強力噴丸時直齒輪齒面應力分析

■一汽轎車發傳中心 （吉林長春 130013） 孫銀軍

噴丸強化處理是齒輪生產制造過程中重要的關鍵環節，當鋼丸重復沖擊齒面時，金屬表面會發生一定程度的塑性變形，從而形成一定的壓應力。當對磨齒或者珩齒精加工的齒輪進行強力噴丸時，如果鋼丸沖擊引起的表層金屬塑性變形發生在齒形和齒向的過渡部分，就可能引起齒面局部的凸起，從而可能引起D C T自動變速箱N V H問題。我廠部分D C T齒輪沒有齒頂修緣，熱處理后的齒面精加工后，進行強力噴丸，要求殘余壓應力800～1 200M P a。成品檢測發現齒頂倒棱邊界處材料向齒面凸起1～2μm。

本次計算選用的齒輪材料為20MnCrS5，模數m＝2.4，齒數z＝79，齒寬B＝10m m，壓力角α ＝2 0°，齒頂倒棱C ＝0.2m m×45°。鋼丸為鋼絲切制，鋼丸直徑d＝0.6mm。

1. 齒輪強力噴丸時受力情況

為保證噴丸覆蓋率均勻性，工件沿機床主軸以速度va公轉，同時沿零件中心以速度vb自轉。根據工件運動狀態，設定法向力Fn和徑向力Fr同時作用在齒面，由于工件是對稱的，計算選用一個齒進行建模和仿真。在齒頂倒棱處，徑向力Fr隨倒棱角度A分解為法向分量FrsinA和FrcosA。定性仿真齒面受鋼丸沖擊力后齒面各處應力分布，設定齒面各處均勻受力Fn＝100N、Fr＝100N，其受力如圖1所示。

2. 齒面應力分析

設定齒頂圓直徑D1，齒頂倒棱直徑D2，齒頂修緣直徑D3，漸開線起始圓直徑D4，齒根圓弧起始圓直徑D5，齒頂倒棱C＝0.2mm×45°。帶齒頂修緣單齒的三維模型和應力云圖如圖2所示。

在單齒面模型直徑D1、D2、D3、D4和D5處建立傳感器，分別按齒頂倒棱角度A（30°、45°、60°）和齒頂修緣fko（20μm、0μm）修正模型，加載力Fn和Fr，則各直徑處的各傳感器數據匯總如圖3所示。

圖1 齒輪受力示意

圖2 帶齒頂修緣單齒模型

圖3 a～c顯示齒頂倒棱部分D2處的應力最高，漸開線起始圓部分D4處的應力最低，其余部分D1、D3、D5處應力相近居中分布；在倒棱角度為60°時，齒面各處應力分布較均勻，沒有明顯的應力集中；圖3d～f顯示隨著倒棱角度的增加，D2處的應力減小，當倒棱角度從30°增加到60°時，D2處應力平均值減小約40%，D4處應力平均值減小約5%，其他各處相對穩定，變化不大；當倒棱角度A增加時，其鋼丸沖擊力的法向分量FsinA增加，切向分量FcosA減小，故而其倒棱邊界應力減小。

齒頂修緣量對應力的影響如圖4所示，從圖4a～c可看出，齒頂修緣量20μ m和齒頂不修緣相比，其齒頂倒棱D2處的應力平均值總是偏小5%；圖4d顯示隨著倒棱角度的增加，其倒棱D2處的應力總是減小，與齒頂修緣大小無關。

3. 結語

分析數據發現，整個齒面曲面過渡的連續性和倒棱角度大小、齒頂修緣大小等都會影響齒面應力分布，總體上齒面各處應力分布呈現如下規律：①齒面曲面過渡突變的齒頂倒棱起始D2處應力較大，漸開線起始D4處應力最小。②隨著齒頂倒棱角度的增加，齒頂倒棱起始D2處應力減小，其余各處變化不明顯。③齒頂修緣后，齒頂倒棱起始D2處應力減小約5%。因此，齒頂倒棱角度取上差、齒頂修緣量取上差可減小齒頂倒棱邊界處的應力集中。

圖3 齒面各直徑曲面的應力分布

圖4 齒頂修緣量對應力的影響