同步器结合齿圈齿向超差分析及改进

董凡　卫少帅　王海亮　王鹏

【摘  要】如何控制零件热处理变形是热处理工程师一直考虑的问题，但除了控制热处理过程中的影响因素，也可以通过改变零件结构来解决某些零件热处理变形问题。笔者通过结构优化设计解决了同步器结合齿圈热处理后齿向超差的问题。

【关键词】同步器结合齿圈;结构优化设计;热处理变形;齿向超差

前言

同步器是手动变速箱中一个重要的换挡原件，我司为客车开发的某型变速箱，因对变速箱径向尺寸的严格要求，同步器结合齿圈与二轴齿轮采用焊接的方式进行连接，如图1所示为该变速箱中二轴三档齿轮与同步器结合齿圈的焊接总成（后续简称二轴三档齿轮总成）。结合齿圈的顶部为具有9°倒锥角的渐开线花键。

该二轴三档齿轮总成的加工工艺如下：

①齿轮机加+结合齿圈机加，②齿轮和结合齿圈焊接，③焊接总成热处理，4焊接总成抛丸。

1 结合齿圈齿向超差问题介绍

加工过程中发现二轴三档齿轮总成中齿轮和同步器结合齿圈在热处理后，同步器结合齿圈存在齿向超差问题。主要表现为设计要求结合齿圈倒锥角9±0.5°，工艺加工过程中控制热处理前倒锥角10°，热处理后倒锥角往往低于8.5°，热处理过程中倒锥角度数变化大，且热后精度不能满足设计要求，对加工后的同步器结合齿圈齿向精度等级进行测量，测量报告如图2所示。

2结合齿圈齿向超差原因分析

1）同步器结合齿圈齿向超差的根本原因是焊接后结合齿圈右端面和齿轮的左端面相贴合，在淬火过程中，受焊接结构影响，结合齿圈的左端面和右端面的淬火液流动速度不一样，使得结合齿圈左右端面的淬火液温度不一样，导致结合齿圈左右端面冷却收缩幅度不同，最终出现倒锥角热处理后角度与热处理前角度不一致，热后齿向精度不符合设计要求的情况。

2）焊接后结合齿圈右端面和齿轮左端面相贴合，而结合齿圈左端面处于自由无约束状态。在渗碳热处理过程中，结合齿圈因受热应力整体会出现膨胀变大的趋势。结合齿圈左端面处于无约束状态，它的变形只受到热应力影响，而结合齿圈右端面和齿轮左端面相贴合，结合齿圈在热处理过程中受到热应力膨胀变大的同时，还会受到齿轮左端面给它的挤压应力，防止它进一步膨胀。左右端面不同的变形应力，使得从左端面到右端面的变形程度不同，导致精度等级和倒锥角也不满足设计要求。

3）我司开发的结合齿圈主视图如图3所示，图中标注为A的6个孔为结合齿圈在工作时与同步器摩擦中间环相配合的孔。考虑变速箱减轻质量要求，开发过程中，对结合齿圈设计了标注为B的减重孔。为防止装配过程出现错装现象，减重孔只设计了4个，与结合孔数量相区别。这样减重孔虽然相对Y-Y和Y-Y线对称，但对除Y-Y和Y-Y线以外其他截面线就不再对称，这就导致不对称的减重孔使得结合齿圈不同位置在热处理或淬火过程出现不同变形量，最终出现结合齿圈变形扭曲的问题。

3结合齿圈齿向超差解决方案

通过上述系统分析，我们已经基本掌握了结合齿圈齿向超差的主要原因，下面我们将结合上述分析，采用逐一击破的手段对该二轴三档齿轮总成进行结构设计改进。

1）结合齿圈右端和齿轮左端贴合问题。该二轴三档齿轮总成为已开发完成变速箱中的结构，如果进行新的设计，将结合齿圈和齿轮沿轴向分开一定的距离，这将导致该齿轮的相配齿轮系统、同步器系统、换挡系统等一系列结构需进行重新设计，过程相当繁琐。通过仿真计算，采取将齿轮齿宽进行适当削薄的方案，既不会使齿轮强度降低太多，又可满足结合齿圈与齿轮不直接接触的问题。

本文的具体实施方案如图4所示，首先将齿轮的左端面整体削薄1mm，这就将结合齿圈和齿轮分开，端面不在贴合。然后再将齿轮的轮缘部分向里削薄0.5mm，这样既保证了结合齿圈与齿轮更大的轴向间隙，也避免了齿轮强度降低的太多。最后将结合齿圈靠近齿轮端面的顶部设计一个大倒角，这将进一步增大结合齒圈和齿轮的轴向间隙。保证了结合齿圈和齿轮轴向间隙的同时，还需保证结合齿圈的有确定的轴向定位，在齿轮的左端面靠近焊接区域的位置留一个小台阶，可方便结合齿圈进行轴向定位。设计过程中还需考虑零件加工的最后一步抛丸处理工艺带来的零件夹砂问题，本方案的最终设计状态保证了结合齿圈和齿轮的最小间隙为1.3mm，所选择抛丸丸粒的直径为0.8mm。这样抛丸过程中即使有丸粒进入到结合齿圈和齿轮的间隙中，也只需要用气枪稍微冲一下，就可将夹在里面的丸粒冲出来。

2）结合齿圈减重孔不对称问题。关于结合齿圈上4个不对称的减重孔的处理，设计过程中考虑直接将结合齿圈上的减重孔去掉的简单处理方法。

3）淬火液流动速度不一样问题。方案1）中增加间隙的方法已经在很大程度上解决了淬火过程中结合齿圈两端淬火液流速不一致的问题。同时设计方案在齿轮上增加了4个沿周向均布的减重孔，如图4中所示，减重孔在减重的同时，可便于进入结合齿圈与齿轮轴向间隙的淬火液通过减重孔流出。结合齿圈两端淬火液流速一致，将带走相同的热量，两端变形也将趋于一致。

改进方案确定以后，进行了10件零件试制，并对花键M值、翘曲值和齿向精度等级进行了测量。根据图纸要求，零件成品公差要求：花键M值为116.63±0.09，翘曲要求：。10件试制件中花键M值、翘曲值如表1所示，均满足设计要求。

10件零件的齿向精度测量结果也满足设计要求，下图5为10件报告中任取的一张。可发现最终加工零件的倒锥角满足设计要求。

从满足要求的10件零件中任取一件装配成变速箱总成，经过台架疲劳试验，满足耐久性要求，结合齿圈和齿轮未出现点蚀或断齿问题。下图6为台架疲劳试验后拆箱零件状态。

4结论

结合齿圈倒锥角对换挡过程至关重要，为了保证零件的合格率，在设计阶段就应该充分考虑加工过程对零件的影响。后续在新产品设计过程中，应提前给结合齿圈和相配合齿轮留有间隙，减小渗碳热处理、淬火等过程对零件乃至整个总成的影响。

参考文献：

[1]孙恒，陈作模，葛文杰. 机械原理（第七版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2]解平扣. 汽车同步器齿套的变形分析与对策[J]. 热处理，2012，（03）：36-38.

[3]王霄峰.汽车可靠性工程基础[M].北京：清华大学出版社，2007.

作者简介：

董凡，陕西法士特齿轮有限责任公司，硕士，助理工程师，齿轮工程师。