高精度同步器裝配精度傾斜量的設計、制程

1、高精度同步器裝配精度傾斜量的設計、制程及控制裝配精度的檢驗測量李樹云 張鴻源 摘要：通過計算傾斜量，合理給定轂、套花鍵公差帶大小和位置，提高設計精度、方便制程控制。關鍵詞：公差帶圖；周向側隙；徑向側隙；傾斜量；原齒形。隨著自動變速器的廣泛應用，對于自動掛擋過程中的同步器總成的性能要求亦愈來愈高，其性能中首先重要的是同步器齒轂、齒套總成裝配精度的要求，它包括自滑性和傾斜量兩項，它們都直接影響了掛擋過程齒套與齒轂的導向性能。在無卡滯狀態(tài)下轂、套導向越長，自滑性越好，掛擋力越小，自滑性是為保證互換性裝配而提出的；而傾斜量是在自滑性好的前提下，為保證轂、套定心和配合要求而規(guī)定的一個量化指標。筆者認為，

2、對同步器齒轂、齒套的花鍵設計，圖紙一般都能保證其單個零件傳遞扭矩完成換檔所需的基本要求，也能保證其總成裝配的互換性，但一涉及到總成裝配傾斜量要求，從設計上就模糊了。傾斜量涉及到合理給定配合尺寸，其保證條件包括以下三種：1.大徑配合或者小徑配合時，大徑或者小徑配合間隙反映總成裝配傾斜量的狀態(tài)。此時必須驗算齒側配合反映在傾斜量上的數(shù)值，不得與前者干涉。即齒側配合反映出的最小傾斜量應大于大徑（或小徑）配合反映出的最大傾斜量。2.齒側定心配合時作用齒厚與作用齒槽寬配合的側隙反映總成裝配傾斜量的狀態(tài)。與此同時必須驗算大徑以及小徑配合間隙反映在傾斜量上的數(shù)值，不得與前者干涉。即大徑（或小徑）配合間隙反映出

3、的最小傾斜量應大于齒側配合反映出的最大傾斜量。3.混合定心時，齒側配合側隙與大徑（或小徑）配合間隙共同反映總成裝配傾斜量的狀態(tài)。此時混合定心的大徑定心反映的傾斜量與齒側配合反映的傾斜量不得相差太大，同理混合定心時小徑定心反映的傾斜量與齒側配合反映的傾斜量亦不得相差太大。下面我將從設計、制造和精度測量三個方面，舉例說明同步器齒轂、齒套裝配傾斜量的設計計算和制程控制要點。案例的提出 最近我公司為國內某主機廠生產(chǎn)的某種齒側定心的三四檔同步器齒轂、齒套裝配自滑性合格，傾斜量（圖紙給定值為0.5-0.9）出現(xiàn)了超下差的現(xiàn)象。檢驗數(shù)據(jù)顯示齒轂外花鍵(插齒)的大、小徑、M值、齒形、齒向、周累都符合產(chǎn)品圖，齒

4、套內花鍵（拉削）的大、小徑、M值、橢圓、錐度、倒錐也都符合產(chǎn)品圖。出現(xiàn)這種不合格是什么原因呢？一.確保同步器齒轂、齒套總成裝配精度的設計計算從設計角度核算齒套、齒轂的內、外花鍵設計是否滿足傾斜量的要求。（一）產(chǎn)品圖給定的花鍵參數(shù)1.齒套直齒漸開線內花鍵參數(shù)表：齒數(shù)Z=36，模數(shù)m=2.1167，壓力角=20?；君X槽寬=3.325，作用齒槽寬最小值EVmax=3.325，實際齒槽寬E=3.4（+0.07，0），大徑da=78.75(+0.30，0)，小徑df=74.45(+0.1，0)，公差等級6H。2.內花鍵其它已知條件：鎖止半角=57.5°，兩端倒角深度都=1.15，倒角后兩端倒

5、錐軸向尺寸都=4±0.2 ，齒套內花鍵總長度=22.5，有效長度=20.2。3.齒轂直齒漸開線外花鍵參數(shù)表：齒數(shù)Z=36，模數(shù)m=2.1167，壓力角=20°?；君X厚=3.325，作用齒厚最大值SVmax=3.295，實際齒厚S=3.249（+0.046，0），大徑da=78.3（0，-0.1），小徑df=73.6(0，-0.3)，公差等級6f。4.外花鍵其它已知條件：齒轂外花鍵有效長度=19.7。如下圖。5.三四檔同步器轂、套嚙合后傾斜量要求：按圖示將齒套與齒轂相嚙合，不裝鋼球和滑塊時把齒轂固定，測量齒套的傾斜量0.5-0.9。測量位置在如下圖81.8處。（二）作用側隙

6、和傾斜量的核算1. 花鍵公差參照花鍵標準GB/T3478.1-1995可知齒套6級花鍵的周累Fp=0.066，齒形公差ff=0.037，齒向公差F=0.012，總公差(T+)=0.115，綜合公差=0.046，所以加工公差T=0.115-0.046=0.069，內花鍵弧齒槽寬公差0.07與0.069相近，確認為6級公差。外花鍵5級花鍵的周累Fp=0.047，齒形公差ff=0.023，齒向公差F=0.009，總公差(T+)=0.073，綜合公差=0.032，所以加工公差T=0.073-0.032=0.041。外花鍵弧齒厚公差0.046與 0.041相近，應為5級公差。如“圖紙給定的公差圖”所示：

7、（1）得出內花鍵齒槽寬綜合公差=0.075，顯然不符合6H規(guī)定，6級應為0.046，應調整至“按6H/5f調整后正確的花鍵公差大小及位置圖”的作用齒槽寬3.354。內花鍵正確標注應為：實際齒槽寬E=3.40(+0.07,0) 作用齒槽寬最小值EVmin=3.40-=3.40-0.046=3.354。（2）圖紙給出外花鍵實際齒厚最大值Smax=3.295，和作用齒厚最大值Svmax=3.295相等，顯然是錯誤的，因為在Smax=3.295時綜合公差=0，這是不可能的，應調整至“按6H/5f調整后正確的花鍵公差大小及位置圖”的作用齒厚最大值為3.327，落實外花鍵齒厚公差帶位置與大小才能決定配合狀

8、態(tài)。外花鍵正確標注應為：實際齒厚S=3.354(-0.059,-0.105)，以作用齒槽寬最小值為其基準孔。2. 按齒槽寬及齒厚計算作用側隙如上圖，先看齒套，實際齒槽寬E=3.4（+0.07，0），沒有問題；作用齒槽寬最小值Evmin=3.325，與6H的綜合公差有矛盾，Evmin應為=3.40-0.046=3.354。再看齒轂，實際齒厚S=3.249（+0.046，0），沒有問題；作用齒厚最大值Svmax=3.295，與實際齒厚最大值相等，致使=0，必須調整，Svmax=（3.249+0.046）+0.032=3.327依據(jù)以上數(shù)據(jù)可作出“按6H/5f調整后正確的花鍵公差大小及位置圖”。由于

9、花鍵加工后存在齒距累計誤差、齒形誤差和齒向誤差，即存在綜合誤差，因而影響了花鍵的配合。（1）當內花鍵實際齒槽寬T內加工到最小值、外花鍵實際齒厚T外加工到最大值時，加上內花鍵綜合誤差和外花鍵綜合誤差的影響，會出現(xiàn)作用側隙最小值0.027，見圖左半部分。 實際齒槽寬最小3.4考慮到綜合誤差0.046，將變?yōu)樽饔谬X槽寬最小Evmin，Evmin=3.4-0.046=3.354；實際齒厚最大3.295考慮到綜合誤差0.032，將變?yōu)樽饔谬X厚最大Evmax，Evmax=3.295+0.032=3.327；所以作用側隙最小值CVmin=3.354-3.327=0.027。（2）當內花鍵實際齒槽寬T內加工到

10、最大值、外花鍵實際齒厚T外加工到最小值時，加上內花鍵綜合誤差和外花鍵綜合誤差的影響，會出現(xiàn)作用側隙最大值0.143，見圖右半部分。實際齒槽寬最大3.47考慮到綜合誤差0.046，將變?yōu)樽畲笞饔谬X槽寬EvmaxEvmax=3.47-0.046=3.424；實際齒齒厚最小3.249考慮到綜合誤差0.032，將變?yōu)樽饔谬X厚最大Evmax，Evmax=3.249+0.032=3.281；所以作用側隙最小值CVmin=3.424-3.281=0.143。如“齒槽寬、齒厚及檢驗方法圖解”所示。為了保證互換和配合性質，花鍵標準依據(jù)極限尺寸判斷原則即泰勒原則：（1）作用尺寸不允許超過最大實體尺寸；（2）在任何

11、位置上的實際尺寸不允許超過最小實體尺寸，成對使用極限量規(guī)的通規(guī)和止規(guī)。通規(guī)按工件最大實體尺寸制造，其作用是防止工件尺寸超出最大實體尺寸；止規(guī)按工件最小實體尺寸制造，其作用是防止工件尺寸超出最小實體尺寸。檢驗時，如果通規(guī)能通過，而止規(guī)不能通過，則認為工件是合格的。規(guī)定了4種檢驗法：（1）基本方法：用綜合通端花鍵量規(guī)控制內花鍵作用齒槽寬最小值和外花鍵作用齒厚最大值，即控制作用側隙最小值；同時用非全齒止端花鍵量規(guī)或測M值(棒間距和跨棒距)或W值(外花鍵公法線)，控制內花鍵實際齒槽寬最大值和外花鍵實際齒厚最小值，即控制內外花鍵的最小實體尺寸。（2）方法A：在基本方法的基礎上增加用綜合止端花鍵量規(guī)控制內

12、花鍵作用齒槽寬最大值和外花鍵作用齒厚最小值，即控制作用側隙最大值。（3）方法B：用綜合通端花鍵量規(guī)和綜合止端花鍵量規(guī)分別控制作用側隙最小值和最大值。（4）單項檢驗法：測M值(棒間距和跨棒距)或W值(外花鍵公法線)，控制內花鍵實際齒槽寬最大值、最小值和外花鍵實際齒厚最大值、最小值。再檢驗齒距累計誤差、齒形誤差、齒向誤差，間接控制綜合誤差。對于常用的花鍵，只保自滑性，控制花鍵的最大實體狀態(tài)和最小實體狀態(tài)便可滿足設計要求，可選用GB/T3478.1-1995的基本方法。此法檢驗效率高，互換性好，保證總公差(T+)達到設計要求，允許加工公差和綜合公差相互補償，因而經(jīng)濟性好，是大批量生產(chǎn)常用的方法。高精

13、度的花鍵聯(lián)結，不僅要求自滑性還要保傾斜量，可選用GB/T3478.1-1995的方法A。此法適用于作用側隙有公差要求的花鍵副，采用方法A控制花鍵副作用側隙最大值，當花鍵的綜合誤差很小，綜合止端花鍵量規(guī)通過時，應相應壓縮總公差(T+)值，既不允許因出現(xiàn)較小的綜合誤差，而用綜合公差來補償加工公差T。但當較大時，可用加工公差T來予以補償，此時總公差值(T+)保持不變。方法B適用于工藝穩(wěn)定，能保證綜合公差和作用側隙有公差要求的花鍵副。綜合公差和加工公差T的補償關系同方法A。單項檢驗法適用于無綜合量規(guī)，或因工件太大無法制造量規(guī)的花鍵產(chǎn)品，還可用于工藝分析，當一個零件被量規(guī)拒收或一對花鍵工作狀態(tài)不良時，可

14、用此檢驗法找出原因。綜上所述，漸開線花鍵的齒側配合不同于光滑圓柱配合，它不僅與尺寸偏差有關，而且于形位公差有關，因而存在著作用側隙與實際側隙。裝配后真正起作用的側隙就是作用側隙。對于一個零件，作用尺寸只有一個，實際尺寸可能有許多個；一批零件的作用尺寸應在一定范圍內變動。當實際尺寸為最大值時，作用尺寸必然也是最大值。我們在設計花鍵時可以合理給定公差帶的寬度，并通過選擇不同的檢驗控制方法，得到所需的作用側隙，或是只實現(xiàn)互換，或是既實現(xiàn)互換又實現(xiàn)配合性質。以上算法和方法，參見花鍵標準GB/T3478.1-1995。因為內外花鍵配合是6H/5f，查花鍵標準表可知：內花鍵作用齒槽寬Ev下偏差為0；外花鍵

15、作用齒厚Sv上偏差為-0.03?？梢娦拚蟮脑O計較符合標準的規(guī)定。作用側隙是圓周方向側隙，可以用公式：C徑=C周/2tg（參考齒輪標準GB/Z18620.2-2002）將其轉變成徑向側隙。此處為節(jié)圓壓力角，因內外花鍵有變位，故節(jié)圓壓力角可按無側隙嚙合方程式求得。變位系數(shù)X1= X2=齒槽寬（或齒厚）基本偏差變動量/(2×m×tg)=（3.354-3.325）/(2×2.1167×tg20°)=（3.327-3.325+0.027）/(2×2.1167×tg20°)=0.029/1.54=0.0188。則根據(jù)無側隙嚙

16、合方程式得：inv =inv+2(X1+ X2) tg/(Z1+Z2)，inv=inv20°+2×（0.0188+0.0188）tg20°/(36+36)=0.014904+0.0003808=0.015285， 查漸開線函數(shù)表可得=20 °10。于是得：徑向作用間隙最小值CVmin徑=0.027/2×tg20°10=0.037；徑向作用間隙最大值CVmax徑=0.143/2×tg20°10=0.196。3. 計算齒側間隙反映的傾斜量以下兩圖為轂套裝配時測量傾斜量的情形： 由粗實線繪制的大小兩個直角三角形相似可得：

17、徑向間隙CV徑/19.7=傾斜量/81.8。所以齒側設計傾斜量 最大=0.196×81.8/19.7=0.82mm，在0.5-0.9mm之間。齒側設計傾斜量 最小=0.037×81.8/19.7=0.15mm0.5mm。所以我們斷定：如果內花鍵齒槽寬按圖紙下限加工，外花鍵齒厚按圖紙上限加工，傾斜量就會在0.15左右，而產(chǎn)品圖要求的傾斜量是0.5-0.9，故會超下偏差。4. 計算大徑間隙反映的傾斜量：齒套內花鍵大徑=78.75（+0.30，0）；齒轂外花鍵大徑=78.3（0，-0.1），所以最小徑向間隙CV徑min=78.75-78.3=0.45，由此可得大徑間隙允許的最小傾

18、斜量：最小=0.45×81.8/19.5=1.89 mm大于產(chǎn)品圖規(guī)定的傾斜量最大值0.9mm，不與齒側干涉。5. 計算小徑間隙反映的傾斜量：同理齒套內花鍵小徑=74.45(+0.1，0)；齒轂外花鍵小徑=73.6(0，-0.3)，所以最小徑向間隙=74.45-73.6=0.85，由此可得小徑間隙允許的最小傾斜量最小=0.85×81.8/19.5=3.56 mm也大于產(chǎn)品圖規(guī)定的傾斜量最大值0.9mm，不與齒側干涉。（三）花鍵有效寬度設計核算 驗算齒套內花鍵有效寬度20.2是否能滿足。如下圖所示：齒套內花鍵實際齒槽寬為3.4（+0.07，0），用周節(jié)m=6.65減后可得內花

19、鍵正常實際齒厚中限值S中=6.65-3.435=3.215；再根據(jù)齒套倒錐角度，倒錐反角，鎖止半角=57.5°，兩端倒角軸向尺寸長1.15及4 ，齒套花鍵總長度=22.5作“三四檔齒套倒錐祥圖”，量得交匯P處和P處的齒厚都為3.215，并可量出P和P處都留有0.1左右的原齒形?？梢妰然ㄦI有效長度：H=22.5-1.15×2=20.2在設計上是滿足的，齒轂有效導向長度19.7也就得到保證。制造過程中應保留原齒形，以保證設計要求，下文還有論述。（四）設計核算后的總結內外花鍵是齒側配合H/f，齒套內花鍵精度是6級，齒轂外花鍵精度是5級；齒轂有效導向長度19.7在設計上可以保證，傾

20、斜量0.5-0.9設計上沒有保證，因此不能確保同步器齒轂、齒套總成裝配精度。正確的解決方法是：1.根據(jù)設計上需求的傾斜量、同步器轂、套的結構（直徑方向的大小、厚度），計算出反映在徑向的作用間隙CVmax和CVmin。2.根據(jù)徑向的作用間隙反算出圓周方向的作用側隙。3.再依據(jù)圓周作用側隙按公差圖分配給內花鍵和外花鍵，調整其大小精度及其位置，給出齒槽寬和齒厚的實際公差T、綜合公差。(注意一定要按基孔制確定基準數(shù)值)按上述原則計算才能保證自滑性合格，傾斜量合格，并做到與圖紙給定的齒槽寬和齒厚公差不產(chǎn)生矛盾。由于我公司加工的傾斜量總是偏小，于是主機廠對傾斜量的要求進行了設計更改，由0.5-0.9變?yōu)?

21、-0.6。二熱處理前的傾斜量制程控制（一）依據(jù)產(chǎn)品傾斜量新要求0-0.6，修正內、外花鍵的加工公差和綜合公差鑒于產(chǎn)品圖傾斜量要求0-0.6，我將通過以上的論述重新修正公差帶如下：1.仍保持原配合性質6H/5f不變，即內外花鍵周向作用側隙最小CVmin=0.03。2.由于我公司已根據(jù)齒套實際齒槽寬最大3.47定內花鍵拉刀，故齒套實際齒槽寬最大3.47設計上不變。3.根據(jù)設計上需求的傾斜量0-0.6和公式：徑向間隙CV徑/19.7=傾斜量/81.8計算徑向的作用間隙CVmax。CVmax=max×19.7/81.8=0.6×19.7/81.8=0.144。4.根據(jù)徑向作用側隙最

22、大CVmax=0.144和公式：C徑=C周/2tg反算出圓周方向的作用側隙最大。由于變位量很小可用tg代替 tg，于是C周max= CVmax×2tg=0.144×2tg20°=0.105。5. 根據(jù)C周max=0.105，C周min= 0.03，分配給齒套內花鍵的加工公差T內=0.045，分配給齒轂外花鍵的加工公差T外=0.105-0.03-0.045=0.03，齒套的綜合公差精度等級按6H級，齒轂的綜合公差精度等級按5f級，所以：內=0.046；外=0.032。可以給出“按傾斜量0-0.6調整的花鍵公差大小及位置圖”如下:由上圖可知：變位系數(shù)X1= X2=齒槽

23、寬（或齒厚）基本偏差變動量/(2×m×tg)=（3.379-3.325）/(2×2.1167×tg20°)=（3.349-3.325+0.03）/(2×2.1167×tg20°)=0.054/1.54=0.035。則根據(jù)無側隙嚙合方程式得：inv =inv+2(X1+ X2) tg/(Z1+Z2)，inv=inv20°+2×（0.035+0.035）tg20°/(36+36)=0.015613，查漸開線函數(shù)表可得=20 °18。由，作用側隙最小CVmin=0.03，作用側隙最

24、大CVmax=0.105，再算徑向作用側隙和傾斜量。于是可得：徑向作用側隙最小值CVmin徑=0.03/2×tg20°18=0.04；徑向作用側隙最大值CVmax徑=0.105/2×tg20°18=0.142。由公式 CV徑/19.7=/81.8可得齒側設計傾斜量最大max=0.142×81.8/19.7=0.59，約等于0.6。齒側設計傾斜量最小min=0.04×81.8/19.7=0.168，略大于0。這樣設計不但符合產(chǎn)品原圖設計要求，而且有利于制程控制。（二）熱前制造一般要保證齒轂、齒套熱前給定的工藝尺寸，經(jīng)過熱處理后能達到產(chǎn)品

25、圖要求的尺寸，即熱前和熱后尺寸匹配。根據(jù)以往類似產(chǎn)品的加工經(jīng)驗，可粗定熱前工藝尺寸，要進行一次或幾次工藝試驗才能匹配好。齒套的內花鍵6級精度，最后由拉刀保證，檢驗方法采用花鍵標準GB/T3478.1-1995規(guī)定的方法B，再用單項測量輔助，可有效控制熱前的作用尺寸。齒轂外花鍵是5級精度，為提高效率采用插齒加工，粗定熱前工藝尺寸，然后依據(jù)這些尺寸精度選用合適的插齒機床、插齒刀，設計插齒胎。用M值檢具控制外花鍵M值；用齒輪測量中心測量齒形、齒向、周累、徑跳；作用齒厚用全齒通規(guī)和止規(guī)測量。也可用檢驗芯軸測量徑跳?？梢娡饣ㄦI檢驗方法也采用方法B，再用單項測量輔助。也可有效控制熱前的作用尺寸。本文只側重

26、于花鍵傾斜量的設計和工藝方案的論述，對于機床、刀具、工裝、檢具和熱處理不再展開，有興趣的專業(yè)人士可做專題論述。（三）關于原齒形丟失對傾斜量的影響在倒內尖角工序要注明保留原齒形的要求。一旦倒內尖角時倒深了，沒有保持原齒形，那么如下圖所示，可通過解直角三角形得：倒錐最深處與正常齒的厚度落差中限值=4×tg3°50=0.27進而得倒錐反角損失的原齒形長度中限值=0.27/tg12.5°=1.2。那么花鍵有效長度19.7就只剩：H=19.7-4×2-1.2×2=9.3。這時前面齒側間隙反映的最大傾斜量就由0.59變?yōu)椋糊X側設計傾斜量最大max=0.14

27、2×81.8/9.3=1.25，大于上差0.6，已超上差一倍以上。前面齒側間隙反映的最小傾斜量就由0.168變?yōu)椋糊X側設計傾斜量最小min=0.04×81.8/9.3=0.35，大于0。前面大徑間隙間隙允許的最小傾斜量由1.89變?yōu)椋鹤钚?0.45×81.8/9.3=3.96。遠大于1.25，不與齒側干涉。前面小徑間隙反映的最小傾斜量由3.56變?yōu)椋鹤钚?0.85×81.8/9.3=7.48 。遠大于1.25，不與齒側干涉?？梢娙绻X形丟失則轂、套配合的傾斜量將大幅度超上差。（四）熱處理變形對傾斜量的影響以下計算公式均摘自齒輪標準GB/Z18620.2-2002。齒轂的熱處理方式是氣體軟氮化，熱處理前后外花鍵M值變化一般在±0.02以里。偶數(shù)齒外花鍵跨棒距Md=mzcos/cosM+DMDM量棒直徑；DM=3.6，式中invM=inv+ DM/mzcos+2xtg/Z-/ 2Z=inv20°+3.6/2.1167×36cos20°+2×0.035tg20°/36-/2×36=0.022259。查漸開線函數(shù)表可得M=22°51。齒厚變動量Es與M值(跨棒距或棒間距)變動量Ey的關系為:Es=Ey×sinM/cos=0.02×sin22&#