強力噴丸時直齒輪齒面應力分析

■一汽轎車發(fā)傳中心 （吉林長春 130013） 孫銀軍

噴丸強化處理是齒輪生產制造過程中重要的關鍵環(huán)節(jié)，當鋼丸重復沖擊齒面時，金屬表面會發(fā)生一定程度的塑性變形，從而形成一定的壓應力。當對磨齒或者珩齒精加工的齒輪進行強力噴丸時，如果鋼丸沖擊引起的表層金屬塑性變形發(fā)生在齒形和齒向的過渡部分，就可能引起齒面局部的凸起，從而可能引起D C T自動變速箱N V H問題。我廠部分D C T齒輪沒有齒頂修緣，熱處理后的齒面精加工后，進行強力噴丸，要求殘余壓應力800～1 200M P a。成品檢測發(fā)現齒頂倒棱邊界處材料向齒面凸起1～2μm。

本次計算選用的齒輪材料為20MnCrS5，模數m＝2.4，齒數z＝79，齒寬B＝10m m，壓力角α ＝2 0°，齒頂倒棱C ＝0.2m m×45°。鋼丸為鋼絲切制，鋼丸直徑d＝0.6mm。

1. 齒輪強力噴丸時受力情況

為保證噴丸覆蓋率均勻性，工件沿機床主軸以速度va公轉，同時沿零件中心以速度vb自轉。根據工件運動狀態(tài)，設定法向力Fn和徑向力Fr同時作用在齒面，由于工件是對稱的，計算選用一個齒進行建模和仿真。在齒頂倒棱處，徑向力Fr隨倒棱角度A分解為法向分量FrsinA和FrcosA。定性仿真齒面受鋼丸沖擊力后齒面各處應力分布，設定齒面各處均勻受力Fn＝100N、Fr＝100N，其受力如圖1所示。

2. 齒面應力分析

設定齒頂圓直徑D1，齒頂倒棱直徑D2，齒頂修緣直徑D3，漸開線起始圓直徑D4，齒根圓弧起始圓直徑D5，齒頂倒棱C＝0.2mm×45°。帶齒頂修緣單齒的三維模型和應力云圖如圖2所示。

在單齒面模型直徑D1、D2、D3、D4和D5處建立傳感器，分別按齒頂倒棱角度A（30°、45°、60°）和齒頂修緣fko（20μm、0μm）修正模型，加載力Fn和Fr，則各直徑處的各傳感器數據匯總如圖3所示。

圖1 齒輪受力示意

圖2 帶齒頂修緣單齒模型

圖3 a～c顯示齒頂倒棱部分D2處的應力最高，漸開線起始圓部分D4處的應力最低，其余部分D1、D3、D5處應力相近居中分布；在倒棱角度為60°時，齒面各處應力分布較均勻，沒有明顯的應力集中；圖3d～f顯示隨著倒棱角度的增加，D2處的應力減小，當倒棱角度從30°增加到60°時，D2處應力平均值減小約40%，D4處應力平均值減小約5%，其他各處相對穩(wěn)定，變化不大；當倒棱角度A增加時，其鋼丸沖擊力的法向分量FsinA增加，切向分量FcosA減小，故而其倒棱邊界應力減小。

齒頂修緣量對應力的影響如圖4所示，從圖4a～c可看出，齒頂修緣量20μ m和齒頂不修緣相比，其齒頂倒棱D2處的應力平均值總是偏小5%；圖4d顯示隨著倒棱角度的增加，其倒棱D2處的應力總是減小，與齒頂修緣大小無關。

3. 結語

分析數據發(fā)現，整個齒面曲面過渡的連續(xù)性和倒棱角度大小、齒頂修緣大小等都會影響齒面應力分布，總體上齒面各處應力分布呈現如下規(guī)律：①齒面曲面過渡突變的齒頂倒棱起始D2處應力較大，漸開線起始D4處應力最小。②隨著齒頂倒棱角度的增加，齒頂倒棱起始D2處應力減小，其余各處變化不明顯。③齒頂修緣后，齒頂倒棱起始D2處應力減小約5%。因此，齒頂倒棱角度取上差、齒頂修緣量取上差可減小齒頂倒棱邊界處的應力集中。

圖3 齒面各直徑曲面的應力分布

圖4 齒頂修緣量對應力的影響