隙时，主要考虑齿轮的加工精度，其计算公式如下[1]：
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根据上式可知，在实际组装中，主要影响参数为Ts1、Ts2、Ta；以HXD1、HXD1B、FXD1-J动集驱动单元为例，在零部件尺寸不超差的情况下，组装过程中电机与抱轴箱结合面、大小齿轮箱结合面涂胶厚度偏大，导致中心距公差增大，也会造成组装后齿隙超差；大小齿轮齿厚公差对齿隙测量影响也较大，在机车及地铁驱动检修过程中，齿轮在运行较长时间后，存在一定情况磨损，齿轮公法线长度wk减小，齿厚有一定减薄量，其计算公式如下[2]：
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根据上式可知，在检修驱动单元组装过程中，若出现最大齿隙超差的情况，可以采用减少涂胶厚度，更换公法线较大的大小齿轮进行调节，可以有效解决因组装不当导致的齿隙超差的问题。
2 齿隙测量及优化
齿轮法向齿侧间隙除在组装过程中进行严格控制外，还需要提高齿轮法向侧隙的检测精度。目前，齿轮间隙测量分为直接测量及间接测量，直接法包括塞尺测量、百分表测量、压铅丝测量三种方法；间接测量法主要依靠转动角度等参数进行间接测量，适用在无法直接测量齿轮间隙的作业场合。
2.1 齿隙直接测量
压铅丝测量齿轮间隙精度最高，但耗时较长。为节省时间，提高作业效率，目前车间主要使用塞尺及百分表来测量一般驱动单元的齿隙。
塞尺测量：锁死电机非传动端锁紧螺栓，保证小齿轮不随大齿轮转动，转动大齿轮，当大齿轮轮齿与小齿轮轮齿一侧贴合时，使用塞尺塞取其侧向间隙值，即为大小齿轮的齿隙。
百分表测量：将百分表安装在电机上，锁死电机非传动端锁紧螺栓，使用百分表触头垂直对准大齿轮齿面，将百分表校准为0，然后来回转动大齿轮，读取表上指针读数，即为大小齿轮的齿隙。
该两种测量方法也存在一定的局限性，以HXD1型机车驱动单元为例，使用塞尺测量齿隙时，将大齿轮间隔90°测量一次，4次测量间隙之差可达0.03mm，测量误差较大；百分表测量齿隙较为精准，将大齿轮间隔90°测量一次，4次测量间隙之差最大为0.01mm，测量误差较小。
因此，在实际作业过程中，优先使用塞尺测量，在测量结果靠近或者超过最大、最小法向侧隙要求时，使用百分表法补充测量验证，保证齿轮间隙控制在设计要求范围内。
2.2 齿隙间接测量
在很多应用场合，驱动单元本身不具备齿轮间隙直接测量的检测条件，为提高产品稳定性、会有部分驱动单元采用特殊的外形设计、外壳保护等，通常没有操作空间能够适用齿隙直接测量的方法，在这种情况下，需要采用间接测量法进行齿轮间隙测量。
2.2.1 恒定角度换算测量
在地铁齿轮箱组装过程中，由于齿轮箱结构与机车齿轮箱不同，齿轮啮合必须在齿轮箱合箱状态，适用塞尺通过环类件组装孔进行测量极为麻烦，且测量时无法肉眼观察，测量准确性一般。
为解决上述问题，我们经过分析讨论，确定在固定车轴的情况下，可以通过小齿轮轴的转动角度换算后间接测量得到齿轮间隙。以CJ-6城际动车组为例，小齿轮轴轴端螺纹孔为M20，小齿轮的节圆半径为65.22mm，设计一段M20短螺杆，尾部呈叶片状；测量时，将车轴带齿轮箱吊至可固定车轴的支撑工装上，将M20短螺杆部分拧入轴端螺纹孔，拧紧，避免其自由转动。随后将百分表固定在齿轮箱上，指针垂直指向工装尾部叶片的侧面某一位置，用游标卡尺测量指针位置距离中心标记（即小齿轮轴轴线）的位置，记录为L。通过轻轻转动小齿轮轴，读取两极限位置的百分表读数差值X，拆下测量工装，计算齿轮间隙为。
该测量工装的主要误差来源于游标卡尺测量指针位置距离中心标记的位置，该数值一般在110mm左右，取测量误差±1mm，则误差可控制在±1%范围内。实际上，CJ-6城际动车组齿隙值要求为 0.23mm～ 0.4335mm，±1%的误差即需要控制在约±0.004mm，反映在百分表读数上即约 ±0.007mm ＜ 0.01mm，误差极小。
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图1 恒定角度换算测量
2.2.2 恒定角度直接测量
FXD1-J动集驱动单元为大小齿轮箱的结构，合箱前无法测量齿隙，合箱后，内部结构密闭，无法使用塞尺测量。目前采用的是打开小齿轮箱上部观察盖板，将百分表塞入齿轮箱内部进行测量的方法。而齿轮箱内部空间狭小，该方法费事费力，测量准确性较差，同时存在百分表掉入齿轮箱，拆解返工的风险。
为解决上述问题，我们经过分析讨论，确定取消现有的齿轮间隙测量方式，将箱内测量改为箱外测量；在牵引电机小齿轮固定的情况下，大齿轮转动量即为齿轮间隙，由于大齿轮带动齿轮毂、端齿传动盘同步转动，因此转动角度为恒定不变量；齿轮间隙为齿轮节点在齿轮节圆上转动的弧长L1；因此只要测量齿轮箱外端齿传动盘上某一点以齿轮节圆为半径转动的距离L2（弧长），L1=L2 ,即可测得大小齿轮的间隙。
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图2 FXD1-J动集齿轮空心轴结构
FXD1-J动集驱动单元大齿轮节圆直径为φ925.34mm，而端齿传动盘外圆直径为φ740mm，端齿传动盘直径较小，无法有效测量，通过增加辅助测量工装，保证大齿轮节圆直径R1与测量点转动直径R2的完全一致。由于端齿传动盘材料为铸钢，采用磁力表座吸附的方式完成辅助工装的固定，可以避免对产品表面造成损伤。
根据计算可得，测量辅助工装测量位置高度为93mm，以保证测量位置与大齿轮节圆直径的一致，在该位置刻画痕迹；测量时，将磁力表座吸附在端齿传动盘表面，将百分表表头位置对准工装测量点，锁死电机，盘动车轮带动大齿轮转动，摆动值即为齿隙。
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由于工装设计、制作及实际测量误差，会对测量结果造成一定影响，因此需要对工装测量精度进行验证；FXD1-J动集驱动单元齿隙范围要求为0.303mm～0.625mm，该齿隙可约等于主动齿轮节圆弧长，对应的转动角度为0.037°～0.077°，取中间值0.057°，理论齿隙为0.4602mm；考虑到测量误差及工装误差，确定实际节圆偏差为±2mm，即节圆半径R为923.34mm～927.34mm，由于转动角度恒定，因此实际测量齿隙范围为0.4592mm～0.4612mm，齿隙测量误差为 ±0.001mm，远小于百分表最低分度值0.01mm，误差非常小。
3 结束语
目前，车间现场通过严格按照工艺要求标准化作业，源头把控零部件质量，优化齿轮间隙测量方法等措施，使得转向架驱动单元齿轮间隙得到有效控制，取得了良好的效果，有力保障了机车及地铁车辆的安全运行。
参考文献：
[1] 杨晓亮. H齿轮副最小和最大法向侧隙值计算[J]. 金属加工（冷加工）, 2010, (2): 1.
[2] 闻邦椿. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社, 2009.
作者简介：秦继东（1993-），男，工程师，本科，目前从事驱动检修工艺技术工作。