侯伟奇 陈章勇 刘 波

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

齿轮传动被广泛应用空调导风机构。齿轮传动涉及多个零件，其中一个环节出现异常即可造成运行过程中出现异响等问题，影响产品舒适性[3]。根据齿轮传动要求，两个齿轮间必须要有一定的顶隙和侧隙，如果没有顶隙，两个齿轮就会产生干涉，发生碰撞，产生异响、抖动甚至撞断齿。为了防止由于齿轮工作温度升高引起热膨胀变形致使轮齿卡住，轮齿在啮合时必须有适当的齿侧间隙[2]。

本文基于CETOL 6σ的仿真软件，结合机械设计手册，模拟实际零件公差分布，以实际产品装配约束关系模拟仿真，分析零件设计及公差选型合理性，对齿轮异响提出整改要求，确保导风机构运行平稳，提高客户满意度。

1 齿轮啮合理论分析

1.1 正常啮合条件

从机械设计手册可知，正确啮合条件：啮合两齿的压力角α及模数m相等，从该齿轮部件中各齿轮设计参数可知，齿轮1、齿轮2、齿轮3及齿轮4的相互啮合的压力角及模数相等，满足啮合条件如图1、表1所示。

图1 各齿轮配合组件图

表1 齿轮设计参数

1.2 齿顶间隙分析

根据中心距计算公式a=1/2*（mz1﹢ mz2）可知：

1）齿轮1和齿轮2的标准中心距a为14.4，而齿轮1为变位齿轮，按照机械设计手册计算出变位齿轮的中心距b为14.52 mm＜图纸要求的尺寸15.13±0.05 mm，存在最小顶隙0.56 mm。

计算公式：

式中：

b—无侧隙变位齿轮的中心距；

a—标准齿轮的中心距；

α—压力角；

β—啮合角；

x1、x2—变位系数；

Z1、Z2—齿数。

2）齿轮1和齿轮3b的标准中心距为13.95 mm，而齿轮1为变位齿轮，按照1.1.1中的公式计算此变位齿轮的中心距为14.03＜图纸要求的尺寸14.63±0.05 mm，导致存在最小顶隙0.55 mm。

3）齿轮3a和齿轮4的中心距为17.6 mm＜图纸要求的18.02±0.05 mm，导致存在最小顶隙0.37 mm；

通过机械设计手册得知，为方便润滑油的有效润滑，要求渐开线圆柱齿轮的标准顶隙c=c*×m=0.25×0.9=0.215 mm，即一个齿轮的齿顶圆到另一个齿轮的齿根圆的径向距离，如图2、表2所示。

表2 渐开线圆柱齿轮的顶隙系数

图2 齿轮盖中齿轮轴位置尺寸

结论：经计算设计要求的中心距大于理论计算的中心距，导致啮合顶隙大于标准顶隙（0.215 mm）而产生齿间冲击，影响齿轮传动的平稳性，存在碰撞噪音的隐患。

1.3 齿侧间隙分析

1.3.1 分析环境定义

规则类型：公差驱动分布 ；

分布类型：零件加工采用均匀分布，装配约束采用正态分布[1]；

CP值：1.00；

公差定义：依据设计图纸。

1.3.2 仿真分析目标，如图3所示

图3 齿轮1和齿轮2侧隙分析图

齿轮1与齿轮2侧隙X＞0.00 mm（不干涉）。

1.3.3 仿真分析情况

设计理论侧隙分析合格,但当齿轮定位柱间距偏小，按实测14.80～15.07 mm数据分析（要求15.13±0.05 mm）时，统计分布合格率仅68.24 %，极值范围-0.202～0.296 mm，将导致侧隙过小甚至干涉，需修调整尺寸公差带。齿轮盖齿轮轴间距15.13为关键尺寸，需重点控制，见表3。

表3 齿轮1和齿轮2侧隙仿真分析

2 实际配合分析

齿轮1和齿轮2轴中心距，要求为15.13±0.05 mm。用三维坐标测量，B1模尺寸为14.96 mm，比图纸下限偏小0.12 mm，仍存在0.56 mm的顶隙；B2模尺寸为14.99，比图纸下限偏小0.09 mm，存在0.59 mm的顶隙，均超出标准顶隙要求。

分别对齿轮盖不同模腔测试100组数据，从测量数据来看，齿轮1和齿轮2轴中心距尺寸均＜极限尺寸（下），且90 %以上呈现上小下大，如图4所示。

图4 齿轮盖40#尺寸测试数据图

3 实验验证

3.1 不同齿轮轴心距齿轮盖验证

选取齿轮轴心距尺寸在公差范围内和超差尺寸零件，进行验证，从实验结果看，齿轮轴中心距尺寸是否合格直接影响测试结果，具体见表4。

表4 不同齿轮轴心距噪音测试情况

3.2 不同装配方法及关联验证

3.2.1 齿轮盒装配过程中受压

理论分析：因装配时导风板轴可能对齿轮盒产生挤压，导致齿轮盒受力过大而失效产生异响，故调整装配顺序[4]，进行了以下实验：

实验方案：更改装配顺序，先装配盖板、导风板后再装配齿轮盒和固定电机。

实验结果：验证10台，异响5台，运转2 min后异响消除。

实验结论：异响的问题依然存在，装配顺序非要因。

3.2.2 导风板装配后与各接触部件间有摩擦力

理论分析：因为各个部件都是新部件，且因异响机子在运转两分钟后异响消除，分析可能是部件间在磨合过程中接触摩擦力过大，导致了异响产生[5]。

实验方案：装配导风板后手动上下摇动挡风板20次。

实验结果：验证30台，2台异响，运转几分钟后异响消除。

实验结论：导风板装配后与各接触部件间摩擦力为非要因。

3.3.3 电机轴与齿轮盒的配合间隙大

理论分析：电机钢轴与齿轮盒配合处，可能因为间隙过大，导致有打滑现象，从而产生异响，所以增加绒布来减小装配间隙。

实验方案：在电机处增加绒布，减少间隙。

实验结果：验证20台有9台异响。

实验结论：电机与齿轮盒装配处的间隙为导致异响的非要因。

3.3.4 齿轮盒内齿轮在装配后需要磨合

理论分析：有异响机子在运转两分钟后异响消除，可能齿轮盒装配后，各个齿轮间在运动磨合过程中因摩擦力过大而产生异响。

实验方案：对齿轮组件整机装配前提前手工转动磨合。

实验结果：验证50台有异响15台。

实验结论：手动磨合装配齿轮组件未能解决异响问题，为非要因。

结论：齿轮轴中心距尺寸是否合格直接影响运行测试测试结果，为齿轮机构运行异响主要原因。

4 结语

通过以上原理分析，仿真以及实验验证，确定了齿轮盖轴心距尺寸偏小及齿轮间距公差不合理，是导致零件干涉是造成导风机构异响的根本原因，后续在设计齿轮导风传动机构时应辅助运用CETOL 6σ仿真等软件，确保齿顶和齿侧间隙极限尺寸符合设计规范。同时明确关键尺寸，以指导生产及检验单位重点控制，减少对生产影响，提高产品舒适性。