电驱总成差速器制造新工艺-Coniflex Pro

电驱动的趋势

如果锻造差速器似乎非常适合传统的内燃机发动机车辆，那么相反的，大多数不适合电驱动车辆应用。在内燃机应用中，使用的差速齿轮的相对运动主要发生在绕着曲线行驶时，而电子驱动器对其差速齿轮的需求更多。例如，大多数电动车辆的每个驱动轴都有一个电动机，它通过单速或双速传动向车轮传递运动和扭矩。然而，在变速器的最终传动齿轮和到车轮的传动轴之间，需要一个差速器。这些差速器齿轮受到电动马达可以提供的峰值扭矩的影响，这可以是类似车辆中内燃机发动机最大扭矩的数倍。另一个重要的考虑因素是差分噪声。锻造差速齿轮本身不是为低噪音设计的，因为差速噪音不是内燃机发动机车辆的重要的考虑因素。因为它是在电动车辆，其中差速器作为声源将变得更加明显。此外，一些先进的电子驱动器设计相比，与传统的差动齿轮之间的相对运动要高数倍，从而增加了潜在的噪声。

电动汽车要求的新性能要求使得齿轮制造商必须重新考虑并重新发明在内燃机时代几乎一切都是如何做的内容。为了认识到锻造差速器齿轮在电子驱动器上的重要作用，格里森已经着手开发一种在电子驱动器应用中生产差速器齿轮的新工艺。

这一过程，结合了新的Coniflex Pro设计软件与已证明的格里森锥齿轮Coniflex系统和格里森凤凰锥齿轮切齿机，是基于最初的客户试验，生产齿轮远远优于那些锻件。现在，齿轮制造商首次有了一个针对差速器齿轮的替代工艺，以满足在许多电子驱动器应用中所需的强度、噪音和生产水平。

新的工艺建立在格里森的锥齿轮Pro切削工艺加高速刀具系统，使用先进的Pentac涂层硬质合金铣刀头，与最新的格里森凤凰锥齿轮切割机。多年来，格里森的直齿锥齿轮工艺稳步发展，从无处不在的机械锥齿轮展成机床，到2005年第一个应用程序的新一代格里森凤凰机床。今天的工艺水平大大改进了，随着锥齿轮工艺的发展，创新应用了第一个直锥齿轮高速干切刀具制造系统。与锥齿轮Pro切削机床和分度运动的无齿轮直接驱动工作轴的凤凰机器，直伞齿轮的生产现在总体上比传统的Coniflex工艺，优化使用了HSS刀条。

值得注意的是，随着Coniflex Pro的引入，差速齿轮的制造商开始看到应用这种高质量的生产技术作为替代锻造差速齿轮的许多好处，尤其是在低到中体积的应用。现在，随着格里森的Coniflex Pro设计软件的开发和应用，最新一代的凤凰机器和Coniflex加切削系统一起运行在一个完全闭环的系统。我们已经证明了差速器齿轮可以很容易地生产，以满足汽车、卡车和越野应用的电子驱动器的质量、噪音和生产力要求。

锻造差速器齿轮的设计限制

锻造差速齿轮是批量生产的内燃机汽车的一个很好的解决方案。差速器通常具有较高的功率密度，因为它们必须安装在最终驱动齿轮内部的差速器壳内。因此，传动任务的大小取决于差分单元的大小，因为传递任务是围绕着它建立起来的。尺寸的严重限制导致设计师在齿轮齿顶和齿轮的根部引入增强设计，除了一定的轮齿硬度，还减少了外径，同时仍然在齿根和安装孔之间保持可接受的壁厚。在中等载荷下，加强腹板具有更高的齿根弯曲强度；然而，它们也限制了齿轮弯曲强度，从而导致腹板面积以下的地下应力增加，在高载荷或冲击载荷的情况下可能导致齿根裂纹和齿面断裂。增加的轮齿刚度也防止了理想的少量的牙齿弯曲，这允许邻近的轮齿提供一个负荷分担，从而减少了齿根弯曲应力。

锻压面积是模锻件的另一个不可抑制的副作用。在自由成形过程中会锻造薄片。在模锻的情况下，氧气暴露被最小化，并形成了高表面应力。因此，形成了一个非常薄的尺度，并成为表面结构的每个组成部分。尺度厚度0.001~0.006mm之间，它的铁素体浓度占优势。锻造齿轮的齿面不像切削齿轮的展成加工那样形成储油区域。差速器的低相对速度需要一定的表面支撑，以在接触齿面之间保留一些油膜，理想情况下通过展成加工印痕而不是光滑的表面。锻造不同齿轮的另一个障碍是模具在整个使用寿命中，齿轮的尺寸、分度和齿面形状的变化。这也反映在根据AGMA或其他标准的齿轮质量上。

Coniflex Pro的案例介绍

新的Coniflex Pro设计和制造系统，当融入格里森的GEMS锥齿轮设计软件，并与最新的格里森锥齿轮切削机床相结合，打开了一个令人兴奋的新的差速齿轮设计和制造可能性的世界，理想的电子驱动应用，突破了对锻件的固有限制。Coniflex Pro齿轮是切削在一个高速，干燥的动力切割过程使用Coniflex Pro切削系统。切削刀片可以是两面或三面磨削，最好是全方位涂层。该工艺的吃点形状的几何形状、分度误差和表面光洁度都是极好的。

使用Coniflex Pro，可以将包括相关矩阵在内的数字齿面形式信息通过闭环网络传输到齿轮检测系统，并可以在测量和生产之间建立一个封闭的校正回路。此外，刀片磨削、加工和磨削的机床参数也在GEMS中生成，并可以转移到社保机床中。

还要注意的是，所有Coniflex Pro不同的齿轮，均可以进行磨削。在极端情况下，标准差速器可能会看到半轴齿轮和行星齿轮之间的最大相关转速为400转/分。对于一些电子驱动器的设计，最大的相对差速速度高6倍，这需要热处理后进行硬加工。对于该操作，GEMS可以生成磨削参数和磨轮几何形状和设计数据。磨轮永久涂有CBN，可重新涂6次，使磨轮成本降低。刀头和磨轮之间的不同齿轮设计是很容易实现的，因为刀头和磨轮的轮廓是简单的直线。

切削齿面与锻造齿面的应力和

齿根弯曲强度对比

由于差速器齿轮在电子驱动应用中受到明显更高的扭矩变化，采用ANSYS有限元法进行的根弯曲应力和表面应力变化与锻件相比具有重要的优点。在这个情况下，Coniflex Pro采用的差速齿轮副设计，以取代原来的锻造版本。STEP版本的切削和锻造文件已被转换为ANSYS数据格式。同时，建立了齿面齿轮样条模型，输入扭矩通过齿轮孔内的内花键从花键轴传递到轮齿齿侧。对行星小齿轮施加旋转约束以产生反作用力矩。

输入扭矩为200 Nm时的结果如图1所示。图1中左边的两个图形显示了弯曲应力的比较。切削齿面齿轮的最大弯曲应力为260N/mm²，而齿面齿轮的最高弯曲应力为312N/mm²。这使得锻造齿轮的弯曲应力提高了20%。值得注意的是，在齿根区域，最高应力值为287N/mm²，而在类似区域的切削齿轮约为50N/mm²。由于已经有了相当低的扭矩，所以锻造齿轮的约束弹性弯曲具有明显的影响。

通过接触应力的比较，在图1的两个右侧图中，切削版本的差异更大的差异和相当大的优势变得明显。锻造齿轮表面应力，比切削版本，有一个63%的提高。。此外，与锻造所使用的平顶差速齿轮相比，导致了齿顶以下和小端根部过渡上方突然的接触区域变化。在切削齿轮的情况下，中心接触应力在所有四个方向上平稳地减少，如颜色变化所示，从亮红色到橙色，偏低，显示为绿色和蓝色。

在第二次计算中应用了1000NM的实际工作扭矩。图2中左侧的弯曲应力结果显示了切削齿轮的13%到17%的优势。从网络区域内的红色区域中可以明显看出对传递扭矩的贡献很大。此外，图2中右侧的接触应力显示了锻造齿轮的值高出65%。同一区域的高弯曲应力为3753N/mm²，会导致高的接触应力，从而导致表面破碎。表面破碎常导致齿面断裂。

此外，对于1000Nm的扭矩，锻造齿面的高表面应力的区域延伸到齿面顶部和齿根边界。在切削齿轮中，在1000Nm输入转矩下，向齿边界平滑应力降低。

在第三步中，对切削和锻造的差速器齿轮施加了不现实的5000Nm的高输入扭矩。如此高的扭矩会在根部和表面造成应力，这些应力远远高于允许的材料性能，但它被用于测试设备模拟冲击载荷和记录多少循环次数齿轮副将会停止。然后分析由此将发生的断裂，并分析在寿命载荷加载期间差速器的潜在失效结论。

在图3中，给出了如此高的滥用扭矩所产生的应力结果。在切削齿轮与锻造齿轮之间，弯曲应力结果的图形仍然反映了一个10%的优势。虽然锻造齿轮在齿根部分具有大致相同的接触应力值，但高应力区域在轮廓方向上较小，而在腹板区域上增加。

图3 输入扭矩为3000 Nm时的弯曲及接触应力

同样有趣的是，接触面应力在齿大端区域，锻造齿轮有大约22%的应力值提高。这一趋势在齿根方向上增加，在小端处的接触应力甚至比切削齿轮高87%。这些结果加强了先前关于在应用高扭矩和需要最高可能的功率密度时，锻造齿轮缺点的陈述。锻造齿的线性弹性偏转受到表面网纹的影响。结果之一是腹板区域的高接触和弯曲应力集中，这可能导致破碎和裂纹。

测试平台和区域测试

Coniflex Pro利用了在现代化的齿面测量和运动自由可用的凤凰机床。共轭几何形状的优点、长度的自由控制和切削参数文件的以及运动干涉缓解的可能性，是电动汽车差速器齿轮制造商的一大优势。虽然实际测试设备和现场测试的具体结果是各自制造商的机密信息，但可以说明，Coniflex Pro齿轮的表面和根部的整体性能可能是锻造同类齿轮的两倍。

最后，通过快速傅里叶变换（FFT）测试证实的NVH（噪声-振动-刚度）特性表明，Coniflex Pro加工的差速器齿轮比别的切削方法所生产的差速器齿轮要安静得多。为了达到最高的功率强度，所有的Coniflex Pro差速齿轮都使用双锥度，多年来在成熟的加工过程中非常成功。这种空白几何形状采用特别高的刀倾角和刀转角（10度及以上），从而在高载荷下接触集中的齿根产生强度最高的轮齿。

总结

Coniflex Pro，在最初的客户测试中，已经证明比非常需要的锻件差速器齿轮制造商提供了显著的进步，其功率密度高达传统差速器的两倍，以及具备更安静的NVH性能。这将有助于开创这个更强大、更安静、更可靠的电动差速器齿轮的新时代。