高精度同步器装配精度倾斜量的设计、制程要点

1、高精度同步器装配精度倾斜量的设计、制程及控制装配精度的检验测量李树云 张鸿源摘要：通过计算倾斜量，合理给定毂、套花键公差带大小和位置，提高设计精度、方便制程控制。关键词：公差带图；周向侧隙；径向侧隙；倾斜量；原齿形。随着自动变速器的广泛应用，对于自动挂挡过程中的同步器总成的性能要求亦愈来愈高，其 性能中首先重要的是同步器齿毂、齿套总成装配精度的要求，它包括自滑性和倾斜量两项，它们 都直接影响了挂挡过程齿套与齿毂的导向性能。在无卡滞状态下毂、套导向越长，自滑性越好， 挂挡力越小，自滑性是为保证互换性装配而提出的；而倾斜量是在自滑性好的前提下，为保证毂、套定心和配合要求而规定的一个量化指标。笔者认

2、为，对同步器齿毂、齿套的花键设计，图纸一般都能保证其单个零件传递扭矩完成换 档所需的基本要求，也能保证其总成装配的互换性，但一涉及到总成装配倾斜量要求，从设计上 就模糊了。倾斜量涉及到合理给定配合尺寸，具保证条件包括以下三种：1 .大径配合或者小径配合时，大径或者小径配合间隙反映总成装配倾斜量的状态。此时必须 验算齿侧配合反映在倾斜量上的数值，不得与前者干涉。即齿侧配合反映出的最小倾斜量应大于 大径（或小径）配合反映出的最大倾斜量。2 .齿侧定心配合时作用齿厚与作用齿槽宽配合的侧隙反映总成装配倾斜量的状态。与此同时 必须验算大径以及小径配合间隙反映在倾斜量上的数值，不得与前者干涉。即大径（或小

3、径）配 合间隙反映出的最小倾斜量应大于齿侧配合反映出的最大倾斜量。3 .混合定心时，齿侧配合侧隙与大径（或小径）配合间隙共同反映总成装配倾斜量的状态。 此时混合定心的大径定心反映的倾斜量与齿侧配合反映的倾斜量不得相差太大，同理混合定心时 小径定心反映的倾斜量与齿侧配合反映的倾斜量亦不得相差太大。下面我将从设计、制造和精度测量三个方面，举例说明同步器齿毂、齿套装配倾斜量的设计 计算和制程控制要点。案例的提出最近我公司为国内某主机厂生产的某种齿侧定心的三四档同步器齿毂、齿套装 配自滑性合格，倾斜量（图纸给定值为 0.5-0.9 ）出现了超下差的现象。检验数据显示齿毂外花 键（插齿）的大、小径、m值

4、、齿形、齿向、周累都符合产品图，齿套内花键（拉削）的大、小径、 m值、椭圆、锥度、倒锥也都符合产品图。出现这种不合格是什么原因呢？ 一.确保同步器齿毂、齿套总成装配精度的设计计算从设计角度核算齿套、齿毂的内、外花键设计是否满足倾斜量的要求。（一）产品图给定的花键参数1 .齿套直齿渐开线内花键参数表：齿数z=36,模数 m=2.1167,压力角民=20。基本齿槽宽=3.325,作用齿槽宽最小值evma=3.325 ,实际齿槽宽e=3.4 （+0.07, 0）,大径 da=（|）78.75（+0.30 , 0）,小径 df=（|）74.45（+0.1 , 0）,公差等级 6142 .内花键其它已知

5、条件：锁止半角=57.5。，两端倒角深度都=1.15,倒角后两端倒锥轴向尺寸都=4 0.2 ,齿套内花键总长度=22.5,有效长度=20.2。0 74.45 +8 1178.75 12三四档齿套三四档齿套3 .齿毂直齿渐开线外花键参数表：齿数z=36,模数 m=2.1167,压力角a =20。基本齿厚=3.325 ,作用齿厚最大值svma=3.295,实际齿厚 s=3.249 (+0.046, 0),大径 da=(|)78.3 (0, -0.1 ),小径 df=(|)73.6(0 , -0.3),公差等级 6f4 .外花键其它已知条件：齿毂外花键有效长度=19.7。如下图。5.三四档同步器毂、

6、套啮合后倾斜量要求：按图示将齿套与齿毂相啮合，不装钢球和滑块时把齿毂固定，测量齿套的倾斜量00.5-0.9 。测量位置在如下图81.8处678.6）作用侧隙和倾斜量的核算1 .花键公差参照花键标准 gb/t3478.1-1995可知齿套6级花键白周累fp=0.066,齿形公差ff=0.037,齿向公差fb=0.012,总公差（t+入）=0.115 ,综合公差入=0.046 ,所以力口工公差 t=0.115-0.046=0.069 ,内花键弧齿槽宽公差0.07与0.069相近，确认为6级公差外花键5级花键的周累fp=0.047,齿形公差ff=0.023,齿向公差fb =0.009,总公差（t+入

7、）=0.073 ,综合公差入=0.032 ,所以加工公差 t=0.073-0.032=0.041 。外花键弧齿厚公差0.046与0.041相近，应为5级公差。如“图纸给定的公差图”所示：3 47+ o -busses内花键外花键3.325图纸绐定的公差图(1)得出内花键齿槽宽综合公差 入=0.075,显然不符合6h规定，6级人应为0.046,应 调整至“按6h/5f调整后正确的花键公差大小及位置图”的作用齿槽宽 3.354。内花键正确标注应为：实际齿槽宽e=3.40(+0.07,0)作用齿槽宽最小值 evmin=3.40-入=3.40-0.046=3.354 。(2)图纸给出外花键实际齿厚最大

8、值smak3.295,和作用齿厚最大值 sma户3.295相等，显然是错误的，因为在 sma=3.295时综合公差入=0,这是不可能的，应调整至“按 6h/5f调整后正确的花键公差大小及位置图”的作用齿厚最大值为3.327 ,落实外花 键齿厚公差带位置与大小才能决定配合状态。外花键正确标注应为：实际齿厚 s=3.354(-0.059,-0.105), 以作用齿槽宽最小值为其基准孔。r- g继花内等口oi工杷z-.隼1o,3.4-一 实际齿槽宽囊小但3.325-335l,作用齿槽宽最小值卷of金 免-一三3795-3.281-一昨引高豆袅，、e-3/49豚曲厚聂升情3.327-作用行耳景去单年陈

9、缶理卷大拈wch/5f诏圭后王禳的花越公至大小及位图2 .按齿槽宽及齿厚计算作用侧隙如上图，先看齿套，实际齿槽宽 e=3.4 (+0.07, 0),没有问题；作用齿槽宽最小值evmin=3.325,与6h的综合公差有矛盾，emin 应为=3.40-0.046=3.354 。再看齿毂，实际齿厚s=3.249 (+0.046, 0),没有问题；作用齿厚最大值svmak3.295,与实际齿厚最大值相等，致使 人=0,必须调整,smax= (3.249+0.046 ) +0.032=3.327依据以上数据可作出“按6h/5f调整后正确的花键公差大小及位置图”。由于花键加工后存在齿距累计误差、齿形误差和

10、齿向误差，即存在综合误差，因而 影响了花键的配合。(1)当内花键实际齿槽宽t内加工到最小值、外花键实际齿厚t外加工到最大值时，加上 内花键综合误差和外花键综合误差的影响，会出现作用侧隙最小值0.027,见图左半部分。实际齿槽宽最小3.4考虑到综合误差0.046,将变为作用齿槽宽最小 &-, evmin=3.4-0.046=3.354 ;实际齿厚最大3.295考虑到综合误差0.032 ,将变为作用齿厚最大 evmax, evmax=3.295+0.032=3.327 ;所以作用侧隙最小值c/min=3.354-3.327=0.027。(2)当内花键实际齿槽宽t内加工到最大值、外花键实际齿厚t外加

11、工到最小值时，加上 内花键综合误差和外花键综合误差的影响，会出现作用侧隙最大值0.143,见图右半部分。实际齿槽宽最大3.47考虑到综合误差0.046 ,将变为最大作用齿槽宽ezmax evmax=3.47-0.046=3.424 ;实际齿齿厚最小3.249考虑到综合误差0.032 ,将变为作用齿厚最大evmax, evmax=3.249+0.032=3.281 ;所以作用侧隙最小值 c/min=3.424-3.281=0.143 。如“齿槽宽、齿厚及检验方法图解”所示。为了保证互换和配合性质，花键标准依据极限尺寸判断原则即泰勒原则：(1)作用尺寸不允许超过最大实体尺寸；(2)在任何位置上的实

12、际尺寸不允许超过最小实体尺寸，成对使用极限量规的通规和止规。通规按工件最大实体尺寸制造，具作用是防止工件尺寸超出最大实体尺寸；止 规按工件最小实体尺寸制造，具作用是防止工件尺寸超出最小实体尺寸。检验时， 如果通规能通过，而止规不能通过，则认为工件是合格的。规定了 4种检验法：(1)基本方法：用综合通端花键量规控制内花键作用齿槽宽最小值和外花键作用齿厚最 大值，即控制作用侧隙最小值；同时用非全齿止端花键量规或测 m值(棒间距和跨棒 距)或w值(外花键公法线)，控制内花键实际齿槽宽最大值和外花键实际齿厚最小 值，即控制内外花键的最小实体尺寸。(2)方法a:在基本方法的基础上增加用综合止端花键量规控

13、制内花键作用齿槽宽最大 值和外花键作用齿厚最小值，即控制作用侧隙最大值。(3)方法b:用综合通端花键量规和综合止端花键量规分别控制作用侧隙最小值和最大 值。(4)单项检验法：测m值(棒间距和跨棒距)或川直(外花键公法线)，控制内花键实际 齿槽宽最大值、最小值和外花键实际齿厚最大值、最小值。再检验齿距累计误差、 齿形误差、齿向误差，间接控制综合误差。对于常用的花键，只保自滑性，控制花键的最大实体状态和最小实体状态便可 满足设计要求，可选用gb/t3478.1-1995的基本方法。此法检验效率高，互换性好， 保证总公差(t+入)达到设计要求，允许加工公差和综合公差相互补偿，因而经济性 好，是大批量

14、生产常用的方法。高精度的花键联结，不仅要求自滑性还要保倾斜量，可选用gb/t3478.1-1995的方法a。此法适用于作用侧隙有公差要求的花键副，采用方法a控制花键副作用-5 -侧隙最大值，当花键的综合误差 a入很小，综合止端花键量规通过时，应相应压缩 总公差（t+入）值，既不允许因出现较小的综合误差，而用综合公差人来补偿加工公差to但当a入较大时，可用加工公差 t来予以补偿，此时总公差值（t+入）保持不 变。方法b适用于工艺稳定，能保证综合公差和作用侧隙有公差要求的花键副。综 合公差人和加工公差t的补偿关系同方法 a单项检验法适用于无综合量规，或因工件太大无法制造量规的花键产品，还可 用于工

15、艺分析，当一个零件被量规拒收或一对花键工作状态不良时，可用此检验法 找出原因。综上所述，渐开线花键的齿侧配合不同于光滑圆柱配合，它不仅与尺寸偏差有 关，而且于形位公差有关，因而存在着作用侧隙与实际侧隙。装配后真正起作用的 侧隙就是作用侧隙。对于一个零件，作用尺寸只有一个，实际尺寸可能有许多个； 一批零件的作用尺寸应在一定范围内变动。当实际尺寸为最大值时，作用尺寸必然 也是最大值。我们在设计花键时可以合理给定公差带的宽度，并通过选择不同的检验控制方-6 -法，得到所需的作用侧隙，或是只实现互换，或是既实现互换又实现配合性质。 以上算法和方法，参见花键标准 gb/t3478.1-1995。因为内外

16、花键配合是6h/5f ,查花键标准表可知：内花键作用齿槽宽ev下偏差为0;外花键作用齿厚s上偏差为-0.03。可见修正后的设计较符合标准的规定。作用侧隙是圆周方向侧隙，可以用公式：cg=c周/2tg a (参考齿轮标准 gb/z18620.2-2002)将其转变成径向侧隙。此处a为节圆压力角，因内外花键有变位，故节圆压力角可按 无侧隙啮合方程式求得。变位系数xi= x2=齿槽宽(或齿厚)基本偏差变动量/(2 x nrix tg a )=(3.354-3.325 ) /(2 x2.1167 xtg20 )=(3.327-3.325+0.027 ) /(2 x 2.1167 x tg20 )=0.

17、029/1.54=0.0188 。则根据无侧隙啮合方程式得：inv 民=inv a +2(xi+ x2) tg a /(z 1+z2),inv a =inv20 0 +2x (0.0188+0.0188 ) tg20 /(36+36) =0.014904+0.0003808=0.015285 , 查渐开线函数表可得a =200 10。于是得：径向作用间隙最小值 gmin径=0.027/2 xtg20 10 =0.037;径向作用间隙最大值 gma娘=0.143/2 xtg200 10 =0.196。3 .计算齿侧间隙反映的倾斜量以下两图为毂套装配时测量倾斜量的情形：-13 -由粗实线绘制的大小

18、两个直角三角形相似可得: 径向间隙g径/19.7=倾斜量/81.8 。所以齿侧设计倾斜量 最大=0.196x81.8/19.7=0.82mm在 0.5-0.9mm 之间。齿侧设计倾斜量 最小=0.037 x 81.8/19.7=0.15mm x=0.142 x 81.8/19.7=0.59 ,约等于0.6。齿侧设计倾斜量最小 min=0.04x 81.8/19.7=0.168 ,略大于0。这样设计不但符合产品原图设计要求，而且有利于制程控制。(二)热前制造一般要保证齿毂、齿套热前给定的工艺尺寸，经过热处理后能达到产品图要求的尺 寸，即热前和热后尺寸匹配。根据以往类似产品的加工经验，可粗定热前工

19、艺尺寸，要 进行一次或几次工艺试验才能匹配好。齿套的内花键6级精度，最后由拉刀保证，检验方法采用花键标准 gb/t3478.1-1995 规定的方法b,再用单项测量辅助，可有效控制热前的作用尺寸。齿毂外花键是5级精度，为提高效率采用插齿加工，粗定热前工艺尺寸，然后依据 这些尺寸精度选用合适的插齿机床、插齿刀，设计插齿胎。用m值检具控制外花键mffl; 用齿轮测量中心测量齿形、齿向、周累、径跳；作用齿厚用全齿通规和止规测量。也可 用检验芯轴测量径跳。可见外花键检验方法也采用方法b,再用单项测量辅助。也可有效控制热前的作用尺寸。本文只侧重于花键倾斜量的设计和工艺方案的论述，对于机床、刀具、工装、检

20、具 和热处理不再展开，有兴趣的专业人士可做专题论述。(三)关于原齿形丢失对倾斜量的影响在倒内尖角工序要注明保留原齿形的要求。一旦倒内尖角时倒深了，没有保持原齿形，那么如下图所示，可通过解直角三角形得：倒锥最深处与正常齿的厚度落差中限值 =4x tg30 50 =0.274语境 9,1 l2两端三四档揖套倒辘售图进而得倒锥反角损失的原齿形长度中限值 =0.27/tg12.5 0 =1.2那么花键有效长度19.7就只剩：h=19.7-4x 2-1.2 x 2=9.3。这时前面齿侧间隙反映的最大倾斜量就由0.59变为：齿侧设计倾斜量最大 mak0.142 x 81.8/9.3= 1.25,大于上差0

21、.6,已超上差一倍以上。前面齿侧间隙反映的最小倾斜量就由0.168变为：齿侧设计倾斜量最小 min=0.04x 81.8/9.3=0.35，大于0。前面大径间隙间隙允许的最小倾斜量由1.89变为：最小=0.45 x 81.8/9.3=3.96 。远大于1.25,不与齿侧干涉。前面小径间隙反映的最小倾斜量由 3.56变为：最小=0.85 x 81.8/9.3=7.48。远大于1.25,不与齿侧干涉。可见如果原齿形丢失则毂、套配合的倾斜量将大幅度超上差。（四）热处理变形对倾斜量的影响以下计算公式均摘自齿轮标准 gb/z18620.2-2002。齿毂的热处理方式是气体软氮化，热处理前后外花键m值变化

22、一般在 0.02以里。偶数齿外花键跨棒距 m=mzcosa /cos a m+dmd；一量棒直径；dm=3.6 ,式中 inv a m=inv a + d/mzcos a +2xtg a /z-冗 / 2z=inv20 0 +3.6/2.1167 x36cos20 +2x 0.035tg20 /36-兀/2 x 36=0.022259 o查渐开线函数表可得a；=22。51。齿厚变动量es与m值（跨棒距或棒间距）变动量ey的关系为：e=eyxsin a m/cos a =0.02 x sin22 51 /cos20 =0.0083。齿套的热处理方式是碳氮共渗，热处理前后外花键m值变化一般在+0.10以里。偶数齿内花键跨棒距 m=mzcosa /cos a m-dmd一量棒直径；d=3.6,式中 inv a m=inv a - d m/mzcos a -2xtg a /z+ 兀 / z=inv20 0 -