優化設計汽車輪邊減速器內齒圈基體硬度及齒壁厚度

謝立湘，黃俊瓊，羅喜平

XIE Li-xiang, HUANG Jun-qiong, LUO Xi-ping

（株洲齒輪有限責任公司 技術中心，株洲 412000）

優化設計汽車輪邊減速器內齒圈基體硬度及齒壁厚度

Optimum design of basic hardness and tooth wall thickness for internal gear rings in automotive hub reduction

謝立湘，黃俊瓊，羅喜平

XIE Li-xiang, HUANG Jun-qiong, LUO Xi-ping

（株洲齒輪有限責任公司 技術中心，株洲 412000）

本文詳細介紹汽車輪邊減速器內齒圈的材料選擇、內齒加工工藝、基體硬度的選擇，提出齒壁厚度的優化設計步驟。

基體硬度；齒壁厚度

0 引言

內齒圈是汽車輪邊減速器中一個重要的零件。我公司生產制造內齒圈30多年，開發生產了斯太爾系列、奔馳系列、東風系列等內齒圈產品。在實際設計及生產中發現：目前我國許多汽車主機廠引進國外技術的汽車,在國產化過程中, 輪邊減速器內齒圈國外通常采用滲碳淬火技術，因為內齒圈是薄壁件，滲碳淬火時變形大，目前國內內齒圈生產廠家很難達到國外設計技術要求，于是國內汽車生產主機廠大都利用氣體軟氮化和QPQ工藝替代滲碳淬火工藝。采用替代工藝產品后，往往齒部彎曲強度和接觸強度達到了設計要求，而齒壁強度達不到要求，要通過幾次臺架實驗才能最終確定齒壁厚度，有的甚至整車經過用戶使用才發現齒壁因強度不夠而損壞如圖1所示，這樣嚴重耽誤了產品開發進度。

圖1 內齒圈齒壁損壞實物

由于三種工藝采用的材料、冷加工手段不同，所以熱處理后的強度都不一樣。在替代過程中，要優化設計汽車輪邊減速器內齒圈基體硬度及齒壁厚度必須解決以下幾個問題：

1）國產化后的產品必須滿足整車設計要求；

2）產品熱前基體硬度必須適合插齒或拉齒加工；

3）齒壁厚度設計必須滿在滿足強度要求的前提下，盡量節省材料，降低成本；

首先簡單介紹三種工藝所采用的材料，冷熱加工方法及熱處理后技術要求。

內齒圈冷加工方法主要有以下兩種，如圖2所示。

圖2 80噸立拉

在試制階段或者小批量生產時，冷加工都采用插齒工藝。插齒加工效率低，但插齒刀適應產品硬度范圍比較寬。大批量生產時，冷加工一般采用拉齒工藝，拉齒效率高，但拉刀適應產品硬度比較窄。產品拉前硬度低，拉削過程中容易形成切削瘤，拉后齒面拉毛或拉爛。產品拉前硬度高，則容易崩齒或打齒（下圖是拉刀打齒和產品拉爛圖），拉削壓力太大，對拉床損壞嚴重。

圖3 高速插齒

圖4 拉刀打齒

圖5 產品拉后爛齒

目前內齒圈熱處理工藝主要有以下三種，每種熱處理工藝使用的材料及能達到的技術要求如下：

氣體軟氮化內齒圈的材料一般采用中碳鋼，如45#、40Cr、42CrMo，基體硬度是170～229HBS，表面硬度≥HV1300，表面白亮層深0.008～0.012mm。

QPQ內齒圈的材料和軟氮化的材料一樣，基體硬度是19～28HRC，表面硬度≥HV1500，白亮層深0.01～0.02 mm，擴散層深0.35～0.6 mm。

滲碳淬火材料一般為20CrMo、20CrMnTi，其熱處理技術要求是：表面硬度58～63HRC，心部硬度35～43HRC，有效硬化層深0.9～1.2mm。

從以上技術條件可知：氣體軟氮化和QPQ內齒圈強度比滲碳淬火內齒圈強度低，所以采用替代工藝時，要加厚內齒圈齒壁厚度。

通過上面簡單的介紹，我們對內齒圈的冷熱加工方法及各種方法所采用的材料、精度、強度有了大概的了解。下面來介紹設計汽車輪邊減速器內齒圈基體硬度及齒壁厚度的方法：

1）首先根據內齒圈量產從下表中確定冷加工方法，再確定基體硬度、抗拉強度、熱處理后表面硬度。

（1）從表中可知，基體硬度越高，其抗拉強度越高，軟氮化和QPQ表面硬度也越高。

（2）隨著基體硬度增高，插齒難度也越大。插齒產能小。

（3）隨著基體硬度增高，拉齒難度也越大，拉齒產能高，所以要選擇適當的基體硬度范圍。

（4）選擇原則，小批量、試制階段，加工方法采用插齒，內齒圈基體硬度可以選擇高些，大批量生產。

2）根據上面選定內齒圈基體抗拉強度計算內齒圈齒壁厚度：

（1）計算輪邊減速器行星假轉速：

ω= 1000×V /(60×D×π)

ω：行星假轉速（轉/分鐘）

V：汽車行駛速度（公里/小時）

D：輪胎直徑（米）

（2）計算輪邊減速器傳動比：

Zb：內齒圈齒數

Za：太陽輪齒數

（3）根據汽車最大載荷和轉速反求計算太陽輪輸入扭矩：

F=G×μ

F：汽車前進需要克服的摩擦力（牛）

G：輪胎承受的重力（牛）

μ：摩擦系數

（4）計算行星架輸出扭矩：

T=F×D/2

T：行星架輸出扭矩（牛.米）

（5）計算太陽輪輸入扭矩：

Ta=T/ ibAh

Ta：太陽輪輸入扭矩（牛.米）

（6）計算太陽輪圓周力：

Fa=2000×Ta/Da

Fa：太陽輪圓周力（牛）

Da：太陽輪分度圓直徑（毫米）

（7）如圖示：根據作用力與反作用力的原理，內齒圈分度圓上的圓周力：

Fb=Fa

Fb:內齒圈圓周力（牛）

（8）計算內齒圈齒壁形心：

z=∫Az×dA/A=B/2

z：內齒圈齒壁剖切面的形心位置（毫米）

A：內齒圈齒壁剖切面的面積（毫米^2）

D外: 內齒圈外圓直徑（毫米）

D根：內齒圈齒根圓直徑（毫米）

（9）計算內齒圈齒壁剖切面的慣性矩：

Iy=∫A(z^2)×dA/A=(L^3)×B/12

Iy： 內齒圈齒壁剖切面的慣性矩（毫米^4）

B： 內齒圈寬（毫米）

（10）計算內齒圈齒壁剖切面彎矩：

My= Fb×[(Df-Db)+B]/(2×10^3)

（11）計算內齒圈齒壁剖切面拉應力：

σ1=1000000×Fb/A=1000000×Fb/(L×B)

σ1：內齒圈齒壁剖切面拉應力（牛/米^2）

（12）計算內齒圈齒壁剖切面彎曲拉應力：

σ2=3×Fb×[(Df-Db)+B]×10^6

σ2：內齒圈齒壁剖切面彎曲拉應力（牛/米^2）

（13）求從內齒圈齒壁剖切面內側最大拉應力

切面受力分析可知，受力最大的是內齒圈內側，其最大拉應力為：

σ=σ1+σ2

σ≤[σ]

整理得：Fb×10^6/(L×B)+3×Fb×10^6×[(Df-Db)+B]≤[σ]

B={-[3×(Df-Db)-L×[σ]/(Fb×10^6)]+power[3×(Df-Db)- L [σ]/(Fb×10^6)]^2-12×L,1/2]}

我公司奔馳內齒圈是德國引進技術，原設計材料采用20CrMo，熱處理采用滲碳淬火工藝，其技術條件是：心部硬度≤43HRC，表面硬度是58～63HRC，齒壁厚度8.5mm。當時由于我公司內齒圈滲碳淬火工藝達不到技術要求，所以采用40Cr材料+QPQ熱處理工藝進行國產化。在國產化過程中，我們按表確定如下技術條件：拉前基體硬度22～28HRC，冷加工采用拉齒，齒壁厚度確定為10mm，經過臺架實驗，要求臺架實驗次數不小于50萬次，實際達到70萬次齒壁沒有損壞。

所以，按以上2個步驟設計的內齒圈齒壁厚度和基體硬度，既滿足了產品強度，也適應生產批量要求，還能做到節省材料。

[1] 郁明山.漸開線齒輪行星傳動的設計與制造[M].北京:機械工業出版社,2002,4.

U466

B

1009-0134(2010)11(上)-0062-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).20

2010-04-10

謝立湘（1967 -） ，男，湖南湘鄉人，本科，主要從事汽車傳動、齒輪強度、噪音、制造研究。