同步器結合齒圈齒向超差分析及改進

董凡　衛少帥　王海亮　王鵬

【摘? 要】如何控制零件熱處理變形是熱處理工程師一直考慮的問題，但除了控制熱處理過程中的影響因素，也可以通過改變零件結構來解決某些零件熱處理變形問題。筆者通過結構優化設計解決了同步器結合齒圈熱處理后齒向超差的問題。

【關鍵詞】同步器結合齒圈;結構優化設計;熱處理變形;齒向超差

前言

同步器是手動變速箱中一個重要的換擋原件，我司為客車開發的某型變速箱，因對變速箱徑向尺寸的嚴格要求，同步器結合齒圈與二軸齒輪采用焊接的方式進行連接，如圖1所示為該變速箱中二軸三檔齒輪與同步器結合齒圈的焊接總成（后續簡稱二軸三檔齒輪總成）。結合齒圈的頂部為具有9°倒錐角的漸開線花鍵。

該二軸三檔齒輪總成的加工工藝如下：

①齒輪機加+結合齒圈機加，②齒輪和結合齒圈焊接，③焊接總成熱處理，4焊接總成拋丸。

1 結合齒圈齒向超差問題介紹

加工過程中發現二軸三檔齒輪總成中齒輪和同步器結合齒圈在熱處理后，同步器結合齒圈存在齒向超差問題。主要表現為設計要求結合齒圈倒錐角9±0.5°，工藝加工過程中控制熱處理前倒錐角10°，熱處理后倒錐角往往低于8.5°，熱處理過程中倒錐角度數變化大，且熱后精度不能滿足設計要求，對加工后的同步器結合齒圈齒向精度等級進行測量，測量報告如圖2所示。

2結合齒圈齒向超差原因分析

1）同步器結合齒圈齒向超差的根本原因是焊接后結合齒圈右端面和齒輪的左端面相貼合，在淬火過程中，受焊接結構影響，結合齒圈的左端面和右端面的淬火液流動速度不一樣，使得結合齒圈左右端面的淬火液溫度不一樣，導致結合齒圈左右端面冷卻收縮幅度不同，最終出現倒錐角熱處理后角度與熱處理前角度不一致，熱后齒向精度不符合設計要求的情況。

2）焊接后結合齒圈右端面和齒輪左端面相貼合，而結合齒圈左端面處于自由無約束狀態。在滲碳熱處理過程中，結合齒圈因受熱應力整體會出現膨脹變大的趨勢。結合齒圈左端面處于無約束狀態，它的變形只受到熱應力影響，而結合齒圈右端面和齒輪左端面相貼合，結合齒圈在熱處理過程中受到熱應力膨脹變大的同時，還會受到齒輪左端面給它的擠壓應力，防止它進一步膨脹。左右端面不同的變形應力，使得從左端面到右端面的變形程度不同，導致精度等級和倒錐角也不滿足設計要求。

3）我司開發的結合齒圈主視圖如圖3所示，圖中標注為A的6個孔為結合齒圈在工作時與同步器摩擦中間環相配合的孔。考慮變速箱減輕質量要求，開發過程中，對結合齒圈設計了標注為B的減重孔。為防止裝配過程出現錯裝現象，減重孔只設計了4個，與結合孔數量相區別。這樣減重孔雖然相對Y-Y和Y-Y線對稱，但對除Y-Y和Y-Y線以外其他截面線就不再對稱，這就導致不對稱的減重孔使得結合齒圈不同位置在熱處理或淬火過程出現不同變形量，最終出現結合齒圈變形扭曲的問題。

3結合齒圈齒向超差解決方案

通過上述系統分析，我們已經基本掌握了結合齒圈齒向超差的主要原因，下面我們將結合上述分析，采用逐一擊破的手段對該二軸三檔齒輪總成進行結構設計改進。

1）結合齒圈右端和齒輪左端貼合問題。該二軸三檔齒輪總成為已開發完成變速箱中的結構，如果進行新的設計，將結合齒圈和齒輪沿軸向分開一定的距離，這將導致該齒輪的相配齒輪系統、同步器系統、換擋系統等一系列結構需進行重新設計，過程相當繁瑣。通過仿真計算，采取將齒輪齒寬進行適當削薄的方案，既不會使齒輪強度降低太多，又可滿足結合齒圈與齒輪不直接接觸的問題。

本文的具體實施方案如圖4所示，首先將齒輪的左端面整體削薄1mm，這就將結合齒圈和齒輪分開，端面不在貼合。然后再將齒輪的輪緣部分向里削薄0.5mm，這樣既保證了結合齒圈與齒輪更大的軸向間隙，也避免了齒輪強度降低的太多。最后將結合齒圈靠近齒輪端面的頂部設計一個大倒角，這將進一步增大結合齒圈和齒輪的軸向間隙。保證了結合齒圈和齒輪軸向間隙的同時，還需保證結合齒圈的有確定的軸向定位，在齒輪的左端面靠近焊接區域的位置留一個小臺階，可方便結合齒圈進行軸向定位。設計過程中還需考慮零件加工的最后一步拋丸處理工藝帶來的零件夾砂問題，本方案的最終設計狀態保證了結合齒圈和齒輪的最小間隙為1.3mm，所選擇拋丸丸粒的直徑為0.8mm。這樣拋丸過程中即使有丸粒進入到結合齒圈和齒輪的間隙中，也只需要用氣槍稍微沖一下，就可將夾在里面的丸粒沖出來。

2）結合齒圈減重孔不對稱問題。關于結合齒圈上4個不對稱的減重孔的處理，設計過程中考慮直接將結合齒圈上的減重孔去掉的簡單處理方法。

3）淬火液流動速度不一樣問題。方案1）中增加間隙的方法已經在很大程度上解決了淬火過程中結合齒圈兩端淬火液流速不一致的問題。同時設計方案在齒輪上增加了4個沿周向均布的減重孔，如圖4中所示，減重孔在減重的同時，可便于進入結合齒圈與齒輪軸向間隙的淬火液通過減重孔流出。結合齒圈兩端淬火液流速一致，將帶走相同的熱量，兩端變形也將趨于一致。

改進方案確定以后，進行了10件零件試制，并對花鍵M值、翹曲值和齒向精度等級進行了測量。根據圖紙要求，零件成品公差要求：花鍵M值為116.63±0.09，翹曲要求：。10件試制件中花鍵M值、翹曲值如表1所示，均滿足設計要求。

10件零件的齒向精度測量結果也滿足設計要求，下圖5為10件報告中任取的一張。可發現最終加工零件的倒錐角滿足設計要求。

從滿足要求的10件零件中任取一件裝配成變速箱總成，經過臺架疲勞試驗，滿足耐久性要求，結合齒圈和齒輪未出現點蝕或斷齒問題。下圖6為臺架疲勞試驗后拆箱零件狀態。

4結論

結合齒圈倒錐角對換擋過程至關重要，為了保證零件的合格率，在設計階段就應該充分考慮加工過程對零件的影響。后續在新產品設計過程中，應提前給結合齒圈和相配合齒輪留有間隙，減小滲碳熱處理、淬火等過程對零件乃至整個總成的影響。

參考文獻：

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作者簡介：

董凡，陜西法士特齒輪有限責任公司，碩士，助理工程師，齒輪工程師。