一种直齿圆锥齿轮节圆锥角的测量装置及其测量方法

摘要

本发明涉及直齿圆锥齿轮测量技术，公开了一种直齿圆锥齿轮节圆锥角的测量装置及其测量方法。其装置包括与待测直齿圆锥齿轮的标准齿槽配对的检验棒、测量平台、置于测量平台上的杠杆千分表、正弦规以及与正弦规配合测量角度的可调式等高块，所述正弦规的上平面设置有用于夹持待测直齿圆锥齿轮的顶尖架，所述顶尖架的左、右顶尖的连线平行于正弦规的上平面，所述检验棒的中间为接触锥体，所述接触锥体的两端设置有直径相同的第一、第二测量圆柱体，所述第一、第二测量圆柱体的轴线与所述接触锥体的中心线延伸重合。本发明的测量装置体积小，制造成本低，使用方便；测量方法操作简单，测量精度高、效率高，可以实现在生产现场的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及直齿圆锥齿轮测量技术，具体涉及一种直齿圆锥齿轮节圆锥 角的测量装置及其测量方法。

背景技术

锥齿轮广泛应用在机床、汽车、矿山、建筑等机械设备上。直齿圆锥齿 轮是磨床上的重要零件，其节圆锥角的准确与否直接影响齿轮啮合时的噪音、 强度、齿面接触面积的大小和齿轮传动的平稳性，是一个影响齿轮质量的重 要参数。因此，直齿圆锥齿轮节圆锥角测量准确与否直接影响齿轮的加工质 量。但是，直齿圆锥齿轮节圆锥角是一个锥齿轮与另一锥齿轮啮合时只有纯 滚动而无滑动时产生的接触圆锥角，是一个空间角度，其角度的直接测量与 检测一直困扰着工程技术人员。

目前，工厂仍采用近似的办法对直齿圆锥齿轮节圆锥角进行测量，具体 使用齿轮对滚机或双啮仪，将配对锥齿轮进行啮合对滚，若无配对齿轮，还 需要制造校准齿轮才能对滚，通过观察接触斑点来判断节圆锥的接触情况， 这种方法很难准确测量直齿圆锥齿轮节圆锥角的实际角度，将直接影响齿轮 的互换性。因此，在生产中人们迫切需要知道直齿圆锥齿轮节圆锥角的大小 或对它的检测，从而指导锥齿轮加工时机床的调整、齿轮的质量检验和外协 验收。

发明内容

为弥补上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提出一种直齿圆锥齿轮节 圆锥角的测量装置及其测量方法，能够通过测量计算直齿圆锥齿轮节圆锥角， 检测直齿圆锥齿轮节圆锥角的加工质量，并且能够有效校验直齿圆锥齿轮的 加工精度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种直齿圆锥齿轮节圆锥角的测量装置，包括与待测直齿圆锥齿轮的标 准齿槽配对的检验棒、测量平台、置于测量平台上的杠杆千分表、正弦规以 及与正弦规配合测量角度的可调式等高块，所述正弦规的上平面设置有用于 夹持待测直齿圆锥齿轮的顶尖架，所述顶尖架的左、右顶尖的连线平行于正 弦规的上平面，所述检验棒的中间为接触锥体，所述接触锥体的两端设置有 直径相同的第一、第二测量圆柱体，所述第一、第二测量圆柱体的轴线与所 述接触锥体的中心线延伸重合。

上述技术方案的特点和进一步改进在于：

（1）所述检验棒的接触锥体的锥角大端直径长 度其中包含待测直齿圆锥齿轮的设计参数，φ为分度圆锥角，α_f为齿轮分度圆压力角，z为齿数，m为模数。

（2）所述接触锥体的大端设置有轴向定位轴肩。

（3）所述接触锥体的小端与大端之间设有环状凹槽。

（4）所述接触锥体长度大于待测直齿圆锥齿轮的齿面的宽度。

（5）所述顶尖架上至少一个顶尖为半顶尖。

（6）所述可调式等高块可采用量块组合替换。

技术方案二：

一种直齿圆锥齿轮节圆锥角的测量方法，基于上述直齿圆锥齿轮节圆锥 角的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：首先，将杠杆千分表、正弦规 置于测量平台上；其次，将待测直齿圆锥齿固定在顶尖架上，通过工业橡皮 泥将检验棒固定在待测直齿圆锥齿的齿槽内，利用可调式等高块支起正弦规 一边的所需高度，组成图纸给定的理论节圆锥角值；然后，利用杠杆千分尺 分别测量第一、第二测量圆柱体高度，若高度差为零，则说明被测直齿圆锥 齿轮的节圆锥角与正弦规和等高块组成的测量平台夹角相等，证明被测齿轮 的节圆锥角与理论节圆锥角相等。若高度差不为零，则通过三角函数计算求 得实际节圆锥角与理论节圆锥角的偏差。

技术方案二的等同方法是基于上述的直齿圆锥齿轮节圆锥角的测量装 置，其特征在于，包括以下步骤：首先，将杠杆千分表、正弦规置于测量平 台上；其次，将待测直齿圆锥齿固定在顶尖架上，通过橡皮泥将检验棒固定 在待测直齿圆锥齿的齿槽内，利用可调式等高块支起正弦规的一边使检验棒 的第一、第二测量圆柱体基本水平；然后，微调可调式等高块并利用杠杆千 分表测量使第一、第二测量圆柱体等高度；此时，正弦规与测量平台的夹角 为待测直齿圆锥齿轮对应齿槽的实际节圆锥角。

本发明直齿圆锥齿轮的测量装置中，在正弦规上设有顶尖架，待测直齿 圆锥齿轮用左右两顶尖固定在顶尖架上，检验棒用工业橡皮泥固定在待测直 齿圆锥齿轮的齿槽中，检验棒大端设置的轴向定位轴肩作为定位面紧靠直齿 圆锥齿轮大端外的辅助圆锥的锥面上；然后，利用可调式等高块支起正弦规 一边构成理论节圆锥角；最后，利用杠杆千分尺分别测量第一、第二测量圆 柱体高度，若高度差为零，则说明被测直齿圆锥齿轮的节圆锥角与正弦规和 等高块组成的测量平台夹角相等，证明被测齿轮的节圆锥角与理论节圆锥角 相等；若高度差不为零，则通过三角函数计算求得实际节圆锥角与理论节圆 锥角的偏差。

本发明的测量装置体积小，制造成本低，使用方便；测量方法操作简单， 测量精度高、效率高，可以实现在生产现场的测量。本发明的重要意义在于， 通过测量计算直齿圆锥齿轮节圆锥角，能够检测直齿圆锥齿轮节圆锥角的加 工质量，有效校验直齿圆锥齿轮的加工精度，提高直齿圆锥齿轮的加工水平。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。

图1为本发明实施例中直齿圆锥齿轮节圆锥角的测量装置结构示意图；

图2为直齿圆锥齿轮剖视示意图；

图3为本发明实施例中检验棒与待测直齿圆锥齿轮的大端剖视图；

图4为本发明实施例中图3沿I-I方向的投影示意图；

图5为本发明实施例中检验棒的结构示意图；

其中，1-顶尖架；2-杠杆千分表；3-检验棒；4-直齿圆锥齿轮；5- 正弦规；6-可调式等高块；7-半顶尖；8-紧固螺钉；9-测量平台；Φ_d-齿 顶圆锥角；Φ-分度圆锥角；Φ_g-齿根圆锥角；Φ₁-齿顶角；Φ₂-齿根角；b- 齿面宽；H-外辅圆锥；S_n-弧齿厚；S-轴向定位轴肩；B-接触锥体；P₁-第一测 量圆柱体；P₂-第二测量圆柱体。

具体实施方式

参照图1并结合图5，说明本发明直齿圆锥齿轮的测量装置具体结构。 本实施例的直齿圆锥齿轮节圆锥角的测量装置，主要包括与待测直齿圆锥齿 轮的标准齿槽配对的检验棒3，测量平台9，置于测量平台9上的杠杆千分表 2、正弦规5以及与正弦规5配合测量角度的可调式等高块6，正弦规5的上 平面设置有用于夹持待测直齿圆锥齿轮的顶尖架1，要求顶尖架的左、右顶尖 的连线平行于正弦规的上平面。

在正弦规5上设置的顶尖架1，将待测直齿圆锥齿轮4用左、右顶尖7固 定在顶尖架1上，此处的左顶尖设置为半顶尖，紧固螺钉8将用于顶尖的锁 紧。检验棒3用工业橡皮泥固定在待测直齿圆锥齿轮4的齿槽中，检验棒3 大端轴向定位轴肩的定位面要紧靠在圆锥齿轮大端外辅圆锥的锥面上；正弦 规5的一端用可调式等高块6支起，该可调式等高块6可用标准量块组合代 替。

检验棒3的中间为接触锥体B，接触锥体B的两端设置有相同的第一、第 二测量圆柱体P₁、P₂，第一、第二测量圆柱体P₁、P₂的轴线与接触锥体B的中 心线延伸重合。接触锥体B的大端设置有环形的轴向定位轴肩，轴向定位轴 肩的内侧面作为定位面紧靠直齿直齿圆锥齿轮4大端外辅圆锥H的锥面；其 中，接触锥体B长度大于待测直齿圆锥齿轮4的齿面宽，接触锥体B的小端 与大端之间设有环状凹槽，该环状凹槽长度定为总长的1/4,且该环状凹槽的 高度为S₁。

测量时，首先将杠杆千分表2、正弦规5置于测量平台9上；其次，将待 测直齿圆锥齿轮4固定在顶尖架1上，通过工业橡皮泥将检验棒3固定在待 测直齿圆锥齿轮4的齿槽内，利用可调式等高块6支起正弦规5一边的所需 高度，组成图纸给定的理论节圆锥角值，然后，利用杠杆千分尺分别测量第 一、第二测量圆柱体高度，若高度差为零，则说明被测直齿圆锥齿轮的节圆 锥角与正弦规和等高块组成的测量平台夹角相等，证明被测齿轮的节圆锥角 与理论节圆锥角相等。若高度差不为零，则通过三角函数计算求得实际节圆 锥角与理论节圆锥角的偏差。

参照图2并结合图3、图4、图5，说明检验棒的设计以及测量原理。图 中Φ_d为齿顶圆锥角，Φ为分度圆锥角，Φ_g为齿根圆锥角，Φ₁为齿顶角，Φ₂为齿根角，b为齿面宽，H为外辅圆锥，S_n为弧齿厚，pe为齿顶线、fg为齿根 线、eg为大端齿高，pf为小端齿高，O₁O₂是分度圆锥锥角线，对非变位的正 常圆锥齿轮来说，节圆锥与分度圆锥是重合在一起的，因此，O₁O₂也是节圆锥 锥角线，b则是齿面宽。

本发明技术方案首要问题是设计制作出与待测直齿圆锥齿轮的标准齿槽 配对的检验棒3，其设计原则是：当检验棒3放入直齿圆锥齿轮的齿槽中，检 验棒3上两条接触母线与齿轮的切点A、C应落在齿面的分度圆锥线上。

由此可见，检验棒3各参数尺寸的设计与确定尤为重要，下面由附图3 结合附图5具体介绍下如各参数的设计：接触锥体的大端直径d；接触锥体的 长度t；锥体的锥角α；检验棒的测量圆柱体的直径d₁与轴向定位轴肩的直径 d₂；检验棒3全长及其它参数的确定。

(1)接触锥体的大端直径d的设计:

接触锥体的大端直径d与齿轮分度圆上两切点A、C的距离分度圆上压力角方向线ON与分度圆速度方向线O′T，形成的齿轮分度圆 压力角α_f＝20°,在图3的三角形OAO′中：m为齿轮的模数，α_f为齿轮分度圆 压力角，∠OAO′＝α1＝20°，${\mathrm{AO}}^{\prime }=\frac{\mathrm{\pi m}}{4},$因此，$\frac{d}{2}=\mathrm{AO}=\frac{{\mathrm{AO}}^{\prime }}{\cos {\alpha }_f}=\frac{\frac{\mathrm{\pi m}}{4}}{\cos {\alpha }_f},$推算出 $d=\frac{\mathrm{\pi m}}{2\cos {\alpha }_f}.$

(2)接触锥体长度t的设计:

检验棒的接触锥体长度t按齿面宽b进行设计，但应大于齿面宽2mm以上， 这是便于将检验棒放入齿槽中，即：t=b+2（t为检验棒的接触锥体B的长度）， 已知式中，m为齿轮的模数，L为直齿圆锥齿轮锥距，z 为直齿圆锥齿轮的齿数，φ为分度圆锥角，那么

$t=\frac{0.35\mathrm{mz}}{2\sin \phi }+2.$

(3)检验棒的接触锥体锥角α的设计:

由图2可知，检验棒3的接触锥体锥角α是齿顶角φ₁的2倍，即：

$\alpha =2{\phi }_1=2t{g}^{-1}\frac{m}{L}=\frac{\frac{2m}{\mathrm{mz}}}{2\sin \phi }=\frac{4\sin \phi }{z}$

(4)检验棒的测量圆柱体直径d₁与轴向定位轴肩直径d₂的设计:

检验棒3的测量圆柱体直径d₁、定位轴肩直径d₂由设计者自定，一般取 d₁＝0.8d，轴向定位轴肩取d₂=2d，是为了建立可靠的轴向定位基准。

（5）检验棒全长及其它参数的确定:

检验棒全长t₁由设计者自定，一般取t₁＝2t，第一测量圆柱体P₁长度为 0.3t，主要考虑到测量时与顶尖不发生干涉，第二测量圆柱体P₂长度为0.6t； 接触锥体有环状凹槽，该环状凹槽长度取0.4t,接触锥体B其余部分长度取2 ×0.3t=0.6t。接触锥体B设计环状凹槽，可以减少接触锥体形位误差对测量 精度的影响，同时也回避了齿形形位误差对测量精度的影响。

下面介绍本发明检验棒3的精度以及对测量误差的影响。检验棒3影响 测量精度的主要因素有两项：

第一是测量圆柱直径d₁。要求其两端直径的公差越小越好，给定的尺寸公差 为±0.002mm，若按一端+0.002mm，一端—0.002mm极限情况考虑，对分度圆 锥角产生最大测量误差可由求得，式中，模数m=2mm、z=20、 Φ=45°的锥齿轮为例计算ΔΦ，

将t₁＝24mm代入 $\mathrm{\Delta \phi }=\pm \frac{{\mathrm{tg}}^{-1}0.004}{t_1}$得：ΔΦ≈±34″。

第二是接触锥体的锥角α，应等于齿顶角Φ₁的2倍，要求误差也是越小 越好，这个取决于磨削锥角α时的加工和测量精度，但主要是测量精度，一定 要用正弦规5测量。当t₁等于24mm时，用规格为200mm窄型正弦规5的测量 误差为±8″。

将上面两项误差合成后大约为由以上计算可知这两 项误差是很小的，其影响可忽略不计，这是以模数m=2的分析计算，模数越 大t₁越大，精度会越高。因此，本发明测量装置精度会更高。

本发明的直齿圆锥齿轮节圆锥角的测量方法，基于上述直齿圆锥齿轮节 圆锥角的测量装置，具体包括以下步骤：

首先，将杠杆千分表2、正弦规5置于测量平台9上；

其次，将待测直齿圆锥齿轮4固定在顶尖架1上，通过工业橡皮泥将检 验棒3固定在待测直齿圆锥齿4的齿槽内，利用可调式等高块6支起正弦规5 的一边与平板组成图纸给定理论角度；

最后，移动测量平台9上的杠杆千分表2，同时转动锥齿轮4，使其侧头 与检验棒3的第一测量圆柱体P₁接触，观察指针的回转转折点的位置，就是 测量圆柱体的最高点，此时移动杠杆千分表2与第二测量圆柱体P₂接触测量， 若同P₁等高，说明被测节圆锥角与理论角度相等。如果P₂高于P₁，说明被测 节圆锥角大于理论值，如果P₂低于P₁，说明被测节圆锥角小于理论值。至于 偏差的大小可通过相应三角函数计算公式，求出实际节圆锥角以及与理论节 圆锥角的差值。

将本发明实际测量所得的待测直齿圆锥齿轮实际节圆锥角与设计的理想 节圆锥角进行比较，能够有效校验直齿圆锥齿轮的加工精度，获取高质量的 直齿圆锥齿轮。

本发明还有多种实施方式，但凡在发明的精神和实质范围内，所作的任 何改变、等同替换和改进，均在发明的保护范围之内。