汽車變速器齒輪壓裝機機身優化設計

汪 波

（安徽巨一自動化裝備有限公司研發部，安徽 合肥 230051 ）

前言

當前汽車行業快速發展，人們對汽車的需求增加。各個汽車設計企業競爭激烈，為了保證企業的核心競爭力，加強在技術領域的研究和創新十分必要。汽車變速器齒輪壓裝機是一個非常重要的技術內容，如果可以在機身設計和優化方面有一定的突破，那么和同行業相比在市場競爭中就會占據絕對的主動。下面就對這些方面進行分析，希望給有關人士一些借鑒。

1 分析機身優化的確立

1.1 分析優化的內容

壓裝機是主要設備，其機身構成包括鋼板，局部進行焊接，機身是設備的主要承力單元。為了確保機身的承重，必須科學設計機身使用的鋼板厚度，如果鋼板選擇不當，機身的強度、剛度都會下降。通過實踐分析，發現開口高度、喉深度、壓裝力會導致機身發生變形。對于變速器齒輪而言，其整體外形不會有很大的變化，因此雖然齒輪壓裝機壓樁力不同，但是在外形方面不會有很大差異。通過上述內容的分析可以得知，壓裝力是導致齒輪機身發生變形的重要因素，因此下面就對這一內容做重點分析。在分析過程中，技術人員選擇的壓裝力不同，分別是30kN，50kN，100kN，250kN，400kN，將這五組壓裝力作為研究的對象[1]。

1.2 分析對約束條件的優化措施

結合變速器整體設計要求，必須保證各項指標符合標準，提高其質量。要求齒輪的裝配精度必須滿足下面兩點：第一點，完成齒輪裝備工作之后，其上基面和下基面和主軸處于垂直，垂直度控制在0.015mm范圍。第二點，完成裝配工作之后，齒輪和主軸同軸度滿足要求，并且誤差控制在0.015mm范圍，如果超過這一范圍，那么其不合格，必須重新進行設計和安裝。

對機身有嚴格的要求，機身是重要的承力到哪我i額，必須保證裝配的剛度，如果剛度不達標，對齒輪裝配精度產生重大影響。因此在具體操作過程中，做好下述兩點：第一點，當輸出的壓裝力最大時，機身不僅可以承受壓力，而且其剛度非常好，在巨大壓力作用下不會被破壞，保證表面的完整性。在此基礎上，確保有足夠的剛度保證壓頭壓裝面和齒輪表面的平行度，這樣實際運行中才會保證質量，否則容易發生安全事故。一般其平行度要控制在0.015mm范圍。第二點，進行壓裝操作過程中，要求機身剛度滿足設計要求，齒輪、壓頭中心軸、主軸具有很好的同軸度，同軸度具體控制在0.015mm范圍[2]。

2 分析有限元

2.1 介紹研究中應用的軟件

在研究中選擇了ANSYS軟件，是美國一家公司研究的軟件，其可以很好的進行有限元分析，由于技術優勢明顯，當前在很多領域得到應用。在機械制造方面，技術人員通過實踐操作，發現其操作簡單，分析速度快，得到的數據可靠，因此受到技術人員的青睞。ANSYS軟件尤其自己的特點，其分析速度快，可以對復雜結構的非線性、線性、動力進行分析，還可以進行模態分析，如果有需要，該軟件可以進行斷裂力學分析，在這次研究中應用該軟件，可以對壓裝機進行建模分析，準確計算出其剛度和強度。

2.2 分析有限元模型的建立

結合所設計的壓裝機機身尺寸，構建ANSYS模型，根據要求定義所需要材料的屬性。一般要求其泊松比達到0.33，彈性模量達到2.06×105MPa，密度達到7.85×10-6kg . mm-3，分析中引用了映射網格，得到的效果圖如下，相關人員可以進行參考和分析。完成上述工作之后，對其施加荷載和約束力。根據其實際情況，對其分別施加30kN，50kN，100kN，250kN，400kN力，施加的重力加速度是9.81m/s2。具體施加力時，都施加到機身底座的四個地腳位置，對于后兩個地腳可以施加三個軸線方向的約束，對于前兩個地腳只施加豎向的約束。

圖1 網格劃分示意圖

3 分析最終得到的結果

技術人員為了得到的結果更加明確，制作了圖 2，可以參考進行分析。在圖中設定了壓頭底面和中心軸線之間的交點是A，中心軸線和齒輪面的交點是B，通過軟件進行計算，得到兩點之間的偏差約等于壓頭和齒輪中心軸線的最大誤差。得到這一數據之后，為了得到優化后更明確的效果，先對優化之前的情況進行分析。結合傳統設計方法可以得到在第一約束條件下同軸度之間的偏差情況，可以參考下表所示。通過表中所提供的數據得知，其極限偏差是0.015mm，當前對機身板材厚度設計中，為了避免不合格，其厚度都有很大的富裕量，因此有足夠的空間進行優化。結合實際測量的數據和軟件計算得到的數據，二者進行有效的對比，得到一定的差距。除此之外，技術人員還需要對理論計算的補償量進行分析，綜合上述兩方面的內容，最終得到其實際偏差為0.01mm，這一數值就是最終的優化目標，技術人員根據這一數據，使用有限元進行計算，可以最大程度上減少板厚尺寸，保證整體設計的安全性和合理性[3]。

表1 優化前偏差計算結果

圖2 壓頭與齒輪示意圖

4 分析優化之后的結果

4.1 應力計算結果分析

通過對設計情況進行優化計算，可以得到準確的壓裝力對應壓裝機機身的板厚以及偏差值，分析過程中，為了達到明確的效果，通過第二個優化條件對第一個優化條件得到的結果進行校核，發現當壓裝力是最大時，得到對應的機身大小，具體數值如表3。

表2 優化后偏差計算結果

表3 應力計算結果

4.2 分析變形引起的角度變化

分析中技術人員要注意，驗證中機身選用的材料是Q235，查閱相關資料可以得知其屈服應力最大應該是σs=235MPa，其安全系數取值為 2，通過公式進行計算，公式為：[s]=σx/n=235/2=117.5MPa，通過對上述所得到數據的分析，發現所有的機身應力都比 117.5MPa小，由此可見這種優化得到最終結果符合機身應力要求，因此可以投入到實踐工作中。如果壓裝機通過最大壓裝力進行壓裝時，機身出現的變形量最大，這種變形會致使壓頭位置出現偏離，和其設計位置產生很大偏差，如果不能有效對這方面進行控制，最終得到的產品會不合格，嚴重時還會導致導向軸和壓軸出現嚴重變形。為了方便理解，特附圖 3，可以參考進行分析。為了達到理想的平行度要求，不僅對壓裝機進行嚴格的設計，對其剛度和強度參數進行嚴格的控制，還必須重視導向軸的剛度，研究壓頭的強度情況，這些因素中有一項不能準確控制，對整體效果都將產生很大影響。另一方面，壓頭如果發生變形，將會產生角度方面的變化，這種變化要比機身變形導致的角度變化大，針對這一情況，當壓裝機壓裝力是最大時，齒輪壓裝面依然保持水平，符合理想的設計效果，達到這一要求后也就滿足了第二條優化約束條件，為第二條優化達成創造良好的條件，否則將會功虧一簣。

表4 變形引起的角度變化數據表

4.3 分析通過優化得到的幾點結論

通過對機身進行合理優化，機身重量和之前設備相比減輕了20%，結合上述分析結果，對五組測試數據得到的數值繪制成曲線，并對五組曲線進行擬合，整合出鋼板厚度和壓裝力曲線，通過這一曲線可以為以后在不同壓力設定下，對板厚值的設定提供數據依據。

圖4 擬合曲線

5 總結

通過以上對汽車變速器齒輪壓裝機機身優化設計分析，對比設計前后的數據情況，發現這種優化設計滿足實際要求，和傳統設計相比優勢明顯，因此投入市場后具有很強的競爭力。

[1] 劉松凱,尹健,白洪飛.汽車變速器齒輪壓裝機機身優化設計[J].制造業自動化,2016,38(3):71-73.

[2] 呂希勝,朱軍.新型汽車變速箱壓裝機控制系統的設計[J].組合機床與自動化加工技術,2016,48(6):50-52.

[3] 劉松凱,董雪松,冉磅礴,等.變速器殼體定位銷及軸承全自動壓裝機組[J]. 2014.114-115.