基于齒軸壓裝的花鍵自動對齒方法

侯 瑞

（上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

0 引言

花鍵聯接因傳遞轉矩大、定心精度高等特點，被廣泛應用于變速箱齒軸裝配中[1]。但由于其結構特殊，需內／外花鍵配合聯接，故許多裝配線在該工位仍采用人工對齒，即人工將內／外花鍵預配合后，再進行壓裝[2]。此外，花鍵的壓裝多采用熱壓方式[3]，溫度可達160 ℃，操作工不得不戴厚重的隔熱手套進行操作。這不僅存在燙傷的安全隱患，更影響了裝配的節拍，遏制住了變速箱裝配線全面自動化的發展。

而在變速箱裝配線上，伺服壓機系統因其特有的“伺服電機+絲杠”結構，使生產的速度和質量得到大大地提升，提高了壓裝精度及對壓裝過程的實時監控，使生產更加可控，故近年來被廣泛運用[4]。其中，軸承、油封、定位銷、齒輪等關鍵部件的安裝，均由伺服壓機完成[5]。

因此，基于上述問題，本研究結合實際項目對伺服壓機進行應用設計，介紹了采用伺服壓機進行齒軸花鍵壓裝的方法，分析了對齒過程、參數設置等，以期為變速箱裝配線的自動化發展提供參考。

1 設計與計算

1.1 研究對象

汽車傳動具有載荷大、不平穩等特點，要求傳動齒輪有較高的安裝精度和足夠強度。因此，加工有花鍵的齒輪軸在變速箱的生產中運用廣泛[6]。本項目選用某型號油電混合變速箱的輸出軸作為研究對象，其詳情如圖1 所示。從圖中可以看出，齒輪軸3 處加工有漸開線花鍵，用以安裝3 個擋位的變速齒輪。選取中間的花鍵作為研究對象，其參數為模數1、齒數36、壓力角30°。

圖1 輸出軸示意圖

1.2 實施對象

以往的齒軸壓裝為人工預先將內／外花鍵配合好，再進行壓裝作業[7]。與該壓裝方式不同，花鍵對齒壓裝的關鍵在于“一邊對、一邊壓”。這需要在壓裝過程中既有豎直的壓裝力，又有旋轉力。

德國Promess公司[8]的一款伺服壓機（型號REMAP）正好具備這種能力，其在傳統伺服壓機的基礎上增加了旋轉功能，且將二者通過同一個控制器控制，方便了編程與控制。

具備上述條件，使得實現花鍵自動對齒壓裝成為了可能。

1.3 對齒過程

花鍵的對齒過程是一個概率事件：壓機可能在第一次壓裝時就直接成功對齒；也可能需要多次調整才能對齒成功。因此，對齒的過程必須經過合理的設計并優化，限制對齒次數，確保在節拍不浪費的前提下成功對齒并壓裝。

根據花鍵參數和伺服壓機的功能，設計的對齒過程流程圖如圖2所示。線性移動的壓機每試壓1 次失敗后，將回升并旋轉一定角度，然后再次試壓，如此反復n次直至壓裝成功，否則壓裝失敗并報警。

圖2 對齒過程流程圖

以齒輪內花鍵的下端面為對象，設其移動至花鍵上端面的位移為S，在試壓壓力F1下的位移為S1，試壓壓力F2下的位移為S2，且F2＞F1，花鍵壓裝變形量ΔS。則對齒原理可表示為：

1.4 參數計算

1.4.1 參數及分析

根據該工位的結構、設備安裝位置及零件尺寸，測得齒輪內花鍵的下端面壓至花鍵上端面時位移S為270 mm；輸出軸及齒輪材料均為20MnCr5，泊松比為0.3，抗拉強度Rm為1 482 MPa，屈服強度δs為1 232 MPa。

為了便于計算，初步將試壓壓力F1設為1 kN，試壓壓力F2設為3 kN。由于花鍵齒數為36，且齒端面帶有2 ×15°的倒角，則每個齒的受力分析如圖3所示。

圖3 花鍵受力分析圖

從受力計算可以得出，在試壓壓力F2的作用下，齒面所受分力為Fx＝3 000 ×cos15°＝2 897.8 N，Fy＝3 000 ×sin15°＝776.5 N。

為了驗證試壓壓力的設定是否合理，通過有限元Ansys軟件，進一步分析花鍵在試壓時的應力及應變[9]。受力仿真分析后的結果如圖4～5所示。

通過上述分析可以看出，在試壓壓力F2的作用下，變形量ΔS約為8 ×10-6mm，即試壓壓力F1和F2對花鍵均不會造成明顯的變形。因此，可以采用F1和F2的設定值。

根據以往經驗，當花鍵對齒成功且壓入力為3 kN時，其從開始對齒到成功對齒的位移差足SΔ滿足SΔ＞0.2 mm，故取SΔ＝0.4 mm。則式（1）可變為：

圖4 花鍵部分應變云圖

圖5 花鍵部分應力云圖

1.4.2 旋轉角度

從上節可知，輸出軸的花鍵參數為：模數m為1，齒數z為36。則齒距P＝m×π＝1 ×3.14＝3.14 mm，相鄰齒頂（或齒根）間夾角α＝360°÷z＝10°。

設左／右轉動方向為θL和θR，則對齒的轉動角度條件為：

由于伺服壓機的單位旋轉角度為（1% ×1 round），即轉動3.6°，故對應花鍵的實際單位旋轉位移SΔθ＝3.14 ×10° ÷3.6°＝1.13≈1 mm。為防止該工位的夾具與托盤發生干涉碰撞，伺服壓機只能被允許旋轉約1／4周，即對應花鍵的旋轉位移Sθ＝1／4 ×z

×P≈28 mm。

若設定以相同角度θ旋轉，則當首次試壓產生“死點情況”時，即內／外花鍵正好處于齒頂中心“軸向共面”的情況，則可能造成長時間對齒失敗。因此，旋轉的角度將采用等差數列的形式，每次增加單位旋轉角度3.6°，以避免出現死點情況。以1 mm的旋轉位移為首項，則最小循環次數s可由下式求得：

從上式可求得，最小循環次數s＝6.9，即7次。

2 實施結果

2.1 對齒壓裝程序

由于REMAP型伺服壓機帶有兩套伺服電機，分別執行線性和旋轉的移動，如圖6 所示，因此需要分開編程。根據上章的過程設計和參數計算，伺服壓機的程序具體編制如圖7所示。

圖6 REMAP型伺服壓機

圖7 對齒程序

其中，輸入／輸出信號與西門子PLC S7-300 進行交互，實現啟／停、合格、報警、實時反饋等信號的交互。此外，當旋轉程序執行7 次轉動后，開始了反向轉動，如圖8 所示。這是由于現場驗證時，發現齒輪加熱需要8 s 左右時間，允許壓機進行反向的對齒，提高了對齒的成功率。

圖8 對齒程序的流程示意圖

2.2 實施效果

本項目進行了約2 個月的驗證性生產。驗證過程中，除第1個月因齒輪的內花鍵尺寸存在差異性進行調整、壓裝力更改等突發問題外（程序參數調整后解決），未出現明顯的不穩定情況。

據現場班組統計，設備對齒的合格率達98%以上（2 880套中出現47 套失?。?，初步證明了設計的合理性與有效性。現場設備情況如圖9 所示，圓圈處為關鍵對齒機構。

圖9 設備情況

3 結束語

本文介紹了變速箱裝配線上齒軸花鍵自動對齒的方法，包括對齒的過程設計、參數計算、有限元分析、程序編制等。驗證結果表明，采用試壓位移差對比和按等差數列增加角度的旋轉方式的對齒方法，達到了預期的裝配效果，經現場統計成功率達98%；同時，為裝配線實現更高自動化提供了一定的參考。