某重卡變速器中間軸熱裝精密對齒機構的設計

張亞光，董 超

某重卡變速器中間軸熱裝精密對齒機構的設計

張亞光，董 超

（1.陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司，陜西 西安 710077；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西 西安 710075）

中間軸總成是變速器核心零部件之一，其精度要求高，裝配難度大，行業(yè)內(nèi)普遍應用熱裝對齒工藝進行裝配。但如何在保證裝配精度的同時，兼容多種機型，并實現(xiàn)快速換產(chǎn)，長期以來屬于行業(yè)難題。文章開發(fā)出一套高柔性全自動中間軸熱裝精密對齒方法及機構，并已應用到批量生產(chǎn)中，能夠在保證裝配精度的同時，兼容多種機型，實現(xiàn)快速換產(chǎn)，適用于高柔性自動化產(chǎn)線，具有很大的推廣意義。

中間軸；變速器；熱裝對齒；快速換產(chǎn)

作為變速器核心零部件，中間軸總成精度要求高、裝配難度大。且中間軸型號眾多，換產(chǎn)頻繁，不同型號的軸長短、直徑不同，齒輪內(nèi)孔、外徑也不同，不同機型的齒輪壓裝深度、對齒位置也不盡相同。傳統(tǒng)裝配設備往往只能加工單一機型，換產(chǎn)需要人工調(diào)整機械機構，換產(chǎn)時間長，精度不易保證。如何在保證裝配精度的同時，兼容多種機型，并實現(xiàn)快速換產(chǎn)，長期以來屬于行業(yè)難題。

針對此問題，本文設計了一種高柔性全自動中間軸熱裝精密對齒方法及機構，能夠在保證裝配精度的同時，兼容多種機型，實現(xiàn)快速換產(chǎn)。

1 中間軸熱裝對齒工藝簡介

中間軸熱裝對齒工藝的基本原理是利用齒輪受熱膨脹產(chǎn)生的孔軸間隙，將軸穿入齒輪內(nèi)孔后借助壓裝對齒機構對齒輪和軸進行角向定位與軸向定位，保證齒輪與軸之間角向位置度關系和軸向位置尺寸關系[1-4]，如圖1所示。

圖1 中間軸總成

2 存在的問題及解決方案

2.1 問題一

問題：中間軸如何定位？

中間軸定位分為中心定位和軸向定位，中間軸定位方法如圖2所示，定位問題的解決方案如下：

1－上頂尖；2－下頂尖；3－下頂尖套；4－彈簧。

1）采用上下兩頂尖對中間軸進行中心定位，用下頂尖套端面對中間軸進行軸向定位，保持與設計基準、機加工基準及后續(xù)測量基準統(tǒng)一。

2）為了防止過定位，在下頂尖下方布置彈簧，在滿足上下頂尖始終將軸中心定位的同時，保證下頂尖套端面與中間軸端面貼合，達到軸向定位要求。

2.2 問題二

問題：齒輪如何定位？

齒輪定位分為軸向定位和中心定位，齒輪定位方法如圖3所示，定位問題的解決方案如下：

1）采用壓機底座端面對齒輪進行軸向定位。

2）中心定位又分為初定位和終定位。在中間軸被壓入齒輪前，采用漲珠機構對齒輪進行初定位，漲珠機構布置在下頂尖座上，由漲珠氣缸、錐形芯軸和鋼珠組成，在下頂尖座外套上布置三個圓孔，將三個鋼珠安裝在錐形芯軸與下頂尖座外套之間對應的圓孔內(nèi)（上下有一定活動量），當齒輪放置在底座上后，下頂尖座上升到固定位置，漲珠氣缸通氣，推動錐形芯軸向上運動，帶動鋼珠進入下頂尖座外套的圓孔內(nèi)，并與齒輪內(nèi)孔接觸，利用三個鋼珠實現(xiàn)齒輪的中心定位。在中間軸被壓入齒輪后，采用中間軸對齒輪進行最終中心定位。

5－底座；6－下頂尖座；7－漲珠氣缸；8－錐形芯軸；9－鋼珠。

2.3 問題三

問題：對齒位置度如何保證？

對齒位置度保證方法如圖4所示，解決方案如下：

保證對齒位置度，即保證中間軸與齒輪的角向定位精度。在上下兩頂尖軸線側面，設置上下兩個對齒球頭機構，上球頭機構的上球頭頂入中間軸基準齒槽內(nèi)，將齒槽頂緊，球頭兩側與齒槽兩齒面完全貼合，對中間軸進行角向定位；下球頭機構的下球頭頂入齒輪的齒槽內(nèi)，將齒槽頂緊，球頭兩側與齒槽兩齒面完全貼合，對齒輪進行角向定位。上下兩個球頭的中心線需與上下兩個頂尖中心線垂直，同時，兩球頭的中心線之間的距離需符合圖紙要求。

10－上球頭機構；11－下球頭機構；12－上球頭；13－下球頭；18－伺服電機（上X）；19－上球頭連接板；20－伺服電機（下X）；21－下球頭連接板；22－伺服電機（上Z）；23－伺服電機（下Z）。

2.4 問題四

問題：壓裝軸向位置尺寸如何保證？

壓裝軸向位置尺寸保證方法如圖5所示，解決方案如下：

保證壓裝軸向位置尺寸即保證中間軸下壓的位移。因為中間軸軸向定位基準在中間軸下端面，而下壓時的驅(qū)動力從上向下施加，即受力點不是基準面。如果以受力點的位移作為壓裝軸向位置尺寸，則會導致基準轉換帶來的誤差。因此，在壓裝過程中需要統(tǒng)一基準，在壓機背板上設置一個擋塊，下提升氣缸帶動下頂尖座向上運動，與擋塊貼合后停止，通過持續(xù)通氣將下頂尖座保持在此位置。連接在伺服壓機的上頂尖帶動中間軸向下移動，采用力模式，當中間軸的下端面與下頂尖套端面貼合，伺服壓機的壓力傳感器感應到設置的力后，伺服壓機將此位置記為壓裝基準位。此時，連接在伺服壓機的上頂尖和壓機的下頂尖套端面將中間軸完全夾緊，壓裝基準位與圖紙要求統(tǒng)一，伺服壓機切換為位移模式，帶動中間軸向下移動圖紙要求的位移后停止，保證軸向位置尺寸。

1－上頂尖；6－下頂尖座；14－背板；15－擋塊；16－下提升氣缸；17－伺服壓機；30－連桿。

2.5 問題五

問題：如何快速換產(chǎn)，兼容不同型號中間軸？

對于熱裝，不同型號的中間軸差異，主要體現(xiàn)在軸的長度上和軸上基準齒的分度圓直徑，兼容問題的解決方案如下：

1）長度兼容方面，本機構采用上頂尖加下頂尖套端面對中間軸的軸向進行定位，下頂尖座每次壓裝過程均依靠固定的擋塊限位，故不同型號的中間軸下端面位置一致，而上頂尖連接在伺服壓機上，伺服壓機行程兼容不同型號的中間軸長度，通過設置伺服位移值，在不調(diào)整機械機構的情況下，快速適應不同型號中間軸的長度變化（圖5）。

2）基準齒分度圓直徑兼容方面，在上球頭機構上設置做徑向運動的伺服電機（上），將上球頭連接板與伺服電機（上）連接，伺服電機（上）帶動安裝在上球頭連接板上的上球頭做徑向移動，伺服電機（上）行程兼容不同型號中間軸基準齒的分度圓直徑，通過設置伺服位移值，在不調(diào)整機械機構的情況下，快速適應不同型號中間軸基準齒的分度圓直徑（圖4）。

2.6 問題六

問題：如何快速換產(chǎn)，兼容不同型號齒輪？

對于熱裝，不同型號的齒輪差異，主要體現(xiàn)在齒輪內(nèi)孔直徑和外齒分度圓直徑的差異，兼容問題的解決方案如下：

1）齒輪內(nèi)孔直徑的兼容，即齒輪中心定位的兼容，中心定位又分為初定位和終定位。齒輪采用漲珠機構進行初定位，給漲珠氣缸通氣，推動錐形芯軸向上運動，帶動鋼珠進入下頂尖座外套的圓孔內(nèi)，并與齒輪內(nèi)孔接觸。錐形芯軸向上運動的限位依靠的是鋼珠被推出下頂尖座外套圓孔的體積，即齒輪內(nèi)孔與下頂尖座外套的距離。當齒輪內(nèi)孔直徑較小時，齒輪內(nèi)孔與下頂尖座外套的距離小，則鋼珠被推出下頂尖座外套圓孔的體積就小，錐形芯軸向上運動的距離就近；當齒輪內(nèi)孔直徑較大時，齒輪內(nèi)孔與下頂尖座外套的距離大，則鋼珠被推出下頂尖座外套圓孔的體積就大，錐形芯軸向上運動的距離就遠。總之，無論齒輪內(nèi)孔直徑在一定范圍內(nèi)怎么變化，均可保證漲珠機構上的三個鋼珠與齒輪內(nèi)孔始終接觸，滿足定位要求。在中間軸被壓入齒輪后，采用相配合的中間軸對齒輪進行最終中心定位，因此，換產(chǎn)不影響齒輪終定位。可見，上述機構能夠在不調(diào)整機械機構的情況下，快速適應不同型號齒輪的內(nèi)孔直徑（圖3）。

2）外齒分度圓直徑的兼容，即齒輪角向定位的兼容。在下球頭機構上設置做徑向運動的伺服電機（下），將下球頭連接板與伺服電機（下）連接，伺服電機（下）帶動安裝在下球頭連接板上的下球頭做徑向移動，伺服電機（下）的行程兼容不同型號齒輪分度圓直徑，通過設置伺服位移值，在不調(diào)整機械機構的情況下，快速適應不同型號齒輪的分度圓直徑（圖4）。

2.7 問題七

問題：如何快速換產(chǎn)，適應不同機型的對齒位置要求？

不同機型的對齒位置要求不同，即上球頭和下球頭的軸向位置要求不同，兼容問題的解決方案如下：

1）在上球頭機構上設置做軸向運動的伺服電機（上），將上球頭連接板與伺服電機（上）連接，伺服電機（上）帶動安裝在上球頭連接板上的上球頭做軸向移動，伺服電機（上）行程兼容不同機型軸齒對齒位置，通過設置伺服位移值，在不調(diào)整機械機構的情況下，快速適應不同機型軸齒對齒位置。

2）同理，在下球頭機構上設置做軸向運動的伺服電機（下），將下球頭連接板與伺服電機（下）連接，伺服電機（下）帶動安裝在下球頭連接板上的下球頭做軸向移動，伺服電機（下）行程兼容不同機型齒輪對齒位置，通過設置伺服位移值，在不調(diào)整機械機構的情況下，快速適應不同機型齒輪對齒位置（圖4）。

2.8 問題八

問題：如何快速換產(chǎn)，適應不同機型的壓裝深度要求？

解決方案如下：

不同機型的壓裝深度要求不同，即軸下壓的位移要求不同。通過問題4的解決方案可知，不同機型在壓裝過程的軸向基準是唯一的，即下頂尖座被擋塊限位后，下頂尖套端面位置是唯一的。此時，根據(jù)不同機型的中間軸長度和壓裝深度要求，即可設置伺服壓機下壓的位移值，保證不同機型的壓裝深度要求（圖5）。

2.9 問題九

問題：為保證壓裝精度穩(wěn)定性，本方案要求壓裝過程中上球頭始終頂在中間軸基準齒槽內(nèi)，即壓裝過程中上球頭始終保持與中間軸下端面（軸向基準面）的軸向距離不變，如何實現(xiàn)這一動作？

解決方案如下：

設計連桿，將下頂尖座和上球頭機構相連接，當中間軸被壓到下端面與下頂尖套端面貼合時，伺服壓機將此位置記為壓裝基準位。此時，伺服電機（上）帶動安裝在上球頭機構上的上球頭做徑向移動，上球頭頂入中間軸基準齒槽內(nèi)，將齒槽頂緊，球頭兩側與齒槽兩齒面完全貼合，對中間軸進行角向定位，隨后伺服壓機下行，帶動中間軸向下移動mm（根據(jù)不同機型壓裝深度預先設置），進入齒輪，并停在設定位移處。因中間軸下端面與下頂尖套端面貼合時，上頂尖和下頂尖套端面將中間軸完全夾緊，當中間軸向下移動mm，下頂尖座也會被帶動下移mm，而通過連桿連接的上球頭機構也被同步帶動下移mm。因此，實現(xiàn)壓裝過程中上球頭始終頂在中間軸基準齒槽內(nèi)，與中間軸無相對運動，保證壓裝精度穩(wěn)定性（圖6）。

6－下頂尖座；10－上球頭機構；30－連桿。

2.10 問題十

問題：對齒輪進行角向定位時，如果下球頭頂住齒輪齒頂，如何快速調(diào)整？

頂齒調(diào)整方法如圖7所示，解決方案如下：

根據(jù)問題3可知，下球頭機構的下球頭頂入齒輪的齒槽內(nèi)，完成對齒輪的角向定位，如果下球頭頂住齒輪齒頂，則會導致對齒失敗，因此設計如下方法解決此問題。在下球頭機構上做徑向運動的伺服電機（下）采用力模式，當下球頭頂住齒輪齒頂時，力條件滿足，位移條件不滿足，伺服電機（下）切換為位移模式，帶動下球頭連接板后退mm（根據(jù)不同齒輪尺寸預先設置）；接著在下球頭機構上做軸向運動的伺服電機（下）采用位移模式，帶動下球頭連接板向上移動mm（根據(jù)不同齒輪尺寸預先設置）；隨后伺服電機（下）切換為力模式，帶動下球頭連接板前進，因為齒輪為斜齒結構，下球頭通過軸向移動，再次對齒時，可撥動齒輪旋轉，頂入齒槽后，伺服電機（下）切換為位移模式，帶動下球頭連接板后退mm（根據(jù)不同齒輪尺寸預先設置）；此時，伺服電機（下）采用位移模式，帶動下球頭連接板向下移動mm，下球頭回到要求的對齒位置；隨后，伺服電機（下）切換為力模式，帶動下球頭連接板前進，下球頭頂入齒槽，將齒槽頂緊，球頭兩側與齒槽兩齒面完全貼合，完成對齒輪的角向定位。

13－下球頭。

2.11 問題十一

問題：熱裝完成后，如何使齒輪快速降溫，將中間軸抱緊？

齒輪夾爪和軸夾爪如圖8所示，解決方案如下：

設置齒輪夾爪，并在夾爪上開設若干氣孔，氣孔開設的位置正對齒輪，當熱裝完成后，給氣孔通壓縮空氣，壓縮空氣高速吹在熱裝完成后的齒輪上，達到快速降溫的目的。

24－齒輪夾爪；25－軸夾爪；26－軸夾爪連接板；27－軸夾爪氣缸；28－導向軸；29－帶鎖氣缸。

2.12 問題十二

問題：本方案中間軸上下料方式為機器人自動抓取，如何實現(xiàn)上下料過程中壓機對中間軸的接取，同時此機構又不影響到壓裝過程？

解決方案如下：

在壓機上設置軸夾爪，用于機器人上下料時對中間軸的接取。軸夾爪安裝在軸夾爪連接板上，同時在壓機上設置軸夾爪氣缸，和軸夾爪連接板連接，由此實現(xiàn)軸夾爪在軸向上的運動，在軸夾爪連接板上安裝一根導向軸。同時，在上球頭機構上安裝一件帶鎖氣缸。在壓裝開始前和壓裝結束后，給帶鎖氣缸通氣，導向軸可在帶鎖氣缸中自由滑動，即軸夾爪可通過軸夾爪氣缸上下運動，滿足機器人上下料位置的需求。在壓裝過程中，為避免軸夾爪對中間軸造成過定位，需要將軸夾爪始終打開，同時又需要軸夾爪與中間軸上下隨行，滿足機器人抓取需求。因此，給帶鎖氣缸斷氣，帶鎖氣缸將導向軸抱緊，壓裝過程上球頭機構通過連桿隨同下頂尖座向下移動的同時，通過導向軸和帶鎖氣缸帶動軸夾爪同步下移，實現(xiàn)打開狀態(tài)下的軸夾爪與中間軸上下隨行（圖8）。

3 裝配動作過程描述

1）機器人將中間軸抓取交給壓機軸夾爪，夾爪將中間軸夾緊，機器人退出。

2）機器人將加熱好的齒輪抓取放置到壓機底座上，機器人退出。

1－上頂尖；10－上球頭機構；11－下球頭機構；12－上球頭；13－下球頭；16－下提升氣缸；17－伺服壓機；18－伺服電機（上X）；19－上球頭連接板；20－伺服電機（下X）；21－下球頭連接板；22－伺服電機（上Z）；23－伺服電機（下Z）；24－齒輪夾爪；25－軸夾爪；26－軸夾爪連接板；28－導向軸；29－帶鎖氣缸。

3）下提升氣缸帶動下頂尖座向上運動，與安裝在壓機背板上的擋塊貼合后停止，通過持續(xù)通氣將下頂尖座保持在此位置。此時，連接在伺服壓機上的上頂尖帶動中間軸向下移動，當下頂尖接觸中間軸下頂尖孔并將其中心定位后，伺服壓機采用力模式繼續(xù)下移，此時壓縮下頂尖彈簧，當中間軸的下端面與下頂尖套端面貼合，上下頂尖完成對中間軸的中心定位和軸向定位，伺服壓機的壓力傳感器感應到設置的力后，伺服壓機停止運動，并將此位置記為壓裝基準位。

4）給漲珠氣缸通氣，推動錐形芯軸向上運動，帶動三個鋼珠進入下頂尖座外套的圓孔內(nèi)，并與齒輪內(nèi)孔接觸，完成對齒輪的中心定位。

5）與此同時，根據(jù)不同機型的對齒位置要求，上球頭機構上做軸向運動的伺服電機（上）帶動上球頭移動到程序預先設置的位置，下球頭機構上做軸向運動的伺服電機（下）帶動下球頭移動到程序預先設置的位置。同時，根據(jù)不同機型中間軸軸齒和齒輪分度圓直徑的大小，上球頭機構上做徑向運動的伺服電機（上）切換為力模式，帶動上球頭移動到中間軸軸齒基準齒槽中，將齒槽頂緊，球頭兩側與齒槽兩齒面完全貼合，完成對中間軸的角向定位；下球頭機構上做徑向運動的伺服電機（下）切換為力模式，帶動下球頭移動到齒輪齒槽中，將齒槽頂緊，球頭兩側與齒槽兩齒面完全貼合，完成對齒輪的角向定位。對齒輪進行角向定位時，如果下球頭頂住齒輪齒頂，下球頭進行自動調(diào)整。（動作過程詳見問題10技術方案）上述動作完成后，齒輪夾爪將齒輪夾緊，下球頭后退mm（根據(jù)不同齒輪尺寸預先設置）。

6）伺服壓機切換為位移模式，帶動中間軸向下移動mm（根據(jù)不同機型所要求的的壓裝深度預先設置）后停止。

7）齒輪夾爪打開，下球頭機構上做徑向運動的伺服電機（下）切換為力模式，帶動下球頭再次移動到齒輪齒槽中，將齒槽頂緊，球頭兩側與齒槽兩齒面完全貼合，完成對齒輪的二次角向定位。

8）給齒輪夾爪氣孔通氣，對齒輪進行快速降溫。

9）軸夾爪將中間軸夾緊，給軸夾爪氣缸通氣，帶動軸夾爪上升（動作原理詳見問題十二技術方案）。

10）機器人進入壓機，軸夾爪打開，機器人將壓裝完成的中間軸從壓機抓出。

4 結語

在現(xiàn)代化產(chǎn)線上，高柔性和高自動化率往往是一組難以兼顧的需求，尤其對于中間軸熱裝這種高精度要求的工藝過程，要想實現(xiàn)多品種兼容的自動化生產(chǎn)，實施難度可想而知[5-6]。通過多年深耕熱裝精密對齒工藝，并融合伺服壓裝、伺服變位、氣動夾緊等自動化技術，本文開發(fā)出這套高柔性全自動熱裝精密對齒方法及機構，在保證裝配精度的同時，能夠兼容多種機型，實現(xiàn)快速換產(chǎn)，適用于高柔性自動化裝配線。

[1] 寇植達,王波.斜齒中間軸熱裝對齒工藝的研究[J].機械傳動,2019,43(6):154-157,164.

[2] 楊平,于明.一種減速機中間軸熱裝對齒工藝的研究及應用[J].汽車實用技術,2019,44(17):188-189.

[3] 王治宇.變速器齒輪熱裝工藝仿真及實驗研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2017.

[4] 陳海芹.汽車發(fā)動機和變速箱自動化裝配技術研究[J].內(nèi)燃機與配件,2022(10):103-105.

[5] 羅維.整車零件柔性自動化裝配研究應用[J].汽車工藝與材料,2021(2):54-62.

[6] 賴國華.汽車制造中發(fā)動機及變速箱自動化裝配技術研究[J].時代汽車,2022(17):166-168.

Design of the Accurate Hot-fit-tooth for the Countershaftof the Heavy Truck Transmission

ZHANG Yaguang, DONG Chao

( 1.Shaanxi Fast Auto Drive Refco Group Company Limited, Xi'an 710077, China;2.Shaanxi Diesel Heavy Industry Company Limited, Xi'an 710075, China )

The countershaft is one of the core components of the transmission, which requires high accuracy and is difficult to assemble. Hot fitting process is widely used in the industry to gears assembly. However, how to ensure accuracy while being compatible with multiple models and achieve rapid production change. It has long been an industry challenge. In response to this problem,the article has developed a set of high-precision hot-fit-tooth methods and mechanisms for highly flexible countershaft, which has been applied to batch production.It ensures accuracy while being compatible with multiple models, and achieves rapid production change, and is suitable for highly flexible automated production lines. This article provides a detailed introduction of this process method and mechanism for reference in the same industry.

Countershaft; Transmission; Hot-fit-tooth; Rapid production change

U466

A

1671-7988(2023)21-131-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.027

張亞光（1990－），男，工程師，研究方向為變速器生產(chǎn)工藝，E-mail:fastzyg@163.com。