新能源車傳動系統(tǒng)軸系熱裝技術及其自動化

張小龍，趙曌，霍宇琛

陜西法士特齒輪有限責任公司 陜西寶雞 722409

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，商用車的電動化正以不可阻擋的趨勢大步前進。作為商用車傳動系統(tǒng)的排頭兵，陜西法士特齒輪有限責任公司（以下簡稱法士特）積極布局電動化商用車傳動系統(tǒng)，應用多種技術路線，為客戶提供電動化商用車傳動系統(tǒng)的解決方案。

針對商用車，重點推出“中央式布置電動機+變速器”的解決方案，為提高傳動系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，變速器采用雙中間軸結構，并且可提供多種擋位和轉矩選擇，為用戶不同的工況提供了高匹配度的方案。目前法士特的新能源車傳動系統(tǒng)覆蓋公路牽引車、城市環(huán)衛(wèi)車、水泥攪拌車、灑水車及城市渣土車等多種應用場景。

新能源傳動系統(tǒng)介紹

新能源車傳動系統(tǒng)示意如圖1所示，主要由動力電池、電動機控制器、電動機和變速器等組成。其中，動力電池是系統(tǒng)能量的來源，負責儲存能量并將其轉化為電能供給電動機使用；電動機控制器是傳動系統(tǒng)的“大腦”，負責控制電池和電動機之間的能量轉換和傳遞，使車輛保持穩(wěn)定行駛，同時還監(jiān)測電池的電量和狀態(tài)；電動機則是動力輸出裝置，負責將電能轉化為機械能，驅動車輛前進；而變速器是用于調節(jié)電動機的輸出轉矩和轉速，以適應車速的變化。

圖1 新能源傳動系統(tǒng)示意

除此之外，新能源車傳動系統(tǒng)還包括充電系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，使其具有高效、環(huán)保的特點，使車輛更加節(jié)能、環(huán)保，符合當今社會對可持續(xù)發(fā)展的要求。

雙中間軸變速器技術路線介紹

為了加大變速器的承載能力，適應各種復雜工況，法士特的重型變速器一直沿用雙中間軸的技術路線。主副變速器均采用兩根結構完全一樣的中間軸，相間180°。如圖2所示，以一擋為例，動力從輸入軸輸入后，經(jīng)一軸齒輪分流到兩根中間軸上的傳動齒輪，然后經(jīng)過齒輪副匯聚到主軸輸出。

圖2 雙中間軸動力傳動示意（掛1擋時）

相比單中間軸結構，雙中間軸結構優(yōu)勢明顯。如圖3所示，雙中間軸結構將主軸轉矩平均分配到雙側，每根中間軸及上面的軸承、齒輪只承受總體1/2的轉矩；而中間軸傳遞給主軸的力大小相等，方向相反，所以主軸只承受轉矩，不承受彎矩，這樣既改善了主軸和軸承的受力情況，也大大提高了變速器的可靠性和耐久性。同時也使變速器的中心距減小，齒輪的厚度減薄，軸向尺寸縮短，質量減輕，有效控制了變速器的成本。

圖3 單中間軸與雙中間軸受力情況對比

中間軸的技術難點和解決方案

1.中間軸結構確定及位置度尺寸研究

為了保證雙中間軸變速器的傳動效率，避免因為同一產品中的兩根中間軸的差異而導致傳動精度下降，需要對中間軸上每個齒輪的一致性做出要求。經(jīng)過技術人員反復的試驗驗證，得到了既可滿足傳動系統(tǒng)的傳動精度，又能保證噪聲也是最小的尺側間隙尺寸要求。結合實際生產的過程能力，對所有裝配的齒輪相對于軸齒的位置度又制定了定量要求（見圖4）。在實際生產中只要保證每根中間軸位置度的要求，產品的傳動性能就可得到滿足。

確定了中間軸位置度的要求后，為了確保每個齒輪的位置度在整個產品使用生命周期內不發(fā)生變化，在產品設計過程中嘗試了固持劑、焊接、圓柱銷等齒輪固定方案，并從位置度的變化率、單件成本以及工藝操作性三個方面做了對比，結果見表1。

表1 中間軸齒輪不同固定方式對比

為了保證產品質量，將裝配后位置度的變化作為第一考慮的因素。焊接工藝在傳統(tǒng)變速器中間軸裝配中應用較多，但是由于焊接溫度較高會導致齒輪類零件的齒形、齒向發(fā)生變化，所以在高精度的新能源變速器上暫不采用此種固定方式。通過對比發(fā)現(xiàn)，固持劑和圓柱銷兩種固定方式最優(yōu)，再結合零件的應用場景、制造成本以及工藝性、現(xiàn)場的操作性，最終采用“過盈+圓柱銷”的固定方式。

2.加熱方式研究與確定

在確定了產品結構后，關注重點轉移到了產品的批量生產方案和質量保證能力方面。在確定“過盈+圓柱銷”固定方式的前提下，通過“熱裝+對齒”的工藝方案來實現(xiàn)齒輪的位置度要求，即將齒輪零件加熱使其內孔膨脹，在出現(xiàn)短暫的間隙配合的條件下進行裝配并實現(xiàn)對齒作業(yè)。

在齒輪加熱的過程中發(fā)現(xiàn)，短暫加熱齒輪內圈時內圈孔徑反而會縮小，經(jīng)過分析得知，原因是在僅加熱齒輪內圈時，由于外圈附近材料溫度低于內圈，導致零件的膨脹方向只能朝向齒輪內圈，從而導致內圈孔徑相比原尺寸縮小了。由此得出了以下結論：必須將整個齒輪零件加熱且溫度均勻升高后，齒輪的內孔才會向擴大的方向發(fā)生規(guī)律性膨脹。同一齒輪采用不同加熱方式時內圈孔徑變化的對比見表2。

表2 不同加熱方式加熱時間和尺寸變化對比（單位：s/mm）

通過對比，考慮到產品加熱效果和加熱效率，使用電磁加熱器+內外圈加熱的方式是唯一能夠滿足量產條件的加熱方式。

3.對齒方案研究及工裝設計

對齒方案及工裝由工藝人員自主研發(fā)設計。在將中間軸垂直固定后，通過將定位工裝分別插入軸齒及齒輪齒間，調整齒輪相對于中間軸的位置度（見圖5）。

圖5 對齒工裝

4.銷孔加工方案研究

中間軸齒輪裝配完成后，需要在零件上加工銷孔，用于安裝定位銷，固定齒輪和中間軸的相對位置，以確保在變速器運轉過程中不發(fā)生相對轉動。工藝人員嘗試了多種加工方式，例如熱前鉆孔+熱后鏜孔工藝、熱后鉆孔工藝等。

通過試驗證明，齒輪和中間軸在有一定量的過盈配合的前提下，齒輪的位置度在以上兩種工藝加工前后均無變化?？紤]到加工成本及生產性，最終采用“熱后鉆孔”的加工工藝。

5.定位銷裝配方案研究

由于中間軸上的銷孔是盲孔，且與定位銷是過盈配合，在裝入定位銷時，由于孔內的空氣無法全部排出，導致孔內氣壓發(fā)生變化，嚴重時會影響到定位銷裝配深度。在多種解決方案中，采取加深孔深這種最經(jīng)濟的方案，即不排出孔內殘留的空氣，而是根據(jù)定位銷的長度及裝配深度計算出相應的孔深，確保孔內壓力的變化不會影響到定位銷的正常裝配。

定位銷裝配后還需注意的是中間軸運轉時定位銷位置偏移或脫出的現(xiàn)象。因此在齒輪銷孔處追加加工了沉孔，并通過沖鉚沉孔邊緣使其變形的方法對定位銷限位，防止定位銷從孔中脫出（見圖6）。

圖6 定位銷孔

中間軸熱裝自動線的技術突破

通過以上方案法士特攻克了新能源車傳動系統(tǒng)的軸系裝配方案，并順利完成了量產工作，使傳動系統(tǒng)的傳動精度得到了明顯提升。同時，也有效抑制了傳動系統(tǒng)的運行噪聲，為法士特在新能源產品市場上提供了強有力的技術支持，為綠色出行提供了高精度、低噪聲的傳動方案。

但隨著產品需求量的持續(xù)加大，此類軸系裝配過程中工序復雜、勞動強度大等問題日益突出，亟待解決。為解決此類問題，法士特又進行了中間軸熱裝對齒鉆孔一體的自動化生產方案的研究，在提高效率、保證產品精度的同時減少人員的勞動強度。

1.自動化方案設計

對自動化生產線的工藝流程規(guī)劃如圖7所示。生產線集成了中間軸總成裝配、鉆孔、檢測等所有工序，保證質量的同時也消除了工序間零件轉運所帶來的各類風險，使中間軸總成裝配后可直接轉至變速器總成裝配線使用。

圖7 中間軸總成裝配流程

2.自動化生產線布局

在自動化生產線中，利用2臺機械臂和1條輸送線完成了所有的零件搬運作業(yè)，完全實現(xiàn)了生產過程無人化。通過對各工序合理規(guī)劃與布局，使機械臂的利用率達到90%以上。圖8所示是生產線的布局簡圖。

圖8 中間軸總成自動裝配線

結語

隨著汽車行業(yè)電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化與共享化的發(fā)展趨勢，車輛傳動系統(tǒng)的傳動精度、效率及噪聲等需求勢必會越來越高。在未來，法士特將持續(xù)致力于新能源產品集成化的解決方案，為客戶提供高效、可靠的綠色傳動系統(tǒng)，用自動化、智能化的生產線，為綠色發(fā)展輸出強勁動力。