上海羊羽卓进出口贸易有限公司汽车冷知识：你知道什么是盆角齿吗？
盆角齿全名叫做差速器主被动齿，分为主齿和被动齿两部分，俗称盘角齿。
盆角齿单级减速器
单级减速器就是一个主动椎齿轮（俗称角齿），和一个从盆角齿，主动椎齿轮连接传动轴，顺时针旋转，从盆角齿贴在其右侧，啮合点向下转动，与车轮前进方向一致。由于主动锥齿轮直径小，盆角齿直径大，从而达到减速的功能。
盆角齿双级减速器
双级减速器多了一个中间过渡齿轮，主动椎齿轮左侧与中间齿轮的伞齿部分啮合，盆角齿轮同轴有一个小直径的直齿轮，直齿轮与从动齿轮啮合。这样中间齿轮向后转，从动齿轮向前转动。中间有两级减速过程。 双级减速由于使车桥体积增大，过去主要用在发动机功率偏低的车辆匹配上，主要用于低速高扭矩的工程机械方面。
盆角齿轮边减速器
在双级式主减速器中，若第二级减速在车轮附近进行，实际上构成两个车轮处的独立部件，则称为轮边减速器。这样作的好处是可以减小半轴所传递的转矩，有利于减小半轴的尺寸和质量。轮边减速器可以是行星齿轮式的，也可以由一对圆柱齿轮副构成。当采用圆柱齿轮副进行轮边减速时可以通过调节两齿轮的相互位置，改变车轮轴线与半轴之间的上下位置关系。这种车桥称为门式车桥，常用于对车桥高低位置有特殊要求的汽车。
圆柱齿轮精锻为何充填困难？如何改善齿形上下角充填？
文 | 成倚贤
编辑 | 成倚贤
●—≺ 前言 ≻—●
齿轮精锻工艺是指轮齿由坯料直接锻出，齿面不需切削加工或仅需少许精加工即可满足使用要求的齿轮制造技术。
尽管直齿圆柱齿轮精锻成形具有很大的市场应用前景，但由于齿形(特别是上下角部)充填困难，单纯依靠增大工作载荷来迫使上下角部齿形充填，将会恶化模具的工作条件，导致凹模开裂。
因此，如何解决这一难题，成为了众多学者们研究的重中之重！
●—≺ 设计初衷 ≻—●
我们的团队为了改进角部充填，设计了一种齿形凹模运动可控式齿轮精锻成型装置。
通过弹性和定位元件实现了齿形凹模在成形过程中随上模一起运动、不动、以上模的一半的速度运动、开始不动终锻随上模运动和开始随上模运动而终锻不动等多种运动方式，通过有限元和实验研究了齿形凹模不同运动方式下对齿形角部充填的影响。
研究结果表明，采取合适的方式控制齿形凹模的运动，使得阻碍角部充填的有害摩擦变成促进角部充填的积极摩擦，对改善齿形上下角充填有很好的效果。
●—≺ 精锻过程分析 ≻—●
直齿轮的闭式精锻，左边为成形之前而右边为成形之后，坯料轴向受到压缩、高度降低，直径增大，金属向齿形凹模型腔中流动成形出轮齿，类似于缴粗变形。
精锻时坯料整个高度上的径向填充阻力的分布，在坯料充填齿形凹模型腔的过程中，整个高度方向上，都受到齿形凹模型腔模面的摩擦阻力，如：
中部坏料仅受到齿形凹模型腔表面对其的摩擦阻力，而和上下模面接触的坏料不仅受到齿形凹模型腔表面的摩擦阳力，还受到上下模面的摩擦阻力，其充填阻力要大于中部的坏料，齿形高度方向上的充填阻力分布如：
根据最小阻力定律，坯料将沿阻力最小的方向流动，中部会优先充填完整，而上下角部由于上下模面的摩擦阻力，将难以充填。
成形后期，齿腔角部处于三向压应力状态由Mises屈服方程可知：
齿腔角部将难以满足屈服条件，只有继续增加成形载荷，才能使角部继续变形，造成模腔内压强过大、锻件精度超差甚至模具开裂。
●—≺ 成形装置设计 ≻—●
为了改进齿腔角部充填，新的齿轮精锻装置如：
包括齿形上冲头5，齿形上冲头5和上压板1固定，随上压板1上下运动，中间压环4套在齿形上冲头5的外面，通过上弹簧3和上卸料螺钉2与上压板1活动连接。
并保证上弹簧3有一定的预压力，齿形下冲头8和下模板9固定，齿形凹模6通过其上的内齿和齿形下冲头8上的外齿配合，套在齿形下冲头8的外面。
并可沿齿形下冲头8上下滑动，通过下弹簧10和下卸料螺钉12与下模板9活动连接，并保证下弹簧10有一定的预压力，在上压板1上均布着4颗上限位钉13，在下模板9上均布着4颗下限位钉11。
本装置的工作原理为:
将坏料放在齿形下冲头8上，上压板1带动形上冲头5和中间压板4下行，对坯料7进行挤压:
1.将上限位钉13的高度调整到使其下端面顶到中间压环4上端面，而下限位钉11的高度调低，当上压板1下行时，可实现齿形凹模6和上压板1同速下行的运动模式。
2.将下限位钉11的高度调整使其上端面顶到齿形凹模6的下端面，而上限位钉13的高度调低，当上压板1下行时，齿形凹模6相对于下模板9的距离不变，可实现齿形凹模在成形中固定不动的模式。
3.将上限位钉13和下限位钉11的突出模面的高度调低，而上弹簧3和下弹簧11采用相同的弹簧并且拥有相同的预压力，可实现齿形凹模6的下行速度为齿形上冲头5的速度一半的运动模式。
4.将上限位钉13的高度调低，而下限位钉11调整到合适的高度，上弹簧3采用倔强系数较大的弹簧，而下弹簧10采用倔强系数较小的弹簧，且上弹簧3的预压力远大于下弹簧10则成形初期在上弹簧3和下弹簧10的共同作用下齿形凹模6向下运动，一旦齿形凹模6下行遇到下限位钉11，齿形凹模6不再下行。
此时上压板1继续下行推动齿形上冲头5对还料进行挤压，上弹簧3此时受到压缩，直至成形。
实现齿形凹模6在成形初期下行，而在成形后期不动的运动模式。
5.将上限位钉13调整到合适的高度，而下限位钉11的高度调低，上弹簧3采用倔强系数较小的弹簧，而下弹簧10采用强系数较大的弹簧，且上弹簧3的预压力远小于下弹簧10.则成形初期在上弹簧3和下弹簧10的共同作用下齿形凹模6不运动。
成形过程中上弹簧3受到压缩，上压板1逐渐靠近中间压环4，一旦上限位钉13顶住中间压环4，此时上压板1继续下行推动中间压环4、齿形凹模6和齿形上冲头5对坏料进行挤压，下弹簧10此时受到压缩，直至成形完成。
可实现齿形凹模6在成形初期不动，而在成形后期随上压头一起运动的运动模式。
●—≺ 模型的建立 ≻—●
为验证上面的结论，在DEFORM-3D里建立齿数18，模数3的分析模型，如：
所示毛坯材料为AL1100、摩擦因子为0.3。为了提高计算效率和计算精度，取坯料的1/18作为研究对象。
为了研究齿形凹模对成形的影响，分别确定了以下运动模式。
(1)齿形模成形过程中随齿形上冲头一起运动，运动速度为10mm/s。
(2)齿形凹模成形过程中固定不动，运动速度为0mm/s。
(3)齿形凹模成形中随齿形上冲头向下运动，运动速度为齿形上冲头速度的一半，为5mm/s。
(4)齿形凹模成形初期与齿形上冲头一起向下运动，成形速度近似为10mm/s，当下角部接近充填完整时停止不动，直到成形过程结束
(5)齿形凹模成形初期固定不动，当上角部接近充填完整后随齿形上冲头一起运动，直到成形结束。
●—≺ 齿形充填情况 ≻—●
此为齿形凹模在成形过程中不动时的齿形充填情况，从图中可以看出，齿形中部和上角部充填完整，下角部缺料较多。
此为齿形凹模与上模等速时的充填情况从图中可看出，齿形中部和下角部都充满，上角部缺料较多。
此为齿形凹模速度等于上模速度一半时的充填情况，同样可以观察到齿形中部充填完整，而上下角部充填情况差不多，都充填完整。
此为齿形凹模成形初期与齿形上冲头一起向下运动，成形速度近似为10mm/s，当下角部充填完整后，停止不动直到成形过程结束时齿形充填情况。从图中可以看到，中部充填完整上下角部也充填完整。
此为齿形凹模成形初期固定不动，当上角部充填完整后，随齿形上冲头一起运动直到成形结束的情况下齿形充填状况。从图中可以看到，中部充填完整，上下角部也充填完整。
通过上面分析可得:
齿形凹模不动时，有利于上角部成形;齿形凹模随上模同速运动时，有利于下角部成形:通过控制齿形凹模的运动方式，可以变阻碍角部充填的有害摩擦为促进角部充填的积极摩擦，利于角部充填。
●—≺ 流动分析 ≻—●
齿形凹模速度为0mm/s时齿形充填速度场。
变形初期，此时速度场和圆柱体自由缴粗类似，在上模的驱动下，靠近上模模面的坯料向右下流动，与下模接触的坯料流速很小，其它部位金属均包含着轴向的压缩运动和径向的填充运动。
随着压下量的增加，由于齿形凹模不动对坏料的摩擦力作用，导致齿腔
部位的金属基本呈水平方向流动，有利于中部和上角部充填。
到54步时，这种流动方式一直保持，只是齿腔部位的金属水平流动趋势更明显。
到56步时，靠近齿腔上角部的金属流速很低，该部位已基本充填完毕。
终锻时，齿形中部和上角部流速很低，已经充满，而下角部还有大量金属流动，该处缺料较多。
齿形凹模速度为5mm/s时齿形充填速度场。
变形初期，和前面两者变形类似，在上模的驱动下，大部分坯料向右下流动充填齿腔，只有与下模面接触的坏料流速很低。
相比于前面两种变形方式，中部的流速更快。
随着压下量的增加，这种流动方式一直保持，有利于齿腔中部的充填，可见齿腔中部已出现鼓形。
到57步时，齿腔中部的金属流速很低.说明该部位已基本充填完毕，上下角部的分流区还有金属在流动。
终锻时，齿形中部、上下角部流速都很低，说明齿腔接近充满。
成形初期齿形凹模不动，而成形末期随上模运动时的齿形充填速度场。
预锻时充填情况和齿形凹模不动的相同，该阶段上部坯料充填速度较高，而和下模接触的坏料流动速度较低，有利于上角部的充填。
一旦上角部充填完毕，此时齿形凹模随上模向下运动，坯料也在齿形凹模的作用下流向下角部。
终锻时，下角部只有少量金属在流动，该处也基本充填完毕。
成形初期齿形凹模随上模一起运动而成形末期不动的齿形充填速度场。
预锻时充填情况和齿形凹模速度为10mm/s的相同，此时坏料向右下流动，有利于下角部的充填。
一旦下角部充填完毕，此时齿形凹模不再随上模向下运动，坏料也在齿形凹模的作用下流向上角部。
终锻时，上角部有少量金属在流动，该处也基本充填完毕。
●—≺ 成形载荷分析 ≻—●
齿形凹模不同运动方式下的载荷行程曲线，图中可以看出，齿形凹模速度为0mm/s和齿形凹模为10mm/s时载荷较低，分别为1189kN和965kN。
而当形凹模速度为5mm/s、齿形凹模开始不动，终锻速度为10mm/s和齿形凹模开始速度为10mm/s，终锻不动时的三种情况载荷较高，分别为1556kN1629kN和1660kN，相比前面两种情况载荷有大幅增加。
这是因为前面两种成形方式下，在上角部或者下角部有较大的未充满的区域，而在后面三种情况下，齿腔基本充满。
故齿形凹模的不同运动方式仅对角部充填有利，而成形载荷的主要影响因素是终锻时分流区的大小。
●—≺ 实验研究 ≻—●
用AL1100作为还料，坯料表面采用二硫化铂作为润滑剂，在国产YM-3150kN型液压机上进行试验，工作速度为10mm/s。
由于实际成形时齿形凹模和坏料之间的摩擦力很大，采用普通弹性元件难以实现齿形凹模的运动速度为5mm/s或齿形凹模先不动后强制下浮的运动方式。
故在本次实验中，上弹簧3采用倔强系数较大的弹簧，而下弹簧10采用倔强系数较小的弹簧。
且上弹簧3的预压力远大于下弹簧10，成形初期在上弹簧3和下弹簧10的共同作用下齿形凹模6向下运动，一旦齿形凹模6下行遇到下限位钉11，齿形凹模6不再下行，此时上压板1继续下行推动齿形上冲头5对还料进行挤压，上弹簧3此时受到压缩，直至成形。
实现齿形凹模6在成形初期下行，而在成形后期不动的运动模式。
当加载到1800kN时，获得的齿轮样件如：
从齿轮样件可以看出，整个齿轮齿形填充非常完好，只是在上下角部挤出多余的坏料，可以通过后续处理去除。
可见控制齿形凹模的运动方式对于齿形角部的充填具有重要意义。
由上面分析可知，齿形凹模的不同运动方式对坯料产生了不同方向的摩擦力，影响了主作用力在坯料整个轴向的分布情况，从而影响了变形发生的顺序。
通过控制齿形凹模的运动方向和速度，就可控制成形在需要发生的部位发生。
●—≺ 结论 ≻—●
(1)该装置通过上下弹簧和上下限位钉，可实现齿形凹模在成形过程中不动、随冲头同速运动、随冲头运动且速度为冲头速度的函数等运动方式。
(2)齿形凹模的不同运动方式，对齿形角部充填影响也各不相同，当齿形凹模随冲头同速下行时，齿形凹模对坯料的摩擦力向下，有利于下角部的成形，当齿形凹模不动时，齿形凹模对坏料的摩擦力向上，有利于上角部的成形;齿形巴模速度为冲头的一半时，上下角的充填情况差不多。
(3)当齿形模开始随冲头下行，而成形后期保持不动时，该种运动方式能有效地改善齿形上下角部的充填，但对成形载荷的影响有限
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