新能源汽車ZN型蝸桿蝸輪加工工藝分析

周巍

上海汽車變速器有限公司 上海 201807

1 序言

新能源純電動汽車變速器與傳統汽車變速器相比，選擋電動機通過蝸桿蝸輪減速器進行減速增扭，再通過齒輪齒條系統將旋轉運動變為直線運動，拉動換擋操縱軸實現選擋動作；換擋電動機通過蝸桿蝸輪減速器進行減速增扭，再通過一級齒輪機構將動力傳遞到換擋軸上實現換擋動作。換擋執行機構換擋時間快，離合器控制電動機通過帶動一套蝸桿蝸輪減速器進行減速增扭，再合理設計蝸桿蝸輪減速系統自鎖功能，使離合器較長時間處于分離狀態。

新能源EP21變速器的軸承箱內采用一對交錯的蝸桿蝸輪進行力的傳遞，是一種空間交錯軸間傳遞運動的機構，屬于普通圓柱蝸桿傳動，一般軸交角互為90°，這種傳動具有結構緊湊、傳動比大的特點，此外蝸桿和蝸輪間嚙合的齒對數多，重合度大，傳動平穩，噪聲小。但是蝸桿和蝸輪加工復雜，工藝要求高，本文通過對其特點的研究編排加工工藝。

2 蝸桿蝸輪結構

蝸桿蝸輪機構是機械設備中重要的傳動部件，具有減速比大、結構緊湊等特點。蝸桿機構中最常用的是圓柱蝸桿傳動，其齒面為螺旋面，便于加工。普通圓柱蝸桿的齒面一般是在車床上用直線切削刃的車刀加工而成，車刀安裝位置不同，加工出的蝸桿齒面的齒廓形狀也不同。根據加工方式，圓柱蝸桿可分為4種，分別為阿基米德蝸桿（Z A型）、法向直廓蝸桿（ZN型）、漸開線蝸桿（ZI型）及錐面包絡蝸桿（ZK型）。

本文主要介紹ZN型蝸桿（見圖1），又稱齒槽法向直廓蝸桿。其齒面為直紋面，該直紋面由一條位于法平面的直線相對于蝸桿軸線作螺旋運動而產生。端面齒形為延伸漸開線，軸向剖面上的齒形為凸形曲線，齒槽在法向剖面的齒形為直線。

圖1 ZN型蝸桿外形

3 蝸桿蝸輪的設計

根據成品的技術要求加工出零件，蝸桿、蝸輪圖樣如圖2、圖3所示，需要編排相應工藝，落實相關刀具、輔具以及檢測方式。

圖2 蝸桿圖樣

圖3 蝸輪圖樣

3.1 蝸桿蝸輪的設計參數

蝸桿模數m=1.25，頭數Z1=2，法向齒形角an=20°，直徑系數q=10，蝸桿導程角y=11.3°，旋向右旋，齒頂高系數ha=1，蝸桿分度圓柱如圖4所示。

圖4 蝸桿分度圓柱

蝸輪模數m=1.25，齒數Z2=60，分度圓直徑d2=75mm，變位系數x2=0.2，法向齒形角，螺旋線方向為右旋。

蝸桿軸向齒距Px=πm=3.927mm，蝸桿螺旋線導程Pz=PxZ1=7.854mm。

3.2 蝸桿蝸輪加工工藝布局

根據蝸桿蝸輪特點安排加工，主要分為以下加工路線。

（1）蝸桿 材料選取→車毛坯→粗車加工→精車加工→銑加工→熱處理→磨削加工→磨齒加工→檢測。具體工序劃分見表1。

表1 蝸桿加工工序

（2）蝸輪 材料選取→車毛坯→粗車加工→精車加工→銑加工→滾齒加工→銑加工→檢測。具體工序劃分見表2。

表2 蝸輪加工工序

3.3 蝸桿主要加工工藝

（1）材料選取 蝸桿一般用合金鋼或碳素鋼制成，大部分蝸桿齒面經滲碳淬火等熱處理而獲得較高的硬度，并經磨削處理。本零件材料選用40Cr，齒面淬火硬度45～55HRC。

（2）車加工齒形 設備使用數控車床，刀具需使用普通刀片進行改磨。齒槽在法向剖面的齒廓為直齒廓，且節圓高度處的齒寬與齒向間隙相同，均為0.5Px，法向齒廓間距的幾何尺寸如圖5所示。根據車削加工的特點，將車刀修磨成如圖6所示的幾何尺寸。當車削加工時，車刀對中齒槽的中線法面切削加工，車加工零件時的橫截面如圖7所示。加工時，先加工蝸桿的一條螺旋線，當加工快到尺寸時，留出一定的余量，這時在這個蝸桿螺紋的另一面對刀，加工出另一條螺旋線。

圖5 法向齒廓間距的幾何尺寸

圖6 模擬車刀的幾何尺寸

圖7 車加工零件時的橫截面

（3）磨削加工 蝸桿齒形精度取決于砂輪廓形的修整精度。為了修整出近似正確的砂輪廓形，使用金剛筆整形砂輪，沿工件軸向切削，在加工時工件由兩頂針裝夾并進行校正。磨削齒面加工如圖8所示，當磨削加工完成后，即可進行檢測，成品如圖9所示。

圖8 磨削齒面加工示意

圖9 蝸桿成品

3.4 蝸輪主要加工工序

（1）材料選取 蝸輪一般采用錫青銅，易于磨合和承載，與鋼蝸桿齒運轉磨合后試接觸表面互相配合，增加了支承面積。

（2）滾齒加工 蝸輪滾齒夾具如圖10所示，利用定心夾具定位蝸輪中心，使用特制蝸輪滾刀進行滾齒加工。滾齒加工前需要校準滾刀軸，并調整滾刀中心到工件中心的中心距，滾切時滾刀做純徑向滾切，徑向進給量為0.03～0.05mm/r，由齒頂逐漸切至全齒深，這種方式加工時間短、生產率高。

圖10 蝸輪滾齒夾具

蝸輪的檢測結果如圖11所示。

圖11 蝸輪檢測結果

4 結束語

本文主要介紹了EP21中的蝸桿蝸輪零件的制造工藝，經實際加工及檢測，全部參數符合工藝要求，提高了生產效率，為類似零件加工工藝的制定提供了參考。