等速萬向節筒形殼中頻感應淬火感應器試驗研究

陶勝藝，王世鑫，楊繼賢，楊曉東，武瑞

洛陽升華感應加熱股份有限公司 河南洛陽 471000

1 VL型等速萬向節

VL型等速萬向節的工作特點是所有傳力點都在兩軸夾角的等分平面上，因此兩軸的角速度永遠相等。等速萬向節在轉向驅動橋、分離驅動橋等輪系裝置中廣泛應用。VL型等速萬向節由6個軸承鋼球共同承載，其承載能力、抗沖擊能力強，傳動效果好，結構緊湊，布置簡單，工作角較大，適用于輕型汽車。VL型等速萬向節如圖1所示。

圖1 VL型等速萬向節

2 熱處理技術要求

（1）材質 VL型等速萬向節筒形殼的材料為CF53（DIN），其化學成分見表1。

表1 CF53的化學成分（質量分數） （%）

（2）VL型筒形殼的熱處理 在高度為F（見圖2）的球槽中進行感應淬火，技術要求如下。

1）表面硬度要求達到58～62HRC。

2）心部硬度最大為30HRC。

3）在尺寸E（見圖2）方向上的38.5°處，殼體硬度達到50HRC，淬硬層深度最小1mm。

圖2 筒形殼

4）最大淬硬層深度不超過垂直于球槽壁厚的50%。

3 感應淬火工藝

針對此類筒形殼的感應器設計，業內常用的是兩匝有效圈加裝導磁體的結構設計，也有四匝有效圈不加導磁體的設計。下面分別對以上兩種感應器進行試驗并觀察淬火效果。

1）對于兩匝有效圈內孔鑲嵌硅鋼片導磁體的感應器，其有效圈與工件的對準關系如圖3所示。

圖3 兩匝有效圈與筒型殼對準

工藝試驗電源參數：逆變功率為180k W，逆變頻率為8kHz，工件轉速為150r/min，加熱時間為3s。兩匝有效圈加熱狀態及最終切樣淬硬層檢測如圖4所示。

圖4 兩匝有效圈加熱狀態及切樣淬硬層

2）對于四匝有效圈內孔未鑲嵌導磁體的感應器，其有效圈與工件的對準關系如圖5所示。

圖5 四匝有效圈與筒型殼對準

工藝試驗電源參數：逆變功率為150kW，逆變頻率9kHz，工件轉速為150r/min，加熱時間為3s。四匝有效圈加熱狀態及最終切樣淬硬層檢測如圖6所示。

圖6 四匝有效圈加熱狀態及切樣淬硬層

4 對比分析

通過以上兩次試驗可看出，兩匝和四匝的有效圈不僅都能滿足該類工件的技術要求，而且功率和頻率差別并不大，但是兩匝有效圈需要在內孔鑲嵌硅鋼片導磁體，才能達到四匝有效圈不裝導磁體的效果。為此，針對兩種感應器的差別，分析二者的異同點。

相同點：兩種感應器都是有效圈為圓環狀的縱磁感應器。

不同點：匝數不同，有效圈線徑的截面大小不同。

感應器和工件在加熱過程中都會受到趨膚效應、鄰近效應、圓環效應及尖角效應的影響。高頻電流流過環狀導體時，最大電流密度分布在圓環導體內側，這種現象稱為環狀效應[1，2]。環狀效應的實質也是環形感應器的鄰近效應，下面主要分析鄰近效應對這兩種感應器的影響。

鄰近效應：導體內交變電流的分布受到鄰近導體內交變電流的影響，這種現象叫作鄰近效應。鄰近效應在實際應用中，基本上有以下兩種情況。

1）當兩個平行導體通入方向相反、大小相等的電流時，電流集中到導體互相靠近的面，如圖7a所示。

2）當兩個平行導體通入方向相同、大小相等的電流時，電流集中到導體相距最遠的外側，如圖7b所示。

圖7 鄰近效應時導體內電流的分布

兩種感應器在沒有放入工件之前都符合圖7a的情況，電流走內側。在放入工件之后，根據電磁感應定律，在環形工件的閉環回路中就會產生感應電流。感應電流與感應器內部電流頻率一樣，方向相反。

注意，此時的有效圈將會受到兩處鄰近效應的影響，一種是自身的圓環效應，另一種是圓環工件內渦流與有效圈的鄰近效應。工件內渦流與有效圈的鄰近效應也符合圖7a的情況，此時電流將集中到導體互相靠近的面。當工件渦流的鄰近效應遠大于感應器自身的圓環效應時，有效圈電流將走外側，類似在內孔鑲嵌導磁體的效果，如圖8所示。

圖8 四匝有效圈工作時電流分布

鄰近效應的實質是原線圈、副線圈（在本文中有效圈為原線圈，工件為副線圈）之間互感作用的結果。互感作用越強，則導體內受到鄰近導體電流的影響越大，表現為鄰近效應越明顯。根據以上分析，當有效圈與工件之間的互感作用足夠強時，則表現為鄰近效應也足夠強。

互感現象的強弱用互感系數M表示，互感系數越大，則互感現象越強。接下來從理論上計算兩種感應器在應用中互感作用的差別。

在本文的實例中，互感系數的計算符合下式，即

式中M——互感系數（H）；

N1——感應線圈匝數（匝）；

N2——副線圈匝數（匝），此處為工件1匝；

S——工件圓環面的橫截面積（cm2）；

L——線圈的總高度（cm）；

μ——磁路范圍內零部件的磁導率（H/m）。

由式（1）可看出，互感系數取決于兩個線圈的匝數、幾何尺寸、相對位置和磁介質，兩種感應器有效圈的材料都是銅，為不導磁材料。由于工件相同，加工時所處環境一致，所以影響互感作用大小的因素只有線圈的匝數。

四匝感應器的互感系數是兩匝感應器的2倍，雖然倍數不大，但在中頻感應加熱的有效圈中，互感作用本身就很強，因此2倍的差別就有很大的影響。互感作用越強，導體間臨近位置的鄰近效應越明顯，因此就造成了四匝感應器不裝導磁體也能達到兩匝感應器裝了導磁體相同的淬火效果。

5 結束語

本文對比了針對VL型筒形殼淬火常用的兩種感應器，找出了兩種感應器的異同點，并分析了結構上差別較大的兩種感應器卻能達到相同淬火要求的原因。雖然都能符合淬火技術要求，但因為結構上存在較大區別，所以在實際生產中，應根據實際情況選擇制作哪種類型的感應器。根據本文分析的這一現象，可以為感應器設計提供借鑒與參考。

兩匝有效圈的感應器需要內孔鑲嵌硅鋼片導磁體，利用導磁體的驅流作用達到最終的結果。但需要另外加工硅鋼片導磁體，同時硅鋼片的壽命受環境影響較大，絕緣及防銹做的不好時就容易失效，感應器的效率也會降低。

四匝有效圈的感應器只需要用銅管繞制而成，但是有效圈的繞制卻需要一定的技術和經驗，繞制成之后則需要外力固定牢固。四匝有效圈的繞制控制不好，尺寸就容易出現較大誤差。繞制后如果沒有固定牢固，則在平時放置或使用過程中極容易產生變形，最終都會導致對工件的淬火不合格。

針對所有的感應器設計，則應盡量利用感應線圈與工件之間鄰近效應。加熱內孔工件時，用多匝感應線圈，可提高互感作用，這時少用或不用導磁體也能提高加熱效率。加熱外圓或一般的縱磁感應器時，可考慮不加導磁體，因為此時感應線圈的圓環效應和線圈與工件之間的鄰近效應作用是一致的，都表現為驅使電流走內圈，已經可以達到裝導磁體的效果了。若用多匝線圈，則效果更為明顯，再裝導磁體反而沒有必要，且還要考慮材料成本和制作成本。當然在一些情況下，采用多匝線圈并不能完全代替導磁體的作用。例如，裝上導磁體的感應器更容易準確控制淬火區域；當設備功率不足時，還是需要加一些導磁體來提高加熱效率，從而滿足加熱要求。實際設計中還需要根據生產情況，考慮各種因素進行綜合判斷。