鄧林亮

（東風(fēng)商用車有限公司 ，十堰 442001）

前言

東風(fēng)14檔重型變速箱為東風(fēng)商用車公司首次開發(fā)的重型變速箱產(chǎn)品，該變速箱開發(fā)首次大量采用國際先進(jìn)的產(chǎn)品和制造技術(shù)，其中包括變速箱中間軸總成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)，開發(fā)過程中出現(xiàn)一些問題，經(jīng)過項目組共同研究、對策及試驗驗證，最終圓滿解決問題，保證了項目順利投產(chǎn)，積累了重要的產(chǎn)品開發(fā)、制造經(jīng)驗。

1 東風(fēng)14檔重型變速箱中間軸總成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工作原理

東風(fēng)14檔重型變速箱主要由前中后三個殼體、一軸總成、中間軸總成、二軸總成、后副箱總成等構(gòu)成（附圖變速箱總成示意圖），力矩傳遞路線為：發(fā)動機(jī)通過一軸上外花鍵將動力傳遞給一軸總成，然后通過齒輪嚙合將動力傳遞到中間軸總成，中間軸總成再通過齒輪嚙合將動力傳遞到二軸總成，二軸總成通過太陽輪將動力傳遞到副箱輸出軸，副箱輸出軸通過突緣端面齒將動力輸出傳遞到整車的傳動軸。

在力矩的傳遞過程中，中間軸上的四檔齒輪及常嚙合齒輪與中間軸是通過齒輪內(nèi)孔與軸頸的過盈配合連接，檔該兩個齒輪工作時，則是通過過盈量齒輪對軸頸形成抱緊力，隨即形成內(nèi)孔表面與軸頸表面摩擦力，實現(xiàn)力矩傳遞；

中間軸及兩個齒輪裝配局部簡圖如圖1、圖2：

軸頸與齒輪配合表面技術(shù)要求：滲碳淬火HRC58-63，表面粗糙度0.8。

2 中間軸、齒輪零件制造及總成裝配工藝

與傳遞力矩相關(guān)的零件及部位為中間軸的兩個軸頸d1、d2，精度等級u6，表面粗糙度為0.8；四檔齒輪、常嚙合齒輪兩個齒輪零件的內(nèi)孔D1、D2。精度等級H7，表面粗糙度0.8，表面滲碳淬火HRC58-63。

軸頸熱處理后的精加工工藝為外圓磨削完成，齒輪內(nèi)孔熱處理后的精加工工藝為硬車完成。

孔與軸頸的過盈量為0.085-0.134，為了裝配方便，采用對齒輪進(jìn)行加熱，使其熱膨脹到與軸頸為小間隙時進(jìn)行裝配，通過工藝試驗確定加熱溫度及加熱時間，固化工藝參數(shù)。

表1

3 變速箱總成試驗齒輪打滑掉載故障情況

在PT樣箱進(jìn)行TES評審臺架試驗時，多個檔位出現(xiàn)負(fù)載加上去隨即即掉下來的情況，具體情況見附表1：

經(jīng)過對兩個齒輪在中間軸上的位置進(jìn)行標(biāo)記，運(yùn)轉(zhuǎn)后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)兩個齒輪均在軸上產(chǎn)生了軸向轉(zhuǎn)動即出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，因為打滑造成掉載故障出現(xiàn)。

4 打滑掉載影響因素分析及試驗驗證

4.1 傳遞力矩大小簡易公式如下：

合并總體簡化經(jīng)驗公式為

式中：M為產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠傳遞的力矩；F為軸頸外圓與齒輪內(nèi)孔表面摩擦力；D為軸頸直徑；N為齒輪對軸頸的抱緊壓力；L為軸頸與內(nèi)孔接觸區(qū)域的總長度；δ 為軸頸與內(nèi)孔的過盈量；μ為孔與軸表面摩擦系數(shù)；G 齒輪結(jié)構(gòu)剛性；X 為材料強(qiáng)度性能等。

當(dāng)傳遞力矩的能力M值小于實際負(fù)載力矩時，將出現(xiàn)齒輪打滑掉載現(xiàn)象。必須要保證足夠的力矩M值，才能滿足變速箱力矩傳遞功能需求。

從公式（1）分析，影響M 值的因素為軸頸外圓與齒輪內(nèi)孔表面摩擦力F及軸頸直徑D，當(dāng)兩者增加時，M 值將增加；

從公式（2）分析，影響摩擦力F值的因素為齒輪對軸頸的抱緊壓力N、軸頸與內(nèi)孔接觸區(qū)域的總長度L、軸頸直徑D及摩擦系數(shù)μ，當(dāng)四個參數(shù)增大時，摩擦力F 將增大；

從公式（3）分析，齒輪對軸頸的抱緊壓力N的影響因素為為軸頸與內(nèi)孔的過盈量δ、齒輪結(jié)構(gòu)剛性G及材料強(qiáng)度性能X，三者增大時，抱緊力N 將增大。

由于受變速箱結(jié)構(gòu)及空間位置所限制，參數(shù)L、 D是不能增大的，由于材料也基本固定不變，因而X也視為常量。因此主要變量參數(shù)是：過盈量δ、齒輪結(jié)構(gòu)剛性G、摩擦系數(shù)μ。

4.2 軸頸與內(nèi)孔的過盈量δ影響分析及試驗驗證

中間軸軸頸與齒輪內(nèi)孔過盈量是影響抱緊力的最主要的變量因素之一，增大過盈量，由于軸的剛性大大高于齒輪，從而軸頸向施加徑向支撐力，增加內(nèi)孔膨脹變形，而齒輪內(nèi)壁對軸頸施加反作用力也即對軸頸的抱緊壓力， 受到軸向扭矩負(fù)載時，兩個便面之間產(chǎn)生更大的摩擦力，從而最終增加力矩傳遞能力。產(chǎn)品設(shè)計圖紙上給定了的過盈量為0.085-0.134，公差范圍，但當(dāng)過盈量處于下限時，TES評審試驗中出現(xiàn)齒輪在軸上的打滑導(dǎo)致掉載故障出現(xiàn)。

4.2.1 不同過盈量試驗驗證

過盈量過小會造成打滑現(xiàn)象，過盈量過大將內(nèi)應(yīng)力過大，造成裝配困難，甚至可能齒輪變形過大，影響齒輪尺寸精度，為了選擇合適的過盈量，確定了不同過盈量試驗驗證方案。具體方案及及結(jié)果見附表2：

表2 中間軸軸頸與齒輪不同過盈量試驗

試驗結(jié)果顯示：0.12以上過盈量均不產(chǎn)生打滑掉載現(xiàn)象，0.17過盈量對齒輪精度無影響。根據(jù)試驗結(jié)果選擇0.125-0.174過盈量范圍。保證在最小過盈量下不出現(xiàn)打滑掉載。

4.2.2 工作條件下油溫對軸頸與齒輪配合過盈量的影響分析及驗證

在試驗中及用戶使用中，由于油溫升高，約120 ℃-150 ℃，而齒輪的內(nèi)孔尺寸膨脹與軸頸尺寸膨脹變形不一致，導(dǎo)致在常溫下的過盈量與工作條件下的過盈量發(fā)生變化，可能會使過盈量大大變小，從而導(dǎo)致打滑掉載，由于難以理論計算出熱膨脹變形數(shù)據(jù)，通過工藝試驗方法獲取數(shù)據(jù)，分別對軸和齒輪零件測量出加熱前的尺寸數(shù)據(jù)，然后對零件進(jìn)行加熱保溫，測量加熱后的軸孔尺寸，分析軸和孔高溫下的過盈量變化，試驗數(shù)據(jù)見下表3：

試驗結(jié)果表明在100 ℃-150 ℃工作溫度下過盈量會少量的減小，計算過盈量時要考慮0.01-0.02的減小量。

4.3 軸頸外圓與齒輪內(nèi)孔表面摩擦系數(shù)μ影響分析及驗證

齒輪內(nèi)孔表面與軸頸表面摩擦系數(shù)是影響摩擦力的主要因素之一，摩擦系數(shù)增大或減小時，在抱緊力不變的情況下，摩擦力將隨之增大或減小，從而導(dǎo)致傳遞力矩增大或減小。摩擦系數(shù)的大小主要由相互接觸的零件材料決定，但一些外部其他因素可能會對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響

4.3.1 表面微觀質(zhì)量對摩擦系數(shù)的影響分析及驗證

從微觀表面上分析，磨削出來的表面與車削出來的粗糙度相同的表面，微觀紋理也有差異，車削出來的表面相對磨削出來的表面，因為車刀與磨削砂輪的關(guān)系，微觀上高點(diǎn)Ra0.8的數(shù)量相對少些，從而微觀上由于兩個表面首先是高點(diǎn)接觸，車削表面微觀接觸面積會相對少些，摩擦系數(shù)相對磨削表面低一些，但是差距情況難以量化。

齒輪內(nèi)孔的精加工工藝選擇的是硬車，滿足圖紙尺寸精度及表面粗糙度要求，加工效率相對高、成本相對低些，為了驗證車削和磨削表面對打滑現(xiàn)象的影響，采取工藝試驗方法進(jìn)行驗證，具體方案及結(jié)果見附表4：

表3

表4 車削和磨削內(nèi)孔齒輪對比試驗

試驗結(jié)果顯示：結(jié)果均為打滑掉載，車削磨削兩種工藝造成的表面質(zhì)量微觀差異，影響很小，可以忽略不計。

4.3.2 其它影響因素分析

若齒輪內(nèi)孔及軸頸外圓配合表面存在雜質(zhì)，將會影響表面微觀接觸面積，從而降低摩擦系數(shù)；若零件配合表面存在油污，將會起到微潤滑作用從而降低摩擦系數(shù)。

因此零件的清潔度要求必須達(dá)到很好的水平。在保證中間軸和齒輪零件清洗質(zhì)量的同時，零件的物流運(yùn)輸，裝配過程中的工裝夾具都需要保證很好的清潔度，不對零件造成二次污染。

4.4 齒輪的結(jié)構(gòu)剛性影響因素分析

齒輪的剛性與齒輪對軸頸的抱緊力大小成正比，從四檔齒輪及常嚙合齒輪結(jié)構(gòu)分析，兩個齒輪在整個接觸長度內(nèi)，各區(qū)間的壁厚不一樣，壁厚薄的部位抱緊力降低。比較四檔齒輪和常嚙合齒輪，前者挖了較大的沉槽并在圓周方向增加了一些孔，是為了減輕重量、降低材料成本，但剛性相對降低，抱緊力降低，從而降低了力矩傳遞能力。

前面試驗結(jié)果顯示，在相同的過盈量情況下，四檔齒輪打滑掉載頻次況比常嚙合齒輪打滑頻次更高，四檔齒輪剛性相對低是主要因素之一。為了增加剛性對四檔齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，減小去重沉槽的寬度和深度，達(dá)到提高剛性的目的。

4.5 對策及效果

通過前述的分析及單項因素試驗驗證，確定了改善對策：

（1）將兩個軸頸基本尺寸增大0.04，公差不變， 增加齒輪內(nèi)孔與軸頸配合過盈量0.04，總過盈量從0.085-0.134更改為0.125-0.174；

（2）對低檔齒輪減小去重槽寬度、深度等部位形狀，提高整體剛性；

（3）改善工藝措施，加強(qiáng)零件清洗清潔度控制、減少運(yùn)輸及裝配過程中二次污染。

對策實施到位后，進(jìn)行了多輪變速箱總成TES評審試驗，均再未出現(xiàn)齒輪打滑掉載故障情況。

5 結(jié)論

通過齒輪與軸的過盈配合聯(lián)接來傳遞力矩的方法，在重型變速箱中使用已成為趨勢，ZF、VOLVO變速箱均采取了這種結(jié)構(gòu)方法。在這種結(jié)構(gòu)形式下，過盈量的選擇、零件結(jié)構(gòu)剛性的設(shè)計、制造過程中保證零件表面質(zhì)量、和清潔度質(zhì)量防止摩擦系數(shù)的降低，是影響力矩傳遞能力最主要的因素；在空間尺寸允許的情況下盡可能增大軸頸直徑、增加齒輪與軸頸接觸長度，也是增加動力傳遞能力的有效途徑。

[1]李俊峰, 張雄. 理論力學(xué). 清華大學(xué)出版社.

[2]劉鴻文. 材料力學(xué). 高等教育出版社.

[3]陸寧, 樊江玲. 機(jī)械原理. 清華大學(xué)出版社.

[4]黃青云. 公差配合與技術(shù)測量. 機(jī)械工業(yè)出版社.

[5]王珺. 汽車構(gòu)造. 電子工業(yè)出版社.