新能源汽车齿轴过盈压装对中间轴齿轮精度的影响研究

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过盈压装工艺广泛应用于新能源汽车齿轴加工领域,由于该工艺涉及过盈压装可能会对齿轮精度造成一定的影响,进而导致电驱总成噪声、振动与声振粗糙度(NVH)水平下降。为了深入研究从动齿轮压装过盈量对中间轴齿轮精度的影响,基于 0.03 mm 和 0.1 mm 两种不同的过盈量进行压装测试。结果显示,两种过盈压装均对齿轮累积的影响最大,分别约 5 μm 和 8 μm,此外,中间轴齿轮齿向角度对压装力较为敏感,最大变化量约 6.5 μm。基于以上测试结果对比分析发现,齿轮累积及齿向角度随压装过盈量的变大而变大,严重影响齿轮精度;其他齿轮精度参数对过盈压装量并不敏感,其变化量基本一致。

在能源形势严峻和低碳经济的时代背景下,发展新能源汽车已是大势所趋,减速器作为电驱总成的核心零部件,其设计、制造及装配工艺对噪声、振动与声振粗糙度(Noise, Vibration, Harsh-ness, NVH)水平有着较大的影响。当前主流的减速器通常为单挡两级结构,即输入轴总成、中间轴总成和输出轴总成,针对中间轴总成一般包含中间轴组件及两端的轴承,中间轴组件由于受限于加工方式通常为分体结构,而小过盈压装或大过盈压装是实现两者固连的关键工序之一,中间轴齿轮精度的变化会造成齿轮啮合时,齿面接触应力或传递误差变差,造成齿轮强度及 NVH 水平下降。目前国家相关标准对齿轮的精度等级、过盈压装时的过盈量与承载扭矩之间的关系等,均在相应的标准中作了明确的阐述。何亚峰等在齿轮与轴压装过程过盈配合研究中提到了过盈压装时,采用理论和有限元两种计算方法,获得的压装力变化和接触应力结果基本一致,可为齿轮与轴过盈设计提供一定的理论和依据;周益等在齿轮精度与变速器啸叫声控制的定量分析中揭示齿轮精度对齿轮啸叫影响的机理,其精度对变速器齿轮副啸叫噪声有重要影响,提高齿轮精度是控制啸叫噪音的一个重要手段。因此,基于上述原因,研究压装过程中过盈量对中间轴齿轮精度的影响显得十分必要。 

01试验过程

试验条件及要求:首先根据控制变量法将待压装的从动齿轮和中间轴按照光轴配合过盈量分成两组,即小过盈和大过盈,过盈量分别约 0.03 mm 和 0.10 mm。除此之外其他要求如下:1)除过盈量以外的其他结构尺寸及压装工艺均保持一致;2)中间轴及从动齿轮内孔均采用热后精加工工艺,粗糙度小于 0.8;3)压装前清洗中间轴齿轮和从动齿轮,通过齿轮测量中心检测并记录压装前后中间轴齿轮精度;4)压装后确保从动齿轮与中间轴齿轮接触面间隙小于 0.02 mm,保证所有从动齿轮压装到位。

小过盈量对中间轴齿轮精度的影响:压装前先在中间轴上进行编号标记,分别为X5-2#、X5-4#、X5-5#、X6-6#、X6-7#、X6-9#,由于采用光轴过盈压装,所以在压装前需要通过理论计算得出对应的压装力,如表 1 所示,然后再根据压机实测数据拟合压装力-位移曲线图(见图 1)。通过理论与实际的数据对比发现,两者的数据较为接近,压装力约为 3 t。 

表 1 小过盈量压装力计算

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图 1 实际压装力

压装完成后,复测中间轴齿轮精度,并将影响齿轮精度的累积、跳动,左右齿面上齿形、齿向包含的角度误差、鼓形变化量、齿形/齿向角度偏差变化量 V 值及扭曲等相关数据统计如表 2 所示;为了直观的对比前后数据变化,将上述影响精度的相关参数使用曲线图表示,如图 2-图 5 所示。

表 2 小过盈量压装前后中间轴齿轮精度

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图 2 齿轮累积变化

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图 3 齿向 V 值及扭曲变化

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图 4 齿向鼓形量变化

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图 5 齿向角度变化

对比压装前后的数据发现:1)小过盈量压装对齿轮累积的影响并无明显规律,总体上造成齿轮的累积变大,最大变化量小于 5 μm;2)对齿轮跳动、齿形角度、鼓形、V 值及扭曲几乎没有影响,前后变化量一般小于 2 μm;3)对齿向鼓形的影响较小,压装前后的变化量通常小于 2 μm,但对齿向角度、V 值及扭曲略有影响,一般压装前后的变化量最大不超过 3 μm。综上所述,基于当前过盈量的压装对齿轮精度略有一定的影响,但影响不大,总体可接受。

大过盈量对中间轴齿轮精度的影响:大过盈压装的样本量为 5 套齿轴,采用同样的方法,在大过盈量的零件压装前,先在中间轴上进行编号标记,分别为 X1-1#、X1-2#、X2-1#、 X2-2#、X3-1#。由于轴和孔的实际配合过盈量约 0.1 mm,通过理论计算可得,压装力约 8~9 t 左右,如表 3 所示。

表 3 大过盈量压装力计算

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压装完成后,复测中间轴齿轮精度,并将影响齿轮精度的累积、跳动,左右齿面上齿形、齿向包含的角度误差、鼓形变化量、V 值及扭曲等相关数据统计如表 4 所示。并将上述影响中间轴齿轮精度的相关参数使用曲线图表示,如图 6-图 9 所示。

表 4 大过盈量压装前后中间轴齿轮轮精度

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图 6 齿轮累积变化

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图 7 齿向 V 值及扭曲变化

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图 8 齿向鼓形量变化

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图 9 左右齿面齿向角度变化量

对比压装前后的数据发现:1)大过盈压装对齿轮累积的影响没有明显规律,但压装后可能会导致左右齿面累积变大,最大不超过 8 μm;2)大过盈压装一般会造成齿轮跳动变差,试验结果表明一般变化量在 5 μm 以内,但齿形角度、鼓形、V 值及扭曲的影响同小过盈压装时的变化量相当,变化量基本上不超过 3 μm;3)对齿向鼓形、V 值及扭曲的影响同小过盈压装时也基本一致,压装前后的变化量小于 3 μm,但对齿向角度的影响却很大,最大变化量约 6.5 μm。综上所述,大过盈量压装会导致齿向角度发生较大的变化,严重偏离设计理论值,在一定程度上会造成齿面偏载,齿面接触应力及传递误差增大,影响齿轮的寿命及 NVH 水平。

02结论

通过对比大过盈压装和小过盈压装对齿轮精度的影响,可以得到以下几点结论:

1)对于中间轴齿轮的累积和跳动来讲,压装后明显偏离原有设计值,总体上偏离程度随过盈量的变大而变大,其中大过盈压装时,偏离约 8 μm;

2)对齿形精度的影响:无论是基于 0.1 mm 过盈量或 0.03 mm过盈量的压装,上述参数变化量约 3 μm,即两种过盈量压装对齿形的角度、鼓形、V 值及扭曲影响几乎一致; 

3)对齿向精度的影响:以上两种压装方式对齿向鼓形、V 值及扭曲的影响差别并不明显,变化量随压装过盈量的增大而略有增大,但对齿向角度的影响较大,随压装过盈量的增大,最大变化量约 6.5 μm; 

4)如考虑大过盈量的压装方式,为了保证良好的接触和 NVH 水平,在齿轮微观修形过程中需基于齿轮精度的变化趋势及变化量,增加相应的补偿以此来抵消压装过程中产生的齿轮形变。

参考文献略.

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编辑:刘倩  

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