汽車變速器齒輪壓裝機(jī)機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)

汪 波

（安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司研發(fā)部，安徽 合肥 230051 ）

前言

當(dāng)前汽車行業(yè)快速發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求增加。各個(gè)汽車設(shè)計(jì)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了保證企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)在技術(shù)領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新十分必要。汽車變速器齒輪壓裝機(jī)是一個(gè)非常重要的技術(shù)內(nèi)容，如果可以在機(jī)身設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面有一定的突破，那么和同行業(yè)相比在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中就會(huì)占據(jù)絕對(duì)的主動(dòng)。下面就對(duì)這些方面進(jìn)行分析，希望給有關(guān)人士一些借鑒。

1 分析機(jī)身優(yōu)化的確立

1.1 分析優(yōu)化的內(nèi)容

壓裝機(jī)是主要設(shè)備，其機(jī)身構(gòu)成包括鋼板，局部進(jìn)行焊接，機(jī)身是設(shè)備的主要承力單元。為了確保機(jī)身的承重，必須科學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)身使用的鋼板厚度，如果鋼板選擇不當(dāng)，機(jī)身的強(qiáng)度、剛度都會(huì)下降。通過實(shí)踐分析，發(fā)現(xiàn)開口高度、喉深度、壓裝力會(huì)導(dǎo)致機(jī)身發(fā)生變形。對(duì)于變速器齒輪而言，其整體外形不會(huì)有很大的變化，因此雖然齒輪壓裝機(jī)壓樁力不同，但是在外形方面不會(huì)有很大差異。通過上述內(nèi)容的分析可以得知，壓裝力是導(dǎo)致齒輪機(jī)身發(fā)生變形的重要因素，因此下面就對(duì)這一內(nèi)容做重點(diǎn)分析。在分析過程中，技術(shù)人員選擇的壓裝力不同，分別是30kN，50kN，100kN，250kN，400kN，將這五組壓裝力作為研究的對(duì)象[1]。

1.2 分析對(duì)約束條件的優(yōu)化措施

結(jié)合變速器整體設(shè)計(jì)要求，必須保證各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)，提高其質(zhì)量。要求齒輪的裝配精度必須滿足下面兩點(diǎn)：第一點(diǎn)，完成齒輪裝備工作之后，其上基面和下基面和主軸處于垂直，垂直度控制在0.015mm范圍。第二點(diǎn)，完成裝配工作之后，齒輪和主軸同軸度滿足要求，并且誤差控制在0.015mm范圍，如果超過這一范圍，那么其不合格，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝。

對(duì)機(jī)身有嚴(yán)格的要求，機(jī)身是重要的承力到哪我i額，必須保證裝配的剛度，如果剛度不達(dá)標(biāo)，對(duì)齒輪裝配精度產(chǎn)生重大影響。因此在具體操作過程中，做好下述兩點(diǎn)：第一點(diǎn)，當(dāng)輸出的壓裝力最大時(shí)，機(jī)身不僅可以承受壓力，而且其剛度非常好，在巨大壓力作用下不會(huì)被破壞，保證表面的完整性。在此基礎(chǔ)上，確保有足夠的剛度保證壓頭壓裝面和齒輪表面的平行度，這樣實(shí)際運(yùn)行中才會(huì)保證質(zhì)量，否則容易發(fā)生安全事故。一般其平行度要控制在0.015mm范圍。第二點(diǎn)，進(jìn)行壓裝操作過程中，要求機(jī)身剛度滿足設(shè)計(jì)要求，齒輪、壓頭中心軸、主軸具有很好的同軸度，同軸度具體控制在0.015mm范圍[2]。

2 分析有限元

2.1 介紹研究中應(yīng)用的軟件

在研究中選擇了ANSYS軟件，是美國一家公司研究的軟件，其可以很好的進(jìn)行有限元分析，由于技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，當(dāng)前在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在機(jī)械制造方面，技術(shù)人員通過實(shí)踐操作，發(fā)現(xiàn)其操作簡(jiǎn)單，分析速度快，得到的數(shù)據(jù)可靠，因此受到技術(shù)人員的青睞。ANSYS軟件尤其自己的特點(diǎn)，其分析速度快，可以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性、線性、動(dòng)力進(jìn)行分析，還可以進(jìn)行模態(tài)分析，如果有需要，該軟件可以進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，在這次研究中應(yīng)用該軟件，可以對(duì)壓裝機(jī)進(jìn)行建模分析，準(zhǔn)確計(jì)算出其剛度和強(qiáng)度。

2.2 分析有限元模型的建立

結(jié)合所設(shè)計(jì)的壓裝機(jī)機(jī)身尺寸，構(gòu)建ANSYS模型，根據(jù)要求定義所需要材料的屬性。一般要求其泊松比達(dá)到0.33，彈性模量達(dá)到2.06×105MPa，密度達(dá)到7.85×10-6kg . mm-3，分析中引用了映射網(wǎng)格，得到的效果圖如下，相關(guān)人員可以進(jìn)行參考和分析。完成上述工作之后，對(duì)其施加荷載和約束力。根據(jù)其實(shí)際情況，對(duì)其分別施加30kN，50kN，100kN，250kN，400kN力，施加的重力加速度是9.81m/s2。具體施加力時(shí)，都施加到機(jī)身底座的四個(gè)地腳位置，對(duì)于后兩個(gè)地腳可以施加三個(gè)軸線方向的約束，對(duì)于前兩個(gè)地腳只施加豎向的約束。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

3 分析最終得到的結(jié)果

技術(shù)人員為了得到的結(jié)果更加明確，制作了圖 2，可以參考進(jìn)行分析。在圖中設(shè)定了壓頭底面和中心軸線之間的交點(diǎn)是A，中心軸線和齒輪面的交點(diǎn)是B，通過軟件進(jìn)行計(jì)算，得到兩點(diǎn)之間的偏差約等于壓頭和齒輪中心軸線的最大誤差。得到這一數(shù)據(jù)之后，為了得到優(yōu)化后更明確的效果，先對(duì)優(yōu)化之前的情況進(jìn)行分析。結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可以得到在第一約束條件下同軸度之間的偏差情況，可以參考下表所示。通過表中所提供的數(shù)據(jù)得知，其極限偏差是0.015mm，當(dāng)前對(duì)機(jī)身板材厚度設(shè)計(jì)中，為了避免不合格，其厚度都有很大的富裕量，因此有足夠的空間進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)和軟件計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，二者進(jìn)行有效的對(duì)比，得到一定的差距。除此之外，技術(shù)人員還需要對(duì)理論計(jì)算的補(bǔ)償量進(jìn)行分析，綜合上述兩方面的內(nèi)容，最終得到其實(shí)際偏差為0.01mm，這一數(shù)值就是最終的優(yōu)化目標(biāo)，技術(shù)人員根據(jù)這一數(shù)據(jù)，使用有限元進(jìn)行計(jì)算，可以最大程度上減少板厚尺寸，保證整體設(shè)計(jì)的安全性和合理性[3]。

表1 優(yōu)化前偏差計(jì)算結(jié)果

圖2 壓頭與齒輪示意圖

4 分析優(yōu)化之后的結(jié)果

4.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，可以得到準(zhǔn)確的壓裝力對(duì)應(yīng)壓裝機(jī)機(jī)身的板厚以及偏差值，分析過程中，為了達(dá)到明確的效果，通過第二個(gè)優(yōu)化條件對(duì)第一個(gè)優(yōu)化條件得到的結(jié)果進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓裝力是最大時(shí)，得到對(duì)應(yīng)的機(jī)身大小，具體數(shù)值如表3。

表2 優(yōu)化后偏差計(jì)算結(jié)果

表3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.2 分析變形引起的角度變化

分析中技術(shù)人員要注意，驗(yàn)證中機(jī)身選用的材料是Q235，查閱相關(guān)資料可以得知其屈服應(yīng)力最大應(yīng)該是σs=235MPa，其安全系數(shù)取值為 2，通過公式進(jìn)行計(jì)算，公式為：[s]=σx/n=235/2=117.5MPa，通過對(duì)上述所得到數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)所有的機(jī)身應(yīng)力都比 117.5MPa小，由此可見這種優(yōu)化得到最終結(jié)果符合機(jī)身應(yīng)力要求，因此可以投入到實(shí)踐工作中。如果壓裝機(jī)通過最大壓裝力進(jìn)行壓裝時(shí)，機(jī)身出現(xiàn)的變形量最大，這種變形會(huì)致使壓頭位置出現(xiàn)偏離，和其設(shè)計(jì)位置產(chǎn)生很大偏差，如果不能有效對(duì)這方面進(jìn)行控制，最終得到的產(chǎn)品會(huì)不合格，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)向軸和壓軸出現(xiàn)嚴(yán)重變形。為了方便理解，特附圖 3，可以參考進(jìn)行分析。為了達(dá)到理想的平行度要求，不僅對(duì)壓裝機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，對(duì)其剛度和強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，還必須重視導(dǎo)向軸的剛度，研究壓頭的強(qiáng)度情況，這些因素中有一項(xiàng)不能準(zhǔn)確控制，對(duì)整體效果都將產(chǎn)生很大影響。另一方面，壓頭如果發(fā)生變形，將會(huì)產(chǎn)生角度方面的變化，這種變化要比機(jī)身變形導(dǎo)致的角度變化大，針對(duì)這一情況，當(dāng)壓裝機(jī)壓裝力是最大時(shí)，齒輪壓裝面依然保持水平，符合理想的設(shè)計(jì)效果，達(dá)到這一要求后也就滿足了第二條優(yōu)化約束條件，為第二條優(yōu)化達(dá)成創(chuàng)造良好的條件，否則將會(huì)功虧一簣。

表4 變形引起的角度變化數(shù)據(jù)表

4.3 分析通過優(yōu)化得到的幾點(diǎn)結(jié)論

通過對(duì)機(jī)身進(jìn)行合理優(yōu)化，機(jī)身重量和之前設(shè)備相比減輕了20%，結(jié)合上述分析結(jié)果，對(duì)五組測(cè)試數(shù)據(jù)得到的數(shù)值繪制成曲線，并對(duì)五組曲線進(jìn)行擬合，整合出鋼板厚度和壓裝力曲線，通過這一曲線可以為以后在不同壓力設(shè)定下，對(duì)板厚值的設(shè)定提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖4 擬合曲線

5 總結(jié)

通過以上對(duì)汽車變速器齒輪壓裝機(jī)機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，對(duì)比設(shè)計(jì)前后的數(shù)據(jù)情況，發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足實(shí)際要求，和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比優(yōu)勢(shì)明顯，因此投入市場(chǎng)后具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 劉松凱,尹健,白洪飛.汽車變速器齒輪壓裝機(jī)機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2016,38(3):71-73.

[2] 呂希勝,朱軍.新型汽車變速箱壓裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2016,48(6):50-52.

[3] 劉松凱,董雪松,冉磅礴,等.變速器殼體定位銷及軸承全自動(dòng)壓裝機(jī)組[J]. 2014.114-115.