新能源車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)軸系熱裝技術(shù)及其自動(dòng)化

張小龍，趙曌，霍宇琛

陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 陜西寶雞 722409

隨著新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，商用車(chē)的電動(dòng)化正以不可阻擋的趨勢(shì)大步前進(jìn)。作為商用車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的排頭兵，陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)法士特）積極布局電動(dòng)化商用車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用多種技術(shù)路線(xiàn)，為客戶(hù)提供電動(dòng)化商用車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的解決方案。

針對(duì)商用車(chē)，重點(diǎn)推出“中央式布置電動(dòng)機(jī)+變速器”的解決方案，為提高傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，變速器采用雙中間軸結(jié)構(gòu)，并且可提供多種擋位和轉(zhuǎn)矩選擇，為用戶(hù)不同的工況提供了高匹配度的方案。目前法士特的新能源車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)覆蓋公路牽引車(chē)、城市環(huán)衛(wèi)車(chē)、水泥攪拌車(chē)、灑水車(chē)及城市渣土車(chē)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

新能源傳動(dòng)系統(tǒng)介紹

新能源車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)示意如圖1所示，主要由動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)和變速器等組成。其中，動(dòng)力電池是系統(tǒng)能量的來(lái)源，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存能量并將其轉(zhuǎn)化為電能供給電動(dòng)機(jī)使用；電動(dòng)機(jī)控制器是傳動(dòng)系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)控制電池和電動(dòng)機(jī)之間的能量轉(zhuǎn)換和傳遞，使車(chē)輛保持穩(wěn)定行駛，同時(shí)還監(jiān)測(cè)電池的電量和狀態(tài)；電動(dòng)機(jī)則是動(dòng)力輸出裝置，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)；而變速器是用于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)車(chē)速的變化。

圖1 新能源傳動(dòng)系統(tǒng)示意

除此之外，新能源車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)還包括充電系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，使其具有高效、環(huán)保的特點(diǎn)，使車(chē)輛更加節(jié)能、環(huán)保，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求。

雙中間軸變速器技術(shù)路線(xiàn)介紹

為了加大變速器的承載能力，適應(yīng)各種復(fù)雜工況，法士特的重型變速器一直沿用雙中間軸的技術(shù)路線(xiàn)。主副變速器均采用兩根結(jié)構(gòu)完全一樣的中間軸，相間180°。如圖2所示，以一擋為例，動(dòng)力從輸入軸輸入后，經(jīng)一軸齒輪分流到兩根中間軸上的傳動(dòng)齒輪，然后經(jīng)過(guò)齒輪副匯聚到主軸輸出。

圖2 雙中間軸動(dòng)力傳動(dòng)示意（掛1擋時(shí)）

相比單中間軸結(jié)構(gòu)，雙中間軸結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯。如圖3所示，雙中間軸結(jié)構(gòu)將主軸轉(zhuǎn)矩平均分配到雙側(cè)，每根中間軸及上面的軸承、齒輪只承受總體1/2的轉(zhuǎn)矩；而中間軸傳遞給主軸的力大小相等，方向相反，所以主軸只承受轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩，這樣既改善了主軸和軸承的受力情況，也大大提高了變速器的可靠性和耐久性。同時(shí)也使變速器的中心距減小，齒輪的厚度減薄，軸向尺寸縮短，質(zhì)量減輕，有效控制了變速器的成本。

圖3 單中間軸與雙中間軸受力情況對(duì)比

中間軸的技術(shù)難點(diǎn)和解決方案

1.中間軸結(jié)構(gòu)確定及位置度尺寸研究

為了保證雙中間軸變速器的傳動(dòng)效率，避免因?yàn)橥划a(chǎn)品中的兩根中間軸的差異而導(dǎo)致傳動(dòng)精度下降，需要對(duì)中間軸上每個(gè)齒輪的一致性做出要求。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員反復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了既可滿(mǎn)足傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度，又能保證噪聲也是最小的尺側(cè)間隙尺寸要求。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程能力，對(duì)所有裝配的齒輪相對(duì)于軸齒的位置度又制定了定量要求（見(jiàn)圖4）。在實(shí)際生產(chǎn)中只要保證每根中間軸位置度的要求，產(chǎn)品的傳動(dòng)性能就可得到滿(mǎn)足。

確定了中間軸位置度的要求后，為了確保每個(gè)齒輪的位置度在整個(gè)產(chǎn)品使用生命周期內(nèi)不發(fā)生變化，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中嘗試了固持劑、焊接、圓柱銷(xiāo)等齒輪固定方案，并從位置度的變化率、單件成本以及工藝操作性三個(gè)方面做了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 中間軸齒輪不同固定方式對(duì)比

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，將裝配后位置度的變化作為第一考慮的因素。焊接工藝在傳統(tǒng)變速器中間軸裝配中應(yīng)用較多，但是由于焊接溫度較高會(huì)導(dǎo)致齒輪類(lèi)零件的齒形、齒向發(fā)生變化，所以在高精度的新能源變速器上暫不采用此種固定方式。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，固持劑和圓柱銷(xiāo)兩種固定方式最優(yōu)，再結(jié)合零件的應(yīng)用場(chǎng)景、制造成本以及工藝性、現(xiàn)場(chǎng)的操作性，最終采用“過(guò)盈+圓柱銷(xiāo)”的固定方式。

2.加熱方式研究與確定

在確定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)后，關(guān)注重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了產(chǎn)品的批量生產(chǎn)方案和質(zhì)量保證能力方面。在確定“過(guò)盈+圓柱銷(xiāo)”固定方式的前提下，通過(guò)“熱裝+對(duì)齒”的工藝方案來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪的位置度要求，即將齒輪零件加熱使其內(nèi)孔膨脹，在出現(xiàn)短暫的間隙配合的條件下進(jìn)行裝配并實(shí)現(xiàn)對(duì)齒作業(yè)。

在齒輪加熱的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，短暫加熱齒輪內(nèi)圈時(shí)內(nèi)圈孔徑反而會(huì)縮小，經(jīng)過(guò)分析得知，原因是在僅加熱齒輪內(nèi)圈時(shí)，由于外圈附近材料溫度低于內(nèi)圈，導(dǎo)致零件的膨脹方向只能朝向齒輪內(nèi)圈，從而導(dǎo)致內(nèi)圈孔徑相比原尺寸縮小了。由此得出了以下結(jié)論：必須將整個(gè)齒輪零件加熱且溫度均勻升高后，齒輪的內(nèi)孔才會(huì)向擴(kuò)大的方向發(fā)生規(guī)律性膨脹。同一齒輪采用不同加熱方式時(shí)內(nèi)圈孔徑變化的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 不同加熱方式加熱時(shí)間和尺寸變化對(duì)比（單位：s/mm）

通過(guò)對(duì)比，考慮到產(chǎn)品加熱效果和加熱效率，使用電磁加熱器+內(nèi)外圈加熱的方式是唯一能夠滿(mǎn)足量產(chǎn)條件的加熱方式。

3.對(duì)齒方案研究及工裝設(shè)計(jì)

對(duì)齒方案及工裝由工藝人員自主研發(fā)設(shè)計(jì)。在將中間軸垂直固定后，通過(guò)將定位工裝分別插入軸齒及齒輪齒間，調(diào)整齒輪相對(duì)于中間軸的位置度（見(jiàn)圖5）。

圖5 對(duì)齒工裝

4.銷(xiāo)孔加工方案研究

中間軸齒輪裝配完成后，需要在零件上加工銷(xiāo)孔，用于安裝定位銷(xiāo)，固定齒輪和中間軸的相對(duì)位置，以確保在變速器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。工藝人員嘗試了多種加工方式，例如熱前鉆孔+熱后鏜孔工藝、熱后鉆孔工藝等。

通過(guò)試驗(yàn)證明，齒輪和中間軸在有一定量的過(guò)盈配合的前提下，齒輪的位置度在以上兩種工藝加工前后均無(wú)變化。考慮到加工成本及生產(chǎn)性，最終采用“熱后鉆孔”的加工工藝。

5.定位銷(xiāo)裝配方案研究

由于中間軸上的銷(xiāo)孔是盲孔，且與定位銷(xiāo)是過(guò)盈配合，在裝入定位銷(xiāo)時(shí)，由于孔內(nèi)的空氣無(wú)法全部排出，導(dǎo)致孔內(nèi)氣壓發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到定位銷(xiāo)裝配深度。在多種解決方案中，采取加深孔深這種最經(jīng)濟(jì)的方案，即不排出孔內(nèi)殘留的空氣，而是根據(jù)定位銷(xiāo)的長(zhǎng)度及裝配深度計(jì)算出相應(yīng)的孔深，確保孔內(nèi)壓力的變化不會(huì)影響到定位銷(xiāo)的正常裝配。

定位銷(xiāo)裝配后還需注意的是中間軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定位銷(xiāo)位置偏移或脫出的現(xiàn)象。因此在齒輪銷(xiāo)孔處追加加工了沉孔，并通過(guò)沖鉚沉孔邊緣使其變形的方法對(duì)定位銷(xiāo)限位，防止定位銷(xiāo)從孔中脫出（見(jiàn)圖6）。

圖6 定位銷(xiāo)孔

中間軸熱裝自動(dòng)線(xiàn)的技術(shù)突破

通過(guò)以上方案法士特攻克了新能源車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的軸系裝配方案，并順利完成了量產(chǎn)工作，使傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度得到了明顯提升。同時(shí)，也有效抑制了傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行噪聲，為法士特在新能源產(chǎn)品市場(chǎng)上提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為綠色出行提供了高精度、低噪聲的傳動(dòng)方案。

但隨著產(chǎn)品需求量的持續(xù)加大，此類(lèi)軸系裝配過(guò)程中工序復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題日益突出，亟待解決。為解決此類(lèi)問(wèn)題，法士特又進(jìn)行了中間軸熱裝對(duì)齒鉆孔一體的自動(dòng)化生產(chǎn)方案的研究，在提高效率、保證產(chǎn)品精度的同時(shí)減少人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.自動(dòng)化方案設(shè)計(jì)

對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的工藝流程規(guī)劃如圖7所示。生產(chǎn)線(xiàn)集成了中間軸總成裝配、鉆孔、檢測(cè)等所有工序，保證質(zhì)量的同時(shí)也消除了工序間零件轉(zhuǎn)運(yùn)所帶來(lái)的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，使中間軸總成裝配后可直接轉(zhuǎn)至變速器總成裝配線(xiàn)使用。

圖7 中間軸總成裝配流程

2.自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)布局

在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，利用2臺(tái)機(jī)械臂和1條輸送線(xiàn)完成了所有的零件搬運(yùn)作業(yè)，完全實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程無(wú)人化。通過(guò)對(duì)各工序合理規(guī)劃與布局，使機(jī)械臂的利用率達(dá)到90%以上。圖8所示是生產(chǎn)線(xiàn)的布局簡(jiǎn)圖。

圖8 中間軸總成自動(dòng)裝配線(xiàn)

結(jié)語(yǔ)

隨著汽車(chē)行業(yè)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化與共享化的發(fā)展趨勢(shì)，車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、效率及噪聲等需求勢(shì)必會(huì)越來(lái)越高。在未來(lái)，法士特將持續(xù)致力于新能源產(chǎn)品集成化的解決方案，為客戶(hù)提供高效、可靠的綠色傳動(dòng)系統(tǒng)，用自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)線(xiàn)，為綠色發(fā)展輸出強(qiáng)勁動(dòng)力。