等高齿锥齿轮设计开发应用.doc

汽车驱动桥作为汽车的重要传动部件，对整车的承载能力和舒适性有很大影响，其中主被动锥齿轮是驱动桥中最重要的零件。目前，根据齿的收缩形式，应用在汽车驱动桥中的主被动锥齿轮副主要有格里森制渐缩齿与奥利康等高齿两种齿制。
由于历史的原因，公司内以前所有齿轮副均为渐缩齿制，加工方法为传统的“五刀法”， 大轮采用两台机床分别进行粗、精切两侧齿面，小轮分别采用粗切、精切凸面、精切凹面三台机床加工。原有加工方法需要占用五台机床，参数计算与调整复杂，且节拍较低。
随着2009年重汽与MAN的全面技术合作，引进了MAN公司的车桥技术。目前MAN公司车桥主被动锥齿轮均采用奥利康等高齿齿制，而AC16主减齿轮初始设计仍为减缩齿，实际使用中出现的打齿、点蚀等故障较多，已不太适应该驱动桥的工况。为此，在开发单边50矿用车驱动桥时，决定在不改变安装尺寸的基础上，对现有格里森渐缩齿制锥齿轮进行等高齿制设计开发。
二、设计过程
1.设计条件
通过对齿轮副使用情况及主减的安装情况，以及多次讨论，我们认为设计该对齿轮副的条件为不改动其他相关零部件结构，尽量采用成熟加工工艺，以降低生产成本，同时进一步提升齿轮副强度。

根据整车动力特点，取齿轮副齿数比为29/17，被动轮平均计算扭矩按4000NM。则按《驱动桥设计》中给出的图表，圆整后，被动轮分度圆直径取为300mm，则大端面模数为。沿用原有的产品设计，取中点螺旋角35°，名义压力角取为22°30′。
根据整个主减的结构，确定主动轮安装距为161mm，从动轮安装局为134mm，被动轮齿面宽取为50mm。
2.几何参数设计
本次设计中，为了得到比较理想的齿高参数，选取齿顶高系数,齿全高系数，齿顶间隙系数。则计算出的主要齿轮参数如下：

小轮
大轮
齿数
17
29
大端模数（mm）
10.3448
轴交角
90°
中点螺旋角
35°
名义压力角
22°30′
分锥角
30°22′45″
59°37′15″
全齿高(mm)
17.136
17.136
齿顶高（mm）
9.8718
5.4016

（1） 小轮齿根根切检查与分锥角修正
由于小轮要采用展成加工，容易发生小端根切现象。因此需要验算其不根切的最小变位系数，计算过程为;
小轮中点锥距：
小轮小端锥距：

小轮小端螺旋角：

小轮小端法面当量齿轮齿数：

小轮最小变位系数：

故设计时选取小轮变位系数0.3＞0.286，避免了小端根切现象。
小轮采取悬臂支撑，无需进行分锥角修正。
（2） 小轮齿顶变尖检查
由于等高齿锥齿轮齿顶宽度由大端至小端是逐渐缩小的，有可能存在

小轮小端齿顶宽过小的情况，就会造成在热处理时由于温度过高而“烧化”，因此需要对小齿轮齿顶宽度进行限制。根据克林贝格公司
的资料，当齿顶宽度＜0.3mn时，可认为齿顶过尖，需要进行修正。这部分内容的计算如下：
冠轮齿数：
小轮小端法向模数：
小轮小端法面当量圆柱齿轮顶圆直径：

小轮小端齿顶法向压力角：
31°7′57′
小轮小端法向节圆齿厚半角：

小轮小端法向齿顶厚半角：

小轮小端法向齿顶厚：

而0.3mn=2.235mm
因此齿顶尺寸符合要求，无需进行修正。

3.切削刀具设计
等高齿锥齿轮采用连续分度方法进行切削，根据目前加工机床现状，选定所加工刀具为SPIRON 13-105型。SPIRON刀盘是一种新型的铣齿刀盘，采用硬质合金刀条后，适用于高速干切削，其切削速度可以达到200m/min。该型号刀盘由内切、外切刀条组成，刀齿安装在整体式刀盘上，内外刀回转中心重合，不可调。
对于连续分度法所用刀具，其参数计算式以名义中点模数来进行的。

面滚刀盘的计算参考点
（1） 刀具参考点高度HW0
HW0确定了刀盘计算的参考点，并且也是刀条测量与安装的基准点。
对于本设计，以小轮刀具为例，取HK*=1，，HM=78mm，则
（2）刀具偏置距E
对于面铣刀具，其刀条中心与刀盘中心重合，无偏置距概念。对于面滚刀具，其刀具偏置距决定了刀条相对于刀盘中心的偏置距离。

面铣与面滚的不同加工方式示意
因此对于该产品，其数值大小为：

（3） 刀具干涉校验
刀具设计时的一个重要原则为切削加工时，非切削面不能与已加工的相对齿面发生干涉。发生干涉的主要原因为非切削刃齿形角过大或刀顶宽过宽。

非切削刃齿形角增大时，发生齿面干涉

刀顶宽尺寸增大时，发生齿面干涉
根据本产品的特点，最终选取的小轮凹面切削刃齿形角为24°，非切削刃齿形角为15°，凸面切削刃齿形角为20.5°，非切削刃齿形角为18°；
大轮凹面切削刃齿形角为24°，非切削刃齿形角为15°，凸面切削刃齿形角为20.5°，非切削刃齿形角为18°。

（4） 刀尖圆角的选择
应避免切削刃与非切削刃刀尖圆角相互干涉，应使切削刃刀尖圆弧尽可能大，非切削刃刀尖圆弧尽可能小。同时应当避免非切削刃刀尖圆弧与另一组刀切削刃刀尖圆弧发生干涉。

切削刃刀尖圆弧过大，发生刀尖圆弧干涉

切削刃刀尖圆弧减少，刀尖圆弧无干涉
经过多次优化，最终选取的小轮凹面切削刃刀尖圆弧为2mm，非切削刃刀尖圆弧为1.8mm，凸面切削刃齿形角为2mm，非切削刃齿形角为1.8mm；
大轮凹面切削刃刀尖圆弧为2mm，非切削刃刀尖圆弧为1.8mm，凸面切削刃刀尖圆弧为2mm，非切削刃齿形角为1.8mm。
4.主从动锥齿轮强度设计
齿轮副设计包括几何参数、强度设计以及LTCA分析等各方面。
1）齿轮副静强度计算
齿轮几何参数主要由整车的动力分配和速比决定，强度计算包括标准强度计算与加载强度分析LTCA两部分。标准强度计算包括齿面接触应力计算以及齿根弯曲强度计算和齿面胶合计算。
按照AC16驱动桥设计要求，计算标准强度时，按该齿轮副的输入扭矩5000NM，循环次数大于1×106时的强度计算。

强度计算时，按照FVA411标准进行，其选取的相关系数为：选取齿轮副精度等级为DIN3965标准8级，工件材料选取20MnCr5，应用系数KA=1.0，齿面粗糙度Ra1.6，齿根粗糙度Ra3.2，安装系数KHβbe=1.0，面载荷系数KHβ=1.0。
根据以上参数，针对该速比齿轮副的静强度计算，得到的结果如下:

小轮凸面
小轮凹面
大轮凸面
大轮凹面
弯曲强度安全系数
1.8203
1.8608
1.8203
1.8608
接触强度安全系数
1.0961
0.9328
1.0961
0.9328
由以上强度计算结果可以看出，该齿轮副的弯曲强度＞1.5，接触强度＞0.9，满足设计要求。
2）齿轮副LTCA设计与优化
LTCA被称为加载齿面接触分析，是随着计算机技术发展起来的一种新技术。通过LTCA，可以分析出在受到载荷的情况下，齿面接触区的真实情况，以及应力在齿面上的分布情况。
a）齿面接触区的设计优化
针对该速比齿轮副，在轻载时的最终齿面接触区图像应为：被动轮凸面位于齿宽和齿高中部40%-60%，凹面位于齿宽中部偏大端40%-60%，齿高方向位于中部40%-60%。即如下图所示：

因此，可以得到在齿面受载后的接触区图像：

由以上图像看出，齿面受载后，接触区扩展至全齿面，但无边缘接触。
b）齿面应力分析优化
齿面应力分布与齿面接触区位置密切相关，较好的齿面应力分布应均匀无集中点，且应力最大处应位于齿面节线偏齿根。
当齿面接触区存在边缘接触时，齿面应力分布如下：

由此看出，当齿面边缘接触时，在齿面受载后会在齿面上形成应力集中点，且应力最大处位于齿廓边缘。在实际使用中会造成齿面断齿故障，影响齿轮副寿命。
经优化后的该齿轮副齿面接触区及齿面应力分布如下所示：

因此，最终设计的成品齿面接触应力符合要求。应力最大处位于齿面节线偏齿根处，且无应力集中现象出现。

c)主被动齿轮的等强度设计
由于主从动轮在运转时的不同工况，容易造成主动轮寿命小于从动轮的情况。因此，要进行等强度设计，使两齿轮所受的最大应力接近，以达到等寿命的目的。

由上图可以看出，初始设计后，该齿轮副的主动轮所受应力最大约700Mpa，从动轮最大应力约为500Mpa，因此运转中会造成小轮损坏，需要进行优化设计。
根据FVA411强度计算理论，齿面受力大小取决于齿厚尺寸，因此，在不改变侧隙大小的情况下，对齿厚变位系数进行调整，适当加大小轮齿厚，减小大轮齿厚。

经优化后，该齿轮副的主动轮所受应力最大约520Mpa，从动轮最大应力约为470Mpa。较之前的情况有了明显优化。
三、齿轮副制造工艺开发
齿轮副制造工艺包括刀具磨削、安装，工装设计制造，热前铣齿加工，热后研齿及配对检验等工序。
1） 刀具磨削及安装
首先将名义刀具参数输入B27磨刀机，将刀条毛坯磨削成型，并用P65测量机进行测量，得到理论参数与实际磨削参数的误差。
其次用METEOR软件进行磨削参数的修正，并将生成新的机床调整参数，返回机床。
最后，将再次磨削后的刀具进行测量，使最终刀条磨削结果与理论数据一致。
2） 热前铣齿加工
首先，将KIMOS计算的名义数据加载至C50铣齿机，对工件进行首件加工。
其次，将所加工的产品用P65测量机进行测量，得出所加工齿轮齿面与理论齿面偏差。
再次，利用KOMET软件，根据所加工产品的齿面形貌误差，对机床调整参数进行修正。
最后，对工件再次进行铣削，并用P65机床进行测量，最终使得齿面形貌误差以及相关精度参数在允许的范围内。目前执行的标准为热前齿面形貌误差在±0.015以内，Fp 、Fr等符合DIN3965规定的6级标准。
3） 齿面接触区修正技术的开发应用
锥齿轮齿面接触区的位置与大小，与齿轮副的应用场合、受载情况密切相关。根据国内外相关资料，等高齿锥齿轮接触区要求轻载时相配齿面局部接触，在齿高方向的中部，齿长方向中部偏大端，承受较大载荷时向齿高和齿长方向扩展。
根据材料的性质，热处理工序后，锥齿轮总会存在一定的变形，为此，就需要在热前人为将齿面接触区进行修正，使得变形后齿面接触区符合要求。
通过多次热处理试验，总结齿面接触区变形规律，对热前齿面接触区进行了修正，最终得到了比较好的效果。目前的齿面接触区情况如下图所示：

二、当前国内外同类先进技术概况
由于中国卡车历史的原因，无论是“解放”、“东风”、“斯太尔”弧齿锥齿轮的制式无一例外全部采用“格里森”制，“奥利康”制齿轮加工方法和装备在中国重卡制造领域属于空白。
国内等高齿锥齿轮加工主要有两种方式，一种为纯机械式的SKM3系列机床，其技术水平相当于国外60年代至80年代，随着国内80年代末引进德国“大众”系列轿车，在中国轿车领域应用奥利康“S20”切齿机床较为普遍,该系列机床处于国外九十年代末水平。
本单边50矿车等高齿锥齿轮直接采用先进的C50系列机床，配以最先进的KIMOS计算软件，实现了全闭环制造，具有国际先进水平。国内现有部分车桥齿轮生产企业有一定应用，如一汽、青特、富华车桥等，但普遍存在刀具寿命不高、Kimos软件未能充分利用等问题，均没有形成大批量生产状态。
对于我公司，此次单边50矿车等高齿设计开发，在国内重卡行业处于领先地位。

三、项目关键技术、技术难度及水平阐述
1. 在C系列机床上实现的对接触区的调整规律探索
2. 热后检查机、研齿机对接触区的调整时组合应用
3. ROTEC系统、FANUC数控系统、Siemens840D数控系统操作与应用
4. KIMOS弧齿锥齿轮制造软件的使用与功能开发
5. 等高齿锥齿轮制造理论与机床调试的结合
以上技术在处于国际领先水平，该系列技术的推广应用，将极大地提高公司内齿轮制造技术水平，推动国内重卡齿轮行业技术进步。
四、证明材料
1、用户使用报告（需由项目使用单位的主管经理签字）。
2、工艺、工装验证、设备验收报告（复印件）
（可另加附页）

项目经济效益分析
经P65机床测量，成品齿轮副标准在8级以内，所加工的齿轮副接触区满足要求，与MAN公司基本保持一致，达到国内先进水平。
经台架试验证明，所生产的齿轮副疲劳寿命超过80万次，较传统收缩齿寿命提高2倍以上。装车试验至今尚无故障反馈。

审核人：
（须有财务部财务公章）
年 月 日
附件目录
1. 用户使用报告
2.工装验证单
单位审查意见
我单位经认真审查，《 单边50矿车等高齿锥齿轮设计开发》的申报材料真实无误。经研究决定推荐该项目申报桥箱公司优秀技术创新项目。
负责人签字

日期
年 月 日
桥箱公司技术创新评审委员会意见

主任（章）： （章）：
年 月 日
桥箱公司意见

（章）：
年 月 日