臥式鏜銑加工中心ZF減速箱熱變形分析
4.3TH6213機床ZF減速箱熱變形分析在機床主軸運轉過程中，驅動電機的發熱、各齒輪軸高速旋轉產生的熱量以及變 速齒輪嚙合面產生的摩擦熱，都是減速箱的主要熱源。在這些熱源的作用下，齒輪軸 產生變形，嚙合齒輪產生變形，以及減速箱箱體也產生變形，在這些變形的疊加作用 下，傳動軸的間距產生變化，甚至影響傳動，使機床主軸無法正常工作。本節則對變 速箱在熱源作用下的熱變形進行定量分析。4_3_1 ZF箱熱變形分析減速箱與主軸箱部件裝配關系的約束設定：減速箱采用螺紋緊固連接的方式固定 在主軸箱上，底面6個自由度被限定；減速箱下部嵌入到主軸箱體里面，幾個方向的 變形也受到限定。選定齒輪軸軸線為Y軸，計算后可得減速箱的熱變形情況。結果見圖4.8。圖示為 減速箱總體在兩個方向上的熱變形云圖，減速箱上端面邊緣產生較大的變形，與主軸 箱連接處變形較小，這是因為減速箱與主軸箱采用螺釘緊固連接，限制了中間部分的 變形。而下部陷入到主軸箱之中，所以，變形也受到限制，只有上端面暴露在空氣中， 沒有變形限制，從而產生了向四周延伸的較大的變形。把減速箱熱變形量分解到X、Y、Z三個坐標方向，以達到量化減速箱熱變形結果 的目的，見圖4.9,減速箱在X方向產生的熱變形量較大，最大值出現在側邊處，約為124pm; Y方向上，熱變形最大處出現在遠離電機的側邊處，約為133pm;而在Z方向 上，熱變形的最大值就出現在上端蓋處，約為160um。4.3.2ZF減速箱嚙合齒輪及齒輪軸熱變形分析如果減速箱齒輪軸在熱源作用下產生過大的熱變形，齒輪副的正常工作將會受到 影響。為了探宄熱平衡狀態下變速箱是否能維持正常工作，對減速箱嚙合齒輪及齒輪 軸進行熱一結構耦合分析。在ZF減速箱中，齒輪軸通過軸承與箱體安裝配合。所以，當減速箱箱體在熱源 作用下產生熱變形，齒輪軸的約束也會受到影響，從而干擾到其正常工作。接下來對 齒輪軸的熱變形情況進行分析。表4.7所示為齒輪軸熱變形分析結果，齒輪的安裝位置用箭頭指出。觀察表中數 據，齒輪軸的熱變形趨勢表明齒輪軸在熱源作用以及減速箱體約束作用下，產生一定 程度的彎曲變形。表4.8所示為各軸齒輪安裝位置熱變形量。 表4.8各齒輪軸安裝位置熱變形量 軸號 X(|im) Z(|im) I 2.15 ?12.78 12.36 ?37.60 II 0.76 ?9.64 2.02 ?11.35 觀察圖4.10、圖4.11所示嚙合齒輪熱變形分析結果可知，對于軸I、軸II上的一 對嚙合齒輪，嚙合位置所形成的最大的熱變形量約為0.028mm;對于軸II、主軸上的 一對嚙合齒輪，嚙合位置所形成的最大熱變形量約為0.035_。為了避免熱變形導致 的齒輪卡死現象，在齒輪副安裝的過程中事先留有間隙，根據TH6213減速箱齒輪的 安裝中心距以及模數，由TH6213產品計算說明書可以得到，軸I、軸II嚙合齒輪的 額定間隙為〇.〇6_，而軸II、主軸嚙合齒輪的額定間隙為0.059_。考察有限元分析 結果可知，熱變形量均小于最小間隙值即額定間隙，所以，變速箱可以正常工作。4.4本章小結在本章中，首先對減速箱齒輪的嚙合情況進行了分析，接著對齒輪嚙合面的受力 情況進行了分析，通過計算確定了在齒輪工作過程中嚙合面產生的熱力密度的大小， 并對其溫度場進行了有限元計算。接著計算了各嚙合齒輪以及齒輪軸的熱流密度、軸 承的發熱量以及各換熱面的對流系數，分析了減速箱工作時的溫度場，為機床熱誤差 的補償以及冷卻回路的設計提供了理論依據。并用熱穩態的溫度場進行熱-結構耦合 計算，得到減速箱以及內部嚙合齒輪、齒輪軸在正常工作狀態下的熱變形，與TH6213 產品計算書所規定的額定間隙進行比對，得到變形小于最小間隙的結論，證明了在熱 源作用下，機床減速箱仍能正常工作。