差速器直錐齒輪機加工工藝

■ 洛陽華冠齒輪股份有限公司 （河南 471131） 孟江濤

1. 錐齒輪工作原理和磨損原因

直齒錐齒輪因具有傳動平穩、效率高、承載能力強及齒形容易實現凈成形等優點，已在交通、風電及裝備制造業等基礎產業、眾多領域內得到廣泛應用。汽車、農機和裝載機后橋中的差速器齒輪因長時間處于重載、沖擊等復雜多變的工況環境，若能在凈成形錐齒鍛坯精度的前提下，對機加工工藝進行充分論證、優化，使得加工過程中的定位基準、檢測基準及裝配基準有機統一，確保其形位公差在一定范圍內能夠穩定控制，可有效提高機加工的效率和精度，進而提高錐齒輪的使用壽命，降低噪聲，提高傳動平穩性，具有非常重要的現實意義。

普通汽車差速器一般由四個行星齒輪、十字軸、兩個差速器半殼、兩個半軸齒輪及球面墊片、半軸齒輪墊片等相關附件組成（見圖1）。差速器殼體和行星齒輪十字軸連成一體，構成行星架。當汽車在平整路面直線行駛時，四個行星齒輪隨同行星架繞兩半軸齒輪軸線公轉，此時行星、半軸齒輪處于相對靜止狀態。當汽車轉彎行駛時，必須適應轉彎過程中外側驅動輪行程大于內側驅動輪行程的需要，兩輪子轉動的角速度就有差異，四個行星齒輪除隨同行星架繞兩半軸齒輪軸線公轉外，還各自繞本身的軸自轉，此時行星、半軸齒輪的錐齒開始嚙合傳動，相嚙合的單齒受力并傳遞扭矩。整個過程中隨著各單齒受力大小不同（該力又可分解為齒輪齒面的圓周力和軸向力），各齒輪均產生不同程度偏離錐心的趨勢，使得各行星、半軸齒輪分別壓緊球面墊片和半軸墊片，兩種墊片隨著齒輪的旋轉會同速或不同速地轉動，此時墊片就會與齒輪接觸面和殼體面產生摩擦，久而久之，墊片就會出現不同程度的磨損。若齒輪以錐齒為基準檢測的半軸齒輪安裝面、行星齒輪的球面和內孔的形位公差超差嚴重，整套齒輪在差速工作狀態下，就會對兩種墊片產生交替無序的載荷，更加快了各墊片的無規律磨損。整個差速器中的各零件，墊片本身就是易損件，但終端客戶的汽車在行駛過程中，并不注重易損件的定期檢查和更換，導致因墊片磨損，使齒輪在需要正常嚙合處于工作狀態時不能正常嚙合傳動，六個齒輪的錐心會出現不同程度的偏離，使齒輪的各單齒接觸區嚴重偏離整個齒形中部而偏向齒頂和小端，隨著此情況的加劇（有些墊片厚度會磨損一半或出現楔形），更加重了殼體面和輪齒面的的磨損，齒輪面就會出現點蝕、剝落或拉傷，更嚴重的會出現掉塊或碎齒，造成齒輪損壞。從以上差速器齒輪的工作原理和損壞原因描述，不難認識到差速器齒輪在機加工過程中控制各形位公差的重要性。

圖 1

2. 行星齒輪加工工藝分析與改進

目前差速器行星齒輪機加工工藝流程大致為以下兩種：①合格的精鍛件毛坯→冷切邊→拋丸→鉆孔→車內孔→車球面、背錐→熱處理→磨內孔→磨球面。②合格的精鍛件毛坯→拋丸→車背錐→冷切邊鉆孔，車內孔、球面→熱處理→精車內孔、球面。工藝流程①的主要工序如圖2所示。

工藝流程②中的主要工序如圖3所示。

圖 2

圖 3

對比以上兩種行星齒輪的熱前、熱后加工工藝不難看出，工藝流程①中工序較多，定位基準在齒形與內孔間偶有轉換或出現過定位現象，導致機加工過程占用設備多、投入人力多以及半成品多次裝夾，質量不易控制，且最終精加工過程中因出現過定位現象，導致形位公差超差嚴重；而工藝流程②中工序較少，個別工序合并一次裝夾切削成形，且始終以凈成形的齒形為定位基準，并且熱處理后精加工時，行星齒輪以齒形定位，壓緊背錐，將內孔和球面一次精車成形，這樣使得以內孔為基準，檢測球面跳動時極易控制在0.03mm以內。這樣在確保鍛造工序錐齒齒形精度及熱處理后精加工齒形定位體精度、找正準確前提下，加工內孔、球面至尺寸后，以內孔為基準檢測錐齒齒圈跳動，可穩定地控制在0.04mm以內。這樣結合前述行星齒輪在差速器總成內的裝配狀態，及無論是其行星架繞半軸齒輪軸線公轉，或行星齒輪在半軸齒輪外力作用下繞其自身軸線自轉，均能傳動平穩，噪聲較小，也排除了球面墊片、殼體內球面SR的非正常磨損，提高了齒輪的使用壽命。

3. 半軸齒輪加工工藝分析與改進

目前差速器半軸齒輪機加工工藝流程大致也有以下兩種：①合格的精鍛件毛坯→冷切邊→拋丸→鉆孔→車小端面、內孔→車外圓、安裝面、背錐→拉削內花鍵→熱處理→磨削外圓、安裝面。②合格的精鍛件毛坯→拋丸→車小端面、外圓、安裝面、背錐→冷切邊→鉆孔、車內孔→拉削內花鍵→熱處理→磨削外圓、安裝面。工藝流程①中的主要工序如圖4所示。

工藝流程②中的主要工序如圖5所示。

圖 4

圖 5

對比以上兩種半軸齒輪的熱前、熱后加工工藝可以看出，工藝流程①中熱前工序較多，導致加工過程占用設備多、投入人力多，質量不易控制。而兩個工藝流程中的熱后精加工工序，從字面上看沒有任何區別，但從工序圖中可以看出，兩者的根本區別在于加工時的定位基準不同。工藝流程①是以內花鍵鍵側定位磨削加工的，執行該工藝的廠家，僅是為了滿足圖樣要求及迎合車橋廠家機械地按圖驗收的應付行為，是沒有從差速器的工作原理、齒輪的工作狀態及傳遞力和扭矩的情況認真分析而采取的短期行為。半軸齒輪的內花鍵是與汽車半軸的外花鍵相配的，屬間隙配合，僅傳遞左右兩車輪轉彎行駛時而造成的兩根汽車半軸自轉角速度不同而產生的扭矩。如果按照用戶的圖樣機械地照抄照搬，為了應付以內花鍵為基準，檢測安裝端面、外圓的端、徑向跳動，勢必會因內花鍵的花鍵變形（鑒于國內目前的原材料、淬火油及淬火工藝現狀，熱處理花鍵變形很難像國外一樣得到有效而穩定的控制）而削弱對齒圈跳動的控制。另外，以內花鍵定位脹緊的熱后加工方式，常常會因內花鍵變形大小不一、形狀無規則，使花鍵孔出現的錐度、橢圓度不同而導致件件齒輪在錐度花鍵軸上的軸向位置不一，由此而磨削出來的齒輪安裝面高低也會出現散差較大的現象，從而導致磨削加工出的同批次半軸齒輪安裝距尺寸極不穩定，而使裝配出的差速器總成半軸齒輪的軸向間隙不穩定，經常出現轉動過程中的點卡現象及間隙較大，使流水線上的裝配工人頻繁更換調整墊片，影響裝配效率。或因裝配疏忽時，沒有發現間隙過大，會造成差速器轉動異響，導致最終拆解總成。而工藝流程②中，是以齒形定位、壓緊小端面，磨削安裝面和外圓的，安裝面相對于外圓軸頸的垂直度或端面跳動極易保證，同時以外圓、安裝面為基準，反測錐齒齒形的齒圈跳動，也較容易地控制在0.08mm以內，這樣就很好地保證了錐齒輪外圓、安裝面、齒形等形位公差的特殊特性，同時也與齒輪最終綜合檢測時的檢測基準達到了統一，即以半軸齒輪的外圓和安裝面為基準，以行星齒輪的內孔和球面為基準，在錐齒輪專用綜合檢測儀上檢查以上對滾，檢測一對齒輪的安裝距變動范圍、側隙大小、齒面接觸區大小及位置等，類似于在差速器殼體內裝配、檢測、工作狀態的真實再現。這樣就基本實現了差速器錐齒輪加工過程中的定位基準、檢測基準與裝配基準或工作基準的高度統一，有利于提高齒輪的加工精度，避免基準轉換造成的精度損失，從而提高齒輪的使用壽命。

4. 結語

差速器齒輪的最終精度，不僅受精鍛件齒形精度的制約，還受熱處理變形因素和機加工工藝的影響。只要我們從點滴做起、從細節做起，潛心于齒輪的各專題研究，匯聚各方力量，共同提高齒輪不同制造環節的精度，我國的齒輪業就會得到長足的發展，“抗疲勞、長壽命、低噪聲”的行業目標定會早日實現。

[1] 齒輪手冊編委會. 齒輪手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.