（机械电子工程专业论文）微车后桥主减速器预紧载荷研究及有限元分析.pdf

中文摘要 主减速器是微车驱动桥中的起始部分与关键部分，其装配质量的好坏直接 影响到驱动桥的质量，也必然会影响整车的动力性能。对主减速器空载转动力 矩影响最大的因素是其内部圆锥滚子轴承的预紧，如何控制预紧力的大小是本 文的关键。 本课题的研究从滚动轴承的理论出发，用公式说明圆锥滚子轴承预紧的原 理，并介绍计算轴承的摩擦阻力矩的相关经验公式。然后结合螺纹联接、过盈 配合与弹性变形等相关理论对某款微车的主减速器进行力学分析，得到在拧紧 力矩作用下，主减速器内部各零件的受力情况。通过参照该微车主减速器的设 计图纸，在有限元分析软件a n s y s 中建立主减速器的参数化有限元模型，参照 理论分析得到的主减速器受力情况，对有限元模型施加边界条件，在仿真环境 下计算出在额定拧紧力矩作用下主减速器内各部件的受力情况。最后通过 a n s y s 单元表操作，计算得到主减速器的摩擦阻力矩。在a n s y s 的a p d l 文 件中改变主减速器调整挚片厚度尺寸的参数值，即可得到主减速器圆锥滚子轴 承的预紧载荷与空载转动力矩之间的关系。同时对比理论推导值与主减速器转 动力矩检测仪器的实验数据，证明仿真值很好地模拟了真实情况。 本课题通过理论结合仿真分析的方法，得到了主减速器调整挚片厚度与空 载转动力矩的关系曲线。应用该关系曲线，不仅可以通过调整挚片的厚度尺寸 确定主减速器的空载转矩，也可以通过已知的空载转矩值找出合适的调整挚片 厚度尺寸，为提高主减速器的装配质量和整体质量、减少汽车的功率损失提供 设计和优化的依据，得到更精准的预紧力控制方法。 关键词：微车主减速器，预紧力，a p d l 语言，参数化有限元仿真，关系曲线 a b s t r a c t m a i nr e d u c i n gg e a ri st h es t a r ta n dt h ek e yc o m p o n e n to f m i c r ov e h i c l ei e a 卜a x l e i t s a s s e m b l yq u a l i t ya f f e c tt h eq u a l i t yo fr e a r - a x l ee v e nt h ev e h i c l e ，s d y n a m i c p e r f o r m a n c ed i r e c t l y t h em o s ti n f l u e n c i n gf a c t o ro fm a i nr e d u c i n gg e a r ，sn o 一1 0 a d r o t a t i o n a lt o r q u ei st h ep r e l o a d i n go f t a p e r e dr o l l e rb e a r i n g s oh o wt oc o n t l 0 it l l e l e v e lo ft h ep r e l o a d i n gi st h ep o i n to ft h i sp a p e r t h er e s e a r c ho ft h i sp r o j e c tb e g i n sw i t ha n t i f r i c t i o nb e a r i n gt h e o r y , t h e ne x p l 面n s t a p e r e dr o l l e rb e a t i n g s i ti sam o r ea c c u r a t ec o n t r o lm e t h o db ys o m ef o 咖u l 弱觚d i n t r o d u c e st h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l a sa b o u tb o wt oc a l c u l a t et h ef r i c t i o nr l ；e s i s t m c e t o r q u eo fb e a r i n g a f t e rt h a t , h a v i n gam e c h a n i c a la n a l y s i st oak i n do fm i c r ov e k c l e m a r er e d u c i n gg e a rb yt h et h e o r i e sa b o u tt h r e a d e dc o n n e c t i o n ，i n t c r f e r e n c e 1 f i ta n d e l a s t i cd e f o r m a t i o n , y o uc a n g e tt h ee n f o r c e ds i t u a t i o na b o u tt h ec o m p o n e n t so fm a i n r e d u c i n gg e a ru n d e rt h et i g h t e n i n gt o r q u e s e c o n d l y , y o ub u i l dt h ep a r a m e t e r i z e df i n i t e e l e m e n tm o d e li na n s y sb y r e f e r r i n gt od e s i g nd r a w i n g so ft h em i c r ov e h i c l e r e a r - a x l e t h e na p p l yb o u n d a r yc o n d i t i o n st ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lb yr e f e r r i n gt 0 t h ee n f o r c e ds i t u a t i o no ft h em a i nr e d u c i n gg e a rt h a tm e n t i o n e d ，y o uc a r l f i g u r eo u t t h ee n f o r c e ds i t u a t i o na b o u tt h ec o m p o n e n t so fm a i nr e d u c i n gg e a rt h a t u n ( 1 e rt i l e 。t i g h t e n i n gt o r q u ei nas i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t a tl a s t , t h r o u g ht h e o p e r a t i n go f a n s y s e l e m e n tt a b l e ，y o uw i l lg e tt h ef r i c t i o nr e s i s t a n c et o r q u eo fm a i nr e d u c i n g g e a r c h a n g et h et h i c k n e s so fs p a c e rs h i m sw h e ny o uc a l c u l a t et h ea n s y s p r o 毋r 锄， t h e ny o uc a n g e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e l o a d i n go fm a i nr e d u c i n gg e 盯锄d n o 。l o a dr o t a t i o n a l t o r q u e m e a n w h i l e ，y o uw i l lp r o v et h a tt h es i m u l a t i o na n a l y s i s s i m u l a t e st h er e a l i t yt h r o u g hh a v i n ga c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ev a l u et h a tc a l c u l a t e d b yt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t a y o uc o u l dg e tt h er e l a t i o nc u r v eb e t w e e nt h e p r e l o a d i n go fm a i nr e d u c i n gg e a ra n d n o l o a dr o t a t i o n a lt o r q u et h r o u g ht h et h e o r i e sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i si nt h i sp r o j c o t s oy o uc a ns e l e c t t h ea p p r o p r i a t et h i c k n e s so fs p a c e rs h i m so rn o l o a d r o t a t i o n a l t o r q u eb yt h i sr e l a t i o nc u r v e i ti sad e s i g nb a s i sa n do p t i m i z a t i o nb a s i sf o ri m p r o v i n g t h ea s s e m b l yq u a l i t ya n de n t i r e l yq u a l i t yo fm a i nr e d u c i n gg e a r , a n dd e c r e a s i n gt h e p o w e rl o s i n go fv e h i c l e s i ti sa l s oam o r ea c c u r a t ec o n t r o lm e t h o df o rp r e l o a d i n g k e y w o r d s ：m i c r o v e h i c l em a i nr e d u c i n gg e a r , p r e l o a d i n g ，a p d ll a n g u a g e ， p a r a m e t e r i z e df e m s i m u l a t i v ea n a l y s i s ，r e l a t i o nc u r v e 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及来源 微型汽车简称微车，一般是指发动机排量不超过1 1 l ，车身长度、宽度、高 度分别不超过3 8 朋、1 6 册、2 所，最大载货量不超过6 0 0 堙的汽车；微车具有 燃料消耗低、性价比高、体积小巧、使用费率低、用途广泛、道路适应性强等 优点【l l 。微型车兼具生产工具与生活工具的双重功能，特别是在中国的农村、城 镇甚至在城市的交通物流中发挥了很大的作用，其功能和特点决定了微型车具 有相当广阔的市场。 最近几年，在国家“汽车下乡 的产业政策推动下和市场竞争的作用下，我 国微车行业的产值迅猛增长，成为汽车行业中发展速度最快的分支之一，同时 也成为汽车生产消费市场的重要推动力量。由于在性价比方面具有较强的比较 优势，国产微车也在开拓国际市场上也累积了一定的实力，国、内外大型汽车 制造商纷纷谋求合作。经过不断的稳步发展，微车行业的生产集中度显著提升， 行业中的无序竞争状况已经发生了根本性改变，整个行业完成了群雄纷争的历 史阶段，逐渐形成了市场寡头之白j 竞争的局面，规模化效益开始凸显出来。目 前，国内的几个主要微车生产厂商为上汽通用五菱、天津汽车、长安汽车( 与 昌河、哈飞合并) 、东风小康、一汽佳宝。他们在市场上的生产集中度已经超过 了9 0 ；同时，广汽吉奥、北汽银翔、吉利与奇瑞汽车都欲借微车领域扩大其 市场份额，在中国车市争得一席之地，使得困内微车行业的竞争更加激烈。 国家工信部于2 0 0 9 年8 月发布的 汽车产业发展政策以及2 0 0 5 年发布 的节能中长期专项规划中都指出，为实现节能减排目标、加大环境保护力 度，我国要着重培育以个人消费为主的汽车销售市场，优化汽车使用环境，维 护汽车消费者的合法权益，引导、鼓励消费者购买和使用低能耗、低污染、小 排量、新能源、新动力的汽车，加强环境保护；研究鼓励发展节能车型和加快 淘汰高油耗车辆的财政税收政策1 2 】。在国家政策的引导以及行业的竞争之下，各 大微车生产厂家开始注重产品的性能稳定性，力求突出自身的品牌价值，在成 武汉理工大学硕士学位论文 本不断攀升的情况下，提升产品的质量性能。 对于微车生产厂商来说，最关心的问题就是微车的动力性能与舒适性。动 力性能依赖于传动系统的性能，而舒适性又是建立在微车传动系统的平稳性之 上的，所以一个好的传动系统对微车生产企业具有十分重要的意义。主减速器 作为传动系统中关键的部件总成之一，主要功能有：降低从变速器传递过来 的转速，同时增大输出到两轮的扭矩，保证变速器在处于最高档位时车辆仍具 有足够的驱动力、合适的爬坡速度及良好的燃油经济性；由于主、被动锥齿 轮的啮合形式，改变了动力的传递方向，将传动轴的竖直方向动力改为向两个 半轴传递水平方向动力从而驱动车轮运转。 本课题研究的是微车主减速器的预紧载荷，对主减速器进行预紧的主要目 的是增加圆锥滚子轴承的支撑刚度，保证由圆锥滚子轴承支撑的主动锥齿轮具 有良好的轴向与径向刚度，从而能与被动锥齿轮正确啮合，进而提升整车传动 系统的平稳性与舒适性。但如果预紧力过大，圆锥滚子轴承的问隙减小，滚动 体与滚道的接触变形增大，产生较大的接触应力，轴承运转时会明显地发热， 加速了滚动轴承的失效；同时也会导致主减速器的空载转动力矩增大，增加整 个传动系统的功率损失。综上所述，如何把握理想的主减速器圆锥滚子轴承的 预紧度一直是主减速器生产厂家关心的问题，也是本课题的研究背景。 本课题的研究背景是国内某微车制造商的车桥厂所生产的一款主减速器在 装配过程中存在装配质量不高的问题。经过课题项目组的初步分析，该问题普 遍是由于主减速器的圆锥滚子轴承在装配过程中未能得到合适的预紧状态而造 成的。针对这种情况，通过有限元仿真的方法模拟主减速器装配过程，并计算 得到合适预紧量，从而达到优化主减速器装配过程的目的。 1 2 轴承预紧的国、内外研究现状 本文研究的微车主减速器的预紧载荷控制主要就是对主减速器内部一对圆 锥滚子轴承的预紧载荷的控制。目前国际上对滚动轴承预紧的研究主要分为对 轴承预紧力的控制技术与对轴承预紧力的测量技术两个部分。 2 武汉理工火学硕士学位论文 1 2 1 轴承预紧力控制技术研究现状 国外对轴承预紧力控制技术的研究主要集中在轴承部件的预紧方法和预紧 力控制以及在大批量生产线上预紧力的在线测试和控制器的实现研究等【3 】。目 前，已研制出两类能够实现对轴承预紧力进行控制的装置：从结构上改变轴 承，将普通轴承替换为带有特殊结构的轴承。例如，t i m k e n 公司研制出一种挡 边带有液压补偿装置的圆锥滚子轴承，这种轴承通过调节油压就可以调节轴承 间隙，从而改变轴承的预紧力 4 - 6 1 。但是这些特种轴承也存在着一些缺陷，它们 不仅要支撑着主轴部件旋转，同时也要通过油压控制自身的预紧力，在轴承使 用时间过长之后，就会出现磨损或是损坏而需要更换的情况，这时需要重新调 校轴承的预紧力控制系统，使得维修的成本增大。在轴承上增加额外的预紧 力控制装置。例如，德国的g m n 公司研制的预紧力控制器借助于油腔的油压变 化来调整轴承预紧力的大小：r 本庆义熟大学研制的预紧力控制系统，利用轴 上的弹性应力感应装置，使压电促动器产生位移，达到控制预紧力的目的【7 8 j 。 国内对轴承预紧力控制技术的研究也同渐成熟，由成都电子科技大学自主 研制的主减速器自动选挚机和调整垫片间隙测量机代表着我国在轴承预紧力自 动控制技术方面取得了一定的成绩。目前国内绝大多数的汽车主减速器生产厂 家的生产线上都是使用主螺母拧紧机搭配自动选挚机来保证主减速器的预紧。 自动选垫机通过测量主减速器两轴承内圈的相对位置，然后选择一系列尺寸的 高精度调整挚片安装在支撑隔套与轴承之间，最后由主螺母拧紧机拧紧锁紧螺 母，完成对主减速器的预紧。采用这种方法确实可以提高主减速器的装配速度， 满足高速生产线的需求，但是也存在以下几点缺陷：自动选挚机的原理是根 据主减速器的部件尺寸设计安装尺寸链方程，然后通过计算得到合适尺寸的挚 片。但由于在选挚机选择调整垫片时，轴承内圈为了安装拆卸的方便，只是临 时安放在自动选挚机的测量定位轴上，二者之问为问隙配合：而主减速器在实 际的装配情况下，内圈与齿轮轴的安装方式为过盈配合，径向方向会产生一定 的变形。这样会使得压力机测得的压力值与实际工况的压力值不同，对尺寸链 组成环的精度产生影响，所以这样计算得到的调整艳片尺寸并不十分准确； 由于主减速器预紧状态的检测多为主减速器装配的最后一步，即拧紧锁紧螺母 的同时应用转矩测量仪检测主减速器的空载转动力矩。该方法虽然节省时问与 人力，但是如果主减速器的预紧状态与要求不符，则需要拆卸产品并重新选择 3 武汉理工大学硕士学位论文 调整垫片并再次进行装配，这样反而延误了装配的时间，增大了装配成本。 1 2 2 轴承摩擦力矩测量技术研究现状 欧美等国和日本的研究机构开发出许多先进的轴承摩擦力矩测量仪器，极 大地推动了轴承摩擦力矩的研究，其中比较著名的有英国的t i d 3 3 启动摩擦力 矩测量仪和美国v i b r a e 公司的b r g 2 0 0 0 轴承摩擦力矩测量仪1 9 l ，但是这些仪器 大多需要手动检测，效率并不高，它们的共同特点是：测量精度高，价格昂 贵；生产效率较高；所以国内大多数中小型企业缺少购置、维护它们的条件。 我国从1 9 7 0 年开始进行轴承摩擦力矩的深入研究，洛阳轴承研究所先后开 发并研制了m 9 9 1 2 a 、m 9 9 2 等系列的轴承摩擦力矩测量仪。国产轴承摩擦力矩 测量装置的特点为：测量方法存在一些缺陷；生产效率比较低；不能准 确地记录轴承摩擦力矩的测量曲线1 1 0 , 1 1 】。 由此可见，无论是在轴承预紧力控制技术上，还是在轴承摩擦力矩测量技 术上，我国与国外都存在着一定的技术差距。微车行业想要提高产品质量，增 强国际竞争力，实现装配自动化、精确化、数字化，还需不断提高轴承预紧技 术的科研、应用水平，促使微车主减速器装配水平与装配质量的全面提高。 1 3 课题的研究内容及意义 1 3 1 本课题的研究内容 1 主减速器预紧的理论研究 主减速器预紧的理论研究主要是分析主减速器锁紧螺母受预紧载荷后主减 速器内部各零件的受力情况。包括对主动锥齿轮轴与锁紧螺母的螺纹连接、轴 承内圈与齿轮轴过盈配合的受力分析和圆锥滚子轴承受预紧载荷后产生的变 形、位移等微观分析：由受力状态、位移状态的分析得到主减速器轴承的预紧 与空载转动力矩之问的理论关系。 2 主减速器预紧的参数化有限元仿真研究 主减速器预紧载荷的有限元仿真研究主要是应用有限元仿真软件a n s y s 4 武汉理工大学硕士学位论文 中建立主减速器的参数化有限元模型，并进行仿真分析。在一定的拧紧力矩下， 通过改变调整垫片的厚度模拟不同的轴向预紧力，得到主减速器的轴向预紧载 荷与空载转动力矩的仿真关系。 3 试验对比两种结果 根据实际装配合格的主减速器空载转动力矩的测量平均结果对比理论分析 与仿真分析的结果，综合考虑各种影响因素，不断修改参数化有限元程序，得 到更加适用于实际情况的主减速器预紧仿真结果。 1 3 2 本课题的研究意义 本项课题的研究意义主要有以下几点： 1 对整个主减速器的预紧进行理论和有限元分析，得到的结果比单独分析一 个圆锥滚子轴承的预紧更能体现实际装配环境对主减速器性能的影响，对优化 主减速器的装配工艺，提升产品的性能与质量具有一定的指导作用。 2 本课题的有限元分析采用a n s y s 软件的a p d l 参数化语言进行仿真分 析，通过改变命令流程序中不同的参数即可模拟不同厚度的调整鹅片、不同尺 寸的主减速器模型、不同大小的装配预紧力等不同的状态，具有较强的灵活性 与应用性。 3 利用a n s y s a p d l 命令流程序可以与v i r t u a lc + + 或者m a t l a b 相结合， 可做出主减速器预紧载荷仿真分析软件，通过输入相关的参数，然后由程序计 算出合适的调整挚片尺寸，成为一种区别于现有的靠机械测量选择垫片的新方 法。 1 4 本章小结 本章简要地叙述了本课题的研究背景、来源以及所研究的内容和进行研究 的实际意义，同时结合国内、外对于主减速器圆锥滚子轴承预紧的设计以及对 摩擦力矩测最的研究水平，找出主减速器圆锥滚子轴承预紧问题上所存在的不 足之处，拟通过主减速器预紧的理论研究、主减速器预紧的参数化有限元仿真 研究这两种方法进行课题的研究。 s 武汉理工人学硕士学位论文 第二章主减速器的装配技术及预紧 2 1 汽车后桥的功能及结构 汽车后桥也称汽车驱动桥，其主要功能是将从传动轴传递过来的发动机转 矩改变方向，然后由主减速器的锥齿轮传动降低转速、增大扭矩后传递给差速 器，最终再由差速器通过左、右半轴将转矩传至驱动轮上。 图2 1 为本课题所研究型号微车的后桥总成零件图l l 到。一般的微车驱动桥主 要由主减速器总成、差速器总成、左右半轴和后桥壳等部件组成。下面分别介 绍这几种主要部件的功能。 图2 1 后桥总成零件分解图 1 主减速器总成 主减速器总成是汽车传动系中的重要部件，主要功能是在降低转速的同时 增大扭矩，总成利用锥齿轮传动的特性将竖直方向传递的扭矩改变为向两半轴 水平方向传递的扭矩。 2 差速器总成 当汽车转弯时，外侧车轮走过的弧长要大于内侧车轮走过的弧长，这样才 6 武汉理工大学硕士学位论文 能保证汽车顺利过弯而不产生侧滑。这就要求外侧车轮的转速快而内侧车轮的 转速慢，用两个车轮的转速差来弥补行驶距离的差异。 差速器的作用为向两边半轴传递扭矩，同时通过行星齿轮带动两边的半轴 以不同的转速旋转，使两边车轮作不等距离行驶，减少轮胎与地面因为车辆过 弯而产生的摩擦1 3 】，帮助车辆顺利通过弯道。 3 半轴 半轴也叫做驱动轴，是主减速器向驱动轮传递扭矩的轴。其内、外端各有 一个万向节，分别通过万向节上的花键与主减速器的输出端及轮毂轴承内圈相 连。 4 后桥壳 后桥壳是容纳主减速器总成、差速器总成、半轴等传动装置的外壳，保护 这些部件不受外界的损伤。 2 2 主减速器装配技术 本课题所研究的微车主减速器为单级准双曲面锥齿轮主减速器，它使用一 对圆锥滚子轴承支撑主动锥齿轮的旋转，装配图如图2 2 所示。为保证主减速器 的主、被动锥齿轮有正确的啮合位置、不产生相互窜动、传动冲击噪声小并且 在沿齿侧方向的磨损均匀，就要求在装配过程中对轴承施加一定的轴向预紧载 荷，使主减速器在工作过程中，主动锥齿轮既能自由旋转，同时又具有足够的 支撑刚度。 7 武汉理工人学硕士学位论文 。一l 溜 i 左轴承蕾、2 轴承3 2 0 0 8 l w & 3 调整垫片一x4 轴承座、5 差遮嚣息成、6 右轴承莹、7 螺检m 1 0 x5 0 - 8 k8 垫圈l 仅9 主动谁齿轮、l o 调整垫片【二11 1 轴承3 0 3 0 _ $ x 氇、1 2 膈墨邑 1 3 调整垫片三x1 4 舶承3 0 3 0 s x 2 1 5 联接法兰总成、1 6 垫匿l1 7 主动镰齿轮填紧螺母 图2 2 主减速器装配图 空载转动力矩是主减速器装配过程中需要严格控制的一个关键参数，主要 为上、下圆锥滚子轴承的摩擦转动力矩之和。本课题来源的主减速器制造厂家 给出的实际生产标准值为o 鲫9 n 朋。空载转动力矩必须严格控制在规定值之 内，若过小，说明圆锥滚子轴承的支撑刚度不足，严重情况下会使主动锥齿轮 发生轴向与径向窜动，造成主、被动锥齿轮不能在j 下常位置啮合而发生严重的 齿面磨损，并伴随着噪声与振动；转矩若是过大，说明预紧载荷偏大，会使圆 锥滚子轴承超负荷工作，磨损加剧，温度急剧升高，轴承寿命缩短，出现噪声 异常等情况，严重时还会造成轴承烧死乃至后桥抱死的现象，极易造成交通事 故的发生i m i 。所以主减速器的装配质量直接关系到传动系统甚至整车的性能及 安全。 不同型号的主减速器虽然尺寸不同，但主要的装配流程和原理则大同小异。 现选取本课题所研究型号的微车主减速器的装配过程进行分析，零件包含：主 减速器外壳、主动锥齿轮、被动锥齿轮、调整垫片、3 0 3 0 5 x2 b 圆锥滚子轴承、 3 0 3 0 6 x2 b 圆锥滚子轴承、支承隔套、连接法兰、油封总成、调整挚片、锁紧螺 8 武汉理。i ：人学硕十学位论文 僻，其主要装配流程如下。 1 将下圆锥滚子轴承( 3 0 3 0 6 x 2 b ) 的内圈( 含滚动体) 用压力机赝紧至j 三 动锥齿轮的大端面，二者之问为过盈配合。 2 将下圆锥滚子轴承外圈安装至主减速器壳体的大端轴承座，将上圆锥滚予 轴承( 3 0 3 0 5 2 b ) 的外圈安装至主减速器壳体的小端轴承座，利用工装火具与 压力机同时将轴承的外圈压入，各零件之间为过盈配合。 3 用自动选挚机测最上、下两轴承之问的相对位置，工控机自动计算尺寸链 公式，得到满足主减速器预紧要求的调整垫片的j 寸。 4 依次完成：卜动锥齿轮、支承隔套、调整挚片、卜轴承内圈( 含滚动体) 、 油封总成、连接法兰、锁紧螺母等部件的安装。 5 用主螺母拧紧机对锁紧螺母施加2 0 0 2 5 0n m 的拧紧力矩，完成装配过 程。 6 检测主减速器连接法兰的端面跳动值。 7 在主减速器检测台上检测其空载转动时的转动力矩，若在o 9 n m 之 问，则认为装配合格，若是低于0 6 n m 或者高于0 9 n m ，就必须冉次卸下锁 紧螺母，重新选取合适的调褴氆片并傅次。重复i 二述3 、4 、5 步的内容，直到空 载转动力矩满足0 6 0 9n m 为止。 2 3 主减速器圆锥滚子轴承的预紧 圆锥滚了轴承，。泛应用。二汽车、- 车u o l , 、矿山、冶金等重型机械行j 忆它一 般内圈、滚动体、保持架平h # i - 圈组成，可以分别安装，结构如图2 3 所示。圆 锥滚予轴承可以承受较大的轴向载荷与一定的径向载荷，为了传递相反方向的 轴向载荷般与另个对称的圆锥滚子轴承配对安装。 图2 3 圆锥滚子轴承 苫 武汉理工人学硕士学位论文 2 3 1 圆锥滚子轴承预紧的意义 1 提高支撑刚度。圆锥滚子轴承在制造过程中不可避免地会存在加工误差， 所以每个滚动体的尺寸都不是完全一样。在未预紧的状态下，直径大的滚动体 与滚道接触，而直径小的滚动体不承受任何载荷；而在预紧之后，直径较大的 滚动体受压力产生弹性变形，其他滚动体开始接触滚道，支撑轴承的滚动体数 目增加，因此轴承的支撑刚度得到提高。 2 提高旋转精度。轴承在未预紧时支撑刚度较小，运转时在径向方向会产生 窜动，使得内、外圈的轴心不在一条直线上，影响轴承旋转精度；轴承预紧之 后，轴承的支撑刚度增大，径向方向的窜动消除，所以旋转精度得以提高u o i 。 3 提高轴承寿命。轴承完成预紧之后，由于弹性变形的影响，与滚道发生接 触的滚动体数目比未进行预紧时增大，平均每个滚动体所承受的载荷相应变小， 因此轴承的寿命提高。 4 提高阻尼、减少噪声。在轴承预紧之后，滚道与滚动体之间形成很小的楔 形间隙，在转动时可以建立稳定的动压油膜，减小了二者之间的摩擦，因而降 低了轴承运转时产生的噪声i l 们。 2 3 2 圆锥滚子轴承预紧原理 圆锥滚子轴承可以进行分离，轴承外圈与内圈组件分别安装在轴承座与轴 颈上，还可以同时承受较大的轴向载荷与一定的径向载荷。下面选取一个圆锥 滚子轴承进行受力分析15 1 。 1 圆锥滚子轴承的受力分析 武汉理工大学硕七学位论文 q 。 图2 4 径向受载的圆锥滚子轴承 如图2 - 4 所示，如果作用在轴承上的轴向载荷是缆，则在外圈会产生一个 作用于滚动体上的载荷q 0 ，q 可以分解为水平和竖直两个方向的载荷： 瓯2 肇c o s ( 2 1 ) 瓯= q s i n 口。 内圈大端挡边作用于滚动体大端面的载荷为q ，同时内圈滚道作用于滚动 体的载荷为q l 。 q 可以分解为竖直和水平两个方向的载荷： q = 啬 协2 ) 玩= qs i n a _ 同理，9 也可以分解为竖直和水平两个方向的载荷： 鳓= 绣c 0 s 吩 鳓= 9s i n ( 2 3 ) 根据物体受力平衡定律，圆锥滚子轴承预紧后滚动体所受的竖直和水平方 向分力的和均为零，可得平衡公式： 绋一鳓一q ，= ( 2 4 ) q + 一线= 0 将公式( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 代入公式( 2 4 ) 可以得到： 武汉理工人学硕士学位论文 q + g s i n a ：一q s i n a o = 0 盖哪嘶一啪删 q 。5 ) 因q 坩为已知量，由公式( 2 2 ) 与( 2 5 ) 可得 q ：旦 s i l l 口 q ：q 。竺生竺堕竺兰 ( 2 6 ) q 口= q 盂寻 q “) q ，= 线鼍背 式中吃，q ，口，一q oqq r 与竖直方向的夹角。 这样，由轴承所受的轴向载荷可以分别推导出滚动体与内、外滚道接触的 法向力q 、q d 与内圈挡边接触的法向力q ，。 2 圆锥滚子轴承的刚度分析 滚动轴承的刚度定义为：轴承所受的外加载荷与内、外圈移动的单位相对弹 性位移量的比值l i5 。，用公式可表示为： k ：塑 ( 2 7 ) d 8 式中，q 一作用在轴承上的外加载荷；万轴承内、外圈移动的单位相对弹 性位移量。 圆锥滚子轴承受预紧载荷作用后，滚动体与滚道在接触位置的变形量万与载 荷q 的关系为： 万= k q o 9 ( 2 - 8 ) 式中，k 一材料的弹性变形系数，k = 7 6 6 x 1 0 - 5 丢；q 作用在轴承上 l 的载荷。 主减速器中支撑主动锥齿轮轴的圆锥滚子轴承在装配过程中只受到轴向载 荷的作用，下面分析圆锥滚子轴承在只承受轴向载荷时的刚度。 由于圆锥滚子轴承的锥形结构，在只承受轴向载荷的时候，也会产生径向 方向的分力，这样轴承在轴向与径向两个方向都会发生变形。如图2 5 所示，设 武汉理工火学硕士学位论文 二二二二一 轴承内、外圈的轴向相对位移量为瓯，径向的相对位移为4 ，与受载最大的滚 动体中心夹角为杪处，滚动体与内、外圈滚道接触的总弹性变形量为】： 屯= 吒s i n a + 4 c o s a c o s 弘f ( 2 9 ) g 蓊萨 图2 - 5 轴承滚动体弹性变形图 由受力图可得，在夹角吵= o 处，屯达到最大： = 吃s i n a + 4 c 0 s 口 若轴承外圈径向方向的位移为零，即4 = 0 ，有： 皖：s 摹u lc z 同理，若轴承外圈轴向方向的位移为零，即吃= 0 ，有： 4 ：垒 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 上一节分析过，当轴承只受轴向载荷线作用时，滚动体与轴承内圈之问的 作用力为q ：黑，由于前面假设了每个滚动体受力相同，那么每个滚动体所 s l n 优 。 受的最大法向载荷为： q 眦= z s i n l t z , ( 2 1 3 ) 式中，一滚动体与内圈滚道之间的最大法向作用力：玩一轴承所受的 武汉理工人学硕士学位论文 轴向作用力：一q 与竖直方向的夹角；z 滚动体的数目。 由于轴承外圈安装在主减速器壳上的轴承座中，可以认为轴承外圈的位置相 对固定，内圈产生相对位移。由公式( 2 - 8 ) 与( 2 - 1 3 ) 可以得到轴承内、外圈 的轴向相对弹性变形量万与轴向作用力缆之间的关系为： = k ( 蛊) o 9 = 7 6 6 x 1 0 。5 掣璐9 艺8 z 仉9s i n0 。9 口 ( 2 1 4 ) 式中口2 ；乞滚动体的有效援触长度，乞2z 一2 r ；，禳动体全长；，一 滚动体两端倒角半径。 对于普通钢制标准轴承，q = l ，( 2 1 4 ) 可简化为： = 万7 6 6 菥x - 5 0 9 ( 2 - 1 5 ) 联立公式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 与( 2 1 5 ) ，可以得到圆锥滚子轴承在只承受轴向 载荷的作用下，轴承内、外圈径向与轴向的最大相对位移量4 与乞分别可表示 为： 皖2 笨蔫 协 譬一7 6 6 x 1 0 。鱿9 沪驴蕊磊意 那么由公式( 2 1 6 ) 可得，圆锥滚子轴承的轴向刚度疋与径向刚度七，分别为： 由公式( 2 1 6 ) 可以看出，在轴向载荷的作用下，内、外圈径向与轴向的最 大相对位移量4 与哦都与轴向载荷瓯的0 9 次幂成正比；而轴向刚度七口与径向 刚度七，分别与吃和4 的o 1 次幂成正比。，即与轴向载荷缆呈难比关系。由以 上的公式可以看出，给圆锥滚子轴承施加的轴向载荷增大时，会同时提高轴承 的轴向刚度与径向刚度，即提高了轴承的轴向与径向支撑刚度，这就是圆锥滚 1 4 n n 咖 暑 ! 露 ，醪谢荆 璺唧 曼哗 加 加 卯 堡蛾堡啦 武汉理t 大学硕士学位论文 子轴承预紧的原理。 2 3 3 主减速器圆锥滚子轴承的预紧方式 圆锥滚子轴承通常在安装过程一般不需要太大的预紧力。但是在高速运转的 情况下，滚动体相对于滚道会发生离心作用，并产生相对滑动，导致二者在轴 向方向有相对分离的趋势，易发生轴向窜动；但圆锥滚子轴承的预紧量又不能 过大，否则会发生轴承间隙过小、滚动体与滚道磨损加剧的现象，使传动效率 降低。所以安装圆锥滚子轴承时必须施加大小合适的轴向预紧力，目前工程中 常用的圆锥滚子轴承预紧方式有： 1 控制轴承的内、外圈的位移量预紧 上一节介绍过，圆锥滚子轴承内、外圈轴向方向的最大相对位移量点与轴向 载荷比的0 9 次幂成正比。若是能够保证轴承内、外圈轴向方向的相对位移量， 就能达到控制圆锥滚子轴承预紧载荷的效果。这种预紧方式简单、可靠；缺点 是相对位移量的大小很难精确保证，所以无法保证精确地施加轴承预紧力。 2 采用弹簧装置预紧 弹簧的刚度是线性的，若是能够精确地控制弹簧的压缩量就能得到精确的弹 簧压力。用弹簧压住轴承外圈，此时轴承内、外圈的相对位移就是弹簧的压缩 量，从而达到稳定地控制轴承预紧力大小的目的。采用这种方法得到的轴向预 紧力虽然稳定，但是弹簧的安装和拆卸工作复杂、耗时。 3 采用支撑隔套与调整挚片预紧 在两圆锥滚子轴承内圈之问安装支承隔套，并在支承隔套的一端安装调整垫 片，通过测量轴承内、外圈的轴向相对位移量可以计算得到合适的调整挚片尺 寸，这样就保证了两轴承内、外圈的轴向相对位移量，从而实现了对轴承的预 紧。这种方式目前应用于绝大多数的主减速器的预紧中，对于不同的型号只需 更换不同厚度的调整挚片即可完成相关的预紧工作，而且这种预紧方式可以通 过计算机自动选择调整挚片的厚度尺寸，方便可靠，在减轻工人劳动强度的同 时也提高了主减速器的预紧质量l i 6 l 。 因为微车主减速器的主动齿轮轴在正常运转时一般都足高速、重载的情况， 所以主减速器的预紧采用锁紧螺母配合连接法兰预紧，通过给锁紧螺母旌加一 定的拧紧力矩，使螺母产生轴向载荷并通过连接法兰将轴向载倚传递给轴承内 武汉理工大学硕士学位论文 圈，以实现轴向载荷的加载。本课题所研究的主减速器要求在装配时对锁紧螺 母施加2 0 0 - - - 2 5 0 n 肌的拧紧力矩，同时预紧后的主减速器空载转动力矩必须在 o 每m 9 n 册之内。 2 3 4 主减速器预紧度的表征方式 如何表征圆锥滚子轴承的预紧程度的方式也有很多种，下面分别介绍几种 关于圆锥滚子轴承预紧度的表征方式： 1 轴承内、外圈相互作用力表征法 轴承内、外圈的相互作用力实际上就是在轴承受力分析中提到的轴向作用 载荷缆，结合相应的计算公式，如刚度计算公式、滚动体与滚道的接触应力计 算公式或者是轴承内、外圈的相对位移计算公式等等，都可以计算出此时轴承 得到预紧的程度。 2 轴承内、外圈轴向变形量表征法 由2 3 1 节轴承的刚度分析可以得到公式( 2 1 5 ) ： 艿：7 6 6 xl o - s q 0 9 。眦z0 9 贮8 s i n n 9 口 由公式( 2 1 5 ) 可以看出，轴承的变形量除了取决于轴承的自身制造参数外， 还与轴向载荷q 的0 9 次幂成正比。假定轴承在制造过程中各项参数都保持不 变，那么内、外圈的轴向变形量与轴向载荷之间就存在着固定的对应关系，预 紧度与变形量之间也存在着固定的关系。 3 摩擦力矩表征法 轴承在工作状态下，内、外圈的相对转动是通过滚动体的在滚道上的旋转实 现的，滚动体在旋转过程中会产生摩擦力矩。滚动轴承的摩擦力矩是指由于滚 动摩擦、滑动摩擦与润滑剂摩擦等综合因素产生的阻滞轴承运转的阻力矩1 1 7 】。 由于在主减速器完成装配之后，轴承内、外圈相互作用力与轴承内、外圈轴 向变形量不容易或者根本无法测量，而现有的转动力矩测量仪器已经能够达到 一个比较精确的水平。所以在实际生产中通常是采用测量主减速器的空载转动 力矩来表示其预紧的程度，用一个规定值( 本课题所研究车型为0 鲫9 n 肌) 来检验主减速器的预紧是否合格。 1 6 武汉理i ：人学硕士学位论文 2 3 5 主减速器预紧度的影响因素 由2 3 3 与2 3 4 节的内容可知，绝大多数主减速器在装配时调节预紧度是 通过自动选垫机选择合适尺寸的调整垫片来完成的。图：2 - 6 、图2 7 为自动选垫 机的实体图与它的测量原理示意图。它的工作原理为：通过模拟主减速器的装 配，在上轴承内圈施加轴向压力，当输出转矩达到规定值时测量两个圆锥滚子 轴承内圈小端面之自j 的间隙4 ，然后测量隔套的高度彳，并通过尺寸链方程计 算二者之差，最后选择合适尺寸的调整垫片。自动选垫机的一些工作特点成为 影响主减速器预紧的因素，主要有以下几种【l 1 9 l ： 图2 6 自动选垫机实体图 b ) i 辆助测量芯棒、2 圆锥滚子轴承、3 轴承座、4 辅助 隔套l 、5 辅助隔套2 ，6 轴承内圈、7 隔参 图2 7 自动选垫机测量原理图 1 调整垫片尺寸的影响 由主减速器轴向载荷分配图2 8 所示，为在拧紧力矩7 作用下，锁紧螺母会 产生轴向载荷f ，并通过连接法兰作用于轴承内圈的大端面；曩为轴承座对轴 承外圈的作用力，即轴承的预紧力；e 为支承隔套对轴承内圈的作用力；、由于 1 7 武汉理丁大学硕士学位论文 内圈与齿轮轴在装配时为过盈配合，所以它们之间有轴向的摩擦力e 。那么由 拧紧力矩产生的轴向载荷在上轴承中的力学分配关系为：f = e + 最+ e 。对于 不同类型的汽车主减速器，预紧载荷巧的大小根据具体要求有一定的差别。由 此可以看出，轴向载荷在一个封闭系统中传递，图2 - 9 为主减速器轴向载荷力封 闭系统简图。 图2 8 主减速器轴向载荷分配图 图2 9 主减速器轴向载荷力封闭系统简图 由图2 9 可以看出，锁紧螺母产生的轴向力在上轴承内圈处形成了三个分 力。在轴向预紧力f 的作用下，若调整挚片尺寸偏小，内圈需要移动一段距离 才会与支承隔套接触，由于滚动体会阻止内圈的轴向移动，并在外圈上产生反 作用力，所以轴承的预紧力e 将增大，支承隔套所承受的轴向作用力e 将减小， 轴承的轴向变形增大，预紧度增大，摩擦力矩也相应地增大：反之，若调整挚 片尺寸偏大，在同样大小的f 的作用下，轴承内圈只需移动很小的距离就与支 承隔套接触，轴承的预紧力e 将减小，支承隔套所承受的轴向作用力最将增大， 这样轴承的轴向变形减小，预紧度减小，摩擦力矩也栩应地减小。所以，调整 垫片的尺寸是影响主减速器预紧度的关键因素。 2 轴承内圈与主锥齿轮轴过盈配合的影响 主减速器的实际装配过程中，齿轮轴与轴承内圈为过盈配合安装，会存在 径向方向的变形。但是，如图2 7 所示，现有的主减速器生产线上的自动选挚机 武汉理工大学硕士学位论文 在选择调整垫片时，为了各零件安装、拆卸的方便，辅助测量芯棒l 与圆锥滚 子轴承2 之间为间隙配合，轴承内圈并不受径向应力的作用，也不会产生径向 变形，而这与实际装配状态有所区别。所以选挚机对上、下轴承内圈之间的距 离测量值和实际安装时上、下轴承内圈的实际距离值存在尺寸的变化，影响了 选择调整挚片尺寸的精确度，足以影响本来厚度值本来就很小的调整垫片的精 确度。 3 轴承座转速的影响 本文所有的理论推导是基于主减速器静力装配时的情况。在良好润滑的情 况下，若是轴承座的转速很高，易于形成动压油膜，轴承的摩擦力矩比转速较 低时有所降低，同时轴承产生离心惯性力，在径向方向会产生微量变形，影响 选择调整挚片时的准确度，从而对主减速器的预紧度造成影响。 4 支承隔套刚度的影响 在选垫机选择垫片时，由于辅助测量芯棒l 与圆锥滚子轴承2 之问为问隙 配合，压力机施加在轴承内圈上的轴向压力只有几百牛左右。由于支承隔套具 有较大的轴向刚度，由此产生的轴向变形微乎其微；然而在真正装配时，锁紧 螺母拧紧时产生的轴向载荷一般能达到6 0 k n 以上，而这些轴向压力大部分都 由支承隔套承担。此时产生的轴向变形就会对选择调整垫片的精度造成不小的 影响。因此，自动选挚机选择的调整垫片尺寸会因为隔套的刚度影响而与实际 尺寸值产生偏差。 综上所述，主减速器的预紧度取决于圆锥滚子轴承与支承隔套之间调摧挚 片的尺寸精度。尺寸越准确，主减速器的空载转动力矩就能保持在规定的范围 之内。但是由于主减速器生产线上现有的自动选挚机不能很好地模拟主减速器 实际装配情况，所选择出来的鹅片并不是十分准确，使得主减速器的预紧度得 不到保障。要克服自动选艳机的这种局限性，可以采用数值仿真分析的方法模