基于齿轴压装的花键自动对齿方法

侯 瑞

（上海汽车变速器有限公司，上海 201807）

0 引言

花键联接因传递转矩大、定心精度高等特点，被广泛应用于变速箱齿轴装配中[1]。但由于其结构特殊，需内／外花键配合联接，故许多装配线在该工位仍采用人工对齿，即人工将内／外花键预配合后，再进行压装[2]。此外，花键的压装多采用热压方式[3]，温度可达160 ℃，操作工不得不戴厚重的隔热手套进行操作。这不仅存在烫伤的安全隐患，更影响了装配的节拍，遏制住了变速箱装配线全面自动化的发展。

而在变速箱装配线上，伺服压机系统因其特有的“伺服电机+丝杠”结构，使生产的速度和质量得到大大地提升，提高了压装精度及对压装过程的实时监控，使生产更加可控，故近年来被广泛运用[4]。其中，轴承、油封、定位销、齿轮等关键部件的安装，均由伺服压机完成[5]。

因此，基于上述问题，本研究结合实际项目对伺服压机进行应用设计，介绍了采用伺服压机进行齿轴花键压装的方法，分析了对齿过程、参数设置等，以期为变速箱装配线的自动化发展提供参考。

1 设计与计算

1.1 研究对象

汽车传动具有载荷大、不平稳等特点，要求传动齿轮有较高的安装精度和足够强度。因此，加工有花键的齿轮轴在变速箱的生产中运用广泛[6]。本项目选用某型号油电混合变速箱的输出轴作为研究对象，其详情如图1 所示。从图中可以看出，齿轮轴3 处加工有渐开线花键，用以安装3 个挡位的变速齿轮。选取中间的花键作为研究对象，其参数为模数1、齿数36、压力角30°。

图1 输出轴示意图

1.2 实施对象

以往的齿轴压装为人工预先将内／外花键配合好，再进行压装作业[7]。与该压装方式不同，花键对齿压装的关键在于“一边对、一边压”。这需要在压装过程中既有竖直的压装力，又有旋转力。

德国Promess公司[8]的一款伺服压机（型号REMAP）正好具备这种能力，其在传统伺服压机的基础上增加了旋转功能，且将二者通过同一个控制器控制，方便了编程与控制。

具备上述条件，使得实现花键自动对齿压装成为了可能。

1.3 对齿过程

花键的对齿过程是一个概率事件：压机可能在第一次压装时就直接成功对齿；也可能需要多次调整才能对齿成功。因此，对齿的过程必须经过合理的设计并优化，限制对齿次数，确保在节拍不浪费的前提下成功对齿并压装。

根据花键参数和伺服压机的功能，设计的对齿过程流程图如图2所示。线性移动的压机每试压1 次失败后，将回升并旋转一定角度，然后再次试压，如此反复n次直至压装成功，否则压装失败并报警。

图2 对齿过程流程图

以齿轮内花键的下端面为对象，设其移动至花键上端面的位移为S，在试压压力F1下的位移为S1，试压压力F2下的位移为S2，且F2＞F1，花键压装变形量ΔS。则对齿原理可表示为：

1.4 参数计算

1.4.1 参数及分析

根据该工位的结构、设备安装位置及零件尺寸，测得齿轮内花键的下端面压至花键上端面时位移S为270 mm；输出轴及齿轮材料均为20MnCr5，泊松比为0.3，抗拉强度Rm为1 482 MPa，屈服强度δs为1 232 MPa。

为了便于计算，初步将试压压力F1设为1 kN，试压压力F2设为3 kN。由于花键齿数为36，且齿端面带有2 ×15°的倒角，则每个齿的受力分析如图3所示。

图3 花键受力分析图

从受力计算可以得出，在试压压力F2的作用下，齿面所受分力为Fx＝3 000 ×cos15°＝2 897.8 N，Fy＝3 000 ×sin15°＝776.5 N。

为了验证试压压力的设定是否合理，通过有限元Ansys软件，进一步分析花键在试压时的应力及应变[9]。受力仿真分析后的结果如图4～5所示。

通过上述分析可以看出，在试压压力F2的作用下，变形量ΔS约为8 ×10-6mm，即试压压力F1和F2对花键均不会造成明显的变形。因此，可以采用F1和F2的设定值。

根据以往经验，当花键对齿成功且压入力为3 kN时，其从开始对齿到成功对齿的位移差足SΔ满足SΔ＞0.2 mm，故取SΔ＝0.4 mm。则式（1）可变为：

图4 花键部分应变云图

图5 花键部分应力云图

1.4.2 旋转角度

从上节可知，输出轴的花键参数为：模数m为1，齿数z为36。则齿距P＝m×π＝1 ×3.14＝3.14 mm，相邻齿顶（或齿根）间夹角α＝360°÷z＝10°。

设左／右转动方向为θL和θR，则对齿的转动角度条件为：

由于伺服压机的单位旋转角度为（1% ×1 round），即转动3.6°，故对应花键的实际单位旋转位移SΔθ＝3.14 ×10° ÷3.6°＝1.13≈1 mm。为防止该工位的夹具与托盘发生干涉碰撞，伺服压机只能被允许旋转约1／4周，即对应花键的旋转位移Sθ＝1／4 ×z

×P≈28 mm。

若设定以相同角度θ旋转，则当首次试压产生“死点情况”时，即内／外花键正好处于齿顶中心“轴向共面”的情况，则可能造成长时间对齿失败。因此，旋转的角度将采用等差数列的形式，每次增加单位旋转角度3.6°，以避免出现死点情况。以1 mm的旋转位移为首项，则最小循环次数s可由下式求得：

从上式可求得，最小循环次数s＝6.9，即7次。

2 实施结果

2.1 对齿压装程序

由于REMAP型伺服压机带有两套伺服电机，分别执行线性和旋转的移动，如图6 所示，因此需要分开编程。根据上章的过程设计和参数计算，伺服压机的程序具体编制如图7所示。

图6 REMAP型伺服压机

图7 对齿程序

其中，输入／输出信号与西门子PLC S7-300 进行交互，实现启／停、合格、报警、实时反馈等信号的交互。此外，当旋转程序执行7 次转动后，开始了反向转动，如图8 所示。这是由于现场验证时，发现齿轮加热需要8 s 左右时间，允许压机进行反向的对齿，提高了对齿的成功率。

图8 对齿程序的流程示意图

2.2 实施效果

本项目进行了约2 个月的验证性生产。验证过程中，除第1个月因齿轮的内花键尺寸存在差异性进行调整、压装力更改等突发问题外（程序参数调整后解决），未出现明显的不稳定情况。

据现场班组统计，设备对齿的合格率达98%以上（2 880套中出现47 套失败），初步证明了设计的合理性与有效性。现场设备情况如图9 所示，圆圈处为关键对齿机构。

图9 设备情况

3 结束语

本文介绍了变速箱装配线上齿轴花键自动对齿的方法，包括对齿的过程设计、参数计算、有限元分析、程序编制等。验证结果表明，采用试压位移差对比和按等差数列增加角度的旋转方式的对齿方法，达到了预期的装配效果，经现场统计成功率达98%；同时，为装配线实现更高自动化提供了一定的参考。