矿用汽车变速箱动力输出PTO装置是现代矿用汽车十分重要的传递动力装置，由这一装置实现转向油泵的驱动。

　　随着大吨位矿用汽车的快速发展，对小PTO的需求也随之增长。我单位为了适应市场发展的需要，在充分消化吸收进口小PTO的基础上，结合国情和厂情，成功的开发和生产了小PTO，先后从设计、制造、安装到使用维修的全过程，进行了深入系统的研究和分析，为生产出高质量的小PTO奠定了坚实的基础。

　　现将这一过程总结成《矿用汽车变速箱动力输出PTO装置的研究与制造》一文，并将此文奉献给国内矿用汽车的设计、使用、维修单位的同行，以供工作中参改。

　　一、小PTO的组成及其工作原理

       1、小PTO的组成、见图1所示。

　　图1 小PTO构成分解图

　　1—卡簧; 2—轴承; 3—卡簧; 4—输出轴; 5—从动齿轮; 6—螺塞;

7—O形密封圈; 8—中间轴; 9—螺塞;10—小PTO壳体;11—螺塞;12— 螺塞;

13—锁止垫圈;14— 内六方定位螺钉;15— 轴承;16—双联齿轮;17、18、19—调隙片。

　　2.小PTO的工作原理(见图2、图3所示)

　　图3 变扭器结构简图

　　从图3中的油泵驱动齿轮(主动轮)算起，到图2中的从动齿轮为止，齿轮的传动为增速传动，其传动比等于1.2。当发动机的转速在2100转/分时，油泵的转速为2520转/分。

　　从图2、图3可知：变扭器中的泵轮是输入元件,为发动机所驱动。油泵驱动齿轮(DP6 α=25°z=59)通过螺钉紧固在泵轮上,随泵轮的转动而转动。油泵驱动齿轮和过桥齿轮(DP6 α=25°z=56)相啮合。过桥齿轮和小PTO双联齿轮上的大齿轮(DP6 α=25°z=36)相啮合;双联齿轮上的小齿轮(DP6 α=20°z=22)和小PTO的从动齿轮(DP6 α=20°z=30)相啮合。由于从动齿轮的转动，通过内花键带动输出轴转动，转向油泵的外花键和输出轴的内花键相连接，于是通过齿轮传动，最终带动油泵工作。

　　二、小PTO壳的加工及注意事项

　　1.小PTO壳体的技术要求

　　①壳体上的两个轴承位孔的不同轴度不大于φ0.025，并且与壳体基面K(见图2所示)不平行度不大于0.04;

　　②壳体上的两个中间轴孔的不同轴度不大于φ0.015，并且与壳体基面K不平行度不大于0.04;

　　③壳体上轴承孔口端面与两轴承孔轴线的不垂直度不大于0.0127;

　　④加工中应确保啮合齿轮的中心距正确无误。

　　2.小PTO壳的加工工艺

　　铸造毛坯→抛丸清砂→去应力→刷漆→钳工划线→粗、精铣壳体的下基准面K面，保相关高度尺寸→按标准图以壳体下面K面为基准，钳工划线→在数控立铣上按要求找正并紧固工件、镗孔及铣相关端面→钳工划线→钻孔、攻丝→钳、修锉毛刺飞边，刷漆→综合检验→入库。

　　3.加工中的注意事项

　　①在划线和加工中从始至终抓住设计基准、工艺基准、安装基准重合的原则，对基面K面的认定就符合这一原则。

　　②两个轴承内孔和中间轴的两个轴孔的加工，上、下的两个孔应在一次装夹中加工完毕，以保证同轴度的要求。

　　三、双联齿轮的加工及注意事项

　　1.双联齿轮加工的技术要求

　　①以两轴承内孔为基准，双联齿轮对两轴承位的同轴度不得大于φ0.02;

　　②两轴承的安装定位端面对两轴承位轴线的不垂直度不得大于0.0127;

　　③双联齿轮齿面硬度要求在640～680HV。

　　2.双联齿轮的加工工艺

　　锻造毛坯→等温正火→粗车→调质→半精车→滚齿+插齿→去毛刺、倒角→辉光离子氮化→磨内孔→人工打磨→综合检验→入库。

　　3.对双联齿轮加工工艺的分析

　　①采用低碳合金钢渗碳淬火的工艺

　　渗碳淬火引起的热处理变形，通过磨齿予以消除。但齿轮结构上只能磨双联齿轮中的大齿轮，对小齿轮无法进行磨削。

　　②采用热前剃齿的工艺

　　虽经热前剃齿可提高齿轮的制造精度，但对于齿轮热处理后的质量还无法全面控制，因为在渗碳淬火中会造成齿轮的变形。对没有匀称结构的齿轮会有重大的影响，质量上得不到应有的保证。

　　我单位这种齿轮的生产批量小，同时受到热处理工艺手段的限制，对热后齿面硬度高达58～62HRC，已无法通过剃齿消除热处理的变形。

　　③采用辉光离子氮化的工艺

　　a.辉光离子氮化的表面具有高硬度和高耐磨性。

　　b.辉光离子氮化与渗碳相比，渗氮层能获得更大残余压应力。

　　c.经过辉光离子氮化齿轮的齿部和内、外花键仅需人工打磨后不再经过任何加工就可直接使用，工艺简单易行。

　　d.辉光离子氮化工艺由于在低温下进行，而且不发生相变，所以工序少，特别是热处理变形很小。

　　通过以上三种工艺的对比分析，辉光离子氮化的工艺是最佳选择。

　　四、小PTO输出轴的加工及注意事项

　　1.小PTO驱动轴的技术要求

　　①以两轴承位为基准，内、外花键对轴承位的不同轴度不得大于φ0.015。

　　②轴承位的安装定位端面对两轴承位轴线的不垂直度不得大于0.02。

　　③内、外花键表面硬度要求在540～600HV。

　　2.输出轴的加工工艺

　　锻造毛坯→等温正火→粗车→调质280～320HBS→半精车内孔及端面→拉花键→双顶专用花键心轴，精车各部尺寸至图纸要求→滚外花键→钳工修锉毛刺及飞边→辉光离子氮化→人工打磨→磨轴承位外圆→检验入库。

　　3.加工中的注意事项，详见本文的第五“辉光离子氮化的注意事项”

　　五、辉光离子氮化的注意事项

　　1.齿轮的调质工艺对离子氮化质量有很大的影响，务必引起高度重视。

　　①齿轮离子氮化前对调质工艺的要求，见表1所示。

　　表1

　　渗氮前的调质是为了获得均匀而致密的回火索体组织，保证心部的力学性能，并有利获得均匀一致的渗氮层。心部硬度对渗氮表面硬度有很大影响，提高心部硬度可以弥补渗氮层偏浅而带来的过渡区强度不足。根据美国AGMA在渗氮工艺规范中规定：对于SAE4340(相当国产钢号40CrNiMoA)、SAE4140(相当国产钢号42CrMoA)系钢材心部调质的硬度不能低于300HB。

　　②调质时淬火温度的高低和保温时间长短的影响：

　　调质温度太低或保温时间不够，调质后有游离铁素体存在，由于氮在铁素体中的扩散速度较大，该处在渗氮后就会有较高的氮浓度，而形成针状氮化物，使渗氮层脆性增大，容易剥落。因此调质后，表层不允许出现游离铁素体。相反，若淬火温度过高，淬火后晶粒粗大，氮化物优先沿晶界伸展，渗氮层出现波纹状或网状组织，也使渗氮层脆性增大。

　　③回火温度高低的影响：

　　回火温度的高低决定了基体中碳化物的弥散度。因此温度太高，基体中碳化物弥散度减小，渗碳件心部强度和硬度不足，不能起支撑硬而脆的渗氮层作用。回火温度太低，心部强度和硬度过高，零件调质处理后切削加工困难，还会直接降低渗氮速度。

　　2.粗滚齿或粗插齿后的稳定化处理—是减小离子氮化畸变的质量保证

　　对大模数的齿轮为了减小离子氮化时的畸变，离子氮化之前务必去除机加工时的加工应力，在齿轮粗滚齿或粗插齿后必须进行1～2次稳定化处理，以释放和消除加工应力。稳定化处理的温度应比调质时的高回温度低20～30℃，保温时间3～10h(具体保温时间根据工件的形状和尺寸大小来确定)，然后再进行精加工和精滚齿或精插齿。

　　稳定化处理的温度千万不要超过调质时的高回温度，以免调质硬度下降，影响氮化后的质量，必须引起足够的重视。

　　3.矿用汽车重载齿轮离子氮化应用的模数范围

　　国际上公认的模数在10个以下，德国的齿轮权威机构推荐的模数为8个以下，美国和英国推荐的工业渗氮齿轮模数为7个左右。

　　对于模数大于8的齿圈，当载荷系数较大或存在较大的冲击载荷时，选用离子氮化工艺时，必须经过仔细的强度校核，考虑足够的安全系数，最好经过台架试验的验证。

　　4.关于对离子氮化氮化层深度的确定

　　增加氮化硬化层深度，可克服过渡区的强度薄弱问题。齿轮渗氮层的深度可以根据模数的大小，按表2推荐的数值选用。

　　表2

　　国外一些工业发达的国家，对于某些重载齿轮，其渗氮层深度要求0.8～1.2mm。如著名的美国费城齿轮公司生产的高参数齿轮中有43%采用渗氮工艺。对于模数m=2～6时，层深为0.64～0.76mm;模数m>6～9时，层深为0.89～1.02mm。

　　工业齿轮的渗氮层深度，除参考表2进行选择外，根据国内、外有关资料表明，建议采用>0.6mm的渗氮层深度，这时齿轮的承载能力、抗磨损、抗疲劳性及抗胶合等综合性能处于最好的组合状态，具有较宽的工况适用性。

　　5.离子氮化之后，对齿轮齿部表面的人工打磨

　　离子氮化之后，齿轮的齿部表面粗糙度有所下降，用手触摸有较明显的粗糙感，因此可用人工用0～1的金刚砂纸沿整个齿面打磨，打磨时间以每个齿1～2分钟左右即可。经过打磨后的齿部表面，粗糙度得到显著的提高，这一人工打磨工艺不可省略。

　　六、小PTO安装中的技术要求及注意事项：

　　1.小PTO安装中的技术要求

　　①小PTO各齿轮应转动灵活、运转平稳，不得有窜动、冲击异常噪声和阻滞现象。

　　②小PTO满载时的噪声值不得大于85dB(A)。

　　③小PTO润滑油不得有渗漏现象。

　　④小PTO与发动机连接螺栓的强度等级不得低于8.8级。

　　⑤小PTO在正常装配、使用和保养的条件下，首次大修期的寿命应不低于5000小时。

　　2.小PTO安装中的注意事项

　　① 滚动轴承的安装：

　　a.确保作业场地以及所用的设备工具，擦拭和润滑材料，轴承本身及相配零件的清洁。

　　b.由于SKF轴承出厂前涂有防护油脂，安装前不要清洗轴承。防护油脂在投入运行后，能充分和润滑油融为一体，并参与正常的润滑，没有任何负面的影响。同时在没有投入运行前，在库房存放期间，由于防护油脂的作用，仍有可靠的防护作用。因此，对用户的使用非常方便。

　　c.轴承安装前，应对轴承及相配件进行仔细检查，发现问题及时排除，否则不能安装。

　　d.轴承安装时，应根据轴承的配合性质，合理选择装配方式：冷装或热装。

　　e.安装轴承时，应尽量使用压力机和各种拉器等专用拆装工具，尽量避免用铜棒或手锤直接敲击。加力时，压力必须均匀的分布在套圈四周，方向与套圈端面垂直。

　　f.安装轴承时，应加力于紧配合的套圈上。如果加力于非紧配合的套圈上，压力就要通过滚动体传到紧配合的套圈上，必然在轴承工作表面产生凹痕，引起轴承的早期损坏。

　　g.安装轴承时必须仔细进行，避免轴承损伤。保持架最容易变形，注意安装中尽量不让保持架受力。

　　h.确保轴承的安装精度。要严格按照技术条件的要求，保证轴承与相配件的配合精度和相互位置精度及轴承游隙，安装后应进行检查和调整。

　　② O形密封圈的安装：

　　a.安装前应检查O形密封圈规格、型号、配合尺寸,并检查O形密封圈有无碰坏损伤、变形、裂纹等现象，合格后方可使用。

　　b.检查中间轴上安装O形密封圈的表面和轴端导入角表面;以及小PTO壳体上安装O形密封圈的内孔表面和导入倒角表面是否有毛刺、沟痕。如发现毛刺、飞边、沟痕等应彻底修复去除，然后用汽油清洗，不允许有灰尘、杂质附在零件表面。

　　c.安装与装配的过程中应保持清洁,保证O形密封圈表面不被划伤碰坏或局部切边缺肉。

　　d.手动安装时,不可使用尖锐工具，但要尽量有效借助工具以保证O形密封圈不扭曲。

　　e.禁止过分拉伸O形密封圈。

　　f.安装与装配中，可在O形密封圈上滴几滴10号机械油或透平油，以便于装配。

　　七、小PTO常见故障及产生原因和防治措施(见表4所示)

　　表4