關于差速器選墊工藝的研究

黃祖思 麥承賢 徐永路 梁甲 李懷習 范明林 董恒波 趙雷

柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司 廣西柳州市 545005

1 引言

在前驅汽車變速器中，差速器是傳遞扭矩的重要部件，其作用是使左、右的半軸實現不同轉速驅動車輪，以實現汽車轉彎的需求。差速器齒輪側隙的匹配適合性決定了半軸齒輪、行星齒輪、差速器殼體的使用壽命，同時也影響到變速器的NVH性能，影響到駕駛員及乘客的主觀感受。現有差速器裝配工藝在將半軸齒輪、行星齒輪、半軸齒輪墊片、行星齒輪墊片等零件裝配好后，需要對半軸齒輪間隙進行測量，確認合格。現有某款產品產線工藝存在間隙測量值波動大，且偶爾出現超出要求范圍的間隙值等缺點。本文將對差速器結構、工作原理及裝配工藝的研究，以期優化現有的差速器裝配工藝與要求。

2 系統結構及工作原理

變速器的動力需要經過一系列的傳動機構才能傳遞到汽車的驅動輪，而差速器是變速器動力最終輸出的總成零件，差速器內部采用傘齒輪傳動的方式，傘齒輪在差速器內部處于浮動的狀態，為使得差速器傘齒輪處于最佳的運動狀態，需要對其間隙提出要求。

2.1 系統結構

如圖1所示，差速器由差速器殼體、行星輪軸、半軸齒輪、行星齒輪、半軸齒輪墊片、行星齒輪墊、冠輪等零件組成。

以差速器殼體為依托，冠輪安裝在差速器殼體外部，半軸齒輪和行星齒輪安裝在差速器內部起動力傳遞的作用，行星輪軸安裝在差速器內部，起限位行星齒輪的作用，半軸齒輪墊片和行星齒輪墊片安裝在差速器殼體內部，其中半軸齒輪墊片起著間隙調整和回轉力矩調整的作用。

圖1 差速器結構示意圖

2.2 工作特征

變速箱的主減齒輪傳遞過來的扭矩，通過齒輪副傳遞到冠輪，冠輪與差速器殼體是通過螺栓聯接的，冠輪扭矩傳遞給差速器殼體，這時會帶動行星輪軸一起轉動，同時帶動行星齒輪，動力通過齒輪副傳遞，傳遞到半軸齒輪，半軸齒輪將動力輸出至半軸，推動驅動輪向前。

當汽車直線行駛的時候，左右兩車輪受到阻力一致，行星齒輪沒有自轉，動力經半軸齒輪，輸出至半軸，這時，左右兩車輪的轉速一致，差速器內部可以看成剛性連接。

當汽車直線轉彎的時候，左右兩車輪受到阻力不一致，行星齒輪公轉的同時，同時自轉，動力傳遞半軸齒輪，但半軸齒輪轉速不一致，實現左右車輪車速不一致，保證車輛的順利轉彎。

圖2 差速器動力傳遞示意圖

3 檢測原理分析

3.1 差速器產線裝配過程

差速器零件裝配工藝流程如圖3所示，按工藝過程，在進行差速器裝配的時候，發現在半軸齒輪墊片不做調整的情況，第4步間隙重復測量的結果波動大，經常出現超出要求范圍的產品，需要返工調整。

3.2 產線設備的檢測原理

仔細分析齒側檢測設備及其工作過程，初檢設備與復檢設備相同，齒側間隙無法直接測出，是間接方式測量計算出來：即通過測量半軸齒輪的軸向間隙，從而計算出齒側間隙；同時，為保證齒輪在運轉中沒有發生輪齒嚙合干涉，檢測設備做回轉力矩檢測，設備動作分兩步，先進行回轉力矩測量，再進行半軸齒輪軸向間隙檢驗。

圖3 差速器產線工藝流程圖

半軸齒輪回轉力矩檢測：旋轉上端的半軸齒輪，旋轉數圈，記錄其最大扭矩，作為回轉力矩；

半軸齒輪軸向間隙檢測：a、兩端同時將半軸齒輪往中間頂，如圖4藍色見圖所示；b、再從側邊將半軸齒輪分別往上下方向撥，如圖4紅色見圖所示；c、記錄半軸齒輪軸向活動量為間隙值。

通過分析齒側間隙檢測設備的工作原理，可知因有回轉力矩檢測過程，復檢的齒側間隙與初檢的齒側間隙很難在同一副嚙合齒輪上，因而兩次檢測的值沒有關聯性。據現場反饋，在不更換墊片的情況下，初檢和復檢結果偏差可達到0.05mm以上。

圖4 差速器產線設備測量原理圖

3.3 半軸齒輪軸向間隙與齒側間隙關系

根據機械齒輪原理及幾何學知識，半軸齒輪為錐齒輪，齒側間隙與齒高位移及壓力角相互關系如圖5a)所示，半軸齒輪軸向移動間隙與齒高位移距離及節錐角相互關系如圖5 b)所示，計算公式可按公式（1）、公式（2）、公式（3）進行。

其中，e為單側齒側間隙的一半

c為齒側間隙值

α為壓力角

t為半軸齒輪軸向間隙

δ為半軸齒輪節錐角

綜合公式（1）、（2）、（3）可得半軸齒輪的軸向間隙與嚙合齒側間隙的關系式如公式（4）所示。

根據產品齒輪要求：壓力角α為24°，面錐角β為53.67°，齒側間隙的變動量為0.07mm時，可得半軸齒輪軸向間隙t的變動量為 0.1068mm。

4 零件驗證

4.1 驗證方法

分別采用靜態、動態重復性測量的方法，測量5套工件，每套工件測量10次，分析其極差值（極大值-極小值）。

靜態重復性測量：在差速器裝配完成之后，不再轉動內部的齒輪，使之保持在同一位置，重復測量。

動態重復性測量：在差速器裝配完成之后，每次測量前轉動內部的齒輪，轉動的角度一致，重復測量。

4.2 驗證結果

將5套涉及零件的相關尺寸檢測合格的零件進行裝配，按照靜/動態的測量要求，分別測量10次，對其數據進行處理，分析極差值，結果如圖6、圖7所示。

從結果可以看出，單件同位置測量極差值較小，最大值為0.0138mm，說明靜態重復性好；單件不同位置測量極差值較大，重復性差，最大值0.1056mm，與計算結果0.1068mm相符，因此可以確定是半軸齒輪位置轉動，導致了測量值的波動。

4.3 回轉力矩試驗

根據實際產品，半軸齒輪齒數為15齒，行星齒輪齒數為11齒，若需所有齒都相互嚙合一次，則共需進行165次嚙合。之前產品做回轉力矩測量時，半軸齒輪僅旋轉9圈進行，按此圈數完成的嚙合齒數為135次，沒有達到全部齒數嚙合的效果。將5套檢驗樣件進行旋轉12圈的回轉力矩試驗，結果沒有突變的力矩值，說明沒有干涉的嚙合齒。

圖5 半軸齒輪軸向間隙與齒側間隙關系圖

圖6 設備靜態測量結果

圖7 設備動態測量結果

5 結束語

通過前面的分析檢驗，半軸齒輪軸向間隙的波動值為0.1068mm，將間隙要求調整為軸向間隙0.1mm～0.3mm，選墊片時，將間隙調整值保證在0.2mm，所有嚙合齒的間隙值才能落在要求范圍內；同時，優化測量回轉力矩的旋轉圈數至12圈，確保所有齒皆互相嚙合上一次，徹底排除干涉的風險。

通過裝配驗證和理論分析相結合，確認了現有差速器產線半軸齒輪軸向間隙波動的特性，并提出了軸向間隙的合適的調整范圍。通過分析齒數關系，得到檢測齒輪嚙合干涉的合理的旋轉圈數。分析提出的改進調整解決了產線生產出現的問題，提高了生產效率。