某重卡变速器中间轴热装精密对齿机构的设计

张亚光，董 超

某重卡变速器中间轴热装精密对齿机构的设计

张亚光，董 超

（1.陕西法士特汽车传动集团有限责任公司，陕西 西安 710077；2.陕西柴油机重工有限公司，陕西 西安 710075）

中间轴总成是变速器核心零部件之一，其精度要求高，装配难度大，行业内普遍应用热装对齿工艺进行装配。但如何在保证装配精度的同时，兼容多种机型，并实现快速换产，长期以来属于行业难题。文章开发出一套高柔性全自动中间轴热装精密对齿方法及机构，并已应用到批量生产中，能够在保证装配精度的同时，兼容多种机型，实现快速换产，适用于高柔性自动化产线，具有很大的推广意义。

中间轴；变速器；热装对齿；快速换产

作为变速器核心零部件，中间轴总成精度要求高、装配难度大。且中间轴型号众多，换产频繁，不同型号的轴长短、直径不同，齿轮内孔、外径也不同，不同机型的齿轮压装深度、对齿位置也不尽相同。传统装配设备往往只能加工单一机型，换产需要人工调整机械机构，换产时间长，精度不易保证。如何在保证装配精度的同时，兼容多种机型，并实现快速换产，长期以来属于行业难题。

针对此问题，本文设计了一种高柔性全自动中间轴热装精密对齿方法及机构，能够在保证装配精度的同时，兼容多种机型，实现快速换产。

1 中间轴热装对齿工艺简介

中间轴热装对齿工艺的基本原理是利用齿轮受热膨胀产生的孔轴间隙，将轴穿入齿轮内孔后借助压装对齿机构对齿轮和轴进行角向定位与轴向定位，保证齿轮与轴之间角向位置度关系和轴向位置尺寸关系[1-4]，如图1所示。

图1 中间轴总成

2 存在的问题及解决方案

2.1 问题一

问题：中间轴如何定位？

中间轴定位分为中心定位和轴向定位，中间轴定位方法如图2所示，定位问题的解决方案如下：

1－上顶尖；2－下顶尖；3－下顶尖套；4－弹簧。

1）采用上下两顶尖对中间轴进行中心定位，用下顶尖套端面对中间轴进行轴向定位，保持与设计基准、机加工基准及后续测量基准统一。

2）为了防止过定位，在下顶尖下方布置弹簧，在满足上下顶尖始终将轴中心定位的同时，保证下顶尖套端面与中间轴端面贴合，达到轴向定位要求。

2.2 问题二

问题：齿轮如何定位？

齿轮定位分为轴向定位和中心定位，齿轮定位方法如图3所示，定位问题的解决方案如下：

1）采用压机底座端面对齿轮进行轴向定位。

2）中心定位又分为初定位和终定位。在中间轴被压入齿轮前，采用涨珠机构对齿轮进行初定位，涨珠机构布置在下顶尖座上，由涨珠气缸、锥形芯轴和钢珠组成，在下顶尖座外套上布置三个圆孔，将三个钢珠安装在锥形芯轴与下顶尖座外套之间对应的圆孔内（上下有一定活动量），当齿轮放置在底座上后，下顶尖座上升到固定位置，涨珠气缸通气，推动锥形芯轴向上运动，带动钢珠进入下顶尖座外套的圆孔内，并与齿轮内孔接触，利用三个钢珠实现齿轮的中心定位。在中间轴被压入齿轮后，采用中间轴对齿轮进行最终中心定位。

5－底座；6－下顶尖座；7－涨珠气缸；8－锥形芯轴；9－钢珠。

2.3 问题三

问题：对齿位置度如何保证？

对齿位置度保证方法如图4所示，解决方案如下：

保证对齿位置度，即保证中间轴与齿轮的角向定位精度。在上下两顶尖轴线侧面，设置上下两个对齿球头机构，上球头机构的上球头顶入中间轴基准齿槽内，将齿槽顶紧，球头两侧与齿槽两齿面完全贴合，对中间轴进行角向定位；下球头机构的下球头顶入齿轮的齿槽内，将齿槽顶紧，球头两侧与齿槽两齿面完全贴合，对齿轮进行角向定位。上下两个球头的中心线需与上下两个顶尖中心线垂直，同时，两球头的中心线之间的距离需符合图纸要求。

10－上球头机构；11－下球头机构；12－上球头；13－下球头；18－伺服电机（上X）；19－上球头连接板；20－伺服电机（下X）；21－下球头连接板；22－伺服电机（上Z）；23－伺服电机（下Z）。

2.4 问题四

问题：压装轴向位置尺寸如何保证？

压装轴向位置尺寸保证方法如图5所示，解决方案如下：

保证压装轴向位置尺寸即保证中间轴下压的位移。因为中间轴轴向定位基准在中间轴下端面，而下压时的驱动力从上向下施加，即受力点不是基准面。如果以受力点的位移作为压装轴向位置尺寸，则会导致基准转换带来的误差。因此，在压装过程中需要统一基准，在压机背板上设置一个挡块，下提升气缸带动下顶尖座向上运动，与挡块贴合后停止，通过持续通气将下顶尖座保持在此位置。连接在伺服压机的上顶尖带动中间轴向下移动，采用力模式，当中间轴的下端面与下顶尖套端面贴合，伺服压机的压力传感器感应到设置的力后，伺服压机将此位置记为压装基准位。此时，连接在伺服压机的上顶尖和压机的下顶尖套端面将中间轴完全夹紧，压装基准位与图纸要求统一，伺服压机切换为位移模式，带动中间轴向下移动图纸要求的位移后停止，保证轴向位置尺寸。

1－上顶尖；6－下顶尖座；14－背板；15－挡块；16－下提升气缸；17－伺服压机；30－连杆。

2.5 问题五

问题：如何快速换产，兼容不同型号中间轴？

对于热装，不同型号的中间轴差异，主要体现在轴的长度上和轴上基准齿的分度圆直径，兼容问题的解决方案如下：

1）长度兼容方面，本机构采用上顶尖加下顶尖套端面对中间轴的轴向进行定位，下顶尖座每次压装过程均依靠固定的挡块限位，故不同型号的中间轴下端面位置一致，而上顶尖连接在伺服压机上，伺服压机行程兼容不同型号的中间轴长度，通过设置伺服位移值，在不调整机械机构的情况下，快速适应不同型号中间轴的长度变化（图5）。

2）基准齿分度圆直径兼容方面，在上球头机构上设置做径向运动的伺服电机（上），将上球头连接板与伺服电机（上）连接，伺服电机（上）带动安装在上球头连接板上的上球头做径向移动，伺服电机（上）行程兼容不同型号中间轴基准齿的分度圆直径，通过设置伺服位移值，在不调整机械机构的情况下，快速适应不同型号中间轴基准齿的分度圆直径（图4）。

2.6 问题六

问题：如何快速换产，兼容不同型号齿轮？

对于热装，不同型号的齿轮差异，主要体现在齿轮内孔直径和外齿分度圆直径的差异，兼容问题的解决方案如下：

1）齿轮内孔直径的兼容，即齿轮中心定位的兼容，中心定位又分为初定位和终定位。齿轮采用涨珠机构进行初定位，给涨珠气缸通气，推动锥形芯轴向上运动，带动钢珠进入下顶尖座外套的圆孔内，并与齿轮内孔接触。锥形芯轴向上运动的限位依靠的是钢珠被推出下顶尖座外套圆孔的体积，即齿轮内孔与下顶尖座外套的距离。当齿轮内孔直径较小时，齿轮内孔与下顶尖座外套的距离小，则钢珠被推出下顶尖座外套圆孔的体积就小，锥形芯轴向上运动的距离就近；当齿轮内孔直径较大时，齿轮内孔与下顶尖座外套的距离大，则钢珠被推出下顶尖座外套圆孔的体积就大，锥形芯轴向上运动的距离就远。总之，无论齿轮内孔直径在一定范围内怎么变化，均可保证涨珠机构上的三个钢珠与齿轮内孔始终接触，满足定位要求。在中间轴被压入齿轮后，采用相配合的中间轴对齿轮进行最终中心定位，因此，换产不影响齿轮终定位。可见，上述机构能够在不调整机械机构的情况下，快速适应不同型号齿轮的内孔直径（图3）。

2）外齿分度圆直径的兼容，即齿轮角向定位的兼容。在下球头机构上设置做径向运动的伺服电机（下），将下球头连接板与伺服电机（下）连接，伺服电机（下）带动安装在下球头连接板上的下球头做径向移动，伺服电机（下）的行程兼容不同型号齿轮分度圆直径，通过设置伺服位移值，在不调整机械机构的情况下，快速适应不同型号齿轮的分度圆直径（图4）。

2.7 问题七

问题：如何快速换产，适应不同机型的对齿位置要求？

不同机型的对齿位置要求不同，即上球头和下球头的轴向位置要求不同，兼容问题的解决方案如下：

1）在上球头机构上设置做轴向运动的伺服电机（上），将上球头连接板与伺服电机（上）连接，伺服电机（上）带动安装在上球头连接板上的上球头做轴向移动，伺服电机（上）行程兼容不同机型轴齿对齿位置，通过设置伺服位移值，在不调整机械机构的情况下，快速适应不同机型轴齿对齿位置。

2）同理，在下球头机构上设置做轴向运动的伺服电机（下），将下球头连接板与伺服电机（下）连接，伺服电机（下）带动安装在下球头连接板上的下球头做轴向移动，伺服电机（下）行程兼容不同机型齿轮对齿位置，通过设置伺服位移值，在不调整机械机构的情况下，快速适应不同机型齿轮对齿位置（图4）。

2.8 问题八

问题：如何快速换产，适应不同机型的压装深度要求？

解决方案如下：

不同机型的压装深度要求不同，即轴下压的位移要求不同。通过问题4的解决方案可知，不同机型在压装过程的轴向基准是唯一的，即下顶尖座被挡块限位后，下顶尖套端面位置是唯一的。此时，根据不同机型的中间轴长度和压装深度要求，即可设置伺服压机下压的位移值，保证不同机型的压装深度要求（图5）。

2.9 问题九

问题：为保证压装精度稳定性，本方案要求压装过程中上球头始终顶在中间轴基准齿槽内，即压装过程中上球头始终保持与中间轴下端面（轴向基准面）的轴向距离不变，如何实现这一动作？

解决方案如下：

设计连杆，将下顶尖座和上球头机构相连接，当中间轴被压到下端面与下顶尖套端面贴合时，伺服压机将此位置记为压装基准位。此时，伺服电机（上）带动安装在上球头机构上的上球头做径向移动，上球头顶入中间轴基准齿槽内，将齿槽顶紧，球头两侧与齿槽两齿面完全贴合，对中间轴进行角向定位，随后伺服压机下行，带动中间轴向下移动mm（根据不同机型压装深度预先设置），进入齿轮，并停在设定位移处。因中间轴下端面与下顶尖套端面贴合时，上顶尖和下顶尖套端面将中间轴完全夹紧，当中间轴向下移动mm，下顶尖座也会被带动下移mm，而通过连杆连接的上球头机构也被同步带动下移mm。因此，实现压装过程中上球头始终顶在中间轴基准齿槽内，与中间轴无相对运动，保证压装精度稳定性（图6）。

6－下顶尖座；10－上球头机构；30－连杆。

2.10 问题十

问题：对齿轮进行角向定位时，如果下球头顶住齿轮齿顶，如何快速调整？

顶齿调整方法如图7所示，解决方案如下：

根据问题3可知，下球头机构的下球头顶入齿轮的齿槽内，完成对齿轮的角向定位，如果下球头顶住齿轮齿顶，则会导致对齿失败，因此设计如下方法解决此问题。在下球头机构上做径向运动的伺服电机（下）采用力模式，当下球头顶住齿轮齿顶时，力条件满足，位移条件不满足，伺服电机（下）切换为位移模式，带动下球头连接板后退mm（根据不同齿轮尺寸预先设置）；接着在下球头机构上做轴向运动的伺服电机（下）采用位移模式，带动下球头连接板向上移动mm（根据不同齿轮尺寸预先设置）；随后伺服电机（下）切换为力模式，带动下球头连接板前进，因为齿轮为斜齿结构，下球头通过轴向移动，再次对齿时，可拨动齿轮旋转，顶入齿槽后，伺服电机（下）切换为位移模式，带动下球头连接板后退mm（根据不同齿轮尺寸预先设置）；此时，伺服电机（下）采用位移模式，带动下球头连接板向下移动mm，下球头回到要求的对齿位置；随后，伺服电机（下）切换为力模式，带动下球头连接板前进，下球头顶入齿槽，将齿槽顶紧，球头两侧与齿槽两齿面完全贴合，完成对齿轮的角向定位。

13－下球头。

2.11 问题十一

问题：热装完成后，如何使齿轮快速降温，将中间轴抱紧？

齿轮夹爪和轴夹爪如图8所示，解决方案如下：

设置齿轮夹爪，并在夹爪上开设若干气孔，气孔开设的位置正对齿轮，当热装完成后，给气孔通压缩空气，压缩空气高速吹在热装完成后的齿轮上，达到快速降温的目的。

24－齿轮夹爪；25－轴夹爪；26－轴夹爪连接板；27－轴夹爪气缸；28－导向轴；29－带锁气缸。

2.12 问题十二

问题：本方案中间轴上下料方式为机器人自动抓取，如何实现上下料过程中压机对中间轴的接取，同时此机构又不影响到压装过程？

解决方案如下：

在压机上设置轴夹爪，用于机器人上下料时对中间轴的接取。轴夹爪安装在轴夹爪连接板上，同时在压机上设置轴夹爪气缸，和轴夹爪连接板连接，由此实现轴夹爪在轴向上的运动，在轴夹爪连接板上安装一根导向轴。同时，在上球头机构上安装一件带锁气缸。在压装开始前和压装结束后，给带锁气缸通气，导向轴可在带锁气缸中自由滑动，即轴夹爪可通过轴夹爪气缸上下运动，满足机器人上下料位置的需求。在压装过程中，为避免轴夹爪对中间轴造成过定位，需要将轴夹爪始终打开，同时又需要轴夹爪与中间轴上下随行，满足机器人抓取需求。因此，给带锁气缸断气，带锁气缸将导向轴抱紧，压装过程上球头机构通过连杆随同下顶尖座向下移动的同时，通过导向轴和带锁气缸带动轴夹爪同步下移，实现打开状态下的轴夹爪与中间轴上下随行（图8）。

3 装配动作过程描述

1）机器人将中间轴抓取交给压机轴夹爪，夹爪将中间轴夹紧，机器人退出。

2）机器人将加热好的齿轮抓取放置到压机底座上，机器人退出。

1－上顶尖；10－上球头机构；11－下球头机构；12－上球头；13－下球头；16－下提升气缸；17－伺服压机；18－伺服电机（上X）；19－上球头连接板；20－伺服电机（下X）；21－下球头连接板；22－伺服电机（上Z）；23－伺服电机（下Z）；24－齿轮夹爪；25－轴夹爪；26－轴夹爪连接板；28－导向轴；29－带锁气缸。

3）下提升气缸带动下顶尖座向上运动，与安装在压机背板上的挡块贴合后停止，通过持续通气将下顶尖座保持在此位置。此时，连接在伺服压机上的上顶尖带动中间轴向下移动，当下顶尖接触中间轴下顶尖孔并将其中心定位后，伺服压机采用力模式继续下移，此时压缩下顶尖弹簧，当中间轴的下端面与下顶尖套端面贴合，上下顶尖完成对中间轴的中心定位和轴向定位，伺服压机的压力传感器感应到设置的力后，伺服压机停止运动，并将此位置记为压装基准位。

4）给涨珠气缸通气，推动锥形芯轴向上运动，带动三个钢珠进入下顶尖座外套的圆孔内，并与齿轮内孔接触，完成对齿轮的中心定位。

5）与此同时，根据不同机型的对齿位置要求，上球头机构上做轴向运动的伺服电机（上）带动上球头移动到程序预先设置的位置，下球头机构上做轴向运动的伺服电机（下）带动下球头移动到程序预先设置的位置。同时，根据不同机型中间轴轴齿和齿轮分度圆直径的大小，上球头机构上做径向运动的伺服电机（上）切换为力模式，带动上球头移动到中间轴轴齿基准齿槽中，将齿槽顶紧，球头两侧与齿槽两齿面完全贴合，完成对中间轴的角向定位；下球头机构上做径向运动的伺服电机（下）切换为力模式，带动下球头移动到齿轮齿槽中，将齿槽顶紧，球头两侧与齿槽两齿面完全贴合，完成对齿轮的角向定位。对齿轮进行角向定位时，如果下球头顶住齿轮齿顶，下球头进行自动调整。（动作过程详见问题10技术方案）上述动作完成后，齿轮夹爪将齿轮夹紧，下球头后退mm（根据不同齿轮尺寸预先设置）。

6）伺服压机切换为位移模式，带动中间轴向下移动mm（根据不同机型所要求的的压装深度预先设置）后停止。

7）齿轮夹爪打开，下球头机构上做径向运动的伺服电机（下）切换为力模式，带动下球头再次移动到齿轮齿槽中，将齿槽顶紧，球头两侧与齿槽两齿面完全贴合，完成对齿轮的二次角向定位。

8）给齿轮夹爪气孔通气，对齿轮进行快速降温。

9）轴夹爪将中间轴夹紧，给轴夹爪气缸通气，带动轴夹爪上升（动作原理详见问题十二技术方案）。

10）机器人进入压机，轴夹爪打开，机器人将压装完成的中间轴从压机抓出。

4 结语

在现代化产线上，高柔性和高自动化率往往是一组难以兼顾的需求，尤其对于中间轴热装这种高精度要求的工艺过程，要想实现多品种兼容的自动化生产，实施难度可想而知[5-6]。通过多年深耕热装精密对齿工艺，并融合伺服压装、伺服变位、气动夹紧等自动化技术，本文开发出这套高柔性全自动热装精密对齿方法及机构，在保证装配精度的同时，能够兼容多种机型，实现快速换产，适用于高柔性自动化装配线。

[1] 寇植达,王波.斜齿中间轴热装对齿工艺的研究[J].机械传动,2019,43(6):154-157,164.

[2] 杨平,于明.一种减速机中间轴热装对齿工艺的研究及应用[J].汽车实用技术,2019,44(17):188-189.

[3] 王治宇.变速器齿轮热装工艺仿真及实验研究[D].合肥:合肥工业大学,2017.

[4] 陈海芹.汽车发动机和变速箱自动化装配技术研究[J].内燃机与配件,2022(10):103-105.

[5] 罗维.整车零件柔性自动化装配研究应用[J].汽车工艺与材料,2021(2):54-62.

[6] 赖国华.汽车制造中发动机及变速箱自动化装配技术研究[J].时代汽车,2022(17):166-168.

Design of the Accurate Hot-fit-tooth for the Countershaftof the Heavy Truck Transmission

ZHANG Yaguang, DONG Chao

( 1.Shaanxi Fast Auto Drive Refco Group Company Limited, Xi'an 710077, China;2.Shaanxi Diesel Heavy Industry Company Limited, Xi'an 710075, China )

The countershaft is one of the core components of the transmission, which requires high accuracy and is difficult to assemble. Hot fitting process is widely used in the industry to gears assembly. However, how to ensure accuracy while being compatible with multiple models and achieve rapid production change. It has long been an industry challenge. In response to this problem,the article has developed a set of high-precision hot-fit-tooth methods and mechanisms for highly flexible countershaft, which has been applied to batch production.It ensures accuracy while being compatible with multiple models, and achieves rapid production change, and is suitable for highly flexible automated production lines. This article provides a detailed introduction of this process method and mechanism for reference in the same industry.

Countershaft; Transmission; Hot-fit-tooth; Rapid production change

U466

A

1671-7988(2023)21-131-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.027

张亚光（1990－），男，工程师，研究方向为变速器生产工艺，E-mail:fastzyg@163.com。