優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車輪邊減速器內(nèi)齒圈基體硬度及齒壁厚度

謝立湘，黃俊瓊，羅喜平

XIE Li-xiang, HUANG Jun-qiong, LUO Xi-ping

（株洲齒輪有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，株洲 412000）

優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車輪邊減速器內(nèi)齒圈基體硬度及齒壁厚度

Optimum design of basic hardness and tooth wall thickness for internal gear rings in automotive hub reduction

謝立湘，黃俊瓊，羅喜平

XIE Li-xiang, HUANG Jun-qiong, LUO Xi-ping

（株洲齒輪有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，株洲 412000）

本文詳細(xì)介紹汽車輪邊減速器內(nèi)齒圈的材料選擇、內(nèi)齒加工工藝、基體硬度的選擇，提出齒壁厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟。

基體硬度；齒壁厚度

0 引言

內(nèi)齒圈是汽車輪邊減速器中一個(gè)重要的零件。我公司生產(chǎn)制造內(nèi)齒圈30多年，開發(fā)生產(chǎn)了斯太爾系列、奔馳系列、東風(fēng)系列等內(nèi)齒圈產(chǎn)品。在實(shí)際設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)：目前我國許多汽車主機(jī)廠引進(jìn)國外技術(shù)的汽車,在國產(chǎn)化過程中, 輪邊減速器內(nèi)齒圈國外通常采用滲碳淬火技術(shù)，因?yàn)閮?nèi)齒圈是薄壁件，滲碳淬火時(shí)變形大，目前國內(nèi)內(nèi)齒圈生產(chǎn)廠家很難達(dá)到國外設(shè)計(jì)技術(shù)要求，于是國內(nèi)汽車生產(chǎn)主機(jī)廠大都利用氣體軟氮化和QPQ工藝替代滲碳淬火工藝。采用替代工藝產(chǎn)品后，往往齒部彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而齒壁強(qiáng)度達(dá)不到要求，要通過幾次臺(tái)架實(shí)驗(yàn)才能最終確定齒壁厚度，有的甚至整車經(jīng)過用戶使用才發(fā)現(xiàn)齒壁因強(qiáng)度不夠而損壞如圖1所示，這樣嚴(yán)重耽誤了產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度。

圖1 內(nèi)齒圈齒壁損壞實(shí)物

由于三種工藝采用的材料、冷加工手段不同，所以熱處理后的強(qiáng)度都不一樣。在替代過程中，要優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車輪邊減速器內(nèi)齒圈基體硬度及齒壁厚度必須解決以下幾個(gè)問題：

1）國產(chǎn)化后的產(chǎn)品必須滿足整車設(shè)計(jì)要求；

2）產(chǎn)品熱前基體硬度必須適合插齒或拉齒加工；

3）齒壁厚度設(shè)計(jì)必須滿在滿足強(qiáng)度要求的前提下，盡量節(jié)省材料，降低成本；

首先簡(jiǎn)單介紹三種工藝所采用的材料，冷熱加工方法及熱處理后技術(shù)要求。

內(nèi)齒圈冷加工方法主要有以下兩種，如圖2所示。

圖2 80噸立拉

在試制階段或者小批量生產(chǎn)時(shí)，冷加工都采用插齒工藝。插齒加工效率低，但插齒刀適應(yīng)產(chǎn)品硬度范圍比較寬。大批量生產(chǎn)時(shí)，冷加工一般采用拉齒工藝，拉齒效率高，但拉刀適應(yīng)產(chǎn)品硬度比較窄。產(chǎn)品拉前硬度低，拉削過程中容易形成切削瘤，拉后齒面拉毛或拉爛。產(chǎn)品拉前硬度高，則容易崩齒或打齒（下圖是拉刀打齒和產(chǎn)品拉爛圖），拉削壓力太大，對(duì)拉床損壞嚴(yán)重。

圖3 高速插齒

圖4 拉刀打齒

圖5 產(chǎn)品拉后爛齒

目前內(nèi)齒圈熱處理工藝主要有以下三種，每種熱處理工藝使用的材料及能達(dá)到的技術(shù)要求如下：

氣體軟氮化內(nèi)齒圈的材料一般采用中碳鋼，如45#、40Cr、42CrMo，基體硬度是170～229HBS，表面硬度≥HV1300，表面白亮層深0.008～0.012mm。

QPQ內(nèi)齒圈的材料和軟氮化的材料一樣，基體硬度是19～28HRC，表面硬度≥HV1500，白亮層深0.01～0.02 mm，擴(kuò)散層深0.35～0.6 mm。

滲碳淬火材料一般為20CrMo、20CrMnTi，其熱處理技術(shù)要求是：表面硬度58～63HRC，心部硬度35～43HRC，有效硬化層深0.9～1.2mm。

從以上技術(shù)條件可知：氣體軟氮化和QPQ內(nèi)齒圈強(qiáng)度比滲碳淬火內(nèi)齒圈強(qiáng)度低，所以采用替代工藝時(shí)，要加厚內(nèi)齒圈齒壁厚度。

通過上面簡(jiǎn)單的介紹，我們對(duì)內(nèi)齒圈的冷熱加工方法及各種方法所采用的材料、精度、強(qiáng)度有了大概的了解。下面來介紹設(shè)計(jì)汽車輪邊減速器內(nèi)齒圈基體硬度及齒壁厚度的方法：

1）首先根據(jù)內(nèi)齒圈量產(chǎn)從下表中確定冷加工方法，再確定基體硬度、抗拉強(qiáng)度、熱處理后表面硬度。

（1）從表中可知，基體硬度越高，其抗拉強(qiáng)度越高，軟氮化和QPQ表面硬度也越高。

（2）隨著基體硬度增高，插齒難度也越大。插齒產(chǎn)能小。

（3）隨著基體硬度增高，拉齒難度也越大，拉齒產(chǎn)能高，所以要選擇適當(dāng)?shù)幕w硬度范圍。

（4）選擇原則，小批量、試制階段，加工方法采用插齒，內(nèi)齒圈基體硬度可以選擇高些，大批量生產(chǎn)。

2）根據(jù)上面選定內(nèi)齒圈基體抗拉強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)齒圈齒壁厚度：

（1）計(jì)算輪邊減速器行星假轉(zhuǎn)速：

ω= 1000×V /(60×D×π)

ω：行星假轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分鐘）

V：汽車行駛速度（公里/小時(shí)）

D：輪胎直徑（米）

（2）計(jì)算輪邊減速器傳動(dòng)比：

Zb：內(nèi)齒圈齒數(shù)

Za：太陽輪齒數(shù)

（3）根據(jù)汽車最大載荷和轉(zhuǎn)速反求計(jì)算太陽輪輸入扭矩：

F=G×μ

F：汽車前進(jìn)需要克服的摩擦力（牛）

G：輪胎承受的重力（牛）

μ：摩擦系數(shù)

（4）計(jì)算行星架輸出扭矩：

T=F×D/2

T：行星架輸出扭矩（牛.米）

（5）計(jì)算太陽輪輸入扭矩：

Ta=T/ ibAh

Ta：太陽輪輸入扭矩（牛.米）

（6）計(jì)算太陽輪圓周力：

Fa=2000×Ta/Da

Fa：太陽輪圓周力（牛）

Da：太陽輪分度圓直徑（毫米）

（7）如圖示：根據(jù)作用力與反作用力的原理，內(nèi)齒圈分度圓上的圓周力：

Fb=Fa

Fb:內(nèi)齒圈圓周力（牛）

（8）計(jì)算內(nèi)齒圈齒壁形心：

z=∫Az×dA/A=B/2

z：內(nèi)齒圈齒壁剖切面的形心位置（毫米）

A：內(nèi)齒圈齒壁剖切面的面積（毫米^2）

D外: 內(nèi)齒圈外圓直徑（毫米）

D根：內(nèi)齒圈齒根圓直徑（毫米）

（9）計(jì)算內(nèi)齒圈齒壁剖切面的慣性矩：

Iy=∫A(z^2)×dA/A=(L^3)×B/12

Iy： 內(nèi)齒圈齒壁剖切面的慣性矩（毫米^4）

B： 內(nèi)齒圈寬（毫米）

（10）計(jì)算內(nèi)齒圈齒壁剖切面彎矩：

My= Fb×[(Df-Db)+B]/(2×10^3)

（11）計(jì)算內(nèi)齒圈齒壁剖切面拉應(yīng)力：

σ1=1000000×Fb/A=1000000×Fb/(L×B)

σ1：內(nèi)齒圈齒壁剖切面拉應(yīng)力（牛/米^2）

（12）計(jì)算內(nèi)齒圈齒壁剖切面彎曲拉應(yīng)力：

σ2=3×Fb×[(Df-Db)+B]×10^6

σ2：內(nèi)齒圈齒壁剖切面彎曲拉應(yīng)力（牛/米^2）

（13）求從內(nèi)齒圈齒壁剖切面內(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)力

切面受力分析可知，受力最大的是內(nèi)齒圈內(nèi)側(cè)，其最大拉應(yīng)力為：

σ=σ1+σ2

σ≤[σ]

整理得：Fb×10^6/(L×B)+3×Fb×10^6×[(Df-Db)+B]≤[σ]

B={-[3×(Df-Db)-L×[σ]/(Fb×10^6)]+power[3×(Df-Db)- L [σ]/(Fb×10^6)]^2-12×L,1/2]}

我公司奔馳內(nèi)齒圈是德國引進(jìn)技術(shù)，原設(shè)計(jì)材料采用20CrMo，熱處理采用滲碳淬火工藝，其技術(shù)條件是：心部硬度≤43HRC，表面硬度是58～63HRC，齒壁厚度8.5mm。當(dāng)時(shí)由于我公司內(nèi)齒圈滲碳淬火工藝達(dá)不到技術(shù)要求，所以采用40Cr材料+QPQ熱處理工藝進(jìn)行國產(chǎn)化。在國產(chǎn)化過程中，我們按表確定如下技術(shù)條件：拉前基體硬度22～28HRC，冷加工采用拉齒，齒壁厚度確定為10mm，經(jīng)過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，要求臺(tái)架實(shí)驗(yàn)次數(shù)不小于50萬次，實(shí)際達(dá)到70萬次齒壁沒有損壞。

所以，按以上2個(gè)步驟設(shè)計(jì)的內(nèi)齒圈齒壁厚度和基體硬度，既滿足了產(chǎn)品強(qiáng)度，也適應(yīng)生產(chǎn)批量要求，還能做到節(jié)省材料。

[1] 郁明山.漸開線齒輪行星傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與制造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002,4.

U466

B

1009-0134(2010)11(上)-0062-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).20

2010-04-10

謝立湘（1967 -） ，男，湖南湘鄉(xiāng)人，本科，主要從事汽車傳動(dòng)、齒輪強(qiáng)度、噪音、制造研究。