变速器壳体生产线设计

变速器壳体生产线设计（共4篇）

变速器壳体生产线设计 篇1

2009年, 我公司成功开发出一款MT系列多档手动变速器, 采用对分式结构, 可匹配多种排量的发动机。对变速器壳体量产的生产线设计进行了细致的分析和调研。

汽车市场发展迅猛, 产品纷繁多样, 人们对汽车个性化的要求也越来越高, 以往单一工件的生产方式变为多种工件各自的较小批量叠加成的大批量生产。因此, 20世纪占统治地位的组合机床 (专机) 生产线已无法满足汽车行业快速更新的需求。

目前, 汽车行业的竞争使人们更倾向柔性生产系统, 高速加工中心软、硬件的构成使其加工换型快、柔性强;具有分段投资、滚动发展的特点, 可适应产能和品种的变化;一次投资, 长期受益, 突破了汽车生产中“经济规模”的传统观念, 实现了多品种、中小批量和高效生产。

公司采用了高速卧式加工中心组合, 以解决壳体类零件加工的柔性、产量、投资与更新的矛盾, 满足了公司后续多品种、产能适中和少投资滚动发展的要求。同时, 随着人力成本的增加和90后逐渐成为主要劳动力, 手动搬运生产的方式已无法满足劳动者的要求, 且传统的无人操作机构售价昂贵, 无法满足变速器低价、高效的要求。因此, 公司开发了独特的半自动上、下料机构。通过上、下料机构, 可降低操作者的劳动强度, 减少劳动者数量, 并在保证生产效率、质量的前提下, 实现了劳动强度和单台成本的双降低。

1 生产线的排布

在满足生产纲领的前提下, 基于铝合金壳体的加工, 从产线的占地面积、人员配置、设备投资、物流、生产组织和产品产能规划等方面进行了综合分析, 最终采用柔性直线型生产线, 具有经济、高效的特点。

生产线采用单产品直线生产、两个产品相对生产的形式。操作者在工作过程中实现了一人多机的生产方式。物流方面, 完全实现了丰田“一个流”的生产方式, 取消了并行工序, 不会产生再制品, 消除了产品堆积, 降低了批量废品的产生率。同时, 多种产品实现了共线生产, 生产线具有高度柔性, 这有助于多技能工的培养。

2 高速加工中心的选型

变速器壳体材料为铝合金, 硬度≤HB160, 切削余量为0.8~1.5 mm, 需要低扭矩、低能耗、高精度、高转速、高快移和高自动化的加工中心。根据广泛的市场调研和技术分析, 公司最终确定选用某公司生产的高速加工中心实现变速器壳体高精度的加工。

2.1 高速加工中心的特性参数

高速卧式加工中心采用原装进口设备, 机床的最高转速达16 000 r/min, X轴、Y轴和Z轴的快移速度可达到60 m/min, 定位精度为0.006 mm, 重复精度为0.004 mm, 加速度为10 m/s2;换刀时间 (切屑对切屑) 为2.8 s, X轴、Y轴和Z轴的工作行程为630 mm×550 mm×550 mm。加工中心采用液压夹具, 可自动夹紧, 每套夹具上有多个辅肋支撑和辅助压板, 夹具的定位面采用气检结构, 可通过气压变化检测定位面上是否存在铝屑等杂物, 检测精度可达0.02 mm, 能保证工件的装夹可靠和夹紧不变形。机床配备容量为30把刀的刀库, 并在刀库内有断刀检测装置, 可对加工过程中的刀具是否折断作出判断并报警显示。

2.2 进给轴

进给轴采用伺服电机直接驱动, 消除了中间的传动部分, 降低了运行的噪声, 提高了传动精度。进给轴丝杠采用恒温中心冷却的方式, 可保证驱动轴在高速运转的情况下不产生热变形。在此情况下, 机床可在60 m/min的高速度下运行, 速度、精度都得到了保证。

2.3 主轴

由于高速加工中心主轴转速非常快, 所以, 其主轴结构和形式非常重要。主轴润滑采用油气润滑的方式, 提高了轴承的寿命, 降低了运行噪声。冷却方式采用恒温冷却的方式, 减少了主轴的热变位。主轴电机绕组采用双绕组的方式, 可确保低速区既能够满足钢件的切削要求, 高速区也能满足铝件加工的要求。同时, 主轴增加了异物报警提示功能, 当主轴与刀具之间存在0.02 mm及以上的异物时, 机床会发出拉紧不到位的报警, 防止因刀具装夹不到位而造成产品质量事故。

2.4 工作台

标准配置为双托盘的方式, 自动分度机构采用AC马达旋转、联轴节定位和液压夹紧的方式, 可随机选择每1°内的任意面。利用圆锥形状的4组定位销进行托盘定位台上的定位, 利用液压分别对这些定位销进行夹紧。通过最新结构分析软件检验的高刚性的主机结构, 可满足在精度要求下的高速切削。

2.5 切削液系统

为了防止重要热源的切屑发生热不平衡的现象, 可通过高达1.5 MPa的主轴贯通切削液和0.15 MPa大流量喷淋系统, 使切屑不在被加工工件和托盘上停留, 并且通过在Z轴罩两侧的螺旋式排屑输送器将切屑快速排到切削液箱, 从而使切屑引发的热影响降至最低。在过滤精度方面, 切削液为两次过滤, 精过滤精度高达20μ, 有效保证了加工中心内部结构的精确。

2.6 高效夹具系统

刚性高、稳定的夹具对于高速加工的精度和刀具的寿命非常关键。如果工件夹不紧, 则加工时会出现崩刃、打刀, 甚至造成严重的机床事故;如果夹具的刚性不足, 则加工时会产生震颤、划痕, 进而影响质量, 严重时会影响整体的加工尺寸。因此, 6台加工中心上所有的夹具均为液压夹具, 并设计了能检测零件是否夹紧的气密检测系统, 同时, 在夹具结构薄弱位置增加了加强筋, 可保证夹具的刚性。

采用高效液压夹具安装定位后, 可以快速、准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置, 工件的位置精度由夹具保证, 不受工人技术水平的影响, 其加工精度高且稳定。同时, 明显减少了辅助工时 (装卸工件的时间) , 提高了工件的刚性, 使切削用量加大。

2.7 高速切削刀具系统

变速器壳体生产线刀柄采用HSK形式。刀柄是一种新型的高速锥型刀柄, 其接口采用锥面和端面两面同时定位的方式, 刀柄为中空, 锥体长度较短, 有利于实现换刀轻型化和高速化。由于采用端面定位, 加工中心完全消除了轴向定位误差, 使高速、高精度加工成为可能。这种刀柄被誉为是“21世纪的刀柄”。

2.8 上、下料机构

变速器壳体生产线上、下料机构采用手动辅助上、下料的形式, 操作者通过操作上料平台, 可实现零部件上料时的准确定位, 消除了手动重复装夹造成的装配误差。同时, 设备之间通过滚道连接, 减少了人员走动, 降低了操作者的劳动强度。

参考文献

[1]李河水.加工中心设备选型探讨[J].科技广场, 2011 (05) .

[2]张铁军.虚拟镗铣加工中心具体化方法研究[J].东北电力学院学报, 2000 (01) .

变速器壳体生产线设计 篇2

现代乘用车对舒适性的要求越来越高,整车NVH(噪声、振动、舒适性)性能已经成为影响用户购车的一个越来越重要的因素。自动变速器作为整车动力总成中重要的传动部件,其振动特性直接影响着整车舒适性,所以,变速器本身的固有频率以及降噪技术研究已成为现代变速器设计的必要环节。本文针对一款自动变速器壳体进行了模态分析,并基于分析结果提出了设计优化。

1 变速器壳体设计

变速器壳体总成主要由变速器前壳体、主壳体、后盖、油底壳构成,但由于油泵盖、轴承座、制动齿毂对壳体总成具有加强支撑作用,在一定程度上会影响整个壳体总成的模态,因此本次模态分析包括上述7种零件。为保证轻量化,前壳体、主壳体、后盖、制动齿毂材料为压铸铝合金,油底壳为冲压钢件。油泵盖、轴承座由于工况及工艺限制,材料分别选为灰铸铁、球铁。

2 壳体模态分析

2.1 壳体振动激励源辨识

变速器在整车中承受各种连续可变振动频率的激励作用,主要的振动激励源有发动机振动、变速器齿轮传动振动以及道路不平度造成的轮胎震动等,其中发动机的激励是贡献最大的[1]。

2.1.1 发动机激励频率

由于发动机转速在工作中是连续可变的,故发动机振动频率也是连续可变的,其振动频率是一个连续频率区域。其计算公式如下[2]:

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其中:n为发动机转速, r/min;z为发动机缸数;r为发动机冲程数;K为频率阶数,对于四冲程发动机取0.5,1,1.5,2,2.5,…,n。

由于该振动激励频率是连续可变的,所以不可能让变速器的固有频率避开所有发动机的激励频率,但可以使变速器壳体的固有频率尽可能避开那些由发动机产生的较低阶激励频率。另外几种发动机的特殊工况,如怠速(900 r/min)、高速巡航(整车时速120 km/h对应转速)、额定转速下产生的激励需要重点考虑。综合各种因素分析可知大致的发动机低频振动范围在30 Hz~500 Hz左右。

2.1.2 变速器齿轮啮合频率激励

变速器自身工作时存在各种激励,如齿轮、轴承等振动激励,但主要为齿轮啮合产生的周期激励。由于齿轮齿数各不相同,同时不同的档位传动路线不同,加上发动机转速的变化以及液力变矩器变速缓冲作用,所以齿轮的啮合激励十分复杂。但可根据该型变速器的传动路线及啮合齿轮齿数推算出啮合的低阶频率主要集中在600 Hz~1 600 Hz左右[3]。

2.1.3 道路不平度激励频率

整车在行驶时,道路的崎岖起伏会造成一定振动激励,其频率会随着道路种类以及车速的不同而变化,尽管没有一个特定值,但考虑不同路面上的常用车速为10 m/s ~30 m/s,可推断出其激励频率大部分聚集在30 Hz以内[4]。

2.2 变速器壳体约束模态分析

通常模态分析包含自由模态和约束模态,由于约束模态更接近实际工作模态,因此本次分析的是变速器的约束模态。另外,由于对振动影响较大的是零件的低阶模态,所以本次仅分析变速器壳体的前6阶模态,采用ANSYS Workbench,三维装配模型由Pro/E建立。网络划分后的模型如图1所示。

本次分析单元类型采用4面体结构单元,并对关键局部单元尺寸大小进行了定制,确保关键部位单元数量在厚度方向保持两层以上,其余大部分网格划分采用大尺寸程序自动控制。划分完毕后,单元总数为1 045 000个。

由于在模态分析中不支持接触行为,因此要考虑螺栓预紧力对模态的影响,必须先进行壳体的装配结构预应力分析,然后将应力分析结果导入到模态分析中,再进行模态分析,即结构模态耦合分析[5]。得到的初始设计壳体模态分析结果见表1。

壳体总成前4阶模态振型见图2~图5。

通过上述结果可以看出:变速器的各阶模态可以很好地避开道路激励,但变速器的前两阶模态进入了发动机低阶频率激励范围;由各阶振型来看,变速器发生了局部振动,振幅最大的部位全部集中在变速器的油底壳上,油底壳成为变速器低阶模态的薄弱零部件。因此,本项目中提高变速器整体模态频率的关键就是改进该油底壳的设计。

3 壳体模态分析优化

由于变速器主要载荷大部分作用在变速器箱体上,变速器油底壳在结构上不是主要受载元件,所以本次设计为了降低变速器重量及成本,油底壳设计选材上使用了壁厚1.25 mm的薄壁冲压钢件来制造,这样既减轻了该零件的重量,又便于制造,成本也较低,同时兼顾了一定的强度。但分析表明,相对其他壳体,该油底壳刚度较低,造成局部振幅很大,而且模态频率较低,容易与发动机激励频率共振。因此对油底壳的结构改进就非常必要。通过对前6阶振型的观察可以看出,振幅最大的地方在油底壳平面处,因此应当加强该处的刚度,以提高低阶模态的频率,降低该局部振幅。

本次优化充分考虑了油底壳的冲压工艺特点,在不增加重量和工艺难度的基础上,通过对油底壳平面增加两根凸筋,对其刚度进行加强。新的变速器壳体的前6阶约束模态频率见表2。

壳体优化后的前4阶模态振型见图6~图9。

优化后壳体的低阶模态频率大幅提高,其中1阶频率由253 Hz提高到460 Hz,提高了81.7%,从而避开了发动机低频激励;同时又由于壳体前4阶模态频率基本上低于变速箱啮合频率区,因此变速箱啮合激励频率也得到有效的规避;此外,前6阶模态频率也完全避开了道路激励频率,所以预计该壳体总成在使用中发生共振的几率会大幅降低,可以很好地满足整车NVH性能要求。

4 结论

本次壳体模态分析表明,壳体的合理结构设计非常重要。在设计中应当尽量保证壳体有足够的刚度,且刚度应具有均一性。即使不承载的结构也不能过于轻薄,局部刚度差会产生较低频率的模态并且可能造成局部振动的发生。

因此对于壳体中的结构薄弱部位是尤其需要特别考虑的。本例中,油底壳的结构设计对整个壳体的模态影响非常大,但经过对油底壳的合理优化设计,油底壳的重量减少了0.018 kg,但一阶模态频率反而得到81%的提升。

参考文献

[1]亓文果,宋孔杰,张蔚波.齿轮箱类结构振动功率流分析[J].山东工业大学学报,2002(1):6-9.

[2]刘维信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.

[3]卢学军,魏智.变速箱噪声的频谱分析与故障诊断[J].振动与冲击,1999(2):75-78.

[4]王若平,焦贤正,王国林.基于汽车车身垂直加速度的典型道路路面谱识别研究[J].汽车工程,2008(12):1047-1051.

变速器壳体的检验与修理 篇3

变速器壳体的质量决定着变速器总成的工作性能、换挡灵活性、挡位噪声、密封性能和使用寿命。在变速器大修时要对变速器壳体进行如下检查与修理, 以保证变速器工作正常。

1.壳体螺纹孔的检验与修理

壳体零件材料因强度较低、长期使用、频繁拆装或紧固不当、局部受力过大等原因, 易造成壳体螺纹孔损坏。变速器壳体螺纹孔损伤有注油螺塞孔、放油螺塞孔的螺纹损伤, 以及壳体之间连接螺栓螺纹孔的损伤。螺纹孔的损坏与滑牙, 可采用扩孔攻丝或焊补后重新钻孔攻丝的方法修复。

2.壳体裂纹的检验与修理

变速器壳体不得有裂纹。壳体裂纹的检验, 一般采用磁力探伤机进行, 或外部检视与轻轻敲击检验。对未延伸到轴承座孔处不重要部位的裂纹, 可用粘接剂粘接、螺钉填补法修复。对重要部位的裂纹, 则应进行焊接修复。焊接时, 必须先对壳体加温后再焊, 防止局部内应力过大而再裂或变形。如轴承座孔、定位销孔、螺纹孔等重要部位出现裂纹时必须更换壳体。

3.轴承座孔的检验与修理

轴承座孔的磨损, 将使齿轮轴线偏移和两轴线不平行, 会破坏壳体与各轴承的配合关系, 直接影响变速器输入、输出轴的相对位置, 影响齿轮的正常工作, 造成齿轮发响、跳挡等一系列故障。

轴承与座孔的配合一般为-0.002~0.041 mm;大修允许值为0.006~0.047 mm;使用限度不大于0.10 mm。当配合间隙超过使用限度后, 应进行修复。修复时, 要根据实际磨损情况, 选择不同的方法。若座孔没有失圆, 只是配合过于松旷, 可对轴承或座孔涂镀、镀铬修理。若座孔失圆, 应采用镶套法修理。镶套时, 应用专用工具对原座孔镗成正圆, 然后再镶入新套。镶入新套后应确保座孔的尺寸精度。

4.壳体变形的检验与修理

由于受检测仪器的限制, 在修理中往往忽视对变速器壳体变形的检验。实际上, 由于变速器壳体变形所造成某些部件相互位置关系的破坏, 对变速器修理质量的影响很大。特别是变速器壳体轴承座孔轴线平行度的破坏, 会显著降低变速器的使用寿命, 因此, 大修时必须对各轴承座孔中心线不平行度进行检验。

变速器一、二轴与中间轴座孔中心线的不平行度应不大于0.02 mm;中间轴与倒挡轴的不平行度应不大于0.03 mm。若不平行度超过上述标准时, 应修磨轴承座孔, 然后用镶套的方法修理。检查时, 对于三轴式变速器要用专用量具检查:1上下两孔轴线间的距离;2上下两孔轴线的平行度;3上孔轴线到上平面间的距离;4前后两端面的平面度。两轴式变速器壳体由前、后两部分组成, 其变形要检查输入轴与输出轴的平行度、及前后壳体接合面的平面度, 超过规定时要进行修复。

变速器壳体不垂直度对变速器的工作影响也很大, 修理时也应进行检验。变速器壳体不垂直度 (有时用端面跳动代替) 的检验方法较简单。检查前, 要先把上平面修磨平整作为基准面, 然后把壳体倒置在平板上, 在变速器壳的前、后端面处用直角尺靠在平板上, 若直角尺不能完全贴合或有缝隙, 说明有不垂直度, 应进行修理。

变速器壳体和盖 (或与飞轮壳) 接合平面翘曲不平时, 可用平板或两者扣合在一起用塞尺检查。当间隙超过0.50 mm, 可用铲刀或锉刀修整。

5.球节座的检修

球节座磨损通常是把球节装入座孔后配合检查。当变速器的变速杆球节露出部分超过球高的1/3;变速杆球节顶低于座面4 mm时, 应予修理。修理的方法有两种:一种是修座孔, 用低碳钢焊条堆焊后, 再经车削使其达到正常配合 (但焊车法易变形) , 或将座孔扩大后, 镶入一加工好的座圈;另一种是修理球节, 将球节进行堆焊后, 再进行车削。在车削时应先将变速杆压直, 车削后再恢复原状。

6.变速器盖的检验与修理

变速器盖的结合面不平度应不大于0.15 mm, 使用限度不超过0.25 mm;否则应该用铲刀或锉刀修平。

减小变速器壳体的应力变形 篇4

通常影响零部件加工尺寸、形状变化的主要原因是应力, 而应力又可分为零部件毛坯自身在成形时所固有的内应力和加工中所产生的加工应力。由于材料成分和形状不同, 应力影响到加工件尺寸、形状变化也就不同, 因此解决此类问题必须对症下药。

本文以0.4 0.5t电瓶叉车变速器壳体在加工过程中、加工后出现的一系列问题及采取的相应措施为例加以分析。该零部件为异型组装式箱体部件, 分变速器座体和变速器盖两部分, 两者的连接为无密封式两平面直接连接。因此对两工件结合部位的表面平面度要求高, 为0.03mm (如图1、图2所示) 。

针对该变速器壳体的特点, 为了保证其设计要求, 在实际加工过程中根据这两种零件的不同结构, 分阶段采取了以下不同的防应力变形加工方法。

金属切削加工中减小应力的方式

1.变速器盖

(1) 原加工方式利用X62W卧铣工作台及加工好的工件底口面为基准, 两个压板压在工件上端两侧 (如图3所示) , 用盘铣刀进行粗、精成品加工。加工出的工件在未卸压板时测量, 加工面平面度在0.2 0.3mm之间, 但松开压板后测量平面度却在0.7 0.9mm之间。

分析原因主要为:在零件的加工过程中由于压板的压紧力太大, 加工中的各种应力得不到释放, 松开压板后, 各种应力聚集释放, 造成了零件表面的变形, 因而加工面平面度严重超差。

针对上面加工中存在的问题, 为了减小加工时所产生的应力, 在原定位方式、压紧方式未改变的前提下, 采用了粗、精两种不同的压紧、加工方法。

粗加工时, 两压板紧压工件, 留0.4 0.5m m的精加工余量。精加工时, 略松两压板片刻, 使应力有所释放, 然后再略压紧压板进行精加工。即便如此, 加工出的工件加工面平面度超差也十分严重。分析原因, 主要是粗加工后略松了压板, 部分应力有所释放, 但压紧力仍然太大, 因此造成加工面产生应力变形。由于略松压板后, 精加工时工件略有转动造成加工面平面度超差。

(2) 改进后的加工方式针对前面两种加工中存在的问题, 为了减小加工后工件的应力变形, 特制作了加工此工件的专用夹具 (见图4) 及防转动带槽主压板 (见图5) 。

具体的加工方法为:在机床上找正、固定好夹具 (原加工用刀具不变) 。粗加工时, 找正工件, 防转动带槽主压板压紧, 在工件的顶端加一个粗加工用辅助压紧压板, 以低转速、大进给量实施粗加工, 留精加工余量0.30.4m m。精加工时, 卸掉工件顶端粗加工辅助压板, 让工件略冷却2 3min, 使粗加工所产生的应力释放, 然后采用较高转速、小进给量实施精加工。

通过此方法的实施, 加工后的工件加工面平面度经测量稳定保持在0.02 0.03m m之间, 从而解决了此零件在金属切削加工过程中的应力变形难题。

2.变速器座体

(1) 原加工方式加工时采用X5035立铣, 在机床工作台上按图6所示的方向压紧, 用盘铣刀加工, 由于盘铣刀刀刃与工件的接触面积较大, 因而在加工中产生应力随之较大, 加之其他因素的影响, 导致工件加工面平面度严重超差。

(2) 改进后的加工方式为解决这一加工问题, 经对工件自身结构及上述加工方法进行仔细研究、分析后, 采取分段加工、逐渐冷却释放加工应力的方法。

仍采取上述加工方法对工件进行粗加工, 留精加工余量1.52m m, 然后将粗加工后的工件在自然环境放置两天左右, 让应力进行释放。改变加工设备, 由立铣改为立车, 减小刀具与工件的接触面积, 改盘铣刀为卧式车床用半精车、精车刀具。加工前先精研立车工作台表面, 然后以四件为一组, 将工件固定在立车工作台面上, 仍采用立铣加工时的压紧方式进行半精加工, 留量0.3 0.4mm, 最后改变转速进行精加工。

由于加工方法及刀具的改变, 减小了加工中的加工应力, 使工件的加工面平面度稳定保持在0.020.03m m之间, 达到了设计要求, 从而解决了加工中应力太大、加工面平面度超差的问题。

毛坯内在应力的解决

虽然以上方法解决了由于金属切削加工过程中产生应力导致工件加工面平面度超差而达不到设计要求的难题, 但在组装过程中仍出现了平面度严重超差的问题。经多方对工件超差数据仔细分析后, 将原因确定在工件毛坯自身的问题上。毛坯成形后, 在自然界的时效时间太短, 在浇铸毛坯时自身的内应力没有释放, 而加工前又没有采取人工的去应力 (时效) 手段, 导致已加工合格的工件产生应力变形。

为解决此问题, 首先对工件毛坯进行了10 20m i n抛丸去应力处理, 然后将工件加工至设计尺寸, 过一周后对其进行测量, 情况有所改观, 但加工面平面度仍存在应力变形问题。

改用热处理的方法对毛坯进行加工前去应力处理, 并在程序上进行严格控制。在工件进炉前对加热炉底进行清扫, 要求炉底干净、平整, 工件入炉后应平铺靠实并用垫块对局部垫实, 防止加热时工件变形。使炉温升到540 560ºC, 保温3 3.5h, 随炉冷至260ºC以下后出炉, 放置于干燥场地空冷至常温。然后用防应力变形金属切削加工方法将工件加工至设计要求, 过一周后测量加工面平面度、尺寸, 结果全部在设计要求范围内, 从而解决了由毛坯本身的应力而导致的加工件在最终组装时产生的变形。