激光焊在差速器殼與被動盆齒輪連接上的應(yīng)用

藺小軒,李惠江,黎祥民,姚瑀

(柳州五菱汽車工業(yè)有限公司底盤事業(yè)部,廣西柳州 545027)

0 引言

目前主流汽車差速器總成結(jié)構(gòu)中的差速器殼和被動盆齒輪是通過螺栓連接的，如圖1所示。

這種結(jié)構(gòu)零件主要加工技術(shù)是機加工和裝配，技術(shù)門檻低，由于差速器殼和盆齒輪需要加工一定深度螺紋孔，致使加工工序復(fù)雜，零件在螺紋位置壁厚設(shè)計較厚，裝配后總成質(zhì)量普遍比較大。

從圖1可以看到，裝配后許多螺栓頭凸出盆齒輪背部平面，當(dāng)車輛高速運行時，凸起部位容易甩動主減速器內(nèi)加注的齒輪潤滑油，增加轉(zhuǎn)動阻力，造成發(fā)動機油耗上升、主減速器潤滑油溫較快上升，降低整個主減速器傳動系統(tǒng)的效率。

圖2所示的差速器總成結(jié)構(gòu)中差速器殼和被動盆齒輪是通過激光技術(shù)焊接的。

圖2 通過激光技術(shù)焊接的差速器殼和被動盆齒輪

對兩種結(jié)構(gòu)進行對比可以看到：采用激光焊接技術(shù)，差速器殼和盆齒輪都省去了螺紋孔，減少了零件加工工序；在保證零件強度基礎(chǔ)上，對差速器殼和盆齒輪進行了減薄減重設(shè)計；去除的螺栓進一步有利總成減重，也省去一些采購成本。

當(dāng)然，用激光焊代替機加工和裝配，技術(shù)門檻相應(yīng)提高，設(shè)備投入相對大一點。

1 幾個技術(shù)要點

1.1 定位夾緊方式選擇

差速器殼和盆齒輪激光焊接有兩種定位夾緊方式：

(1)以先裝的差速器殼作為定位支撐，后裝的盆齒輪由外裝入差速器殼中，如圖3所示。

圖3 以差速器殼作定位支撐的定位夾緊方式一

(2)以先裝的盆齒輪作為定位支撐，差速器殼由外裝入盆齒輪中，如圖4所示。

圖4 以盆齒輪作定位支撐的定位夾緊方式二

以差速器殼作為定位支撐時，因為差殼盆齒安裝面距差殼軸徑基準(zhǔn)A尺寸較小，定位穩(wěn)固性好些，盆齒輪裝入差速器殼時行程也較短，安裝尺寸更容易控制。

經(jīng)過驗證，以盆齒輪作為定位支撐時，作為支撐位的盆齒輪內(nèi)孔及內(nèi)圓弧面需要在熱處理后進行機械加工，加工尺寸精度不容易保證，同時將差速器殼裝入盆齒的行程較長，夾具設(shè)計較前一種方式也較復(fù)雜。

所以，以先裝的差速器殼作為定位支撐更加科學(xué)合理些，盆齒輪后裝。

1.2 裝配位置的配合關(guān)系

在螺栓連接狀態(tài)下，有裝配關(guān)系的差速器殼外圓與被動盆齒輪內(nèi)孔間一般是間隙配合設(shè)計，孔和軸各自按基孔制和基軸制選取公差，例如裝配位置尺寸是φ100 mm的話， 盆齒輪內(nèi)孔可以設(shè)計為φ100 H7(0，+0.035)mm， 相配合的差速器殼外圓可以設(shè)計為φ100 h7(-0.035，+0)mm，這樣兩者間的配合間隙為0～0.07 mm。

在激光焊接狀態(tài)下，存在一定焊接熱量，而差速器殼上裝配的半軸齒輪及被動齒輪都是成品加工件，這兩個位置的齒型嚙合面跳動量有一定控制要求；如果此處設(shè)計為間隙配合，由于各零件裝配位置沒有約束，容易在熱量作用下造成齒面嚙合區(qū)域產(chǎn)生錯動，所以需要設(shè)計一定的過盈量來約束兩零件的相對位置，確保各嚙合齒面相對固定。

過盈量也不能設(shè)計過大，過大則容易造成裝配零件焊接區(qū)域不容易快速有效地散熱，容易造成各嚙合齒面產(chǎn)生熱量積聚變形。根據(jù)經(jīng)驗，齒型嚙合區(qū)域裝配關(guān)系可以根據(jù)基孔制設(shè)計為小過盈配合。

例如裝配位置尺寸是φ100 mm的話， 盆齒輪內(nèi)孔可以設(shè)計為φ100 H7(0，+0.035)mm， 相配合的差速器殼外圓可以根據(jù)過盈量需求設(shè)計為φ100 r6(+0.054，+0.076)mm，這樣兩者間的過盈配合尺寸為-0.019～-0.076 mm。

1.3 焊縫深度設(shè)計

當(dāng)螺栓連接結(jié)構(gòu)改為激光焊接結(jié)構(gòu)時，可以針對不同的焊縫深度設(shè)計值，結(jié)合總成所受的扭力大小，依據(jù)材料屈服值選取差速器殼和盆齒輪中較弱的零件做分析對象，通過CAE分析軟件作不同深度焊縫位置的有限元受力分析，從中選取滿足零件材料機械性能的焊縫最小深度設(shè)計值。

盆齒輪材料一般是滲碳鋼例如20CrMnTi等，差速器殼材料一般是球墨鑄鐵例如QT500-7等，對兩者機械性能值進行對比后，選取差速器殼作為焊縫位置不同深度有限元受力分析對象。

圖5分別是螺栓連接和激光焊接差速器總成的主、被動齒輪嚙合受力點位置，以及兩種狀態(tài)下的螺栓連接外圓和激光焊接外圓位置。激光焊接主要對螺栓連接外圓處材料進行了厚度減薄、外圓縮小設(shè)計，其余部位的尺寸兩者是一樣的。

圖5 兩種連接方式嚙合點

為了進行詳細對比分析，將原螺栓連接外圓尺寸按每隔8 mm進行逐次遞減，得到4種焊縫深度值，分別建模進行有限元受力分析：圖6(a)是將焊縫按表面-中間-根部進行進一步位置細化，以便對深度方向不同點的應(yīng)力大小進行詳細分析；圖6(b)是利用CAE有限元分析軟件，對一定焊縫深度差速器殼網(wǎng)格劃分完成后，在嚙合點加載扭力后具體呈現(xiàn)的差速器殼各處應(yīng)力分布；最后將4種焊縫深度的應(yīng)力分析數(shù)據(jù)匯總到表1中。

圖6 焊縫在不同深度位置進行有限元應(yīng)力分析

表1 不同深度焊縫受力匯總

差速器殼材料牌號QT500-7(GB/T 1348—2009)，其屈服強度不小于320 MPa。從表1看，4種焊縫深度設(shè)計值的焊縫位置受力都沒有超出材料的最小屈服要求，所以4種焊縫深度都可以選擇。

從圖6分析，結(jié)構(gòu)中銷子位置受力較大，在尖角處易形成應(yīng)力集中，是否有較大影響可通過實物臺架驗證。

從既能滿足焊縫受力強度不超出材料屈服強度、又能最大程度減小結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的角度，焊縫深度可以選較淺的設(shè)計值。對差速器殼和盆齒輪數(shù)模進行最深、最淺焊縫結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比，并結(jié)合省去的螺栓質(zhì)量，單個小總成可以減重約0.8 kg。

后續(xù)經(jīng)總成臺架驗證，銷子尖角的應(yīng)力集中對總成沒有破壞性影響，焊縫深可以設(shè)計為7 mm。

1.4 設(shè)置激光功率

設(shè)置激光功率主要需考慮差速器殼和盆齒輪是機械加工成品件，裝配及焊接后需滿足圖7中各個位置的跳動要求，過高的焊后溫度會引起圖7各處產(chǎn)生熱變形，所以重點需控制焊后溫度不能過高。

圖7 焊后需滿足跳動要求的位置示意

經(jīng)多輪試驗， 4 kW激光功率可以滿足7 mm熔深要求。通過調(diào)整其他參數(shù)，焊后溫度可以控制不大于70 ℃，總成焊接前后各處跳動值經(jīng)檢測均在設(shè)計范圍內(nèi)。

2 試驗驗證

將激光焊接的差速器總成裝入橋總成后，依據(jù)QC/T 533—1999 《汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法》進行驅(qū)動橋總成靜扭試驗及驅(qū)動橋總成齒輪疲勞試驗，符合試驗標(biāo)準(zhǔn)要求(見圖8)。

圖8 驅(qū)動橋總成靜扭試驗及驅(qū)動橋總成齒輪疲勞試驗現(xiàn)場

將激光焊接的差速器總成送到專業(yè)研究機構(gòu)，與螺栓連接差速器總成進行油耗對比試驗， 80 ℃、200 N·m高扭矩條件下激光焊接總成傳動效率可達98%，激光焊接較螺栓連接有1.3%左右的節(jié)油效果(見圖9)。

圖9 激光焊接差速器和螺栓連接差速器油耗對比

3 總結(jié)

應(yīng)用激光技術(shù)直接焊接機械加工狀態(tài)的差速器殼和盆齒輪，在新差速器總成減重基礎(chǔ)上，新總成各裝配位置精度很好得到了保證，新總成疲勞靜扭等試驗性能也達到了設(shè)計要求，新總成裝配主減速器后傳動效率較舊螺栓連接工藝差速器總成提升明顯，是一種很值得推廣的新技術(shù)應(yīng)用。