汽車花鍵軸零件的生產工藝綜述

趙升噸，李泳嶧，范淑琴，孫振宇，張 琦

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

汽車花鍵軸零件的生產工藝綜述

趙升噸，李泳嶧，范淑琴，孫振宇，張 琦

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

簡述了花鍵聯接的特點、花鍵軸零件在汽車底盤中的安裝部位及其在汽車工業中的重要性。根據2008～2011年我國汽車總產銷量分析了汽車花鍵軸零件的需求狀況。分析了目前我國汽車花鍵軸零件的生產工藝及供貨方式，指出強化我國汽車花鍵軸零件的高效、精密、節材工藝及設備研發的必要性，以及專業化、系列化、標準化、批量化生產汽車花鍵軸零件的迫切性。

機械制造；花鍵軸；生產工藝；綜述；汽車

1 引言

汽車工業在國民經濟中起著舉足輕重的作用，汽車也是人們日常出行重要的交通工具，與人們生活息息相關。汽車花鍵軸零件作為汽車整體組成中不可或缺的零件之一，其供求狀況直接決定著汽車工業的生產能力及發展水平。

本文首先簡述了汽車的整體組成以及花鍵聯接的特點，明確了花鍵軸零件在汽車底盤中的安裝部位以及對汽車正常工作的重要性。其次簡單分析了我國2008～2011年我國汽車產銷情況，并根據2011年我國汽車的產量指出我國2011年汽車用花鍵軸零件的需求量達55000萬件左右。最后分析了目前我國汽車花鍵軸零件的生產工藝，并基于四大汽車集團（上汽、一汽、東風、長安）簡要分析了目前我國汽車花鍵軸零件兩種供貨方式的優缺點，指出汽車花鍵軸零件生產方式的發展方向：高效、精密、節材以及專業化、系列化、標準化、批量化。

2 汽車花鍵軸零件介紹

汽車從總體組成上包括四大部分：發動機、底盤、車身、電氣設備[1]。發動機是汽車的動力裝置，作用是使燃料經燃燒轉化為汽車的動能。底盤是汽車的骨架，用來支承車身，接受發動機的動力，保證汽車的正常行駛。底盤又可分為傳動系統、行駛系統、轉向系統和制動系統。車身是形成駕駛員和乘客乘坐空間和裝載貨物的裝置。電氣設備包括電源、發動機起動系統以及汽車照明等用電設備[2][3]。

花鍵軸是機械系統中用來傳遞軸與軸之間運動和扭矩的零件，花鍵聯接由軸上的外花鍵和轂孔的內花鍵組成，如圖1所示。花鍵聯接作為一種聯接強度高、結構緊湊、可靠性高的聯接方式，廣泛應用在航天航空、汽車、拖拉機、船舶、機床、工程機械等領域。花鍵按照齒形的不同可分為矩形花鍵和漸開線花鍵兩大類。矩形花鍵特點為多齒工作、承載能力高、對中性好、導向性好、應力集中小、軸與轂強度削弱小，加工方便；漸開線花鍵特點是齒廓為漸開線，受載時齒上有徑向力，能起自動定心作用，使各齒受力均勻，強度高，壽命長，加工工藝與齒輪相同，易獲得較高精度和互換性[4][5]，適用于載荷較大、定心要求精度高的場合。

由于花鍵聯接具有諸多優點，花鍵軸零件被廣泛應用在汽車工業中，主要在汽車整體組成中的底盤部分上，用來實現傳動、變速、轉向等功能。如圖2所示，其中圈出的部位為花鍵軸零件的安裝位置。

例如：傳動系統中，離合器、變速器、萬向傳動裝置、差速器等都含有花鍵軸零件；在行駛系統中的前橋、后橋和驅動橋中含有花鍵軸零件；在轉向系統和制動系統中的轉向柱、制動器等也都含有花鍵軸零件[1－3]。據統計，在一輛中型卡車上含花鍵軸零件30件左右，其中典型的花鍵軸零件有差速器半軸、萬向節軸叉、轉向柱、變速器輸出軸等，如圖3所示。

以一輛中型卡車（東風EQ140型）為例，在其汽車整體組成中花鍵軸零件的使用如下：在中間傳動軸花鍵軸、主動錐齒輪花鍵、后橋半軸花鍵和差速器半軸齒輪花鍵等位置通常使用漸開線花鍵，模數取2.5居多，齒數取18、20居多，材料則有40MnB15、20MnVB等。在第一軸花鍵、離合器盤轂花鍵、第二軸花鍵、傳動軸花鍵、轉向傳動軸花鍵、萬向節滑動叉花鍵、制動凸輪花鍵等位置通常使用矩形花鍵，齒數從6到20不等，而材料則選用40MnB45、18Cr－MvTi、45等。此外，三角花鍵也有一定的采用，如在轉向搖臂軸花鍵、轉向軸花鍵等[6]。

由此可見，花鍵軸零件在汽車構造上的應用極其廣泛，并且在很多場合起著不可或缺的作用。可以說，汽車花鍵軸零件的生產制造能力直接影響著汽車工業的生產能力和發展水平。

3 中國汽車需求量分析

在我國，宏觀經濟的持續穩定、國家出臺的“汽車下鄉”、“小排量乘用車購置稅優惠”、居民收入消費水平的提高等多種因素保證了汽車市場的持續繁榮。但隨著汽車工業的高速發展，環境、交通等方面的問題日益突出，汽車工業也出現了一些新的變化，例如國家的總量刺激政策逐漸向調控和結構調整、節能和新能源汽車產業進入實際操作階段、汽車消費成本不斷上升、汽車市場在在城市地區的消費能力逐漸飽滿，進入了普及期，汽車需求重心將逐漸轉向二、三線城市。

從表1可以看出，2008～2011年間，中國汽車的總產銷量幾乎呈現出直線增長的規律。可以說，中國汽車工業正處在全盛時期，并且將持續5～10年，每年的汽車產銷總量將基本維持在2000萬輛左右。汽車工業的快速發展以及汽車的龐大需求量對汽車零

表1 2008～2011年中國汽車產銷情況（萬輛）

部件的需求量及使用要求也將不斷提高。

4 中國汽車花鍵軸零件需求分析

按照2011年中國汽車總產量1841.89萬輛、每輛汽車上花鍵軸零件30件計算，忽略汽車用花鍵軸零件使用折舊方面的需求量，2011年中國汽車用花鍵軸零件數量可達55000萬件。并且在未來的5～10年內，中國汽車工業對花鍵軸零件的需求量仍然十分龐大，基本維持在60000萬件左右。這對于目前中國汽車工業中花鍵軸零件生產能力提出了新的挑戰。

5 我國汽車花鍵軸零件生產工藝及供貨方式分析

目前，花鍵軸零件的生產工藝主要有傳統的切削加工工藝和塑性成形工藝兩種方式[8]。切削加工工藝可分為仿形法和展成法兩種。仿形法是利用與花鍵軸齒廓曲線相同的成形刀具在機床上直接切出齒槽而成形花鍵軸零件。通常在臥式銑床或專用花鍵軸零件銑床上完成，刀具通用性差，生產效率低，加工精度達6～7級，適合單件小批量生產。展成法分為插齒和滾齒兩種，在插齒加工花鍵軸零件工藝中，需使用專用的與花鍵軸齒廓相同的插齒刀完成花鍵軸零件的加工，生產效率低，加工精度達6～7級；而在滾齒加工花鍵軸零件工藝中，滾齒刀具的軸向截面齒廓為精確的直線齒廓，刀具在轉動時相當于齒條在移動，可實現花鍵軸零件的連續切削。花鍵軸的展成法生產需在專用的插齒機或滾齒機上完成，生產效率高，加工精度達6～7級，適合大批量生產，但設備成本較高。

汽車花鍵軸零件的塑性成形工藝利用了金屬在常溫下具有一定塑性的特點，在模具的作用下使毛坯產生塑性變形而形成漸開線花鍵軸。根據成形原理的不同可分為擠壓、滾軋、滾打等[8－11]。

花鍵軸零件的擠壓工藝較為常見。毛坯在壓力機作用下通過具有與花鍵軸零件參數相同的內花鍵模具，毛坯在軸向送進的同時在徑向逐漸發生塑性變形，從而在毛坯表層擠壓出花鍵結構。擠壓生產方式機床簡單，但模具容易磨損，僅適于加工齒數和模數較小的花鍵軸零件，不能加工細長類花鍵零件，生產效率較高，成形花鍵軸零件表面質量可達Ra0.8，抗彎扭能力強。

花鍵軸零件的滾軋工藝中，滾軋模具在轉動的同時壓入毛坯，使毛坯表層金屬產生塑性變形，從而形成花鍵軸零件的齒廓結構。可分為齒輪形模具滾軋和齒條形模具滾軋兩種。滾軋生產方式需專用機床，設備成本高，可加工小模數、階梯類花鍵軸零件，生產效率高，成形花鍵軸零件表面質量可達Ra0.4～1.6，使用性能好。如法國Escofier公司的Flex 40 syncroll型號的花鍵軸滾軋機，加工毛坯直徑可達130mm，最大模數可達2.5，加工長度可達400mm，滾軋時間為6～12s。

花鍵軸的滾打工藝中，用一對與花鍵軸零件齒廓一致的滾輪作為模具，滾輪在高速旋轉的同時打擊工件，使工件產生塑性變形而成形花鍵結構。滾打生產方式需專用機床，且滾輪制作困難，可加工大模數花鍵軸零件，但不能加工階梯類花鍵軸零件，生產效率比切削生產方式高，但略低于擠壓及滾軋生產方式，成形花鍵軸零件表面質量可達Ra0.4～0.8，使用性能好。如瑞士GROB公司的ZRMe12花鍵冷滾打機，加工毛坯直徑可達340mm，加工長度可達1000mm。

可見，花鍵軸零件的塑性成形生產方式較切削加工具有生產效率高、材料利用率高、產品使用性能好等諸多優點，符合汽車輕量化的生產目標，將會逐漸取代傳統的切削方式，成為汽車花鍵軸零件的主要生產方式。但從以上花鍵軸零件在汽車整體組成中的應用情況可以看出，花鍵軸零件種類多，且花鍵軸零件的生產工藝中多需用專用的切削或成形設備，生產成本高，因而目前基本沒有任何一家汽車企業擁有生產所有汽車花鍵軸零件的設備。

隨著經濟全球化和生產全球化的迅猛發展，很多企業的生產組織形式都一定程度上受到了影響。生產全球化的生產組織模式有以下優點：加強企業核心競爭力，提高企業靈活性和抗風險能力，降低市場交易成本[12]。目前，中國汽車工業中花鍵軸零件的供貨方式主要有兩種，一是汽車企業自主生產供貨，二是由專門的汽車零部件生產企業供貨。第一種供貨方式計劃性強，但生產成本大，生產周期長，通常存在于一些傳統的汽車企業；第二種供貨方式雖計劃性差，但生產成本低，生產周期短，且生產靈活性強，通常存在于合資類汽車企業。結合2008～2011年中國汽車企業銷量排名分析，前4位均由上汽、一汽、東風、長安四大汽車集團占據，而這四大汽車集團均為合資企業，自主企業中奇瑞、比亞迪、江淮、吉利等位列7～10位[7]。在這四大汽車集團中，上汽主要從事乘用車、商用車和汽車零部件的生產、銷售、開發、投資及相關的汽車服務貿易和金融業務。一汽主營業務板塊按領域劃分為研發、乘用車、商用車、毛坯零部件、輔助和衍生經濟等六大體系。東風主營業務包括全系列商用車、乘用車、發動機及汽車零部件等。長安主營業務包括長安牌微型汽車、長安鈴木、長安福特馬自達汽車的開發、制造和銷售，同時制造和銷售用于微型汽車系列產品的各種型號的江陵牌發動機。

從四大汽車集團的主營業務可以看出，這些大型汽車集團都從事汽車零部件生產業務，具有一定的汽車零部件生產能力，也即屬于汽車花鍵軸零件自主生產供貨范疇。例如在上汽集團，其離合器由其旗下的上海薩克斯動力總成部件系統有限公司負責供應。在一汽集團，變速箱由其旗下的一汽解放汽車有限公司變速箱分公司負責生產，車橋則由一汽解放汽車有限公司車橋分公司負責供應，而富奧汽車零部件有限公司則主要生產供應汽車的轉向及傳動系統。在東風汽車集團，其變速器由東風汽車變速箱有限公司負責供應，車橋總成由東風車橋股份有限公司負責供應，離合器由東風汽車傳動軸有限公司負責供應。但是，花鍵軸零件由專門的汽車零部件生產企業供應的方式也同樣存在于上述四大汽車集團中，例如上汽集團，其轉向機構是由上海采埃孚轉向機有限公司負責供應，而等速萬向節傳動軸、十字萬向節傳動軸等零部件由上海納鐵福傳動軸有限公司供應。可見，由于汽車花鍵軸零件的生產特點以及受生產全球化的影響，目前中國大部分汽車企業在汽車花鍵軸零件的供貨上多采用由專門的汽車零部件生產企業供貨的方式。

但是，目前我國專門的汽車零部件生產企業中，存在花鍵軸零件生產水平參差不齊，生產方式多以傳統的切削加工為主等問題，不利于我國汽車工業零部件制造水平的提高和汽車輕量化生產目標的實施。因此，強化我國汽車花鍵軸零件高效、精密、節材的生產工藝及設備研發，建立汽車零部件專業化、系列化、標準化、批量化的生產方式就顯得非常必要和迫切。

6 結論

（1）由于花鍵聯接具有聯接強度高、結構緊湊、可靠性高等諸多優點，花鍵軸零件被廣泛應用在汽車的底盤構造中，通常每輛汽車的整體組成中約含30個左右花鍵軸零件。

（2）目前我國汽車工業處于全盛時期，并且在未來5～10年，我國汽車每年的總產銷量預計將維持在2000萬輛左右，對汽車花鍵軸零件的需求量達60000萬件左右，這對我國汽車工業中花鍵軸零件的生產能力提出了新的挑戰。

（3）汽車花鍵軸零件的生產工藝包括切削加工和塑性成形兩種。其中切削加工工藝包括銑削、插齒和滾齒，塑性成形工藝包括擠壓、滾軋和滾打等。

（4）目前我國汽車工業中大部分汽車企業在花鍵軸零件生產供貨方式上采用由專門的汽車零部件生產企業供應的方式。該方式生產成本低、周期短、靈活性強。

（5）強化我國汽車花鍵軸零件高效、精密、節材的生產工藝及設備研發，建立汽車零部件專業化、系列化、標準化、批量化的生產方式對提高我國汽車零部件制造水平以及實現汽車輕量化生產非常必要和迫切。

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[3] 關文達.汽車構造（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2010.

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[7] 中國汽車工業協會網站（http://www.caam.org.cn/）.

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[9] 張鳳寬，門連通.漸開線齒外花鍵開式冷擠壓的理論模型與工藝參數的研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2006，41（3）：95－97.

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[11] 張大偉，付建華，李永堂.花鍵冷滾壓成形過程中的接觸比[J].鍛壓裝備與制造技術，2008，43（4）：80－84.

[12] 周寶根.全球化生產的涵義、方式與意義[J].求實，2005，（6）：40－42.

Overview about production process of spline shaft part for automobile

ZHAO Shengdun,LI Yongyi,FAN Shuqin,SUN Zhenyu,ZHANG Qi
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,Shanxi China）

The integrated composition of automobile,characteristic of spline connection and the installation position of spline shaft part on automobile chassis have been introduced in the text.The importance of spline parts to the operation of the automobile has been put forward.The total national production&sales and the demanding of the spline parts from 2008 to 2011 have been simply described.The current production process and supply mode of automotive spline shaft part in China have been analyzed.The necessity of intensifying efficient,precise&materialsaving process and R&D of equipment has been pointed out,as well as the professional,serial,standard,and batch needs to the spline parts.

Spline shaft part;Production process;Overview;Automobile

TG376

B

1672－0121（2012）03－0074－04

2012－01－05

趙升噸（1962－），男，教授，博導，從事先進材料成形技術、復雜機電液系統研究