基于齒軸壓裝的花鍵自動(dòng)對(duì)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(lián)接因傳遞轉(zhuǎn)矩大、定心精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于變速箱齒軸裝配中[1]。但由于其結(jié)構(gòu)特殊，需內(nèi)／外花鍵配合聯(lián)接，故許多裝配線在該工位仍采用人工對(duì)齒，即人工將內(nèi)／外花鍵預(yù)配合后，再進(jìn)行壓裝[2]。此外，花鍵的壓裝多采用熱壓方式[3]，溫度可達(dá)160 ℃，操作工不得不戴厚重的隔熱手套進(jìn)行操作。這不僅存在燙傷的安全隱患，更影響了裝配的節(jié)拍，遏制住了變速箱裝配線全面自動(dòng)化的發(fā)展。

而在變速箱裝配線上，伺服壓機(jī)系統(tǒng)因其特有的“伺服電機(jī)+絲杠”結(jié)構(gòu)，使生產(chǎn)的速度和質(zhì)量得到大大地提升，提高了壓裝精度及對(duì)壓裝過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使生產(chǎn)更加可控，故近年來(lái)被廣泛運(yùn)用[4]。其中，軸承、油封、定位銷、齒輪等關(guān)鍵部件的安裝，均由伺服壓機(jī)完成[5]。

因此，基于上述問(wèn)題，本研究結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對(duì)伺服壓機(jī)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，介紹了采用伺服壓機(jī)進(jìn)行齒軸花鍵壓裝的方法，分析了對(duì)齒過(guò)程、參數(shù)設(shè)置等，以期為變速箱裝配線的自動(dòng)化發(fā)展提供參考。

1 設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.1 研究對(duì)象

汽車傳動(dòng)具有載荷大、不平穩(wěn)等特點(diǎn)，要求傳動(dòng)齒輪有較高的安裝精度和足夠強(qiáng)度。因此，加工有花鍵的齒輪軸在變速箱的生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛[6]。本項(xiàng)目選用某型號(hào)油電混合變速箱的輸出軸作為研究對(duì)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(kāi)線花鍵，用以安裝3 個(gè)擋位的變速齒輪。選取中間的花鍵作為研究對(duì)象，其參數(shù)為模數(shù)1、齒數(shù)36、壓力角30°。

圖1 輸出軸示意圖

1.2 實(shí)施對(duì)象

以往的齒軸壓裝為人工預(yù)先將內(nèi)／外花鍵配合好，再進(jìn)行壓裝作業(yè)[7]。與該壓裝方式不同，花鍵對(duì)齒壓裝的關(guān)鍵在于“一邊對(duì)、一邊壓”。這需要在壓裝過(guò)程中既有豎直的壓裝力，又有旋轉(zhuǎn)力。

德國(guó)Promess公司[8]的一款伺服壓機(jī)（型號(hào)REMAP）正好具備這種能力，其在傳統(tǒng)伺服壓機(jī)的基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)功能，且將二者通過(guò)同一個(gè)控制器控制，方便了編程與控制。

具備上述條件，使得實(shí)現(xiàn)花鍵自動(dòng)對(duì)齒壓裝成為了可能。

1.3 對(duì)齒過(guò)程

花鍵的對(duì)齒過(guò)程是一個(gè)概率事件：壓機(jī)可能在第一次壓裝時(shí)就直接成功對(duì)齒；也可能需要多次調(diào)整才能對(duì)齒成功。因此，對(duì)齒的過(guò)程必須經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)并優(yōu)化，限制對(duì)齒次數(shù)，確保在節(jié)拍不浪費(fèi)的前提下成功對(duì)齒并壓裝。

根據(jù)花鍵參數(shù)和伺服壓機(jī)的功能，設(shè)計(jì)的對(duì)齒過(guò)程流程圖如圖2所示。線性移動(dòng)的壓機(jī)每試壓1 次失敗后，將回升并旋轉(zhuǎn)一定角度，然后再次試壓，如此反復(fù)n次直至壓裝成功，否則壓裝失敗并報(bào)警。

圖2 對(duì)齒過(guò)程流程圖

以齒輪內(nèi)花鍵的下端面為對(duì)象，設(shè)其移動(dòng)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(duì)齒原理可表示為：

1.4 參數(shù)計(jì)算

1.4.1 參數(shù)及分析

根據(jù)該工位的結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝位置及零件尺寸，測(cè)得齒輪內(nèi)花鍵的下端面壓至花鍵上端面時(shí)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(qiáng)度Rm為1 482 MPa，屈服強(qiáng)度δs為1 232 MPa。

為了便于計(jì)算，初步將試壓壓力F1設(shè)為1 kN，試壓壓力F2設(shè)為3 kN。由于花鍵齒數(shù)為36，且齒端面帶有2 ×15°的倒角，則每個(gè)齒的受力分析如圖3所示。

圖3 花鍵受力分析圖

從受力計(jì)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，F(xiàn)y＝3 000 ×sin15°＝776.5 N。

為了驗(yàn)證試壓壓力的設(shè)定是否合理，通過(guò)有限元Ansys軟件，進(jìn)一步分析花鍵在試壓時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變[9]。受力仿真分析后的結(jié)果如圖4～5所示。

通過(guò)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(duì)花鍵均不會(huì)造成明顯的變形。因此，可以采用F1和F2的設(shè)定值。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)花鍵對(duì)齒成功且壓入力為3 kN時(shí)，其從開(kāi)始對(duì)齒到成功對(duì)齒的位移差足SΔ滿足SΔ＞0.2 mm，故取SΔ＝0.4 mm。則式（1）可變?yōu)椋?/p>

圖4 花鍵部分應(yīng)變?cè)茍D

圖5 花鍵部分應(yīng)力云圖

1.4.2 旋轉(zhuǎn)角度

從上節(jié)可知，輸出軸的花鍵參數(shù)為：模數(shù)m為1，齒數(shù)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(shè)左／右轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)棣萀和θR，則對(duì)齒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度條件為：

由于伺服壓機(jī)的單位旋轉(zhuǎn)角度為（1% ×1 round），即轉(zhuǎn)動(dòng)3.6°，故對(duì)應(yīng)花鍵的實(shí)際單位旋轉(zhuǎn)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(fā)生干涉碰撞，伺服壓機(jī)只能被允許旋轉(zhuǎn)約1／4周，即對(duì)應(yīng)花鍵的旋轉(zhuǎn)位移Sθ＝1／4 ×z

×P≈28 mm。

若設(shè)定以相同角度θ旋轉(zhuǎn)，則當(dāng)首次試壓產(chǎn)生“死點(diǎn)情況”時(shí)，即內(nèi)／外花鍵正好處于齒頂中心“軸向共面”的情況，則可能造成長(zhǎng)時(shí)間對(duì)齒失敗。因此，旋轉(zhuǎn)的角度將采用等差數(shù)列的形式，每次增加單位旋轉(zhuǎn)角度3.6°，以避免出現(xiàn)死點(diǎn)情況。以1 mm的旋轉(zhuǎn)位移為首項(xiàng)，則最小循環(huán)次數(shù)s可由下式求得：

從上式可求得，最小循環(huán)次數(shù)s＝6.9，即7次。

2 實(shí)施結(jié)果

2.1 對(duì)齒壓裝程序

由于REMAP型伺服壓機(jī)帶有兩套伺服電機(jī)，分別執(zhí)行線性和旋轉(zhuǎn)的移動(dòng)，如圖6 所示，因此需要分開(kāi)編程。根據(jù)上章的過(guò)程設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，伺服壓機(jī)的程序具體編制如圖7所示。

圖6 REMAP型伺服壓機(jī)

圖7 對(duì)齒程序

其中，輸入／輸出信號(hào)與西門子PLC S7-300 進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)啟／停、合格、報(bào)警、實(shí)時(shí)反饋等信號(hào)的交互。此外，當(dāng)旋轉(zhuǎn)程序執(zhí)行7 次轉(zhuǎn)動(dòng)后，開(kāi)始了反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖8 所示。這是由于現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)齒輪加熱需要8 s 左右時(shí)間，允許壓機(jī)進(jìn)行反向的對(duì)齒，提高了對(duì)齒的成功率。

圖8 對(duì)齒程序的流程示意圖

2.2 實(shí)施效果

本項(xiàng)目進(jìn)行了約2 個(gè)月的驗(yàn)證性生產(chǎn)。驗(yàn)證過(guò)程中，除第1個(gè)月因齒輪的內(nèi)花鍵尺寸存在差異性進(jìn)行調(diào)整、壓裝力更改等突發(fā)問(wèn)題外（程序參數(shù)調(diào)整后解決），未出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定情況。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)班組統(tǒng)計(jì)，設(shè)備對(duì)齒的合格率達(dá)98%以上（2 880套中出現(xiàn)47 套失?。?，初步證明了設(shè)計(jì)的合理性與有效性。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況如圖9 所示，圓圈處為關(guān)鍵對(duì)齒機(jī)構(gòu)。

圖9 設(shè)備情況

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了變速箱裝配線上齒軸花鍵自動(dòng)對(duì)齒的方法，包括對(duì)齒的過(guò)程設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、有限元分析、程序編制等。驗(yàn)證結(jié)果表明，采用試壓位移差對(duì)比和按等差數(shù)列增加角度的旋轉(zhuǎn)方式的對(duì)齒方法，達(dá)到了預(yù)期的裝配效果，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)成功率達(dá)98%；同時(shí)，為裝配線實(shí)現(xiàn)更高自動(dòng)化提供了一定的參考。