曹進(jìn)琪，史鵬飛

(上海汽車變速器有限公司 上海 201800)

0 引言

漸開線花鍵聯(lián)結(jié)因其傳遞扭矩大、定心精度高等優(yōu)點，在汽車行業(yè)特別是變速箱齒輪上得到廣泛應(yīng)用。內(nèi)、外花鍵的定心方式主要有花鍵齒側(cè)定心與花鍵大徑定心兩種[1-3]。目前生產(chǎn)的一款變速箱，其主動齒總成上的結(jié)合齒與齒輪是靠花鍵連接，采用齒側(cè)定心?；ㄦI為齒側(cè)過渡配合，結(jié)合齒內(nèi)花鍵實際齒槽寬為1.594～1.639mm，齒輪外花鍵齒厚為1.628～1.66mm，結(jié)合齒壓到齒輪上后還需在圖1所示Φ59處把花鍵鉚壓一圈，以防結(jié)合齒與齒輪在使用過程中脫離。

圖1 齒輪與結(jié)合齒裝配簡圖

1 花鍵壓入力理論計算

參考相關(guān)文獻(xiàn)，理論計算結(jié)合齒壓裝入齒輪的具體壓入力數(shù)值。根據(jù)漸開線花鍵結(jié)構(gòu)特點，在配合時花鍵的齒面及齒頂圓受力[4]。將內(nèi)、外花鍵齒厚簡化成分度圓弧齒厚，沿分度圓切向內(nèi)、外花鍵齒配合總過盈量的組成分為4個部分： 1)外花鍵齒壓縮變形量δ1；2)內(nèi)花鍵齒壓縮變形量δ2；3)外花鍵壓縮與內(nèi)花鍵膨脹引起的齒厚變化量δ3；4)內(nèi)花鍵膨脹與外花鍵壓縮換算到齒厚方向的過盈量δ4[5]。

σ=δ1+δ2+δ3+δ4

(1)

δ1=δ2=Nπm/(2EsL)

(2)

δ3≈δ4=[π(df+2τ1+2τ2)-πdf]/(2Z)= π(τ1+τ2)/Z

(3)

τ1=Ndftanαn(1-μ)/ πmEL

(4)

τ2=Ndftanαn[(d2+df2)/(d2-df2)+μ)/ πmEL

(5)

上述方程式中各符號意義：N為壓入力；m為齒輪模數(shù)；E為彈性模量；s為弧長；L為花鍵接觸長度；αn為法向壓力角；d為施加壓裝力的直徑；df為分度圓直徑；μ為泊松比；σ為總過盈量。

本次計算所用花鍵參數(shù)，m=0.75，df=58.5，L=7.85，s=0.556 6，αn=30°，E=2.1×105，d=65，μ=0.3；σ=0.033。將這些參數(shù)代入上述公式，計算得出壓入力N=14.65kN。

2 花鍵壓入力CAE計算

本次CAE計算使用ANSYS軟件，計算思路是：首先用CAE計算出由于過盈量引起花鍵單個齒面的法向力，再由該法向力×摩擦系數(shù)×齒數(shù)×2，將UG建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS，并自動劃分網(wǎng)格。由于是求花鍵壓入力，故建模時省略了齒輪及結(jié)合齒的外花鍵。網(wǎng)格劃分時花鍵處設(shè)置網(wǎng)格大小為0.7 mm，其余按4 mm默認(rèn)設(shè)置，相關(guān)劃分網(wǎng)格后的模型見圖2。用于建模及計算的漸開線花鍵主要參數(shù)見表1。從表格中可以計算得出，該對花鍵齒厚為過渡配合，且單邊齒面最大過盈量為0.033 mm。

圖2 網(wǎng)格劃分后的零件及總成模型

表1 齒輪外花鍵及結(jié)合齒內(nèi)花鍵主要參數(shù)表

CAE計算時，主要參數(shù)設(shè)置如下：零件材料為20 MnCr5，材料密度為7 850 kg/m3，熱漲系數(shù)為1.2×10-5/℃，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，摩擦系數(shù)為0.08[6-7]。采用網(wǎng)格隨移技術(shù)[8]，分別計算單邊齒面過盈量為0.01 mm，0.02 mm和0.033 mm，計算得出的單個花鍵齒面法向力以及零件壓入力見表2。

表2 不同過盈量下齒面法向力及零件壓入力的CAE計算值

3 實際壓入力與脫出力測試

對結(jié)合齒與齒輪軸向壓入力與壓脫力進(jìn)行了測試。

試驗內(nèi)容為，隨機選擇18個一檔主動齒及18個結(jié)合齒，分別測量齒輪外花鍵M值及結(jié)合齒內(nèi)花鍵M值，這些齒輪外花鍵M值平均值61.677，最大61.697，最小61.659(工藝要求61.681±0.02)，結(jié)合齒內(nèi)花鍵M值平均值56.801，最大56.832，最小56.765(產(chǎn)品要求56.8±0.04)。根據(jù)M值的大小可以得出花鍵配合的過盈量大小，分別將這些齒輪與結(jié)合齒配對成過盈量大、中、小三組。對這三組分別進(jìn)行壓配、鉚壓，再對這三組零件進(jìn)行壓入和壓脫力的測試，結(jié)果見表3。從該表可以看出：

1) 壓入力和花鍵過盈量成明顯的正比關(guān)系，花鍵過盈得越多，壓入力也就越大；

2) 壓脫力與壓入力及其后續(xù)加工(鉚壓)有一定關(guān)系，鉚壓后零件的壓脫力要比沒有加工的零件壓脫力有一定程度的提升；

3) 按目前的測量結(jié)果，所有壓入力最小1.6kN，最大11.4kN，未進(jìn)行后續(xù)加工的壓脫力，最小5.5kN，最大14.87kN。

表3 結(jié)合齒與花鍵壓入力與壓脫力測試表

通過比較理論計算、CAE計算以及實際試驗得出的各組壓入力數(shù)值，發(fā)現(xiàn)實際壓入力比理論計算和CAE計算的略小，這可能和加工或測量精度有關(guān)。實際計算時每個花鍵的結(jié)合面都有理論上設(shè)定的那么多過盈量，但實際零件由于加工誤差，累積和跳動的影響，導(dǎo)致花鍵的齒厚并不是每一牙都一樣，這就導(dǎo)致實際值與理論值稍有偏差，但是偏差結(jié)果基本可以接受。故理論計算和CAE計算對實際花鍵壓入力仍有一定的指導(dǎo)意義。

4 花鍵壓配鉚壓工藝優(yōu)化

為防止使用過程中結(jié)合齒在齒輪上軸向產(chǎn)生脫離，原來工藝流程是結(jié)合齒壓配到齒輪上之后還要再對外花鍵進(jìn)行一圈鉚壓。實際使用時發(fā)現(xiàn)該工藝不是很理想，主要是花鍵鉚壓問題，鉚壓要求齒輪外花鍵在熱處理時需要防滲，若花鍵被滲碳后其硬度增加，鉚壓工裝極易受損。防滲的方法主要有兩種：涂防滲劑和用防滲工裝蓋住花鍵。這兩種防滲方式都有明顯缺點，不能適用于批量生產(chǎn)。涂防滲劑，目前主要是靠人工涂刷，防滲劑很容易滴落到齒面或內(nèi)孔中，導(dǎo)致應(yīng)該淬硬的齒面或內(nèi)孔沒有硬度，實際使用時會引起很大風(fēng)險。用防滲工裝蓋住花鍵，由于花鍵與工裝處仍留有縫隙，以及防滲工裝多次使用后產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致防滲效果不明顯，熱處理后花鍵硬度仍較高，鉚壓工裝使用壽命極低。

圖3 換擋時結(jié)合齒軸向受力圖

客戶提供了實際使用過程中結(jié)合齒軸向力，如圖3所示，可以看出結(jié)合齒在同步、換擋時所受的軸向力最大僅為120 N。而前述理論及CAE計算，以及壓入力和脫出力試驗，可以確認(rèn)相關(guān)零件壓入后花鍵的脫出力>120 N。

綜合上述分析，只要結(jié)合齒與花鍵過盈量滿足一定要求(如花鍵單邊過盈量>0.01mm)，可以不用在壓配后再進(jìn)行鉚壓加工，就可以確保換擋軸向力，后續(xù)的鉚壓加工完全可以去除。為更加保險，鉚壓工藝取消，但增大花鍵插齒工藝M值，比原來工藝M值的再增加0.01mm，做到68.691±0.02，這樣可以進(jìn)一步增大齒輪外花鍵與結(jié)合齒內(nèi)花鍵的過盈量，確保壓入力都>2kN。

5 結(jié)語

通過理論計算，CAE分析分別計算了主動齒上結(jié)合齒的壓配力，同時也通過試驗測試了相關(guān)零件的壓配力，相關(guān)數(shù)據(jù)驗證了理論計算與CAE分析的準(zhǔn)確性。同時相關(guān)計算與試驗數(shù)據(jù)，給現(xiàn)存機加工工藝的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，對提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本起到了很好的作用。

[1] 李海賓. 漸開線花鍵過盈配合熱裝的研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(5)：84-85.

[2] 束昊，鄭偉剛. 內(nèi)花鍵擠壓成形的數(shù)值模擬分析[J]. 機械設(shè)計與制造，2008(7)：17-18.

[3] 劉鴻雁，田永紅，付加慶，等. 試析配合間隙對花鍵聯(lián)接失敗的影響[J]. 長春大學(xué)學(xué)報，2008,18(1)：41-43.

[4] 王宋軍，陳啟云，李慧軍，等. 漸開線花鍵配合壓裝力計算[J]. 機械研究與應(yīng)用，2013(4)：103-105.

[5] 陳宏. 漸開線花鍵過盈聯(lián)接拆卸拔出力計算[J]. 機械工藝師，2000(5)：26-27.

[6] 張洪信. ANSYS基礎(chǔ)與實例教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013：33-35.

[7] 趙杰，常俊英，陳家慶，等. ANSYS在求解帶摩擦接觸問題中的應(yīng)用[J]. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2003,11(4)：45-48.

[8] 黃新忠，趙俊生. 壓氣機葉輪過盈配合研究及合理過盈量的確定[J]. 機械設(shè)計與制造，2012(4)：24-26.