藺小軒,李惠江,黎祥民,姚瑀

(柳州五菱汽車(chē)工業(yè)有限公司底盤(pán)事業(yè)部,廣西柳州 545027)

0 引言

目前主流汽車(chē)差速器總成結(jié)構(gòu)中的差速器殼和被動(dòng)盆齒輪是通過(guò)螺栓連接的，如圖1所示。

這種結(jié)構(gòu)零件主要加工技術(shù)是機(jī)加工和裝配，技術(shù)門(mén)檻低，由于差速器殼和盆齒輪需要加工一定深度螺紋孔，致使加工工序復(fù)雜，零件在螺紋位置壁厚設(shè)計(jì)較厚，裝配后總成質(zhì)量普遍比較大。

從圖1可以看到，裝配后許多螺栓頭凸出盆齒輪背部平面，當(dāng)車(chē)輛高速運(yùn)行時(shí)，凸起部位容易甩動(dòng)主減速器內(nèi)加注的齒輪潤(rùn)滑油，增加轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，造成發(fā)動(dòng)機(jī)油耗上升、主減速器潤(rùn)滑油溫較快上升，降低整個(gè)主減速器傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。

圖2所示的差速器總成結(jié)構(gòu)中差速器殼和被動(dòng)盆齒輪是通過(guò)激光技術(shù)焊接的。

圖2 通過(guò)激光技術(shù)焊接的差速器殼和被動(dòng)盆齒輪

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可以看到：采用激光焊接技術(shù)，差速器殼和盆齒輪都省去了螺紋孔，減少了零件加工工序；在保證零件強(qiáng)度基礎(chǔ)上，對(duì)差速器殼和盆齒輪進(jìn)行了減薄減重設(shè)計(jì)；去除的螺栓進(jìn)一步有利總成減重，也省去一些采購(gòu)成本。

當(dāng)然，用激光焊代替機(jī)加工和裝配，技術(shù)門(mén)檻相應(yīng)提高，設(shè)備投入相對(duì)大一點(diǎn)。

1 幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)

1.1 定位夾緊方式選擇

差速器殼和盆齒輪激光焊接有兩種定位夾緊方式：

(1)以先裝的差速器殼作為定位支撐，后裝的盆齒輪由外裝入差速器殼中，如圖3所示。

圖3 以差速器殼作定位支撐的定位夾緊方式一

(2)以先裝的盆齒輪作為定位支撐，差速器殼由外裝入盆齒輪中，如圖4所示。

圖4 以盆齒輪作定位支撐的定位夾緊方式二

以差速器殼作為定位支撐時(shí)，因?yàn)椴顨づ椠X安裝面距差殼軸徑基準(zhǔn)A尺寸較小，定位穩(wěn)固性好些，盆齒輪裝入差速器殼時(shí)行程也較短，安裝尺寸更容易控制。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，以盆齒輪作為定位支撐時(shí)，作為支撐位的盆齒輪內(nèi)孔及內(nèi)圓弧面需要在熱處理后進(jìn)行機(jī)械加工，加工尺寸精度不容易保證，同時(shí)將差速器殼裝入盆齒的行程較長(zhǎng)，夾具設(shè)計(jì)較前一種方式也較復(fù)雜。

所以，以先裝的差速器殼作為定位支撐更加科學(xué)合理些，盆齒輪后裝。

1.2 裝配位置的配合關(guān)系

在螺栓連接狀態(tài)下，有裝配關(guān)系的差速器殼外圓與被動(dòng)盆齒輪內(nèi)孔間一般是間隙配合設(shè)計(jì)，孔和軸各自按基孔制和基軸制選取公差，例如裝配位置尺寸是φ100 mm的話(huà)， 盆齒輪內(nèi)孔可以設(shè)計(jì)為φ100 H7(0，+0.035)mm， 相配合的差速器殼外圓可以設(shè)計(jì)為φ100 h7(-0.035，+0)mm，這樣兩者間的配合間隙為0～0.07 mm。

在激光焊接狀態(tài)下，存在一定焊接熱量，而差速器殼上裝配的半軸齒輪及被動(dòng)齒輪都是成品加工件，這兩個(gè)位置的齒型嚙合面跳動(dòng)量有一定控制要求；如果此處設(shè)計(jì)為間隙配合，由于各零件裝配位置沒(méi)有約束，容易在熱量作用下造成齒面嚙合區(qū)域產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，所以需要設(shè)計(jì)一定的過(guò)盈量來(lái)約束兩零件的相對(duì)位置，確保各嚙合齒面相對(duì)固定。

過(guò)盈量也不能設(shè)計(jì)過(guò)大，過(guò)大則容易造成裝配零件焊接區(qū)域不容易快速有效地散熱，容易造成各嚙合齒面產(chǎn)生熱量積聚變形。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，齒型嚙合區(qū)域裝配關(guān)系可以根據(jù)基孔制設(shè)計(jì)為小過(guò)盈配合。

例如裝配位置尺寸是φ100 mm的話(huà)， 盆齒輪內(nèi)孔可以設(shè)計(jì)為φ100 H7(0，+0.035)mm， 相配合的差速器殼外圓可以根據(jù)過(guò)盈量需求設(shè)計(jì)為φ100 r6(+0.054，+0.076)mm，這樣兩者間的過(guò)盈配合尺寸為-0.019～-0.076 mm。

1.3 焊縫深度設(shè)計(jì)

當(dāng)螺栓連接結(jié)構(gòu)改為激光焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，可以針對(duì)不同的焊縫深度設(shè)計(jì)值，結(jié)合總成所受的扭力大小，依據(jù)材料屈服值選取差速器殼和盆齒輪中較弱的零件做分析對(duì)象，通過(guò)CAE分析軟件作不同深度焊縫位置的有限元受力分析，從中選取滿(mǎn)足零件材料機(jī)械性能的焊縫最小深度設(shè)計(jì)值。

盆齒輪材料一般是滲碳鋼例如20CrMnTi等，差速器殼材料一般是球墨鑄鐵例如QT500-7等，對(duì)兩者機(jī)械性能值進(jìn)行對(duì)比后，選取差速器殼作為焊縫位置不同深度有限元受力分析對(duì)象。

圖5分別是螺栓連接和激光焊接差速器總成的主、被動(dòng)齒輪嚙合受力點(diǎn)位置，以及兩種狀態(tài)下的螺栓連接外圓和激光焊接外圓位置。激光焊接主要對(duì)螺栓連接外圓處材料進(jìn)行了厚度減薄、外圓縮小設(shè)計(jì)，其余部位的尺寸兩者是一樣的。

圖5 兩種連接方式嚙合點(diǎn)

為了進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，將原螺栓連接外圓尺寸按每隔8 mm進(jìn)行逐次遞減，得到4種焊縫深度值，分別建模進(jìn)行有限元受力分析：圖6(a)是將焊縫按表面-中間-根部進(jìn)行進(jìn)一步位置細(xì)化，以便對(duì)深度方向不同點(diǎn)的應(yīng)力大小進(jìn)行詳細(xì)分析；圖6(b)是利用CAE有限元分析軟件，對(duì)一定焊縫深度差速器殼網(wǎng)格劃分完成后，在嚙合點(diǎn)加載扭力后具體呈現(xiàn)的差速器殼各處應(yīng)力分布；最后將4種焊縫深度的應(yīng)力分析數(shù)據(jù)匯總到表1中。

圖6 焊縫在不同深度位置進(jìn)行有限元應(yīng)力分析

表1 不同深度焊縫受力匯總

差速器殼材料牌號(hào)QT500-7(GB/T 1348—2009)，其屈服強(qiáng)度不小于320 MPa。從表1看，4種焊縫深度設(shè)計(jì)值的焊縫位置受力都沒(méi)有超出材料的最小屈服要求，所以4種焊縫深度都可以選擇。

從圖6分析，結(jié)構(gòu)中銷(xiāo)子位置受力較大，在尖角處易形成應(yīng)力集中，是否有較大影響可通過(guò)實(shí)物臺(tái)架驗(yàn)證。

從既能滿(mǎn)足焊縫受力強(qiáng)度不超出材料屈服強(qiáng)度、又能最大程度減小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的角度，焊縫深度可以選較淺的設(shè)計(jì)值。對(duì)差速器殼和盆齒輪數(shù)模進(jìn)行最深、最淺焊縫結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比，并結(jié)合省去的螺栓質(zhì)量，單個(gè)小總成可以減重約0.8 kg。

后續(xù)經(jīng)總成臺(tái)架驗(yàn)證，銷(xiāo)子尖角的應(yīng)力集中對(duì)總成沒(méi)有破壞性影響，焊縫深可以設(shè)計(jì)為7 mm。

1.4 設(shè)置激光功率

設(shè)置激光功率主要需考慮差速器殼和盆齒輪是機(jī)械加工成品件，裝配及焊接后需滿(mǎn)足圖7中各個(gè)位置的跳動(dòng)要求，過(guò)高的焊后溫度會(huì)引起圖7各處產(chǎn)生熱變形，所以重點(diǎn)需控制焊后溫度不能過(guò)高。

圖7 焊后需滿(mǎn)足跳動(dòng)要求的位置示意

經(jīng)多輪試驗(yàn)， 4 kW激光功率可以滿(mǎn)足7 mm熔深要求。通過(guò)調(diào)整其他參數(shù)，焊后溫度可以控制不大于70 ℃，總成焊接前后各處跳動(dòng)值經(jīng)檢測(cè)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

將激光焊接的差速器總成裝入橋總成后，依據(jù)QC/T 533—1999 《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭試驗(yàn)及驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)，符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖8)。

圖8 驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭試驗(yàn)及驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

將激光焊接的差速器總成送到專(zhuān)業(yè)研究機(jī)構(gòu)，與螺栓連接差速器總成進(jìn)行油耗對(duì)比試驗(yàn)， 80 ℃、200 N·m高扭矩條件下激光焊接總成傳動(dòng)效率可達(dá)98%，激光焊接較螺栓連接有1.3%左右的節(jié)油效果(見(jiàn)圖9)。

圖9 激光焊接差速器和螺栓連接差速器油耗對(duì)比

3 總結(jié)

應(yīng)用激光技術(shù)直接焊接機(jī)械加工狀態(tài)的差速器殼和盆齒輪，在新差速器總成減重基礎(chǔ)上，新總成各裝配位置精度很好得到了保證，新總成疲勞靜扭等試驗(yàn)性能也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，新總成裝配主減速器后傳動(dòng)效率較舊螺栓連接工藝差速器總成提升明顯，是一種很值得推廣的新技術(shù)應(yīng)用。