新能源汽车电动机轴内花键加工工艺与检测分析

罗应涛

摘 要：电动机轴内花键是实现转子与轴同步运转的重要结构，会直接影响新能源汽车质量。文章研究新能源汽车内电动机轴内花键结构、参数、加工工艺、检测方法，以保障内花键的规格参数、结构强度符合要求。研究结果表明，结合实际应用要求，合理选型布局，确定结构参数，加以数据检验和检测，能够确保电动机轴内花键质量满足要求，抗疲劳寿命符合标准。

关键词：新能源汽车 电动机轴 内花键 加工检测

1 引言

新能源汽车于近些年快速发展，具有良好的节能、减排效果。电动机作为汽车主要元件，其质量是影响汽车行驶寿命和性能的关键，主轴转速通常在10000r/min左右。内花键结构内主要传动装置，对加工精度、结构质量要求较高，承载传递扭矩力和动力作用。企业在生产加工中，应注重内花键加工工艺的选择和优化，并开展花键质量参数检测，以确保强度、精度满足要求。

2 电动机轴内花键的作用及结构参数

2.1 内花键作用

能源汽车电动机轴内花键是连接电动机转子和轴的重要部件。它的作用是固定转子在轴上，使其能够与轴同步旋转，同时传递电动机的扭矩和动力。具体来说，轴内花键通过与转子上的槽相配合，使转子和轴之间形成一个紧密的连接，防止转子在工作过程中产生滑动或脱离轴的情况。轴内花键通常由高强度材料制成，具有良好的抗剪强度和耐磨性。它的设计和加工精度要求较高，以确保花键与转子槽的匹配度和连接可靠性。在电动机工作时，轴内花键承受着较大的力和扭矩，因此需要经常检查和保养，以确保其正常工作[1]。

總之，新能源汽车电动机轴内花键的作用是固定电动机转子在轴上，实现转子与轴的同步旋转，并传递扭矩和动力。它是电动机正常工作的重要组成部分。

2.2 内花键结构及参数

能源汽车电动机轴内花键的结构组成包括轴、花键、转子和槽等，轴是花键的基础部分，通常由高强度材料制成，如合金钢或不锈钢。轴的设计和加工精度要求较高，以确保花键与轴的匹配度和连接可靠性。花键是连接轴和转子的关键部件，通常是一个长方形或梯形的凸起结构。它与转子上的槽相配合，形成一个紧密的连接，防止转子在工作过程中产生滑动或脱离轴的情况。花键通常由高强度材料制成，具有良好的抗剪强度和耐磨性。转子是电动机的旋转部分，通过轴和花键与轴连接。转子通常由多个磁极和绕组组成，通过电流产生磁场，并与定子相互作用，实现电动机的运转。转子的重量和平衡性对花键的设计和选择有一定的影响。槽是转子上用来容纳花键的凹陷结构。槽的形状和尺寸需要与花键相匹配，以确保花键能够正确插入槽中，并形成紧密的连接。槽的设计和加工精度也对花键的安装和连接起着重要作用。

花键在结构中的主要技术参数应得到良好控制，以某企业生产的电动机轴内花键为例，其棒间距应控制在21.3mm左右，全跳动参数为0.04mm，齿数量为20，渐开线起始圆直径为25.9mm，齿槽宽度在2.5mm左右，变位系数为0.36，标准压力角为30°。基于上述参数的选择，对内花键进行加工处理，使得其结构和参数满足实际应用的要求，质量满足标准。

3 电动机轴内花键加工工艺选择应用

3.1 工艺类型及选择

新能源汽车电动机轴内花键的工艺分类主要根据制造方法和材料的不同进行划分。按照加工工艺，可将其分为冷挤压工艺、热挤压工艺、铣削工艺、激光切割工艺等。冷挤压是将金属材料通过模具施加压力，使其在室温下变形成型的工艺。这种工艺能够实现高效率、高精度生产，适用于批量生产和大规模生产。冷挤压花键的优点是材料利用率高、工艺稳定性好，但需要专用设备和模具。热挤压是将金属材料加热至一定温度后，在模具中施加压力进行变形成型的工艺。这种工艺能够实现高精度、高强度的花键制造，适用于对材料性能要求较高的情况。热挤压花键的优点是材料均匀性好、耐磨性强，但设备和能源消耗较大。铣削是通过铣床等设备将材料切削成所需形状的工艺。这种工艺适用于小批量生产和个性化制造，能够实现复杂形状的花键加工。铣削花键的优点是加工精度高、表面质量好，但加工周期较长。光切割是利用激光束对材料进行切割的工艺。这种工艺适用于小批量生产和个性化制造，能够实现高精度、无接触的花键加工。激光切割花键的优点是加工速度快、无污染，但设备和能源消耗较大[2]。

在加工工艺选择上，需要考虑到加工要求和所使用的材料，在批量生产中，大都采用热处理工艺，在单个样品的生产及加工之中，多使用铣削工艺。本文为达到精度要求，在新能源汽车电动机轴内花键加工时使用冷挤压制坯+洗消工艺，以确保精度能够满足标准要求，具体加工工艺流程如图1所示。

3.2 冷挤压制坯工艺

为确保内花键的挤压、拉削、淬火等过程中能够确保加工元件的硬度能够满足质量要求，选择投入应用的材料为20CrMo合金钢，硬度指标接近160HBS。在下料期间，控制下料的厚度在22mm左右，随后在车床上加工处理，将其挤压制作成为40×20mm的坯饼，并保持材料表面的粗糙度在12um以内。冷挤压处理过程中选择的设备为油压机，设备采纳数为500t，在挤压之前，在钢坯的表面涂抹一定量的磷酸盐，并涂抹一定量的硬脂酸肥皂，确保材料表面的光滑程度，经过挤压之后得到毛坯。随后，对其进行拉削处理。

3.3 内花键拉削工艺

为确保内花键在电动机轴内具备良好的同轴度，且尺寸参数和精度参数可以满足要求，使用精密拉削加工工艺，加工合金钢原材料。利用拉刀设备刀齿确保加工精度。在拉削加工期间，将高强度的合金钢材料放置到特定的位置，并根据设计要求和轴的尺寸，确定花键的形状和尺寸。本次加工的花键为长方形的凸起结构。准备拉削机床和相应的刀具，检验并确保设备和刀具的状态良好，以保证加工质量。安装工件时，将轴安装在拉削机床上，并固定好，并根据花键的位置和尺寸要求，调整刀具的位置和角度，确保刀具与轴的接触面平整。启动拉削机床，使刀具与轴接触，并沿着花键的方向进行拉削。控制加工速度和深度，以确保加工质量。完成拉削加工后，使用测量工具检查花键的尺寸和表面质量。确保花键符合设计要求。完成加工初步检验之后，清洁加工后的轴和设备，及时清除切屑和油污。拉削处理过程中的拉削速度、压力、行程等均会影响到加工的质量，控制拉削速度为15mm/s，压力参数控制在8KN左右，拉削时间在10s左右。拉削期间使用植物菜油作为切削液，以确保拉削期间不会对刀具造成较大的磨损。

拉削加工期间，车床加工尺寸单向公差最大值控制在0.03mm左右，为保持内齿全跳动，在中心孔位置夹持外圆，跳动参数控制在0.01mm以内。且在夹持拉削期间，为确保定位的准确度，避免夹持面及顶尖孔位置存在脏污垢等，加工前将外圆跳动打标精度控制在0.01mm以内[3]。

3.4 底孔加工工艺

电动机轴内花键加工期间，刀具的前导向和后导向与底孔位置接触。内花键槽底孔的尺寸、形状、精度需要满足加工制作的要求，并切实保持加工过程中内花键渐开线的同轴度。加工过程中，孔深为60mm，直径参数为6mm，属于深孔加工方式，需要在密封的环境下对其进行处理。但在拉削加工期间，受加工环境的影响，导致其存在渣屑排出困难，润滑难以保持的问题。因此，在加工工艺应用期间，严格控制精度，并切实保障排屑要求，采用立式加工的方法，设置冷却系统，使得冷却液可以达到刀尖位置，起到消除加工热量及排除切割屑的作用，将渣屑从槽内排出孔外，以确保加工的质量满足要求。在加工期间，增加导向孔，减少深孔钻削期间刀具可能产生形变的情况，以确保深孔加工的精度能够满足要求。

3.5 拉刀设计加工应用

内花键加工期间，槽型尺寸和精度受刀具影响较大，拉刀的结构设计及参数设计是确保加工精度能够满足应用要求的关键。本次对电动机轴内花键的加工使用专用刀具，设置整体结构，刀具的组成包括拉杆、前导向、后导向、刀齿等，该结构设计主要确保加工期间内花键同轴度满足要求，分别为精、粗、修正、容屑四类，确保能够有效处理加工期间所产生的渣屑。拉削工艺应用期间，很难将渣屑排出，且冷却较为困难，在加工摩擦生热期间，可能会导致内花键结构尺寸出现形变的问题，且产生的应力也会影响到刀齿的结构。因此，在刀齿材料的选择上，使用粉末冶金高速钢，该类钢材具有很强的韧性，且具有良好的耐磨属性，形变量较小，加工精度较高，将其作为拉刀材料应用具有良好的适应性。内花键键槽的加工，受刀齿的影响较大，齿量、齒距、齿宽等参数会直接影响到最终加工的精度参数，且会影响到加工期间的拉削力。加工期间的齿升量越高，则产生的切屑量也越多。在加工过程中，考虑到拉削加工的应用要求，对刀齿的加工切削参数进行控制[4]。

粗加工的齿升量为0.05mm，前角和后角分别为12°和2°，齿刀刃带宽度为0.15mm。精加工的刀齿齿升量为0.02mm，前角和后角的度数分别为12°和2°，韧带宽度为0.15mm。修正加工的刀齿径量为0，前角和后角的参数与粗加工和精加工相同，刃带宽度为0.3mm。

4 电动机轴内花键检测方法及结果

4.1 检测方法

电动机轴内花键检测包括精度测量、强度测试等，主要检测其是否能够满足实际应用的基本要求。在对花键检测之前，使用目视或触摸的方式检查花键的表面质量，包括表面光滑度、无明显划痕或凹陷等。必要时使用显微镜或放大镜等工具进行详细检查。完成初步检验之后，使用工具对元件进行棒间距检测、强度测试、配合度检测等，以确保其可以良好应用到新能源汽车的电动机之中，发挥良好的传动作用。检测采用抽样检测的方法，对工件的相关性能参数进行明确，具体的检测内容如下。

4.2 棒间距检测

棒间距检测是对花键的间距进行测量和检查，以确保花键的位置和间距符合设计要求。棒间距检测主要应用到首检测和抽检项目之中。由于加工过程中涉及淬火、冷却等环节，可能会导致结构出现形变的问题，为确保经过热处理后的元件形变量能够满足标准的要求，采用棒间距检测方法，验证加工工艺效果。在棒间距检测期间，使用测量杆对准刻度位置，并保持环规的稳定性，缓慢移动检测工具，并对比千分表内的数值，将其与环规校准值相对应。随后，对内花键的棒间距进行测定，根据齿花键，选择与轴线方向相一致的齿位置作为测量点，确定每个齿点的测量位置。测量爪对准测量位置之后，将其插入，敲击测量高后保持最大值，读出测量值。每个内花键测量点数为3个，每间隔两齿测量1次，记录数据。测量过程中，需要将花键之中的油污、渣屑等清除干净，测量过程中保持检测工具的清洁程度。采用上述方法测量之后，棒间距的散差最大值为0.028mm，最小值为0.012mm，散差值满足标准的0.071mm要求，加工尺寸的精度得到保障[5]。

4.3 粗糙度检测

电动机轴内花键加工粗糙度检测是为了评估花键表面的光滑程度和粗糙度，以确保加工质量。选择适合的测量工具，比较常用的粗糙度检测工具为表面粗糙度仪、光学显微镜或触摸式表面粗糙度计等。本次测量所使用的工具为触摸式表面粗糙度计。准备好粗糙度检测工具之后，对内花键进行固定，将轴安装在适当的位置，并固定好，使用测量工具，在花键表面进行测量。将测量工具放置在花键表面，确保工具与表面接触并垂直于轴。将测量结果记录下来，包括表面粗糙度的数值和单位，随后将测量结果与设计要求进行比对，判断花键的粗糙度是否符合要求。根据粗糙度检测结果，工件的表面粗糙度数值为0.4um，槽表面的粗糙度数值是0.8um，工件最终加工的粗糙度满足要求。

4.4 结构性检测

结构性检测是检测结构连接紧密性的方法，本项目主要用于检测花键与轴之间的配合度，以及双方连接的稳定性。检测期间使用专用配合度测试工具，将花键和轴准备好，经过棒间距检测后，确保它们的尺寸和形状符合设计要求，将花键插入轴上的槽中，确保插入的深度和位置正确。插入深度控制在6mm左右，观察花键插入轴槽的紧密程度和稳定性。如果插入过松或过紧，可能需要调整花键或轴的尺寸。将每个花键与轴的配合度测试结果记录下来，包括插入深度、稳定性等信息。最终检测结果表明，花键与轴之间的连接紧密度良好，且稳定性能够满足要求，可应用到新能源汽车的电动机传动轴之中。

4.5 强度检测

电动机轴内花键加工强度检测是为了评估花键与轴之间的连接强度，以确保其能够承受预期的工作负荷。本次检测应用常规检测方法，分别使用拉力试验机、扭矩计或剪切试验机等设备，检测元件的扭矩力、抗拉力、抗剪切力。检测过程中，使用测试设备施加力或扭矩到花键与轴之间的连接处。根据设计要求，施加适当的力或扭矩，并记录施加的数值。在施加力或扭矩的同时，观察花键与轴之间的连接状态。检查是否有松动、变形或断裂等现象。将每个花键与轴的连接强度测试结果记录下来，包括施加的力或扭矩数值以及连接状态的描述。将测试结果与设计要求进行比对，判断花键与轴的连接强度是否符合要求。检测结果表明，其最大抗拉强度为1725MPa，最大抗拉力强度为1829MPa，扭矩力最大值4620N，可满足应用要求。

5 结论

综上所述，新能源汽车电动机轴内花键的结构组成包括轴、花键、转子和槽等部分，各部分相互配合，实现电动机良好运转。在加工期间，应采用合理的加工工艺，注重结构参数的控制与优化，并做好内花键的全方位检测工作，以确保内花键使用质量、性能良好，各加工参数误差在标准范围内，实现内花键精良加工，确保新能源汽车电动机结构运行稳定。

参考文献：

[1]赵仲秋，王永红，刘波，等.浅析钛合金薄壁矩形内花键加工方法[J].冶金管理，2023，（07）：47-49.

[2]王雪威，毛威昂，李文武.汽车齿轮内花键SAE8620H裂纹产生原因分析[J].特钢技术，2022，28（04）：49-51.

[3]祁植力，孙伦业.基于内花键电火花成型加工的工艺参数组合研究[J].机械研究与应用，2022，35（05）：26-29.

[4]王涛，刘丹，刘百宣，等.摆线液压马达内花键输出轴冷锻成形工艺与模具研究[J].精密成形工程，2022，14（05）：42-47.

[5]王轶禹，赵建社，谷民凯，等.渐开线内花键电解加工流场设计及工艺稳定性研究[J].中国机械工程，2021，32（13）：1562-1570.