無(wú)論是傳統(tǒng)乘用車還是新能源乘用車，差速器都是汽車零部件的一個(gè)重要組成部分，它提供動(dòng)力傳動(dòng)，保障汽車轉(zhuǎn)彎安全差速。傳統(tǒng)差速器和主減速齒輪是通過(guò)物理方式連接，即采用螺栓連接，差速器特性對(duì)螺栓、轉(zhuǎn)矩要求比較高。在商用車領(lǐng)域，EMAG LaserTec 提供了激光焊接整體生產(chǎn)系統(tǒng)，將主減齒輪和差速器采用化學(xué)融合方式連接，焊接成為一個(gè)整體。針對(duì)貨車差速器的生產(chǎn)，EMAG 生產(chǎn)系統(tǒng)將 3 個(gè)獨(dú)立部件焊接在一起，由此可省去大約 40 處昂貴的螺栓連接成本，同時(shí)重量也大幅減輕。
一、技術(shù)研發(fā)
株洲齒輪有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“株洲齒輪”)與某高校合作在乘用車上對(duì)差速器和主減齒輪焊接技術(shù)進(jìn)行研究。
焊接技術(shù)難點(diǎn)：差速器殼體材料主要為球墨鑄鐵，主減速齒輪材料主要為滲碳鋼，兩種材料的含碳量、金相組織和化學(xué)性能差異很大，無(wú)法通過(guò)自融方式焊接為一個(gè)整體。我們采用添加焊絲的方式進(jìn)行焊接，采用以鎳為基體的焊絲。焊接技術(shù)方案為部件激光清洗、部件壓裝、部件激光焊接、焊縫超聲波探傷、總成烘干、清潔焊縫和焊渣等，兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人完成整個(gè)系統(tǒng)的上下料和作業(yè)。
部件激光清洗
通過(guò)機(jī)器人獨(dú)立上料，對(duì)差速器殼體和主減齒輪的焊接部位的表面進(jìn)行激光灼燒(圖 1)，除去所有殘留物，例如冷卻劑或防腐劑，減少雜質(zhì)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，激光清洗中激光器功率較低，既即達(dá)到清洗目的，又能保護(hù)產(chǎn)品。激光清洗過(guò)程非常快捷，同時(shí)設(shè)備又采用雙工位清洗，設(shè)備工作效率高。
圖 1 激光清洗機(jī)
部件壓裝
機(jī)器人從激光清洗機(jī)中取出部件并將其送入壓裝工位，壓裝設(shè)備有力和位移監(jiān)控功能，確保壓裝到位(圖 2)。
圖 2 主減齒輪壓裝機(jī)
激光焊接
機(jī)器人將壓裝好的部件取出并傳遞到焊接設(shè)備(圖 3)，通過(guò)專用的工裝軸向定位夾緊后，采用高能量填絲焊技術(shù)將差速器殼體和主減齒輪焊接成為整體。整個(gè)焊接過(guò)程非常快捷，激光器發(fā)射激光，先將鎳基焊絲融化，然后焊絲作為焊接中介將差速器和主減齒輪融合成一個(gè)整體。
圖 3 激光焊接機(jī)
合理的焊接工藝參數(shù)焊接出的差速器和主減齒輪的熱變形都比較小。株洲齒輪已經(jīng)完成 4 mm、5 mm 和 5.5 mm 焊縫的焊接工藝開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了焊接變形小、焊接飛濺小、焊接質(zhì)量高及無(wú)虛焊等。
超聲波探傷
焊接完成后采用超聲波檢測(cè)技術(shù)(圖 4)，系統(tǒng)會(huì) 100% 自動(dòng)檢查焊接區(qū)域質(zhì)量，做到零缺陷。完成探傷后進(jìn)行總成烘干，將探傷的媒介探傷液烘干，防止產(chǎn)品生銹。烘干后機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)到刷焊縫工位，對(duì)焊縫表面的焊渣、氧化層等進(jìn)行清理。
圖 4 超聲波探傷機(jī)
二、焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)
采用焊接方式連接的差速器具備輕量化、低成本、高精度、低噪聲和結(jié)構(gòu)緊湊等幾方面優(yōu)勢(shì)。
輕量化
差速器和主減齒輪通過(guò)焊接方式連接取代了傳統(tǒng)的螺栓連接方式，不僅節(jié)省了大量的螺栓，而且差速器殼體和主減齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)約，質(zhì)量明顯改善。根據(jù)株洲齒輪開(kāi)發(fā) 3000 N · m 的 B 型減速器和 5000 N · m 的 C 型減速器的焊接差速器和螺栓差速器對(duì)比，發(fā)現(xiàn) 3000 N · m 的 B 型減速器焊接差速器總質(zhì)量較螺栓差速器總質(zhì)量減少了 0.95 kg，減重約 15.5%;5000 N · m 的 C 型減速器焊接差速器總質(zhì)量較螺栓差速器總質(zhì)量減少了 1.24 kg，減重約 13.1%。由此可見(jiàn)焊接差速器在輕量化方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表 1。
表 1 差速器輕量化 (單位 ：kg)
低成本
差速器和主減齒輪采用焊接方式連接后首先節(jié)省了大量的螺栓的昂貴費(fèi)用;與此同時(shí)也取消了差速器和主減齒輪上的螺栓孔、螺紋孔等工藝，節(jié)約了鉆孔和攻絲等加工費(fèi)用、取消了總成裝配工序，節(jié)約了裝配等人工費(fèi)和螺栓擰緊設(shè)備費(fèi)用。而相對(duì)增加的僅有焊接成本，在批量自動(dòng)化條件下，焊接成本要低很多，激光焊接的成本比螺栓差速器成本低約 20%。
高精度
傳統(tǒng)螺栓連接差速器的主減齒輪單獨(dú)進(jìn)行磨齒，然后再與差速器裝配，螺栓打緊。主減齒輪磨齒使用高精密磨齒機(jī)，磨齒過(guò)程中采用心軸定位，由于定位面較小，磨齒過(guò)程中齒輪有輕微抖動(dòng)，齒輪的螺旋線精度略差，同時(shí)與差速器裝配后累積裝配誤差后，以實(shí)際使用的軸承位置為基準(zhǔn)檢測(cè)，齒輪的螺旋線精度變化很大。通過(guò)多組齒輪數(shù)據(jù)得出表 2 中的齒輪精度平均值。
表 2 螺栓差速器齒輪精度 (單位 ：μm)
焊接差速器的主減齒輪和差速器焊接之后作為一個(gè)整體部件進(jìn)行磨齒，磨齒過(guò)程中采用頂尖和差速器的軸承處外圓軸向定位，定位精度高，裝夾力大，磨齒后穩(wěn)定性好，磨齒后的精度即為實(shí)際使用精度，沒(méi)有裝配誤差。通過(guò)多組齒輪數(shù)據(jù)得出表 3 中的齒輪精度平均值，對(duì)比兩種磨齒方式，發(fā)現(xiàn)焊接差速器的齒輪累積偏差 Fp 接近 1 級(jí)齒輪精度;而螺栓差速器的齒輪累積偏差 Fp 達(dá)到 3 級(jí)齒輪精度，焊接差速器的齒輪累積偏差提高了 1 級(jí)。焊接差速器的齒輪徑向跳動(dòng)公差 Fr 達(dá)到 2 級(jí)齒輪精度;而螺栓差速器的齒輪的徑向跳動(dòng)公差Fr 達(dá)到 3 級(jí)齒輪精度，螺栓擰緊后累積裝配誤差后齒輪的徑向圓跳動(dòng)公差達(dá)到了 6 級(jí)，明顯焊接差速器的齒輪的徑向圓跳動(dòng)公差提高了 3 級(jí)。焊接差速器齒輪的螺旋線傾斜偏差一致性 fhβ V 值和螺旋線三截面扭變偏差達(dá)到了 1 級(jí)齒輪精度;而螺栓差速器齒輪的螺旋線傾斜偏差一致性 fhβ V 值和螺旋線三截面扭變偏差達(dá)到了 2 級(jí)齒輪精度，齒輪精度提高了 1 級(jí)。可見(jiàn)焊接差速器齒輪可以達(dá)到 2 級(jí)齒輪，比螺栓差速器齒輪高了 4 級(jí)精度。量產(chǎn)時(shí)螺栓差速器主減速齒輪磨齒可以穩(wěn)定達(dá)到 5 級(jí)齒輪精度，裝配和螺栓擰緊后，齒輪可以達(dá)到 6 ～ 7 級(jí)精度。而量產(chǎn)的焊接差速器的主減齒輪可以穩(wěn)定達(dá)到 4 ～ 5 級(jí)精度，沒(méi)有裝配誤差。焊接差速器在齒輪精度方面有明顯優(yōu)勢(shì)。
表 3 焊接差速器齒輪精度 (單位 ：μm)
低噪聲
焊接差速器齒輪磨齒后可以達(dá)到 2 級(jí)齒輪精度，裝配到減速器中進(jìn)行 NVH 測(cè)試，二級(jí)齒輪噪聲有明顯降低，噪聲較螺栓差速器齒輪箱降低 2 dB， 如圖 5 所示。
圖 5 焊接差速器與螺栓連接差速器 NVH 對(duì)比
結(jié)構(gòu)緊湊
螺栓差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮差速器承載能力，預(yù)留差速器空間、螺栓裝配空間等，從而限制了主減齒輪尺寸，主減齒輪不能過(guò)小。而采用焊接結(jié)構(gòu)時(shí)差速器可以完美避開(kāi)這些限制，焊縫位置可以設(shè)置在差速器外側(cè)，焊縫探傷空間僅為螺栓空間的 50%，由此累積二級(jí)傳動(dòng)的中心距可以減小 10 ～ 20 mm。因此減速器的整體尺寸可以更小，而承載能力也很大，同時(shí)減速器質(zhì)量也會(huì)更輕，也實(shí)現(xiàn)了乘用車輕量化。
三、結(jié)論
株洲齒輪正在逐步優(yōu)化焊接工藝流程，加載機(jī)器人產(chǎn)線，控制生產(chǎn)節(jié)拍，保證穩(wěn)定的工藝和高效率。同時(shí)株洲齒輪也與各大高校聯(lián)合開(kāi)發(fā)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝路線，潛心研究，打破國(guó)外對(duì)焊接差速器技術(shù)的壟斷，引領(lǐng)乘用車的焊接差速器技術(shù)發(fā)展。