車輛自動變速器齒形離合器轂的合理制造工藝探討

趙升噸，孟德安，董 鵬

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

隨著國內汽車數量的增加，交通擁堵變得越來越嚴重，復雜的交通環境使得手動擋車型駕駛體驗變差，自動擋需求逐年提升，截至2017年8月，中國汽車市場自動變速器滲透率已經超過50%，預計2020年有望突破75%，自動變速器市場規模將超過600億元[1]。而自動變速器中為了節約空間和降低重量均使用齒形離合器轂件傳遞動力（以液力自動變速器和雙離合自動變速器為主），其形狀復雜，尺寸精密，是變速箱制造中最為困難的零件之一[2]。

圖1 汽車自動變速器中齒形離合器轂

早期離合器轂主要通過鑄造、切削等傳統機械加工方式成形，材料利用率低，加工時間長，整體制造成本高。隨著汽車向輕量化、高強度和低成本化方向發展，近年來國外各大汽車公司紛紛嘗試以金屬板材體積成形方式制造離合器轂件[3]，以提高材料利用率，縮短生產時間，降低生產成本。但由于該零件外形復雜，成形道次多，模具設計困難，具有較高加工難度，生產技術僅僅掌握在少數幾個國外公司手中。隨著國內汽車自動變速器使用量的持續增長，齒形離合器轂件需求量將會大大增加，離合器轂件的加工技術也會成為未來汽車行業研究的熱點問題。

1 齒形離合器轂工作原理

齒形離合器轂是一種特殊薄壁齒形轂形零件，主要用于汽車自動變速器內部動力的傳輸，在液力自動變速器（AT）和雙離合自動變速器（DSG）均有使用。從圖1可以看出，齒形離合器轂為開口筒形件，筒壁為等節距齒形結構，齒形筒壁上往往分布有距筒底高度不等單形狀和尺寸相同的腰圓孔，用于潤滑油液的流通。齒形離合器轂在AT中使用最多，圖2為6AT自動變速箱原理圖，從圖中可以看出該自動變速器一共有5組離合器，下面以C2離合器為例簡單介紹自動變速器離合器轂的工作原理。C2離合器共有6片離合器片，其中3片為內齒片，與離合器轂相聯，另外3片為外齒片，與另一齒形內轂相聯，內齒片與外齒片中間有摩擦片，當內齒片和外齒片在外力作用下壓緊時，發動機動力就通過C2離合器傳遞給下一部件，同樣當內齒片與外齒片分離時，動力切斷，可以看出離合器轂是自動變速器中重要的動力傳輸部件[1]。

圖2 離合器轂工作原理

2 齒形離合器轂成形過程

齒形離合器轂早期主要通過鑄造然后機加工的形式成形，先設計鑄造模具，通過鑄造工藝獲得零件大致形狀，然后再將毛坯進行切削加工，獲得最終零件，該成形工藝材料利用率低，生產時間長，成本較高。近幾年伺服沖壓技術和板材體積成形技術得到了迅速發展[4]，尤其在外形復雜的高強度薄壁零件，根據齒形離合器轂的特點，其成形過程主要分為4部分，如圖3所示。第一步為下料，先根據最終零件尺寸確定坯料大小，一般為圓形坯料，下料工藝主要通過沖壓或者激光切割，這道工序較為簡單，是板材加工中最常用的工藝。第二步為拉深，拉深工藝要根據拉深比的大小確定是否需要壓邊，壓邊力的大小可以通過計算機模擬或者經驗公式獲得[5]，合適的壓邊力是確保拉深質量的重要因素。第三步為齒形成形，該工序為齒形離合器轂成形的關鍵工藝，合適的齒形成形工藝能提高零件的精度，提高強度，降低后續整形過程。目前常用的齒形成形工藝有滾軋、旋壓、沖壓等，后面將對目前多種齒形成形工藝進行詳細介紹。第四步為沖孔，在齒形上分布有腰圓形通孔，一般通過專用沖孔設備進行加工，也可以通過激光切割進行沖孔。從圖3中可以看出，齒形離合器轂加工工藝較多，尤其是齒形成形，往往需要設計專用模具和專用設備，制造成本較高，因此選取合適的加工工藝進行齒形成形是保證高質量、低成本離合器轂件的關鍵。

圖3 齒形離合器轂成形過程

3 離合器轂齒形成形工藝介紹

離合器轂齒形成形一直是板材體積成形領域的熱點問題，從上個世紀國外一些公司和科研單位開始從事齒形離合器轂生產研發工作，其中最具代表性的是瑞士的GROB、德國的LuK和GETRAG、美國的BorgWarner，GROB提供齒形離合器轂生產的全套生產線，包括筒形拉深、齒形成形和沖孔等各種裝備[6]，國內設備大部分來自該公司。而LuK、GETRAG和BorgWarner主要涉及變速器各部件的制造和動力總成，并均在國內設有制造中心。其他諸如臺灣倉佑實業，上海交運集團等，只負責零部件的生產銷售，并不具備設備自主研發能力。

在離合器轂齒形成形新工藝的研發上，日本、德國、韓國、臺灣等地方的學者做了大量的研究工作。日本的K Mori教授提出了一種通過電流加熱成形高強鋼板齒形件的新工藝[7]；韓國Byung Min Kim教授開發了一套滾擠成形模具，并通過有限元和試驗分析了該工藝的可行性[8,9]；臺灣的楊俊彬教授系統分析了齒形離合器轂各個成形階段工藝的選擇[10]。國內從2010年之后開始陸續有學者研究該零件的成形工藝，其中華中科技大學[11]和吉林大學[12,13]對DSG離合器轂的沖壓成形工藝進行了系統研究，另外還有上海交通大學[14,15]、中國兵器工業集團[16]、上海理工大學[17]等單位也在嘗試探索該零件的沖壓以及旋壓制造工藝。總之，國外對該零件的研發制造已經大大超前國內，國內對該零件成形工藝的研究才剛剛起步。下面我們將對現有離合器轂齒形成形工藝進行簡要介紹。

3.1 滾打成形工藝

離合器轂齒形滾打成形[6]原理如圖4所示，圓筒形坯料套在凸模上，一對與凸模齒廓相同的滾輪對稱安裝在坯料兩側，坯料中心軸與滾輪中心軸相互對稱，滾輪繞器中心軸高速旋轉對工件滾打，滾打處的金屬發生塑形變形，每滾打一次，凸模軸向進給一定距離并繞自身軸線旋轉一個齒的角度。滾打成形工藝是一種無屑加工技術，表面質量高，加工時產生的徑向壓應力能提高工件的疲勞強度和扭轉剛度，適合加工貫通齒。但該工藝需要專用滾打成形設備，滾輪制造困難且通用性差。

圖4 滾打成形工藝原理

3.2 滾擠成形工藝

齒形離合器轂滾擠成形[8]原理如圖5所示，一組與凸模齒廓相同的滾輪沿坯料圓周方向均布，滾擠成形過程中，圓筒形坯料套在凸模上并跟隨凸模不斷軸向推進，在滾輪的作用下，坯料接觸區域的金屬材料發生塑性變形，相鄰滾輪對材料產生擠壓作用使得圓通外壁出現凸凹不平的齒形，同時由于摩擦作用，滾輪與坯料間發生相對滾動，進而沿坯料軸向逐漸滾擠成形。滾擠成形工藝設備簡單，模具使用壽命長，生產效率高，成形花鍵軸機械性能好。但受模具空間限制，所加工齒形個數較少，而且滾輪的安裝調試困難并影響花鍵軸的成形精度，滾輪安裝機構剛度要求高，不適合加工大模數、大齒數、細長類零件。

3.3 徑向鍛打成形工藝

圖6為齒形徑向鍛打成形[18]原理圖，圓筒形坯料嵌套在芯模上，一對與凸模齒廓相同的凹模對稱分布，成形過程中，凹模沿著徑向鍛打坯料，沒鍛打一次，芯模帶著坯料轉動一個齒的角度，鍛打過程坯料只做軸向轉動，軸向與凹模相對靜止，該工藝與滾打工藝有些類似，都能在工件表面形成壓應力，提高工件的疲勞強度和壽命，與滾打工藝不同的是徑向鍛打可以成行階梯形齒形，但不利于成形長度較長的貫通齒。

圖5 滾擠成形工藝原理

圖6 徑向鍛打成形工藝原理

3.4 旋壓成形工藝

旋壓是材料塑形成形中常用的生產工藝，根據變形原理不同可分為普通旋壓和強力旋壓，普通旋壓一般用來成形精度要求不高筒形件，強力旋壓可借助旋輪使材料沿著成形模具進行局部輾壓變形而變薄拉長，強力旋壓可以成形很多具有內部微細結構的高精度薄壁回轉零件。圖7為齒形離合器轂旋壓成形工藝[19]原理，坯料套在芯模上跟隨芯模一邊轉動，一邊軸向進給，三個旋輪軸向固定，徑向可以調整下壓量來控制坯料變形程度，對于減薄率較大的零件一般要進行多次成形以免變形量太大損傷工件和模具。對于齒形離合器轂的制造中，旋壓工藝生產效率高，產品可靠度高，但是旋壓工藝只能完成對齒形離合器轂內轂件的加工，即外壁光滑，內壁有齒形的零件，而對于傳統的外轂件，旋壓工藝無能為力。

圖7 旋壓工藝原理

3.5 沖擠成形工藝

沖壓與擠壓是材料塑形成形過程應用最多的工藝，沖壓一般應用于板材成形，材料厚向變化較小，材料內部組織流動較小，擠壓一般應用于體積成形，材料內部組織整體流到較大，齒形離合器轂是具有復雜齒形的薄壁零件，可以采用沖壓跟擠壓的相結合的辦法加工。圖8為齒形沖擠成形[15]原理，該工藝最大的特點為省去圖3中的拉深過程，將拉深工藝與齒形成形集成到一個工序中，沖擠成形工藝需要兩個關鍵條件，一個是材料拉深比較小，不需要壓邊，另一個是凹模要設計較長的過渡圓角，否則材料在入模處容易引起褶皺，阻礙材料的流動。沖擠成形工藝具有工藝簡單，成形設備造價低等特點，但是由于所有齒形是同時成形，成形力較大，在沖壓跟脫模過程容易引起工件表面劃傷。

圖8 沖擠成形工藝原理

3.6 振動沖壓成形工藝

在金屬塑形成形工藝過程中，給凹模或坯料疊加一定頻率和一定振幅的振動能有效降低成形力和提高表面質量，該工藝稱之為振動輔助塑性成形工藝[20]。該工藝同樣適應于離合器轂齒形的成形，如圖9所示為振動沖壓原理，由于目前伺服壓力機的大量使用，在單次沖壓過程可以使滑塊在極短時間內完成往復沖壓運動，當該過程足夠快時將產生振動效果。在齒形振動沖壓過程，凸模固定，坯料套在凸模之上，凹模按照圖9a的曲線運動，在凹模每個振動周期內都存在有半個周期凹模與坯料短暫分離，此時潤滑油將會重新進入凹模內部，從而改善凹模與坯料之間的潤滑條件，同時由于振動的存在，將會促進材料內部位錯的運動。由于同時有“體積效應”和“表面效應”的存在，將會極大降低成形力，有利于材料流動，并提高工件表面質量。但是使用伺服壓力機產生振動頻率有限，要獲得更高的振動頻率需要設計專用的激振器。

各成形工藝橫向對比結果如表1所示，綜上所述，離合器轂齒形可以通過多種成形工藝實現。與傳統機加工相比，各種加工工藝各有利弊，除了旋壓工藝外其他5種工藝均可以成形內外齒，旋壓工藝只能成形內齒，通過對比發現振動沖壓成形是一種模具簡單、成形質量較好、綜合成本較低的成形工藝。

圖9 振動沖壓原理圖

表1 各種成形工藝對比

5 結論

（1）離合器轂齒形主要通過局部或整體塑形變形工藝成形，局部塑形變形（滾打、滾擠、徑向鍛打和旋壓）成形力小成形質量高，但是效率相對較低，整體塑形變形成形效率高（沖擠），但是成形力大，容易引起表面損傷。

（2）局部塑形變形（滾打、滾擠、徑向鍛打和旋壓）是目前齒形離合器轂最主要的成形方式，但是設備造價高，技術壟斷，國內從事該方面加工制造的企業較少。

（3）將振動與沖壓結合是成形離合器轂齒形的新工藝，該工藝成形設備簡單，成形效率高，并且克服了傳統沖壓工藝中表面質量差等缺點。

齒形離合器轂作為自動變速箱內的關鍵動力部件，在未來需要更高的強度、更低的成本以及更簡單高效的成形方法來滿足現代汽車輕量化、高強度和低成本化的發展。國外對該零件的研究已經大大超前國內，國內同行還需要在新設備、新工藝的開發投入更多的資金和精力，以此推動中國汽車自動變速器技術的發展。