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摘 要：对于汽车差速器，需要保证差速齿轮侧隙，因而在装配时需要对半轴齿轮调整垫片等级进行选配。本文简述一种差速器装配工艺分析及优化，在保证差速器性能要求的同时，提升生产的效益。
关键词：差速器;齿轮侧隙;选垫装配;间隙检测
1 引言
在前驱汽车变速器中，差速器是传递扭矩的重要部件，其作用是使左、右的半轴实现不同转速驱动车轮，以实现汽车转弯的需求。差速器齿轮侧隙的匹配适合性决定了半轴齿轮、行星齿轮、差速器壳体的使用寿命，同时也影响到变速器的NVH性能，影响到驾驶员及乘客的主观感受。现有差速器装配工艺在将半轴齿轮、行星齿轮、半轴齿轮垫片、行星齿轮垫片等零件装配好后，需要对半轴齿轮间隙进行测量，确认合格。现有某款产品产线工艺存在间隙测量值波动大，且偶尔出现超出要求范围的间隙值等缺点。本文将对差速器结构、工作原理及装配工艺的研究，以期优化现有的差速器装配工艺与要求。
2 系统结构及工作原理
变速器的动力需要经过一系列的传动机构才能传递到汽车的驱动轮，而差速器是变速器动力最终输出的总成零件，差速器内部采用伞齿轮传动的方式，伞齿轮在差速器内部处于浮动的状态，为使得差速器伞齿轮处于最佳的运动状态，需要对其间隙提出要求。
2.1 系统结构
如图1所示，差速器由差速器壳体、行星轮轴、半轴齿轮、行星齿轮、半轴齿轮垫片、行星齿轮垫、冠轮等零件组成。
以差速器壳体为依托，冠轮安装在差速器壳体外部，半轴齿轮和行星齿轮安装在差速器内部起动力传递的作用，行星轮轴安装在差速器内部，起限位行星齿轮的作用，半轴齿轮垫片和行星齿轮垫片安装在差速器壳体内部，其中半轴齿轮垫片起着间隙调整和回转力矩调整的作用。
2.2 工作特征
变速箱的主减齿轮传递过来的扭矩，通过齿轮副传递到冠轮，冠轮与差速器壳体是通过螺栓联接的，冠轮扭矩传递给差速器壳体，这时会带动行星轮轴一起转动，同时带动行星齿轮，动力通过齿轮副传递，传递到半轴齿轮，半轴齿轮将动力输出至半轴，推动驱动轮向前。
当汽车直线行驶的时候，左右两车轮受到阻力一致，行星齿轮没有自转，动力经半轴齿轮，输出至半轴，这时，左右两车轮的转速一致，差速器内部可以看成刚性连接。
当汽车直线转弯的时候，左右两车轮受到阻力不一致，行星齿轮公转的同时，同时自转，动力传递半轴齿轮，但半轴齿轮转速不一致，实现左右车轮车速不一致，保证车辆的顺利转弯。
3 检测原理分析
3.1 差速器产线装配过程
差速器零件装配工艺流程如图3所示，按工艺过程，在进行差速器装配的时候，发现在半轴齿轮垫片不做调整的情况，第4步间隙重复测量的结果波动大，经常出现超出要求范围的产品，需要返工调整。
3.2 产线设备的检测原理
仔细分析齿侧检测设备及其工作过程，初检设备与复检设备相同，齿侧间隙无法直接测出，是间接方式测量计算出来：即通过测量半轴齿轮的轴向间隙，从而计算出齿侧间隙;同时，为保证齿轮在运转中没有发生轮齿啮合干涉，检测设备做回转力矩检测，设备动作分两步，先进行回转力矩测量，再进行半轴齿轮轴向间隙检验。
半轴齿轮回转力矩检测：旋转上端的半轴齿轮，旋转数圈，记录其最大扭矩，作为回转力矩;
半轴齿轮轴向间隙检测：a、两端同时将半轴齿轮往中间顶，如图4蓝色见图所示;b、再从侧边将半轴齿轮分别往上下方向拨，如图4红色见图所示;c、记录半轴齿轮轴向活动量为间隙值。
通过分析齿侧间隙检测设备的工作原理，可知因有回转力矩检测过程，复检的齿侧间隙与初检的齿侧间隙很难在同一副啮合齿轮上，因而两次检测的值没有关联性。据现场反馈，在不更换垫片的情况下，初检和复检结果偏差可达到0.05mm以上。
3.3 半轴齿轮轴向间隙与齿侧间隙关系
根据机械齿轮原理及几何学知识，半轴齿轮为锥齿轮，齿侧间隙与齿高位移及压力角相互关系如图5a）所示，半轴齿轮轴向移动间隙与齿高位移距离及节锥角相互关系如图5 b）所示，计算公式可按公式（1）、公式（2）、公式（3）进行。
其中，e为单侧齿侧间隙的一半
c为齿侧间隙值
α为压力角
t为半轴齿轮轴向间隙
δ为半轴齿轮节锥角
综合公式（1）、（2）、（3）可得半轴齿轮的轴向间隙与啮合齿侧间隙的关系式如公式（4）所示。
根据产品齿轮要求：压力角α为24°，面锥角β为53.67°，齿侧间隙的变动量為0.07mm时，可得半轴齿轮轴向间隙t的变动量为0.1068mm。
4 零件验证
4.1 验证方法
分别采用静态、动态重复性测量的方法，测量5套工件，每套工件测量10次，分析其极差值（极大值-极小值）。
静态重复性测量：在差速器装配完成之后，不再转动内部的齿轮，使之保持在同一位置，重复测量。
动态重复性测量：在差速器装配完成之后，每次测量前转动内部的齿轮，转动的角度一致，重复测量。
4.2 验证结果
将5套涉及零件的相关尺寸检测合格的零件进行装配，按照静/动态的测量要求，分别测量10次，对其数据进行处理，分析极差值，结果如图6、图7所示。
从结果可以看出，单件同位置测量极差值较小，最大值为0.0138mm，说明静态重复性好;单件不同位置测量极差值较大，重复性差，最大值0.1056mm，与计算结果0.1068mm相符，因此可以确定是半轴齿轮位置转动，导致了测量值的波动。
4.3 回转力矩试验
根据实际产品，半轴齿轮齿数为15齿，行星齿轮齿数为11齿，若需所有齿都相互啮合一次，则共需进行165次啮合。之前产品做回转力矩测量时，半轴齿轮仅旋转9圈进行，按此圈数完成的啮合齿数为135次，没有达到全部齿数啮合的效果。将5套检验样件进行旋转12圈的回转力矩试验，结果没有突变的力矩值，说明没有干涉的啮合齿。
5 结束语
通过前面的分析检验，半轴齿轮轴向间隙的波动值为0.1068mm，将间隙要求调整为轴向间隙0.1mm～0.3mm，选垫片时，将间隙调整值保证在0.2mm，所有啮合齿的间隙值才能落在要求范围内;同时，优化测量回转力矩的旋转圈数至12圈，确保所有齿皆互相啮合上一次，彻底排除干涉的风险。
通过装配验证和理论分析相结合，确认了现有差速器产线半轴齿轮轴向间隙波动的特性，并提出了轴向间隙的合适的调整范围。通过分析齿数关系，得到检测齿轮啮合干涉的合理的旋转圈数。分析提出的改进调整解决了产线生产出现的问题，提高了生产效率。
参考文献：
[1]汽车构造[J].机械工业出版社.
[2]汽车差速器半轴齿轮垫片测选技术及设备的研究[D]. 孙慧.合肥工业大学 2018年.
关键词：差速器;齿轮侧隙;选垫装配;间隙检测
1 引言
在前驱汽车变速器中，差速器是传递扭矩的重要部件，其作用是使左、右的半轴实现不同转速驱动车轮，以实现汽车转弯的需求。差速器齿轮侧隙的匹配适合性决定了半轴齿轮、行星齿轮、差速器壳体的使用寿命，同时也影响到变速器的NVH性能，影响到驾驶员及乘客的主观感受。现有差速器装配工艺在将半轴齿轮、行星齿轮、半轴齿轮垫片、行星齿轮垫片等零件装配好后，需要对半轴齿轮间隙进行测量，确认合格。现有某款产品产线工艺存在间隙测量值波动大，且偶尔出现超出要求范围的间隙值等缺点。本文将对差速器结构、工作原理及装配工艺的研究，以期优化现有的差速器装配工艺与要求。
2 系统结构及工作原理
变速器的动力需要经过一系列的传动机构才能传递到汽车的驱动轮，而差速器是变速器动力最终输出的总成零件，差速器内部采用伞齿轮传动的方式，伞齿轮在差速器内部处于浮动的状态，为使得差速器伞齿轮处于最佳的运动状态，需要对其间隙提出要求。
2.1 系统结构
如图1所示，差速器由差速器壳体、行星轮轴、半轴齿轮、行星齿轮、半轴齿轮垫片、行星齿轮垫、冠轮等零件组成。
以差速器壳体为依托，冠轮安装在差速器壳体外部，半轴齿轮和行星齿轮安装在差速器内部起动力传递的作用，行星轮轴安装在差速器内部，起限位行星齿轮的作用，半轴齿轮垫片和行星齿轮垫片安装在差速器壳体内部，其中半轴齿轮垫片起着间隙调整和回转力矩调整的作用。
2.2 工作特征
变速箱的主减齿轮传递过来的扭矩，通过齿轮副传递到冠轮，冠轮与差速器壳体是通过螺栓联接的，冠轮扭矩传递给差速器壳体，这时会带动行星轮轴一起转动，同时带动行星齿轮，动力通过齿轮副传递，传递到半轴齿轮，半轴齿轮将动力输出至半轴，推动驱动轮向前。
当汽车直线行驶的时候，左右两车轮受到阻力一致，行星齿轮没有自转，动力经半轴齿轮，输出至半轴，这时，左右两车轮的转速一致，差速器内部可以看成刚性连接。
当汽车直线转弯的时候，左右两车轮受到阻力不一致，行星齿轮公转的同时，同时自转，动力传递半轴齿轮，但半轴齿轮转速不一致，实现左右车轮车速不一致，保证车辆的顺利转弯。
3 检测原理分析
3.1 差速器产线装配过程
差速器零件装配工艺流程如图3所示，按工艺过程，在进行差速器装配的时候，发现在半轴齿轮垫片不做调整的情况，第4步间隙重复测量的结果波动大，经常出现超出要求范围的产品，需要返工调整。
3.2 产线设备的检测原理
仔细分析齿侧检测设备及其工作过程，初检设备与复检设备相同，齿侧间隙无法直接测出，是间接方式测量计算出来：即通过测量半轴齿轮的轴向间隙，从而计算出齿侧间隙;同时，为保证齿轮在运转中没有发生轮齿啮合干涉，检测设备做回转力矩检测，设备动作分两步，先进行回转力矩测量，再进行半轴齿轮轴向间隙检验。
半轴齿轮回转力矩检测：旋转上端的半轴齿轮，旋转数圈，记录其最大扭矩，作为回转力矩;
半轴齿轮轴向间隙检测：a、两端同时将半轴齿轮往中间顶，如图4蓝色见图所示;b、再从侧边将半轴齿轮分别往上下方向拨，如图4红色见图所示;c、记录半轴齿轮轴向活动量为间隙值。
通过分析齿侧间隙检测设备的工作原理，可知因有回转力矩检测过程，复检的齿侧间隙与初检的齿侧间隙很难在同一副啮合齿轮上，因而两次检测的值没有关联性。据现场反馈，在不更换垫片的情况下，初检和复检结果偏差可达到0.05mm以上。
3.3 半轴齿轮轴向间隙与齿侧间隙关系
根据机械齿轮原理及几何学知识，半轴齿轮为锥齿轮，齿侧间隙与齿高位移及压力角相互关系如图5a）所示，半轴齿轮轴向移动间隙与齿高位移距离及节锥角相互关系如图5 b）所示，计算公式可按公式（1）、公式（2）、公式（3）进行。
其中，e为单侧齿侧间隙的一半
c为齿侧间隙值
α为压力角
t为半轴齿轮轴向间隙
δ为半轴齿轮节锥角
综合公式（1）、（2）、（3）可得半轴齿轮的轴向间隙与啮合齿侧间隙的关系式如公式（4）所示。
根据产品齿轮要求：压力角α为24°，面锥角β为53.67°，齿侧间隙的变动量為0.07mm时，可得半轴齿轮轴向间隙t的变动量为0.1068mm。
4 零件验证
4.1 验证方法
分别采用静态、动态重复性测量的方法，测量5套工件，每套工件测量10次，分析其极差值（极大值-极小值）。
静态重复性测量：在差速器装配完成之后，不再转动内部的齿轮，使之保持在同一位置，重复测量。
动态重复性测量：在差速器装配完成之后，每次测量前转动内部的齿轮，转动的角度一致，重复测量。
4.2 验证结果
将5套涉及零件的相关尺寸检测合格的零件进行装配，按照静/动态的测量要求，分别测量10次，对其数据进行处理，分析极差值，结果如图6、图7所示。
从结果可以看出，单件同位置测量极差值较小，最大值为0.0138mm，说明静态重复性好;单件不同位置测量极差值较大，重复性差，最大值0.1056mm，与计算结果0.1068mm相符，因此可以确定是半轴齿轮位置转动，导致了测量值的波动。
4.3 回转力矩试验
根据实际产品，半轴齿轮齿数为15齿，行星齿轮齿数为11齿，若需所有齿都相互啮合一次，则共需进行165次啮合。之前产品做回转力矩测量时，半轴齿轮仅旋转9圈进行，按此圈数完成的啮合齿数为135次，没有达到全部齿数啮合的效果。将5套检验样件进行旋转12圈的回转力矩试验，结果没有突变的力矩值，说明没有干涉的啮合齿。
5 结束语
通过前面的分析检验，半轴齿轮轴向间隙的波动值为0.1068mm，将间隙要求调整为轴向间隙0.1mm～0.3mm，选垫片时，将间隙调整值保证在0.2mm，所有啮合齿的间隙值才能落在要求范围内;同时，优化测量回转力矩的旋转圈数至12圈，确保所有齿皆互相啮合上一次，彻底排除干涉的风险。
通过装配验证和理论分析相结合，确认了现有差速器产线半轴齿轮轴向间隙波动的特性，并提出了轴向间隙的合适的调整范围。通过分析齿数关系，得到检测齿轮啮合干涉的合理的旋转圈数。分析提出的改进调整解决了产线生产出现的问题，提高了生产效率。
参考文献：
[1]汽车构造[J].机械工业出版社.
[2]汽车差速器半轴齿轮垫片测选技术及设备的研究[D]. 孙慧.合肥工业大学 2018年.