变速器壳体加工doc

中国汽车工程学会齿轮加工委员会第十三届

姓名：宋西和

单位：南京菲亚特公司变速箱厂

时间：

学术年会交流材料 变 速 器 壳 体 加 工 王玲生 2004年4月2日

内 容 摘 要

palio 系列汽车是意大利FIAT 汽车公司的品牌产品，在全世界汽

车市场有很高的知名度。意大利FIAT 公司有100多年生产汽车的经

验，我厂生产的变速器是为palio 系列汽车配套的专用变速器。本文

以该变速器为例，较详尽介绍了壳体的加工工艺、工装及设备。同时

还讨论了铝合金材料的切削性能，分析计算了加工误差对总成性能的

影响。此外，本文还总结整理了本厂壳体的切削用量，毛坯技术要求

等供有关人员参考使用。最后重点介绍了两壳精加工线为满足工艺要

求所采取的必要措施和一个重要典型的工装—随行夹具。本文图文并

茂，以便使读者在设计工艺和选择装备时有所借鉴。

关键词

变速器壳、离合器壳、两壳合件、中心距、重合度、齿侧间隙、工艺

基准、工艺凸台、精加工线、随行夹具、检具

变速器壳体加工

1. 两壳的作用

汽车作为一种商品，在驾驶室里首先触摸的就是变速操纵杆，

变速器性能好坏直接影响使用者对整车的评价。而变速器壳和离合器

壳（简称“两壳”）是变速器的基础零件，它把齿轮传动部件、差速

器总成以及换档机构接合成一个整体，两壳的加工质量对变速器总成

的寿命、噪音、换档轻便灵活性等重要性能指标起决定作用。这里把

变速器壳和离合器壳同时讨论，是由汽车变速器自身结构决定的，见

图1，图左边空间主要装有传动齿轮及变速装置，称之为变速器壳，

右边凹部空间装有离合器总成，故称之为离合器壳。两壳只有合成一

体才能实现变速、离合的功能。

2. 两壳的主要技术要求

我们知道若两壳精度不高，齿轮做得再好也没有意义，所以对两

壳的技术要求很高。我厂生产的Palio 汽车变速器，由于发动机前置

并横置，两壳合件各轴线相互平行，主要孔、面的技术要求如下：

2.1. 一、二轴及差速器的轴承安装孔径精度均为IT7级；变速器壳

上的一、二轴孔为H7，差速器孔为M7；离合器壳上的一、二轴孔为

M7， 差速器孔为R7，可见离合器壳上的轴承比变速器壳上的轴承配

合紧，这是为方便装配而专门设计的。

2.2 三轴线以二轴孔为基准，平行度为0.05，公差等级为7级。

2.3 变速器后端面平面度为0.05，公差等级为9级。

2.4 一、二轴孔中心距71±0.02，二轴与差速器孔中心距114±0.02，

按GB10095-88标准规定约为7级。

3． 加工精度对总成性能的影响

3.1 一、二轴中心距变化对重合度的影响

以我厂生产的变速器为例，计算中心距变化时，1～5档齿轮齿

形重合度εα 和轴向重合度εβ 以及总重合度Ｚε ，见表１。由表１可

以画出中心距Ａ和重合度Ｚε 的关系曲线（图２），可见重合度随中心距减小而增大。众所周知，齿

轮啮合的重合度越大，动载荷越小，啮合时噪音

越低，强度越高。表中虽然重合度数值变化不大，

但据有关文献介绍，对于汽车变速器，高速档齿

轮要采用εα >1.8的重合度以取得较小的噪音，低速档齿轮也要尽可能采用大重合度， 图2 中心距与重合度关系图

最好使变速器齿轮低速档Ｚε >2，高速档Ｚε >3。表１中五档，当中心

距在工艺规定上限时, Ｚε = 2.982；下限时，Ｚε = 3.009，可见在

表1：重合度随中心距变化表

中心距为上限时，已不能满足重合度指标。鉴于变速器工作温度为90℃，中心距也将变大，故在机床调试时，壳体中心距取下限为宜。我厂装车的壳体均以这个原则加工的。

３. ２ 中心距变化对齿侧隙的影响

各档齿轮侧隙随中心距变化计算见表２，由表２可知，侧隙随中

心距减小而变小，当中心距小到70.92时，一、二档侧隙几乎为零，不能转动，另外在工艺允许范围内齿侧间隙变化翻了一倍，所以壳体孔距超下差传动困难，超上差则引起空旷冲击。表２中的数值是最小齿侧间隙，可以看到在中心距为下限时（A=70.98），既可以满足重合度要求，也能满足齿侧间隙要求。同上节结论一样，中心距不能超差，工艺调试时应以下限为好。

表2. 各档齿侧间隙随中心距变化表

３. ３ 各孔中心线平行度对总成性能的影响

该项指标对齿向载荷分布系数有很大影响，会使沿齿宽方向的载

荷分布不均匀，这里的平行度是指壳体镗孔偏差所引起的位置误差。以我厂变速器二档为例，一轴和二轴孔轴线在163毫米长度内要求平行度为0.05，若平行度超差0.03，二档齿轮的齿向公差就会由７级降到８级，按GB3480－83规定的简化计算，齿向载荷分布系数KH β ：

在7级时： KHβ =1.17+1.1(b/d1)2+0.3³10-3b

在8级时： KHβ =1.23+1.1(b/d1)2+0.61³10-3b

则： ΔKH β =0.06+0.31³10-3b

将二档齿宽b=15代入，ΔKH β = 0.065，齿根接触应力将增加

0.25倍，所以壳体齿轮轴线之间的平行度非常重要，是必须保正的精度要求。

4 材料

汽车变速器壳与离合器壳通常为压铸铝合金，我厂生产的palio 汽车变速器壳体其化学成分为：Si=8.0～9.5%，Cu3.0～4.0% ,Fe0.7～1.1% , 杂质：Zn ＜1.50%，Ni ＜0.30%，Mn ＜0.50%，Mg

＜0.30%，Ti ＜0.20%，Po ＜0.15%，Sn ＜0.10%，其它单个元素＜0.10%。

4．1 铝合金的特点：

硬度小，导热性好，适于高速切削，用硬质合金刀具加工铝合金，切削速度可达1000m/min,目前国内专机采用的切削速度一般都在250m/mim左右，而我厂两壳铣加工中，精铣速度高达1860m/min。

铝合金的另一个特点，熔点低，在切削加工中容易形成积屑瘤，使被加工零件的尺寸精度和表面粗糙度受到影响。此外铝合金在对精度高、光洁度要求高时，只能采用精镗、精铣，而不能用磨削加工，因此加工铝合金的刀具应刃磨得很锋利、光洁，这样可避免形成积屑瘤。此外，精加工不宜用陶瓷刀具，因为氧化了的Al 2O 3与刀具材料相同，

造成摩擦阻力大，也容易出现积屑瘤。

４. ２ 温度变化对铝合金的影响

铝合金的热膨涨系数大，零件切削时温度升高尺寸增大，切削后温度降低尺寸减小。我们对变速器壳所做的试验如表3。 表3：变速器壳各主要孔随温度变化表

表中数据为同一零件多次测量的结果。

４. ３ 加工铝合金用的切削液

铝合金导热性好，在切削速度不高时，一般可干切削，我厂两壳加工自动线在工艺调试中也采用了一段时间干切削。为了提高加工表面质量和减少热膨涨，采用乳化液或煤油等冷却润滑液，但不宜采用含硫的冷却润滑液，因为硫会影响到铝合金的性能。Palio 汽车变速器壳体加工采用乳化液作为冷却润滑液。

４. ４ 铝合金的可切削性

据有关文献介绍，含铜量从0.5%到5.65%的铝合金，在固溶体晶粒的周围有脆性化合物CuAl 2, 这组合金较硬、较脆且韧性较低，因

此具有良好的可切削性。但若材料含硅量高，例如我厂壳体含硅量达8.0-9.5%，由于硅元素具有磨料作用，所以刀具也易磨损。

加工不同的金属材料时，选用的刀具材料、几何角度、切削用量等均不同，所以对铝合金的特点作一简单讨论。

5. 毛坯制造

汽车变速器壳和离合器壳为形状复杂的铝合金压铸件，生产批量大，多为自动线加工，除有粗加工定位基准孔及面要求外，还有上、下料机械手定位基准，输送定位基准等，有些壳体还有油道，例如我厂变速器后端盖内的润滑是通过壳顶油道淌入的，毛坯油道还必须畅通，因此对零件毛坯几何形状要求很高。毛坯质量对机加工有很大影响，某些飞边就会造成加工失败，甚至发生损坏刀具和机床的事故。我厂就发生过一轴孔飞边过大造成夹具压头把零件顶出的事故。现把我厂生产对壳体毛坯的要求提供如下，供参考。

5.1. 铸件的浇口、飞边、溢流口、隔皮应清理干净，浇溢系统清除

后的残留部份不得高于正常表面0.7mm 。

5.2. 机加工粗定位面上不允许有任何凸起痕迹、毛刺。

5.3. 两壳结合面、变壳与后端盖结合面、不得有大于1mm 的气孔，

气孔间边缘距离不得小于3mm 。

5.4. 螺纹孔前两牙不得有气孔，其于部份的气孔最大尺寸不得大于

1mm 。

5.5. 在200Kpa 的压力下，压铸件不得有渗漏现象。

5.6. 毛坯基准定位孔中心距：±0.1；输送孔中心距：±0.25；螺栓

通孔中心距：±0.15。

6 两壳加工工艺过程

壳体工艺因地制宜，各厂不尽相同，这里不赘述。

7 两壳加工工艺分析（以我公司生产为例）

7.1 工艺分析

从前述已知，两壳为薄壁型复杂壳体，关键孔孔位要求很高。在产量小时，可采用加工中心分体加工，具有互换性，有利于装配及生产管理，我公司IVECO 汽车2826变速器就采用这种生产方式。对于年产15万台以上大批量生产，应采用自动线进行加工，若采用自动线分体加工，目前国内外尚不具备这种能力，所以我厂的加工线为两壳粗加工后合成精加工，减少了对机床精度的要求，但由于两壳合成后即不能再分开，给管理带来一定困难。

7.2 两壳工艺过程的特点

7.2.1生产节拍快（1台/分钟），自动化程度高，操作人员少，生产

效率高。

7.2.2输送方式合理，甚至精加工线随行夹具也采用抬起步阀式输送，保证输送件不会产生磨擦磨损。

7.2.3工艺安排合理，保证难加工的孔、深孔、螺纹孔先加工，及时检查发现问题，减少报废。精铣安排在线尾，例如变速器壳精铣结合面，离合器壳精铣结合面，都安排在钻孔、镗孔、倒角后进行，不会形成孔口翻边，保证了平面的平整性。

7.2.4设备基本采用焊接件，缩短设备制造周期，维修更换零件也方便。动力头、滑台大多为机械式，保证进给速度变化小，运动平稳。工件输送也为机械式，结构简单可靠。整条线PC 控制，中央报警指示，能指出事故点，便于维修，工作安全、稳定。夹具的夹紧全部采用液压，检测探头均采用气动。

8 定位基准分析

壳体件的设计必须考虑到加工的可能性、方便性。下面对我厂离合器壳定位基准的选择、加工进行分析，以示设计时对工艺研究的必要性。

8.1机械手定位基准：离合器壳上料机械手定位形式如图3。机械手定位两销孔借用两螺纹孔的毛坯孔，定位面（图示斜线部分）是按工艺要求专门设计的平面。

8.2加工定位基准

8.2.1上线后先铣两个小圆弧和一个凸台，这三点形成的面就是以后各道序的定位面（除8.2.2和8.2.3外）。如图4，用两个毛坯孔及

毛坯面定位，并设置一个辅助支承。小圆弧和小凸台都是为加工专门设计的，从而保证夹具定位支承点和压紧点相对应，防止零件发生夹紧变形。

8.2.2 铣与变速器壳的结合面，定位基准即8.2.1加工出的三个点形成的面定位。

8.2.3 用8.2.2铣出来的面定位，铣与发动机的结合面，保证两面平行。

8.2.4 钻、铰定位销孔：以两毛坯孔和8.2.1加工出来的定位面来加工工艺定位销孔，该定位销孔是以后各道工序的定位孔，包括合成精加工的定位。

以上五道工序完成精加工定位基准。可以看出，两壳从毛坯加工到精加工定位的形成，是由多道工序完成的，是很复杂的加工，在设计时是经过多方面研究、试制、验证的结果。从其形状上也可以清楚地看到很多为加工而专门设计的工艺凸台，这说明类似复杂壳体件在设计时，对工艺必须全面了解，避免设计失败。

9、加工刀具

大的前角、大的后角使刀刃锋利，切削阻力小，切屑流畅是加工铝合金刀具的共性，例如我厂的钻头采用大螺旋槽（40°±3°），使前角加大，将刀背磨去；加大后角，减少摩擦，易进冷却液，消除热量易集中现象。铣刀、镗刀均具有这个特点。

10、切削用量

这里把我厂壳体加工切削用量介绍给大家供参考（粗、精加工的加工余量各为0.5mm ）。

表4 两壳加工切削用量

（粗、精加工的加工余量各为0.5mm ）。

表5 各螺纹孔的钻孔底径

11、两壳合件精加工线简介

离、变两壳合件精加工线是我厂引进设备，该线设计合理，调试

方便，值得学习推广，在这里作一介绍。精加工线平面布置如图5，占地216㎡，使用18个随行夹具，夹具平面返回，有7个加工位，4

个冲洗位，在冲洗位前安排了在线马尔波斯检测位，不合格件即时报警，全线停止，人工处理。上、下料占两个工位，其余为返回位或等待位。上、下料为机械手，正常工作时，全线处于无人操作状态。图5指出了各工位的加工内容，由于各孔是单独动力头加工的，各孔之间的位置公差就是靠随行夹具到位精度来保证的。故该线安排了加工前随行夹具到位情况气密自动检查，加工后的马尔波斯检查，确保成品率。

11.1上、下料机械手

上、下料机械手设计简单可靠，其压爪如图6所示，图示位置为松开状，是由油缸推动压爪，支架定位套内锥面收缩两压爪，使两压爪指头直径小于定位直径，图示定位直径为两壳合件中离壳上的一轴

孔（上料手：φ39，下料手φ40），压爪两指间尺寸为38~39mm，保证零件进出不干涉，支架定位套内锥一般取的很小，这里为5°，防止失电松开。当油缸活塞向图示左端移动时，带动压爪左移，压爪是弹性体，压爪指端尺寸随定位套内锥尺寸变大，同时压紧工件。为防止机械手上料定位不准确，机械手工作支架与手臂架之间柔性相连，工作手指悬浮在手臂架上，能可靠地保证工件贴紧在随行夹具的定位面上，如图7。

11.2随行夹具

随行夹具采用三个固定支承块定平面（两壳合件结合面），两个定位销定合件的位置，支承点对应上方为压紧点，保证工件不产生夹紧变形，是常用的“一面两销”结构。现在国内随行夹具大多采用人

工夹紧工件的结

构，NA VICO 二发

厂附件箱前后盖

生产线就是人工

用扳手压紧工件，

费事费时，易压不

平，精度不高。精

加工线的随行夹

具自动压紧工件，如图8。图示两压杆露出夹具体外，当右边压紧压杆 在上料位油缸压头的作用下向下移动，左边松开压杆上移，两压杆间的齿轮顺时针旋转，齿轮内螺纹带动压头轴使压头压紧工件，反之则松开工件（下料位的动作）。 该夹具的新颖之处在于， 松开工件后， 压头要作旋转动作，让零件拿出；送进工件后，压头要作旋转动作才能压紧工件。简言之，压头应作如下动作；压紧时压头先旋转后压紧工件， 松开时先放松工件后旋转。 通常在轴上开螺旋槽可很方便实现这一功能，但占空间大，且压紧时有旋转动作，影响夹紧精度。 该随行夹具采取的方法是在齿轮和端盖的端面上各开有凹边， 图8中B 向展开图，两凹边形成的槽中放置丁字形键， 键可在压头轴上上、下自由滑动，保证压头轴上下移动时不产生干涉，圆周方向配合， 即可带动压头轴旋转，由图示可见，若松开零件，齿轮向图示左向旋转（主视图齿

轮作逆时针旋转）。在未碰到丁字形键之前，仅齿轮转动，零件松开，

当齿轮的凹边上的凹圆处碰到丁字形键时，带动压头轴同时转动，

即压头旋转，让开零件。压紧工件时，齿轮向相反方向（图示右）转动，即可实现压头先转动，后压紧工件动作的要求。

11.2.1齿轮内螺纹的锁止能力验算

拧松螺母所需的力矩为：M=（d / 2）²Q ²tg （α-φ）

式中：d —螺纹外径

Q —轴向力（压紧力）

α— 螺纹升角

φ—摩擦角

当α＜φ时，可自锁，这时M 为负值，表示放松螺母所需外加的驱动力矩。对于本螺纹：

α= tg-1（t/πd ）= tg-1（10/π³32）=5.68°

φ= tg-1 （0.12）= 6.84°

拧松螺母所需外加的驱动力矩：

M=（32/2）²Q ² tg （5.68-6.84）= - 0.32Q

可见本齿轮内螺纹锁止能力强，旋松力矩小，设计可靠合理。

随行夹具上还配有自动润滑加油口和进气口，在上料位时自动加润滑油，自动接压缩空气，吹去三定位支承面上的污物，压紧工件后，由气路中的气压变化确定零件的压紧情况，从而发出压紧信号。在上料位，由三个串联油缸的压头推动随行夹具三个压紧压杆，夹紧零件，三个串联油缸实现三个压头联动，保证压紧均匀。

11.3随行夹具底座（夹具定位夹紧装置）

随行夹具底座上设计有随行夹具输送到位时的定位夹紧机构，是保证工艺要求的关键装置，只有每个加工位夹持位置一致，才能保证两壳合件各孔的位置精度要求。切削前后的检查是降低废品率的有效措施，而夹具夹紧到位是保证成品的必要手段。随行夹具底座。如图9。4块上支承板（2）可调整夹具的高低。侧定位块（3）可调整夹具的左右位置，这是保证各孔中心距的重要定位点，前定位块（1）可调整工件的垂直度和平行度，每个定位块与夹具接触面上都有吹去切屑等污物的吹气孔，用前述上料位一样，该孔起夹具到位时，通过气路气压变化发出切削前的检查信号作用。每块上支承板上有三个吹气孔，为防止夹具未到位时，压缩空气使切屑液雾化，污染工作环境，每个吹气孔口用钢球封牢，只有在夹具底部压到钢球瞬间才自动打开吹气口，如图9剖面A-A 。

11.3.1夹具定位夹紧装置

图10为夹具定位夹紧装置。夹紧随行夹具的过程如下：油缸活 塞左移（活塞面积大的一端进油），活塞杆顶端压缩弹簧（6）后，推动运动块（Ⅰ），运动块（Ⅰ）和（Ⅱ ）之间有45°凸凹槽相连，使运动块（Ⅱ ）向图示上方运动。运动块（Ⅱ ）上的直齿条带动件

（6）转动，件（6）是两端为螺旋方向相反、角度45°的圆柱斜齿轮，中间是直齿轮的三联齿轮（三齿大径一致（φ82），总长度为 640mm ），在运动块（Ⅱ ）的作用下，三联齿两端斜齿轮带动压头轴上的齿条，使压头（3）、（5）压紧随行夹具。活塞右移时，由三联齿

上的直齿部分转动齿条， 推出头（4）推出随行夹具， 推出头和

运动齿条之间由弹簧联结，目的是在夹紧随行夹具时避免干涉。

由上述可见，三联齿是压紧装置中的重要零件，三联齿如何有效地保证两压头同时压紧随行夹具？图10中弹簧（8）向左施力，使两压头齿条始终与三联齿斜齿面接触，但这时压头（3）是工作齿面接触，而压头（5）则是非工作齿面接触，这一目的是：压紧夹具时，要让压头（3）先与压头（5）工作，压头（3）上的斜压头面先使随行夹具与底座侧定位块可靠地贴紧，这时压头（5）尚未压到随行夹具；在油缸作用下三联齿即向右移动压缩弹簧，只有在压头（5）的齿条和三联齿的斜齿面贴紧时，三联齿才会停止右移，这时也表明两压头同时压到了随行夹具，两压头做到同时向夹具施力。这是为保证

工艺要求而精心设计的机构。这里还要说明一下，根据工作原理，在制造三联齿时两斜齿轮齿形的对称性非常重要，要保证齿面两受力点的连线一定要和三联齿轴线平行，使三联齿不会产生轴向移动时的干涉。

11.3.2三联齿受力情况

因为三联齿斜齿螺旋角β=45°，根据轴向力F 轴=p²tg β，（p 是圆周力），所以其轴向力等于圆周力，圆周力是油缸活塞产生的，在液压系统压力为50Kg/c㎡时，P = F = 50³π³3.12=1509.5 Kg（活塞直径d=62），在不计损失的情况下，两压头产生的压紧力约为1.5吨，轴向力也约为1.5吨，在这么大力的作用下，可以可靠地保证三联齿轴向窜动，随行夹具的定位精度就得到保证。

以上对随行夹具和压紧随行夹具机构作了详细介绍，为保证精加工线正常运行还配有随行刀具冷却系统、自动润滑系统、退刀让刀装置等常用结构，这里不作介绍。

12 检具（仅以精加工线为例）

12.1 中心距测量（图11）

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在测量一，二轴中心距时，采用卡板与三座测量机相结合的方

式。因为刀具的磨损是一个相对缓慢过程，用卡板卡两孔之间存在的厚度可以很方便地鉴别工件加工状况，卡板如图11所示，当然这样检查中心距受孔径的影响，准确度不太高，但可100% 检查零件，配合三座测量机抽查，可用于大批量生产。

12.2 小孔定位芯轴

又如在测量拨叉轴孔与二轴孔平行度时，需要找出拨叉轴孔轴

线，而该孔孔径小，两孔距离很远，采用图12的定位方式芯轴，弹性头部和阶梯轴颈可有效地消除加工误差，定心简单，准确，方便。 12.3 垂直孔位置测量（图13）

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另外，在测量两垂直孔位置时，例如拨叉轴孔对定位钢球孔要

求两孔轴线相互垂直，并通过中心，允差为0.15。测量芯棒下端面为斜面，上端带表头，转动180°，分别摆放在固定芯棒左右，表读数极限的差值即可反映出两孔轴线偏移量的大小，如图13，为了使操作者在使用时直观、方便，要求该偏移量应与表头读数极限差值相等，故需设计确定α值。由图13可知，根据要求，测量芯棒沿轴线上升位移AB （即表读数极限的差值）应等于偏移量OO ′。显然，Rt △O ′CE ≌ Rt△O ′D E 就有 ∠O ′E C = ∠O ′E D ；∠ O′E F = 90°；四边形O ′O FE 为矩形；则OO ′= EF。 所以tg α= AB/EF =1/2即α

= argtg（1/2）=26°33′54″。

以上粗略介绍了变速器壳体的加工，实际上，目前轿车变速器

均是铝合金材料，加工方法基本相同，我们在西班牙看到的一条年产45万台变速器壳体生产线也采用自动线加工，线首人工上料，工艺

内容与本文相似。壳体加工投资大，工艺复杂，加工方法值得研究。 南 京菲亚特变速箱厂 宋西和 王玲生 2004/4/3

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