分動器輸出軸齒輪熱裝配技術的實踐

田晉躍

(江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮江 212013)

齒輪熱裝配方法可以減小齒輪和與之連接軸的加工要素，降低生產成本，提高齒輪的裝配精度。如果處理得當，熱裝配的齒輪傳遞的扭矩、傳動比、轉速也可以達到花鍵連接的水準。

本文結合大速比分動器設計，在輸出軸齒輪采用熱裝配技術，根據零部件材料的性質，確定過盈量和裝配間隙，分析熱裝配接觸壓力、齒輪與軸之間的摩擦力等特性，最后采用KISSSOFT軟件進行產品校核和安全性計算。

1 結構參數

熱裝配過程是將預熱后的齒輪裝配在外徑大于該齒輪內孔直徑的軸上，齒輪和軸的配合采用過盈配合，裝配前將齒輪加熱，齒輪受熱膨脹，內徑增大、輪轂伸長，裝配時輪轂的一個端面貼住軸的基準端面，在環境溫度下，齒輪溫度下降，產生徑向和軸向的收縮，內孔縮緊套在軸頸上，完成齒輪的熱裝配。

圖1為輸出軸熱裝配齒輪結構示意圖(圖中用I標出)。該分動器輸出轉矩為12 000 N·m，輸出軸最高轉速為2 000 r/min，速比分別為1.00和6.03，實現車輛的前后橋驅動。齒輪和軸的材料均采用20CrMnTi，表面滲碳深度0.7 mm～1.0 mm，表面硬度HRC58-64。

圖1 輸出軸熱裝配齒輪結構示意圖

圖2為熱裝配的公差控制示意圖。圖中D為公稱直徑，B為裝配長度，δ為熱裝配的控制公差。

圖2 熱裝配的公差控制示意圖

2 齒輪與軸過盈量計算

齒輪與軸過大的盈量會產生一定的裝配應力，生成結合面的靜摩擦，保證傳遞轉矩的要求。圖3為所建立的齒輪與軸過盈配合的理論計算模型。由于熱裝過程中，齒輪受熱套裝在軸上，冷卻后，只有沿圓周均布的接觸壓力qa。

圖3 軸與齒輪過盈配合理論計算模型

根據工程力學理論，平面微元力的平衡有：

(1)

式中：σr—徑向應力；σθ—環向應力；r—徑向半徑。

微元應變的幾何及物理關系有：

(2)

式中：εr—徑向應變；εθ—環向應變；E—彈性模量；μ—泊松比；u—所取微元徑向的位移。

可得周向應力和環向應力：

(3)

對式(3)求導，并代入式(1)有：

(4)

對式(4)積分，并代入邊界條件，對于軸有：

(5)

負號代表尺寸減小。

對于齒輪有：

(6)

齒輪裝配在裝配結合面處的公差為：

(7)

3 齒輪熱收縮的過程

齒輪裝配前，進行預熱，溫度至t℃，齒輪內孔直徑D受熱膨脹了ΔD。論文沒有考慮齒輪寬度B增大ΔB的影響。

ΔD=αD(t-t0)

(8)

式中：ΔD—齒輪內孔直徑受熱膨脹增量；α—材料熱膨脹系數；D—齒輪內孔直徑；t0—裝配環境溫度。

將加熱后的齒輪取出，壓裝至軸上。齒輪溫度從t下降，齒輪冷卻收縮，收縮開始階段，齒輪內徑收縮量小于裝配間隙e時，收縮不受其他影響，稱為自由收縮；齒輪內孔直徑收縮至軸直徑時，齒輪與軸開始接觸，此時收縮受到軸的影響，稱為約束收縮。即ΔD=δ+e，其中e為裝配間隙。

齒輪進入約束收縮階段時，齒輪與軸開始接觸，齒輪繼續收縮，壓迫軸反作用力壓迫齒輪內孔表面，齒輪內孔表面壓力為qa。

4 分動器齒輪與軸熱裝的公差確定

齒輪和軸的材料均采用20CrMnTi，彈性模量E=E1=E2=207 GPa，泊松比μ=μ1=μ2=0.25，材料屈服應力[σ]=425 MPa。設定齒輪的裝配溫度為180 ℃ ～200 ℃之間。

考慮齒輪傳動工作時，需要傳遞轉矩，在裝配結合面具有剪切應力τrθ存在，即τrθ=βqa，其中靜摩擦系數β=0.15。同樣在在裝配結合面處，σr=-qa，σθ=((r22+r12)/(r22-r12)qa。根據強度理論：

(9)

計算得σθ、σr值代入式(9)，并根據第3強度理論，有：

σ3rd=σ1-σ3=2.582qa

根據σ3rd<[σ]/n，安全系數n=1.5。得：σ3rd<283.33 MPa。即可以得到：qa<109.72 MPa。由qa值，代入公式(7)，得：δ>0.042 1 mm。通過確定的σ值，選定配合尺寸參數見表1。

表1 分動器輸出軸齒輪與軸的尺寸參數

5 分動器齒輪與軸熱裝的性能參數及安全系數

根據所選的輸出軸齒輪與軸的尺寸參數及材料，采用KISSSOFT的軟件進行裝配安全性校核，得到裝配安全系數見表2，同時獲得相關計算的結果如表3。

表2 裝配相關安全系數計算值

表3 KISSSOFT計算結果

考慮齒輪熱裝配后的齒形誤差會發生變化，分析檢測了齒形的三個參數值，見表4。檢測結果表明，熱裝后齒輪的齒距積累公差、齒廓積累公差和齒向積累公差是有變化的，但變化值在設計要求范圍內。

表4 齒形誤差的檢測結果

該分動器經過3年多的試驗和裝車使用，輸出齒輪與軸的熱裝配安全可靠。圖4為分動箱的安裝使用圖。

圖4 齒輪熱裝輸出軸的分動箱的應用

6 結論

齒輪與軸熱裝是一個復雜的工藝過程，可以減小齒輪和與之連接軸的加工要素，提高齒輪的裝配精度。本文根據分動箱輸出軸和齒輪的材料性質，提出過盈量和裝配間隙的計算方法，可以滿足齒輪與軸之間的力學特性和接觸應力要求，各項安全系數也滿足工程應用需要。