張學忱　王　風　李占國②　史堯臣②

(①長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；②長春大學機械工程學院，吉林 長春 130022)

?

變速箱同步器齒轂擠齒加工工藝仿真分析

張學忱①王風①李占國①②史堯臣①②

(①長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；②長春大學機械工程學院，吉林 長春 130022)

針對中型卡車變速箱同步器齒轂齒面減薄加工要求，采用擠齒加工方法?；诨凭€場方法求解了齒轂擠齒加工過程中齒面應力，利用ANSYS瞬態(tài)動力學模塊對齒轂擠齒成形過程進行動力學仿真分析，得到了擠齒加工過程中的齒面應力、應變分布，并系統(tǒng)研究了擠齒力和轉(zhuǎn)速對齒轂齒面應變的影響規(guī)律，為同步器齒轂擠齒加工工藝研究提供了理論依據(jù)和仿真分析方法。

同步器齒轂；擠齒加工工藝；仿真分析

同步器齒轂是變速箱中的關鍵部件，作用是在汽車變速換擋時，使轉(zhuǎn)速不等的兩個齒輪在達到相同轉(zhuǎn)速時進行相互嚙合，使換擋過程更加平順方便，減緩換擋過程中齒輪間的碰撞沖擊。因此，將同步器齒轂的工作表面進行減薄處理來達到順暢嚙合的作用[1]。齒轂減薄加工工藝可采用插齒法、銑齒法、擠齒法等加工工藝，插齒法加工精度比較高，但是應用此方法會產(chǎn)生毛刺翻邊問題，影響產(chǎn)品的質(zhì)量與精度；銑齒法加工出的工件精度較低，粗糙度較差，很難保證同步器齒轂工作時正常運行；擠齒法也稱精擠齒或齒輪的精整加工，它是一種將擠輪(滾模)與工件(經(jīng)過滾齒或插齒粗加工的齒輪)施加徑向力后強制嚙合的加工方法，屬于近凈成形技術，其優(yōu)點主要是生產(chǎn)率高、成本低，無切屑，加工后的齒面粗糙度較好[2]。所以同步器齒轂采用擠齒加工方法。

目前國內(nèi)外對擠齒加工技術進行了一系列的試驗與研究。2008年王明福、付建華等人對花鍵軸擠齒加工過程進行了理論分析，研究了花鍵軸擠齒成形過程中金屬流動規(guī)律，并利用DEFORM軟件對花鍵軸擠齒成形過程進行了數(shù)值模擬。最終得出擠齒加工出的工件表面粗糙度可達Ra0.3 μm[3]。目前，美國的KINEFAC CORPORATION公司已研制出可加工模數(shù)為3 mm，壓力角為30°的花鍵軸三輪擠齒機[4]。

1　齒轂擠齒塑性成形原理

在齒轂(工件)擠齒加工過程中，應用兩個齒輪的嚙合原理，對擠輪施加恒定的徑向力使工件與擠輪強制嚙合，進而使工件齒面產(chǎn)生塑性變形以達到加工目的。求解金屬材料塑性變形的方法有：滑移線場法、初等解析法、上限法等[5]。滑移線場法在計算塑性材料應力應變問題時，有助于建立更符合實際情況的擠齒模型，它在數(shù)學上比較嚴謹、理論計算上比較完整，計算精度也較高[6]。

擠齒加工過程中，擠輪齒廓與工件齒廓接觸區(qū)域發(fā)生塑性變形，設z軸為工件的軸線方向，y軸為擠輪中心與擠輪齒頂齒寬中點連線方向，x軸則為與兩軸均垂直的方向，y′軸為齒面法線方向。

擠齒加工時，工件與擠輪齒側(cè)漸開線接觸，在此接觸區(qū)域內(nèi)可簡化為兩圓柱體的接觸形式。本文同步器齒轂為正變位的短齒齒形，因此，以齒轂(工件)與擠輪嚙合擠齒時刻的節(jié)圓與漸開線齒廓交點處的切線AB替代工件齒廓漸開線來簡化接觸區(qū)域，工件齒部不接觸的自由邊界將其簡化為直線BC。由各區(qū)域的邊界條件可繪制擠齒時的滑移線場如圖1所示。

在滑移線場ABE中，其滑移線為直線場；在滑移線場BDE中，其滑移線為扇形場；滑移線場BCD為自由邊界的滑移線場。

在自由邊界BC取一點b，AB邊界取一點a，并保證a、b兩點在同一條滑移線上。根據(jù)滑移線性質(zhì)可知，ba線為β線，ae線為α線。a、b兩點的應力圖如圖2所示，a點最大切應力方向與接觸面成φa角，y′軸方向的應力及切應力分別為σy′、τx′y′；b點最大切應力方向與自由表面成ωb角，其第一與第三主應力分別為σb1、σb3。

擠齒時接觸區(qū)域的摩擦條件符合庫倫摩擦定律，且摩擦系數(shù)μ滿足條件：

(1)

式中：φa為a點滑移線與接觸面夾角；α為壓力角。

由式(1)可得出a點的滑移線與接觸面夾角與摩擦系數(shù)μ的關系。

a點的滑移線方向角ωa為

(2)

根據(jù)亨蓋應力方程得出a點的平均應力σma為

σma=σmb-2K(ωa-ωb)

(3)

式中：σmb為b點平均應力；ωb為b點滑移線方向角；K為最大切應力。

b點處符合自由邊界條件，所以：

(4)

式中：σb1為b點第一主應力。

由屈雷斯加屈服準則可得b點第三主應力σb3為

σb3=-2K

則b點的平均應力σmb為

(5)

由式(3)及式(5)整理得：

(6)

在工件與擠輪接觸區(qū)：

(7)

式中：σy′為沿y′軸方向齒面應力；Fn為沿y′軸方向所受的力；Fr為徑向力；A為接觸面積。

由此可得x′方向的應力σx′為：

σx′=2σma-σy′

(8)

2　同步器齒轂擠齒加工過程仿真分析

2.1同步器齒轂與擠輪三維模型建立

擠齒加工過程中，使齒轂工作表面的齒厚減薄0.25～0.35 mm，沿齒寬方向保留原長度15.7±0.2 mm。加工參數(shù)如圖3所示。

同步器齒轂與擠輪的各項參數(shù)如表1所示。

利用CATIA軟件建立齒轂與擠輪的三維模型，導入到ANSYS軟件中，如圖4所示。

表1齒轂與擠輪參數(shù)表

齒轂擠輪模數(shù)/mm2.52.5齒數(shù)4049壓力角/(°)2020齒頂圓直徑/mm104.5123.46齒根圓直徑/mm99115.2變位系數(shù)+0.80

2.2材料設置

設定齒轂材料為20CrMnTi，密度為7 800 kg/m3，楊氏模量207 GPa，泊松比0.25，屈服極限835 MPa，切變模量80 GPa。擠輪材料為高速鋼，施加材料的密度為7 850 kg/m3，楊氏模量300 GPa，泊松比0.3，屈服極限2 000 MPa，切變模量90 GPa。

2.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用multiple多域掃略方法，網(wǎng)格為六面體，單元大小設為1 mm，單元數(shù)為261 886個，節(jié)點數(shù)為1147 978個，輪齒網(wǎng)格如圖5所示。

2.4施加約束條件、載荷及時間步

模擬實際工況，齒轂(工件)為主動輪，擠輪為從動輪，在擠輪端面處施加徑向擠齒力，使擠輪齒面與齒轂齒面接觸，在擠壓力的作用下，使齒轂齒面產(chǎn)生塑性變形。

仿真中，限制同步器齒轂(工件)沿x、y、z方向的移動及繞x、y軸的轉(zhuǎn)動；限制擠輪沿y、z方向的移動及繞x、y軸的轉(zhuǎn)動。設定載荷步時，在Analysis settings中設定時間步為3步，每一步的參數(shù)設置如表2所示。

表2參數(shù)設置表

時間/s擠齒力/kN轉(zhuǎn)速/(r/min)一步0～10～700～250二步1～270250三步2～2.570～0250～0

2.5仿真結(jié)果分析

當擠齒力為70 kN時，齒面所受的最大應力為4 648.8 MPa，如圖6所示；齒面產(chǎn)生的最大塑性變形為0.029 807 mm，如圖7所示；應用于實際加工中同步器齒轂(工件)轉(zhuǎn)9～11轉(zhuǎn)即可達到加工要求。

(1)擠齒力對塑性變形的影響分析

當齒轂(工件)轉(zhuǎn)速為250 r/min，擠齒力分別為30 kN、50 kN、70 kN時。同步器齒轂齒面處的塑性變形動態(tài)曲線如圖8所示，當擠齒力為70 kN時，最大塑性變形量為0.029 807 mm，當擠齒力為50 kN時，最大塑性變形量為0.019 898 mm，當擠齒力為30 kN時，最大塑性變形量為0.013 004 mm。

取仿真中一個擠齒周期齒轂單個齒面的塑性變形量，如圖9所示，單個齒由嚙合到脫開的時間為0.006 s，當齒轂齒面剛進入嚙合區(qū)域，擠齒力為30 kN時齒面的塑性變形量為0.003 47 mm，擠齒力為50 kN時齒面的塑性變形量為0.004 69 mm，擠齒力為70 kN時齒面的塑性變形量為0.00 573 mm；當齒轂齒面完全進入嚙合區(qū)域，擠齒力為30 kN時齒面的塑性變形量為0.011 5 mm，擠齒力為50 kN時齒面的塑性變形量為0.015 8 mm，擠齒力為70 kN時齒面的塑性變形量為0.024 4 mm；當齒轂齒面即將脫離嚙合區(qū)域，擠齒力為30 kN時齒面的塑性變形量為0.004 27 mm，擠齒力為50 kN時齒面的塑性變形量為0.005 35 mm，擠齒力為70 kN時齒面的塑性變形量為0.007 48 mm?？煽闯鳊X轂齒面由開始嚙合到脫離的過程中，其齒面塑性變形量先逐漸增大，然后逐漸減小，此規(guī)律符合齒輪嚙合傳動規(guī)律。并由仿真數(shù)據(jù)可得出同步器齒轂齒面的塑性變形量隨擠齒力的增加而增大。

(2)轉(zhuǎn)速對塑性變形的影響分析

當擠齒力為70 kN，轉(zhuǎn)速分別為100 r/min、180 r/min、250 r/min時，齒轂齒面處的塑性變形動態(tài)曲線如圖10所示。當轉(zhuǎn)速為100 r/min時，最大塑性變形量為0.034 229 mm；當轉(zhuǎn)速為180 r/min時，最大塑性變形量為0.031 mm；當轉(zhuǎn)速為250 r/min時，最大塑性變形量為0.029 807 mm。

取仿真中一個擠齒周期齒轂單個齒面的塑性變形量，如圖11所示。由圖可看出此時齒轂齒面塑性變形規(guī)律同樣符合齒輪嚙合傳動規(guī)律。由仿真數(shù)據(jù)可得，齒轂齒面的塑性變形量隨轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小。

3　結(jié)語

本文針對中型卡車變速箱同步器齒轂塑性成形技術，采用齒轂擠齒加工方法。并對齒轂擠齒加工過程進行了如下研究：

(1)基于滑移線場法建立了齒轂擠齒加工過程時齒面應力的計算方法。

(2)應用CATIA軟件建立了同步器齒轂與擠輪的三維模型，應用ANSYS瞬態(tài)動力學對齒轂擠齒加工過程進行動力學仿真分析，得出齒轂擠齒過程中齒面應力及塑性變形分布云圖。

(3)通過仿真分析得到了擠齒力、轉(zhuǎn)速對齒轂齒面塑性變形的影響規(guī)律。當轉(zhuǎn)速為250 r/min，擠齒力分別為30 kN、50 kN、70 kN時，齒轂齒面塑性變形量隨擠齒力的增加而增大；當擠齒力為70 kN，轉(zhuǎn)速分別為100 r/min、180 r/min、250 r/min時，齒轂齒面塑性變形量隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。

[1] 郭增剛,吳宗利. 新一代同步器開發(fā)與應用[J]. 汽車工程師,2011(2):58-60.

[2] 李延斌,鄭鵬. 硬齒面齒輪精密熱滾擠加工方法[J]. 沈陽工業(yè)大學學報,2002,24(6):457-460.

[3] 王明福,付建華. 花鍵冷滾壓成形過程有限元分析[J].鍛壓技術,2010,35(4):155-159.

[4] 聶蘭啟. 談談國內(nèi)花鍵軸軸向擠壓的發(fā)展方向[J]. 精密成形工程,2013(1):41-46.

[5] 倪坤. 弧形刻刀的主刃半徑對中階梯光柵槽型的影響研究[J]. 現(xiàn)代制造工程,2011(1):74-77.

[6] 秦小瓊,劉德學. 杯形件反擠壓變形力的滑移線場數(shù)值分析解[J]. 山東大學學報, 2011(12):67-69.

(編輯汪藝)

如果您想發(fā)表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調(diào)查表中的相應位置。

Gear extrusion machining process simulation analysis of gearbox synchronizer gear hub

ZHANG Xuechen①, WANG Feng①, LI Zhanguo①②, SHI Yaochen①②

(①College of Mechanical and Electrical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, CHN;②College of Mechanical Engineering, Changchun University, Changchun 130022, CHN)

For medium truck gearbox synchronizer gear hub tooth thinning processing requirements, the idea of extrusion processing is put, and based on the slip line field method, the gear hub tooth surface stress of technical process is solved. The dynamic analysis of the gear hub tooth profile precision molding process is made by the ANSYS transient dynamics module, the tooth surface stress and strain distribution in the extrusion process are obtained, and the influence law of gear extruding force and speed on the tooth surface of the gear hub strain is studied, and provides the theoretical basis and the simulation analysis method for synchronizer gear hub crowded teeth processing technology research.

synchronizer gear hub; tooth crowded processing; simulation analysis

TG376.3

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.005

張學忱，女，1963年生，博士，教授，研究方向為機械精密加工技術、數(shù)字化設計與制造。

2016-01-26)

160816