专利名称：：确定齿轮啮合间隙的方法
技术领域：
：本发明涉及齿轮技术，特别是涉及确定齿轮组中齿轮啮合间隙的方法。啮合间隙这一词用来描述互相啮合的两个齿轮牙齿之间的间隙大小，齿轮设计对啮合规定了最佳值，大规模生产经验鉴定齿轮组在各种用途中呈现出的差异，以满足质量要求，此外，必须控制位置关系，以经济地组装。啮合间隙是齿轮研磨和试验过程中的重要参数。研磨包括在加上研磨剂时使啮合的齿轮组转动，同时改变齿轮的相对位置，使齿面平滑并修正接触表面，研磨齿轮组包括同时控制几种机械功能，以得到降低齿轮噪声和提高强度的所需效果，基本的研磨工艺要求是控制啮合间隙，使之接近设计值，使齿轮组可平滑、不费力地工作。以前的精研机通过机器运动的排序控制啮合间隙。首先，使齿轮组啮合到直接接触状况，没有间隙，称为“金属对金属”状况。当在此位置时，机械运动会被夹紧，然后附加的移动使工件分开，产生啮合间隙，该过程产生不确定的结果，因为机械零件也包括弹簧、有间隙的移动导向件、偏差等，这些都会变化，由于机械调整在一个啮合点产生，不考虑在另一个啮合点出现的部件变化，经济的位置控制可改进这种局面，因为现在操作者可通过控制输入补偿掉某些机械误差。尽管这些控制允许较方便的机械调节，但存在着下面的机械状况。用位置控制(如Ellwanger等人的美国专利NO.3717958中揭示的步进电机)来控制机器运动，如果需要的运动可指定和量化的，则现在有机会实现正确的机器运动。已作了许多努力来用传感器等其他类似的机械装置检测齿轮组的间隙，目的是提供反馈以使机器运动复位的更理想的研磨关系。不幸，反馈装置对所需要的结果来说仍然变化太大，测量仍在一个啮合点进行，这是产生变化的一大来源，最终，这种方法在这一时期的机器中被放弃了。计算机数字控制(CNC)来到精研机中，如GINIER等人的美国专利NO.4788476中所述，提供了一种确定间隙状况的新机会，由直接控制机器运动位置，研磨所需的机床底盘可分解成三或四个机器运动，这样的底盘更硬，测量时变化更小，现在可重新用传感器来完成测量间隙的任务。但是，测量本质上仍是机械的，所以还会有一些变化。根据测量的性质，值可能仍然必须同定义的齿轮间隙数学上相关，这种数学模型实际上本身是一变化来源，现在可以几个啮合点进行测量以鉴别与部件有关的变化。本发明的一个目的是提出一种测量啮合间隙的方法，其所有测量在受控条件下进行，由此测量实际的啮合间隙值，而不是已有技术中的近似值。由本发明得出一种确定齿轮组中啮合间隙的方法，其中该组包括第一部件和第二部件，第一部件的齿数大于或等于第二的齿数，一种熟知的齿轮组包括一齿轮部件和一小齿轮部件，齿轮部件和齿数等于或大于小齿轮件的齿数，小齿轮部件齿轮组中较小的部件，通常，小齿轮部件是齿轮组中的主动件，而齿轮部件为从动件，本发明将对齿轮和子齿轮部件进行叙述，但是，本发明不限于包括齿轮和小齿轮的齿轮组，而应认为包括任何啮合的齿轮类部件。本发明的方法包括使第一和第二部件啮合，并转动这些部件，这样第一部件沿第一方向转动。在预定的增量处，记录第一和第二部件之一的转动位置另一部件的转动位置也同时记录。然后沿相反方向转动第一部件，在每一预定的增量处，记录一个部件的转动位置，相反转动方向的转动位置与第一转动方向的转动位置相同，另一部件的转动位置也随之同时记录。在一个部件沿第一方向和第二方向转动的每一相同增量位置处计算对另一部件的记录到的转动位置之间的差别，得到的差值代表齿轮组的啮合间隙值。本发明的方法进一步包括从所有计算得到的差值中确定单个有代表性的啮合间隙值，并将此代表值与预定的可接受的间隙值比较，若代表值离预定的可接受值在希望的范围内，则该齿轮组是可接受的，然后可进一步加工，如研磨。但是，若代表值在希望的范围以外，则确定获得可接受的间隙所必需的齿轮和小齿轮部件的相对位置变化，然后可把齿轮和/或小齿轮部件从其先前评估位置移动到新确定的相对位置，然而，进一步加工齿轮组，例如研磨。图1示意性表示用于实现本发明过程的一种机器。图2表示用于图1中机器的控制系统。现在参见附图详细叙述本发明。可以在任何能转动啮合的齿轮组、监视齿轮组各部件转动位置并使齿轮组部件彼此相对定位的机械上实现本发明，较好地，该机械是一计算机数字控制的(CNC)研磨或试验机器，能相对转动和横向移动齿轮组部件，并包括对工件轴的转动位置的电子测量，这类机器是众所周知的并易于得到。图1示意性表示出一种这类机器，该机器作为精研机来叙述，但应理解同样的机器部件也可用于和执行试验机的适当功能。该精研机包括基座2，其上安装置齿轮头4，齿轮头4位于横向滑板8上的导轨上，沿第一方向(G轴)直线移动。沿导轨6的移动由电机10推动，横向滑板8以及齿轮头4在安装于基座2的导轨12上直线移动(E轴)，横向滑板8的移动由电机14经适当的减速齿轮16推动，G和E轴彼此正交。垂直滑板18安装成经导轨20使齿轮头4垂直移动(P轴)，垂直滑板18的移动由电机22经减速齿轮24推动，在P轴方向的移动垂直于G和E轴，这使得G、E和P轴彼此垂直。可转动的齿轮轴26装在垂直滑板18上，齿轮28可拆卸地装在齿轮轴26上，齿轮轴26由位于齿轮头4内的电机36(图2)转动。基座2上还有小齿轮轴箱30，一个可转动的小齿轮32从中穿过，其上可拆卸地安装着小齿轮部件34，小齿轮轴32由位于基座2内的电机38(图2)转动，齿轮轴电机36和小齿轮轴电机38协同工作，形成加工速率，同时产生转矩差别。工作头4，横向滑板8、垂直滑板18以及齿轮轴26和小齿轮轴32的运动分别由各个独立的驱动电机10、14、22、36和38带动，上述部件能彼此独立或同时移动，每一相应的电机与一反馈装置42(图2)相关，例如是作为CNC系统部件的直线旋转编码器、或传感器，CNC系统按照输入到计算机控制器40(图2)的指令管理驱动电机的运行。在研磨或试验过程中，沿E和P轴的相对移动产生齿轮组部件接触部分的位置变化，其作用是改变接触图形，研磨包括转动啮合的齿轮部件，在齿面的所需位置接触，这样，各部件处于特定的E和P轴位置以及特定的G轴位置，以产生所需的间隙。典型地，E、P和G轴的运动都对定位的轮齿接触图形的长度方向和深度方向位置有影响，E轴运动的主要影响在于接触图形长度方向的相对位置，P轴运动的主要影响在于接触图形深度方向的相对位置，而G轴运动的主要影响在于间隙。由于齿轮组被研磨，通过必要时改变E和P设置使接触间齿面的外部(伞齿轮大端)或内部(伞轮小端)之一移位，以影响这种接触位置移位，由于E和P改变影响到移位，G轴位置也必须改变以保持所需的间隙，当到达所需的大端或小端位置时，E和P轴位置再次改变，将接触移动到另一大端或小端位置，而在E和P位置改变的同时G轴也适当改变以保持间隙，然后使接触位置回到开始位置。本发明消除了一直存在于研磨和测量中的间隙测量的变化，而代之以提供一种快速和准确的间隙测量。本发明的方法包括在研磨或试验机的齿轮轴上安装一个齿轮部件，并在小齿轮轴上安装一个小齿轮部件。齿轮和小齿轮由沿E、P、G轴的相对移动而啮合，最好是金属对金属接触，然后把部件之一由沿G轴相对退回一个量，以提供间隙。把齿轮和小齿轮之一指定为主动的，而另一个部件指定为从动的，以记录其角位置。最好是，把小齿轮指定为主动的，而以这种方式讨论此过程时，但应明器，为本发明的目的，齿轮部件也可以用作主动的。本发明最好是由与图2中计算机数字控制40和轴反馈装置42分开的计算和编码装置来进行，计算机44(它最好是至少为例如33MHz处理器)从控制器40接收顺序命令，计算机44经面板50与转动位置反馈装置相接，转动位置反馈装置(例如以特定的编码器一轴比率与齿轮和小齿轮轴相关的50倍内插的正交信号编码器46、48)。面板50从计算机44接收顺序命令，并将在计算机指定的期间把两编码器46、48的同时的读数配对，对原始数据送到计算机44，计算机44处理这些读数，如下所述，确定间隙值并发将这些值发送到控制器40。当然，若可能的话，合适的反馈位置装置42和计算机控制器(CNC)40可用来读取和处理数据，以按照本发明的方法确定间隙。由于小齿轮作为主动的，转矩在与齿轮将转动的相反方向上被加到齿轮轴上，其大小保持齿轮和小齿轮之间的接触。然后转动齿轮组，使小齿轮沿第一方向(例如顺时针)转动，而由编码器在预定增量处测量小齿轮的转动位置，并记录下来。增量最好是相等的，例如，每1000个编码器计算或每30度，但本方法不限于这和相等的增量。在记录小齿轮转动位置同时，齿轮的转动位置也由一编码器测量和记录，最好是，这一测量周期持续到齿轮部件的完整的一转，但是，该过程并非限于那样，例如，测量周期仅为齿轮或小齿轮转动的几度也可以是足够的，相反，也可以要求等于齿轮和小齿轮齿数乘积(即齿轮齿数比的乘积)的转数，这样在测量周期中会出现所有可能的轮齿啮合组合。当完成这一测量周期后，主动部件(小齿轮)的转动方向反转(例如，反时钟方向)，其为所加的齿轮轴转矩的方向，并沿该相反转动方向进行测量，小齿轮的转动测量刚好在先前测量周期的同一位置外进行。即，对小齿轮的顺时针和逆时针转动测量在同一位置处进行，齿轮部件的转动位置也与每一小齿轮转动测量同时记录，对于这一测量周期的齿轮和小齿轮的转动量与先前测量周期中的转动量相同。当收集到所有的测量信息时，对顺时针和逆时针转动每一测量增量处的转动位置之间的差别加以计算。由于主动部件是沿每一转动方向的同样的转动位置处测量的，因此每一增量处的测量之间的差值为零，所以，仅留下对从动部件的转动测量，而这些差值代表了在转动测量每一增量处的实际间隙值，下表提供了测量到的间隙值的一个例子。原始数据(CW)原始数据(CW)原始数据(CCW)原始数据(CCW)原始间隙数据合格的非零间隙数据存储的合格非零间隙数据小齿轮齿轮小齿轮齿轮54000017950054000018045095095010800003598501080000360760910910894(最小值)16200005395521620000539860308*910216000071977621600007207039279279162700000899660270000090065299299292232400001080058324000010810209629629273780000125971237800001260628916916937(中间值)43200001439905432000014408429379379504860000162010548600001621116101110119625400000179956654000001800488922922964594000019793235940000198028796496499264800002159557648000021604518948941011(最大值)</table></tables>CW＝顺时针小齿轮转动CCW＝逆时针小齿轮转动*第三数据点因凹痕或毛刺而不合格如表中所见，小齿轮部件是该间隙确定过程中的主动件，所以对于顺时针和逆时针方向在同＝转动位置处进行测量，由于位置相同，不存在差值，这些测量有效地彼此抵消。与每一小齿轮测量同时测量的齿轮转动位置对每一个同样的顺时针和逆时针小齿转位置反映出转动位置差别。例如在顺时针转动的小齿轮位置510000处，测量的齿轮位置为179500个编码器计数，而在逆时针转动小齿轮位置540000处，测得的齿轮位置为18℃450个计数，齿轮部件的计数差值为950，这代表了齿轮该位置处的间隙。对于第三数据点，显著不同的间隙数据308也许表明)在轮齿表面上可能有异常，如凹痕或毛刺。计算机中的逻辑会拒绝该齿轮组或停止处理，以使操作者对齿轮组作目视检查，该点的数据也许不会被看作有效的，所以，最有可能是从留下的计算值中删除掉。可以就最小和最大可接受的测量值对计算机编程。间隙和编码器计数之间关系可由已知的齿轮理论关系表示，建议用下式。此时小齿轮为主动的，而齿轮是从动的其中D＝齿轮齿距(与间隙采用同一单位)NP＝被测的编码计数器值NT＝每转数编码器计数值A＝齿轮螺旋角B＝齿轮压力角在齿轮部件为主动的而小齿轮部件为从动的情形下，等式右侧应再乘以齿轮组比率，例如，若所需的间隙为0.010英寸(0.2540mm)，而每转编码器计数的总数NT为720,000×3(编码器对轴的比率)＝2,160,000，以及上表中的齿轮部件规格为D＝8.800英寸(222.52mm)A＝27度，12分B＝20度对NP(被测量的编码器计数)解该式，得到935。所以，对齿轮部件转动位置的编码器计数算得的差值935等价于0.010英寸(0.2540mm)的间隙量，若上述齿轮部件的可接受范围是例如0.008-0.012英寸(0.2032-0.3048mm)，则对该范围的可接受间隙而言，被测量的齿轮部件编码器计数的可接受差值应为748-1122计数。当然，可以看到，当已知被测编码器计数时也可以解上式来确定间隙量。第三个间隙数据点的308个编码器计数大大超出本例的748-1122编码器计数范围，而该数据点也许是不合格的，这样，齿轮组应被检视，而该齿轮组可能被拒绝。但是，其余的测量值得到中间的间隙值937，其离参考935很近。除了中间值之外，也可以使用平均值，本例中为944个编码器计数，它离所需值935也很近。本发明的方法可用于对一具体的齿轮组得出综合数据。通过在中间，小端和大端位置的E和P轴位置实现本发明的过程，可在每一位置通过利用已知的齿轮理论关系确定每一位置可接受的间隙，因而G轴位置，这由迭接的测量间隙、记录G轴位置来实现。若间隙还可接受，则重复调节G轴位置并测量间隙直到可接受的间隙被得到，以及确定最终的G轴位置时为止。在时间很重要的情形下，如在大量产品研磨环境中，以及必须按照本发明的方法根据单次间隙测量作出G轴位置变化时，可根据已知的齿轮理论关系计算ΔG的变化，齿轮组的部件可沿G轴相对移动计算出的量，然后研磨齿轮组。本发明提出一种更快速和更准确的确定齿轮组中间隙的方法，可实现约3-6秒的周期时间，同时为产生更准确的齿轮组描述，可读出大量数据点，除了确定间隙用于研磨或试验外，也可以更准确地测量间隙以加强齿轮组的最后装配，或使维修用的部件更为合理。尽管参照最佳实施例对本发明进行了叙述，应明白本发明不限于这里的特例，本发明应包括对本领域技术人员而言是显然的修改，而主题仍在权利要求书实质范围内。权利要求1.一种确定齿轮组中间隙的方法，齿轮组包括第一和第二齿轮部件，所述第一部件具有多个轮齿，其数目等于或大于所述第二部件的轮齿数目，其特征在于，所述方法包括使所述第一和第二部件啮合，转动所述部件，由此所述第一部件沿第一方向转动，在预定增量处记录所述第一和第二部件之一的转动位置，在记录所述一个部件的同时记录第一和第二部件的另一个的转动位置，转动所述部件，由此所述第一部件沿相反方向转动，在每一所述预定增量处记录所述第一和第二部件所述之一的转动位置，所述一个转动方向的所述转动位置与所述相反方向的转动位置相同，在记录所述一个部件的同时记录所述第一和第二部件的另一个的转动位置，计算所述一个部件沿所述第一方向和所述相反方向转动时在每一相同增量处对所述第一和第二部件的所述另一个所录的转动位置之差值。2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述间隙的确定在约3至6秒中实现。3.如权利要求1的方法，其特征在于，把所有算出的差值与一预定的可接受的间隙值比较，任一不在所述可接受范围内的所述的计算值被认为不合格。4.如权利要求3的方法，其特征在于，根据在所述可接受范围内的所述计算得的差值确定最小值、最大值和中间或平均值之一。5.如权利要求4的方法，其特征在于，所述中间值或平均值之一是所述中间值。6.一种确定间隙和研磨齿轮组的方法，所述齿轮组包括一齿轮部件和齿轮部件，所述齿轮部件具有多个轮齿，其数目等于或大于所述小齿轮部件的轮齿数，其特征在于，所述方法包括将所述齿轮部件装在可转动的齿轮轴上，将所述小齿轮部件装在可转动的小齿轮轴上，使所述齿轮和小齿轮部件啮合，转动所述部件，由此所述齿轮和小齿轮部件之一沿第一方向转动，同时对所述齿轮和小齿轮部件的另一个的轴沿与第一方向相反方向施加转矩，其大小为保持所述齿轮和小齿轮部件之间的接触，所述一个部件的转动被划分为多个预定增量，在每一所述增量处记录所述齿轮和小齿轮部件之一的转动位置，在记录所述一个部件的同时记录所述齿轮和小齿轮部件中另一个的转动位置，沿相反方向转动所述齿轮和小齿轮部件，其转动量等于所述沿第一方向上转过的量，沿相反方向转动量被划分成所述数量的预定增量，沿所述相反方向的所述转动的开始点是沿所述第一方向的所述转动的结束点，在每一所述增量处记录所述齿轮和小齿轮部件之一的转动位置，所述一个转动方向的所述转动位置与所述相反的转动方向的所述转动位置相同，在记录所述一个部件的同时，记录所述齿轮和小齿轮部件的另一个的转动位置，计算所述一个部件沿所述一个方向和所述另一方向转动时在每一相同增量处对所述齿轮和小齿轮部件中另一个记录到的转动位置之间的差值，由算得的所述转动位置差值确定中间值或平均值之一，比较所述中间值或平均值之一与一预定的可接受的间隙值，以及(a)若所述中间值或平均值之一在离所述预定可接受的间隙值所需范围内，则研磨所述齿轮和小齿轮部件，或(b)若所述中间值或平均值之一在所述所需范围外，则确定获得所述可接受的间隙所必需的所述齿轮和小齿轮部件的相对位置变化，将所述齿轮和小齿轮部件定位至所述确定的相对位置，以及研磨所述齿轮和小齿轮部件。7.如权利要求6的方法，其特征在于，所述一个部件是所述小齿轮部件，所述另一部件是所述齿轮部件，8.如权利要求6的方法，其特征在于，所述中间值或平均值之一是所述中间值。9.如权利要求6的方法，其特征在于，在确定所述中间值或所述平均值之前，所述方法还包括将每一所述算得的转动位置差值与一预定的可接受的差值范围比较，并使在所述范围外的所述位置差值为不合格。10.如权利要求6的方法，其特征在于，所述齿轮和小齿轮部件可沿三条正交轴E、P和G彼此相对移动，并且由所述齿轮和小齿轮部件沿所述G轴的相对移动进行相对定位，得到所述可接受的间隙。11.一种确定齿轮组间隙的方法，所述齿轮组包括齿轮部件和小齿轮部件，所述齿轮部件和齿数等于或大于所述小齿轮部件的齿数，其特征在于，所述方法包括(a)将所述齿轮部件装在可转动的齿轮轴上，(b)将所述小齿轮部件装在可转动的小齿轮轴上，所述小齿轮和齿轮部件可彼此相对移动，(c)使所述齿轮和小齿轮部件在预定的相对位置处啮合，(d)转动所述部件，由此所述齿轮和小齿轮部件沿第一方向转动，同时对所述齿轮和小齿轮部件中另一个的轴沿与所述第一方向相反的方向施加转矩，其大小为维持所述齿轮和小齿轮部件之间的接触，所述一个部件的转动被划分为多个预定的增量，(e)在每一所述增量处记录所述齿轮和小齿轮部件的所述一个部件的转动位置，(f)在记录所述一个部件的同时记录所述齿轮和小齿轮部件的另一个的转动位置，(g)沿相反方向转动所述齿轮和小齿轮部件中所述一个，其转动量等于沿所述第一方向转过的量，沿相反方向转动的最被划分成所述数量的预定增量，沿所述相反方向的所述转动的开始点为沿所述第一方向的所述转动的结束点，(h)在每一所述增量处记录所述齿轮和小齿轮部件的所述一个的转动位置，所述一个转动方向的转动位置与所述相反方向的转动位置相同，(i)在记录所述一个部件的同时记录所述齿轮转和小齿轮部件中另一个的转动位置，(j)计算在每一与所述一个部件转动的同样增量处对所述齿轮和小齿轮部件的另一个记录的沿所述一个方向和所述另一方向的转动位置之间的差值，(k)由算出的所述转动位置差值确定中间或平均值之一，(l)将所述中间值或平均值之一与一预定的可接受间隙值比较，以及(m)若所述中间值或平均值之一在离所述预定的可接受间隙值所希望的范围内，则停止所述确定间隙，或(n)若所述中间值或平均值的所述一个在所述所需范围外，则改变所述齿轮和小齿轮部件的相对位置，产生间隙变化，以及重复步骤(d)至(m)或(n)。12.如权利要求11的方法，其特征在于，所述一个部件是所述小齿轮部件，所述另一部件是所述齿轮部件。13.如权利要求11的方法，其特征在于，所述中间值或平均值中所述一个是所述中间值。14.如权利要求11的方法，其特征在于，在确定所述中间值或所述平均值之前，所述方法进一步包括比较每一算出的所述转动位置差值与预定的可接受差值范围，使任一不在所述范围内的所述位置差值为不合格。15.如权利要求11的方法，其特征在于，所述齿轮和小齿轮部件可沿三条正交轴E、P和G彼此相对移动。16.如权利要求15的方法，其特征在于，所述间隙的变化由所述齿轮和小齿轮部件沿所述G轴的相对移动产生。全文摘要一种确定齿轮间隙的方法，其中齿轮组的一个部件沿第一方向转动，在预定的增量处记录转动位置，另一部件的转动位置也同时记录。把一个部件的转动方向反向，在同样增量处记录转动位置，同时记录另一部件的转动位置，算出另一部件记录得的位置的差值，该差值表示齿轮组间隙大小。文档编号G01B21/16GK1166873SQ95193333公开日1997年12月3日申请日期1995年5月12日优先权日1994年5月31日发明者詹姆斯·J·杰纳达,戴维·A·怀特申请人:格里森工场