主動(dòng)齒總成花鍵壓配力計(jì)算及應(yīng)用

曹進(jìn)琪，史鵬飛

(上海汽車(chē)變速器有限公司 上海 201800)

0 引言

漸開(kāi)線(xiàn)花鍵聯(lián)結(jié)因其傳遞扭矩大、定心精度高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)行業(yè)特別是變速箱齒輪上得到廣泛應(yīng)用。內(nèi)、外花鍵的定心方式主要有花鍵齒側(cè)定心與花鍵大徑定心兩種[1-3]。目前生產(chǎn)的一款變速箱，其主動(dòng)齒總成上的結(jié)合齒與齒輪是靠花鍵連接，采用齒側(cè)定心。花鍵為齒側(cè)過(guò)渡配合，結(jié)合齒內(nèi)花鍵實(shí)際齒槽寬為1.594～1.639mm，齒輪外花鍵齒厚為1.628～1.66mm，結(jié)合齒壓到齒輪上后還需在圖1所示Φ59處把花鍵鉚壓一圈，以防結(jié)合齒與齒輪在使用過(guò)程中脫離。

圖1 齒輪與結(jié)合齒裝配簡(jiǎn)圖

1 花鍵壓入力理論計(jì)算

參考相關(guān)文獻(xiàn)，理論計(jì)算結(jié)合齒壓裝入齒輪的具體壓入力數(shù)值。根據(jù)漸開(kāi)線(xiàn)花鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在配合時(shí)花鍵的齒面及齒頂圓受力[4]。將內(nèi)、外花鍵齒厚簡(jiǎn)化成分度圓弧齒厚，沿分度圓切向內(nèi)、外花鍵齒配合總過(guò)盈量的組成分為4個(gè)部分： 1)外花鍵齒壓縮變形量δ1；2)內(nèi)花鍵齒壓縮變形量δ2；3)外花鍵壓縮與內(nèi)花鍵膨脹引起的齒厚變化量δ3；4)內(nèi)花鍵膨脹與外花鍵壓縮換算到齒厚方向的過(guò)盈量δ4[5]。

σ=δ1+δ2+δ3+δ4

(1)

δ1=δ2=Nπm/(2EsL)

(2)

δ3≈δ4=[π(df+2τ1+2τ2)-πdf]/(2Z)= π(τ1+τ2)/Z

(3)

τ1=Ndftanαn(1-μ)/ πmEL

(4)

τ2=Ndftanαn[(d2+df2)/(d2-df2)+μ)/ πmEL

(5)

上述方程式中各符號(hào)意義：N為壓入力；m為齒輪模數(shù)；E為彈性模量；s為弧長(zhǎng)；L為花鍵接觸長(zhǎng)度；αn為法向壓力角；d為施加壓裝力的直徑；df為分度圓直徑；μ為泊松比；σ為總過(guò)盈量。

本次計(jì)算所用花鍵參數(shù)，m=0.75，df=58.5，L=7.85，s=0.556 6，αn=30°，E=2.1×105，d=65，μ=0.3；σ=0.033。將這些參數(shù)代入上述公式，計(jì)算得出壓入力N=14.65kN。

2 花鍵壓入力CAE計(jì)算

本次CAE計(jì)算使用ANSYS軟件，計(jì)算思路是：首先用CAE計(jì)算出由于過(guò)盈量引起花鍵單個(gè)齒面的法向力，再由該法向力×摩擦系數(shù)×齒數(shù)×2，將UG建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS，并自動(dòng)劃分網(wǎng)格。由于是求花鍵壓入力，故建模時(shí)省略了齒輪及結(jié)合齒的外花鍵。網(wǎng)格劃分時(shí)花鍵處設(shè)置網(wǎng)格大小為0.7 mm，其余按4 mm默認(rèn)設(shè)置，相關(guān)劃分網(wǎng)格后的模型見(jiàn)圖2。用于建模及計(jì)算的漸開(kāi)線(xiàn)花鍵主要參數(shù)見(jiàn)表1。從表格中可以計(jì)算得出，該對(duì)花鍵齒厚為過(guò)渡配合，且單邊齒面最大過(guò)盈量為0.033 mm。

圖2 網(wǎng)格劃分后的零件及總成模型

表1 齒輪外花鍵及結(jié)合齒內(nèi)花鍵主要參數(shù)表

CAE計(jì)算時(shí)，主要參數(shù)設(shè)置如下：零件材料為20 MnCr5，材料密度為7 850 kg/m3，熱漲系數(shù)為1.2×10-5/℃，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，摩擦系數(shù)為0.08[6-7]。采用網(wǎng)格隨移技術(shù)[8]，分別計(jì)算單邊齒面過(guò)盈量為0.01 mm，0.02 mm和0.033 mm，計(jì)算得出的單個(gè)花鍵齒面法向力以及零件壓入力見(jiàn)表2。

表2 不同過(guò)盈量下齒面法向力及零件壓入力的CAE計(jì)算值

3 實(shí)際壓入力與脫出力測(cè)試

對(duì)結(jié)合齒與齒輪軸向壓入力與壓脫力進(jìn)行了測(cè)試。

試驗(yàn)內(nèi)容為，隨機(jī)選擇18個(gè)一檔主動(dòng)齒及18個(gè)結(jié)合齒，分別測(cè)量齒輪外花鍵M值及結(jié)合齒內(nèi)花鍵M值，這些齒輪外花鍵M值平均值61.677，最大61.697，最小61.659(工藝要求61.681±0.02)，結(jié)合齒內(nèi)花鍵M值平均值56.801，最大56.832，最小56.765(產(chǎn)品要求56.8±0.04)。根據(jù)M值的大小可以得出花鍵配合的過(guò)盈量大小，分別將這些齒輪與結(jié)合齒配對(duì)成過(guò)盈量大、中、小三組。對(duì)這三組分別進(jìn)行壓配、鉚壓，再對(duì)這三組零件進(jìn)行壓入和壓脫力的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。從該表可以看出：

1) 壓入力和花鍵過(guò)盈量成明顯的正比關(guān)系，花鍵過(guò)盈得越多，壓入力也就越大；

2) 壓脫力與壓入力及其后續(xù)加工(鉚壓)有一定關(guān)系，鉚壓后零件的壓脫力要比沒(méi)有加工的零件壓脫力有一定程度的提升；

3) 按目前的測(cè)量結(jié)果，所有壓入力最小1.6kN，最大11.4kN，未進(jìn)行后續(xù)加工的壓脫力，最小5.5kN，最大14.87kN。

表3 結(jié)合齒與花鍵壓入力與壓脫力測(cè)試表

通過(guò)比較理論計(jì)算、CAE計(jì)算以及實(shí)際試驗(yàn)得出的各組壓入力數(shù)值，發(fā)現(xiàn)實(shí)際壓入力比理論計(jì)算和CAE計(jì)算的略小，這可能和加工或測(cè)量精度有關(guān)。實(shí)際計(jì)算時(shí)每個(gè)花鍵的結(jié)合面都有理論上設(shè)定的那么多過(guò)盈量，但實(shí)際零件由于加工誤差，累積和跳動(dòng)的影響，導(dǎo)致花鍵的齒厚并不是每一牙都一樣，這就導(dǎo)致實(shí)際值與理論值稍有偏差，但是偏差結(jié)果基本可以接受。故理論計(jì)算和CAE計(jì)算對(duì)實(shí)際花鍵壓入力仍有一定的指導(dǎo)意義。

4 花鍵壓配鉚壓工藝優(yōu)化

為防止使用過(guò)程中結(jié)合齒在齒輪上軸向產(chǎn)生脫離，原來(lái)工藝流程是結(jié)合齒壓配到齒輪上之后還要再對(duì)外花鍵進(jìn)行一圈鉚壓。實(shí)際使用時(shí)發(fā)現(xiàn)該工藝不是很理想，主要是花鍵鉚壓?jiǎn)栴}，鉚壓要求齒輪外花鍵在熱處理時(shí)需要防滲，若花鍵被滲碳后其硬度增加，鉚壓工裝極易受損。防滲的方法主要有兩種：涂防滲劑和用防滲工裝蓋住花鍵。這兩種防滲方式都有明顯缺點(diǎn)，不能適用于批量生產(chǎn)。涂防滲劑，目前主要是靠人工涂刷，防滲劑很容易滴落到齒面或內(nèi)孔中，導(dǎo)致應(yīng)該淬硬的齒面或內(nèi)孔沒(méi)有硬度，實(shí)際使用時(shí)會(huì)引起很大風(fēng)險(xiǎn)。用防滲工裝蓋住花鍵，由于花鍵與工裝處仍留有縫隙，以及防滲工裝多次使用后產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致防滲效果不明顯，熱處理后花鍵硬度仍較高，鉚壓工裝使用壽命極低。

圖3 換擋時(shí)結(jié)合齒軸向受力圖

客戶(hù)提供了實(shí)際使用過(guò)程中結(jié)合齒軸向力，如圖3所示，可以看出結(jié)合齒在同步、換擋時(shí)所受的軸向力最大僅為120 N。而前述理論及CAE計(jì)算，以及壓入力和脫出力試驗(yàn)，可以確認(rèn)相關(guān)零件壓入后花鍵的脫出力>120 N。

綜合上述分析，只要結(jié)合齒與花鍵過(guò)盈量滿(mǎn)足一定要求(如花鍵單邊過(guò)盈量>0.01mm)，可以不用在壓配后再進(jìn)行鉚壓加工，就可以確保換擋軸向力，后續(xù)的鉚壓加工完全可以去除。為更加保險(xiǎn)，鉚壓工藝取消，但增大花鍵插齒工藝M值，比原來(lái)工藝M值的再增加0.01mm，做到68.691±0.02，這樣可以進(jìn)一步增大齒輪外花鍵與結(jié)合齒內(nèi)花鍵的過(guò)盈量，確保壓入力都>2kN。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算，CAE分析分別計(jì)算了主動(dòng)齒上結(jié)合齒的壓配力，同時(shí)也通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了相關(guān)零件的壓配力，相關(guān)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論計(jì)算與CAE分析的準(zhǔn)確性。同時(shí)相關(guān)計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給現(xiàn)存機(jī)加工工藝的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本起到了很好的作用。

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