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汽车主锥选垫机测量准确度影响因素分析及实验研究 摘要 本着提高主锥选垫机测选垫片准确度的目的，本文针对影响主锥选垫 机测量准确度的主要因素，开展了理论和实验方法研究。 首先，本文从理论上分析了主锥锁紧螺母拧紧力矩与主动齿轮轴轴向 力关系，以及该轴向力在轴承内、外圈之间的分配，这为后文分析模拟正 压力因素、隔套刚度因素等对测选垫片准确度影响打下基础。 本文着重对汽车驱动桥主减速器主锥选垫机测选垫片准确度主要影 响因素进行分析，这些因素主要包括：选垫机的模拟正压力，主动锥齿轮 轴与上、下圆锥滚子轴承内圈的配合过盈量，测量时轴承座转速，测量时 轴承的润滑情况，隔套的轴向刚度等。 为了确定上述各影响因素对测量准确度的影响程度及其排序，本文运 用正交试验设计方法进行研究，并以试验时所采用的模拟正压力、主动锥 齿轮轴与上下轴承内圈的配合过盈量、测量时轴承座转速等三个因素为 例，介绍具体试验设计方法和数据处理方法。 本文还对测选垫片时的模拟正压力进行比较深入的理论分析，在此基 础上，进一步介绍了模拟正压力对测量准确度影响的实验研究方法，并采 用最小二乘法对实验数据拟合，得到模拟正压力对测量准确度影响的函数 表达式。 关键词：主锥总成；影响因素：正交试验；模拟正压力；数据拟合 a n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho n m e a s u r e m e n ta c c u r a c yi n f l u e n c i n g f a c t o r so f a u t oa c t i v eg e a ra x l ec u s h i o np r e s e l e c t i n gm a c h i n e a b s t r a c t i no r d e rt oa m e l i o r a t ea c c u r a c yo fa u t oa c t i v eg e a ra x l ec u s h i o np r e s e l e c t i n g m a c h i n e ，t h ep a p e rc a r r i e so u tt h e o r y a n de x p e r i m e n tr e s e a r c ha i m e da tk e y i n f l u e n c i n gf a c t o r so f t h em a c h i n e sa c c u r a c y f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o r q u eo ft h ef a s t e n i n gn u t a n dt h ea x i a ll o a do f t h ed r i v eg e a ra x i s ，a n dt h ed i s t i l b u t i o no f t h ea x i a ll o e db e t w e e n t h eb e a r i n gi n t e r n a la n de x t e r n a lr i n g st h e o r e t i c a l l y a n dt h i si st h eb a s ef o ra n a l y s i s o ft h es t i m u l a t i o np r e s s u r e sa n dt h es e p a r a t i n g r i n gr i g i d i t y si n f l u e n c ef o rt h e m a c h i n e sa c c u r a c y t h ep a p e rp u t se m p h a s i so nt h ea n a l y s i so fk e yi n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e m a c h i n e sa c c u r a c y , s u c ha ss t i m u l a t i o np r e s s u r e ，o v e r f l o wb e t w e e nt h ed r i v eg e a r a x i sa n dt h ei m e m a lr i n g so fb e a r i n g s ，r o t a t es p e e do ft h eb e a t i n gb l o c k ，l u b r i c a t i o n s t a t u so f b e a r i n g sa n dt h er i g i d i t yo f t h es e p a r a t i n gr i n g a n o r t h o g o n a it e s ti se x p e r i m e n t a l i z e di no r d e rt og e tt h ei n f l u e n c i n ge x t e n ta n d s e q u e n c eo fa l lt h ea b o v ef a c t o r s ，a n dt h ef l o w i n gt h r e ef a c t o r sa r et a k e nf o re x a m p l e ： s t i m u l a t i o np r e s s u r e ，o v e r f l o wb e t w e e nt h ed r i v eg e a ra x i sa n di n t e r n a l r i n g so f b e a r i n g sa n dr o t a t es p e e do f b e a r i n gb l o c k i d i o g r a p h i cm e t h o d so f t h et e s ta n dd a t u m p r o c e s sa r ei n t r o d u c e d t h ep a p e ra l s o a n a l y z e ss t i m u l a t i o np r e s s u r ed u r i n gp r e s e l e c t i n gc u s h i o n s t h o r o u g h l ya n dt h e o r e t i c a l l y a n db a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e s e x p e r i m e n tr e s e a r c hm e t h o do fs t i m u l a t i o np r e s s u r ei n f l u e n c ef o rm e a s u r e m e n t a c c u r a c y l e a s t - s q u a r em e t h o di su s e dt oc a t e rt h ee x p e r i m e n td a t u ma n dt od e d u c t t h ei n f l u e n c i n gf u n c t i o n k e yw o r d s ：a c t i v eg e a r a x l ea s s e m b l y ；i n f l u e n c i n gf a c t o r ；o r t h o g o n a lt e s t ； s f i r a u l a t i o np r e s s u r e ；d a t ac a t e r i n g 插图清单 图1 - 1 某种汽车驱动桥分解图2 图卜2 主动锥齿轮总成3 图2 1 螺栓受力示意图9 图2 2 螺纹牙型剖面图，9 图2 3 螺纹受力圈，9 图2 - 4 轴承座、轴承、主动齿轮轴系统的力学关系，1 l 图3 1 主锥选垫机测量方式1 4 图3 2 过盈配合引起轴承内圈轴向尺寸变化示意图2 3 图3 3 厚壁圆筒的受力示意图，2 3 图3 - 4 组合厚壁圆筒过盈配合装配压力，2 5 图3 5 测量轴承内圈刚度示意图2 7 图3 6 压力p 与轴承内圈压缩量y 之间的关系曲线图2 7 图4 1 圆锥滚子受力图，2 9 图4 2 简化后的圆锥滚子受力图3 1 图4 3 微元段的受力3 2 图4 4 圆锥滚子轴承内、外圈的轴向位移。，3 4 图5 - 1 厚度差值a s 与轴向负荷f 之间的关系曲线4 4 表格清单 表3 - 1 正交表鹏( 27 ) 表3 2 正交表伪( 3 4 ) 表3 3 试验因素水平表 表3 4 正交试验方案与结果， 表3 - 5 极差分析。， 表3 - 6 各因素的偏差平方和与自由度 表3 7 方差分析 表3 8 测量轴承内圈剐度实验数据 表5 一i 同一隔套不同压力实验表 表5 2 不同隔套不同压力实验表 表5 3 单个轴承3 0 2 1 1 轴向负荷变形表 表5 4 一对轴承3 0 2 1 1 轴向负荷变形、厚度差表 表5 5 转化后的一对轴承3 0 2 1 1 轴向负荷一厚度差表， 表5 6 最小二乘法中间数据处理表均捞如组毖盯卯弱犯铊蛆稆 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加咀标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包台为获得金筵王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的剌 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：同罐签字日期：酗6 年f 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒8 b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 b 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一豁国 签字日期：斯占年午月汐日 学位论文作者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址： 导师笠名 彳 溺 u 签字日期：口缉4 月蝴 电话 邮编 a 致谢 在硕士论文成稿之际，我首先要感谢我的导师刘志峰教授，刘老师为我倾 注了大量心血。刘老师严谨的工作作风、执着的学术追求，特别是对学科发展超 前的敏锐洞察能力，令我由衷钦佩；刘老师不仅在我理论学习和科研中授业解惑， 在日常生活中，刘老师也给了我极大支持和热情关怀。在此，谨向导师表示衷心 的感谢! 感谢林巨广研究员为我提供很多很好的实践机会，林老师在学业上给予我 无倦教诲，在生活上给予我无尽的关怀与照顾。林老师学识渊博，才能出众，平 易近人，是我永远的学习榜样。 感谢王淑旺老师一贯给予的帮助和指教：感谢合肥工业大学机电教研室、 绿色设计与制造工程研究所和汽车装备工程技术研究所的其他各位老师的支持 与帮助。 感谢各位师兄师弟和师姐师妹在生活和学业上帮助。 在此也向文中所列出的和可能由于疏忽而没有列出的参考文献的作者们一 并表示感谢。 最后，感谢我的父母、家人和我的妻子。 作者：周后贵 2 0 0 6 年3 月 1 1 课题的来源与意义 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 本课题是安徽省十五科技攻关项目车辆传动系装配的测控技术与装备 的后续研究。拟通过对影响主减速器主动锥齿轮总成轴承预紧垫片预选机( 简 称“主锥选垫机”) 测量准确度的主要因素的分析和实验研究，为新一代主锥选 垫机的研制奠定坚实的基础。 1 1 2 课题的意义 世界经济发展表明，各经济强国的经济发展无一不与汽车工业有着密切的 关系【l 】。自从建国以来，特别是经过近十几年来的发展，中国的汽车工业经历 了从无到有、由弱到强的发展过程。2 0 0 4 年全国汽车产量突破了5 0 0 万辆。国 家统计局报告显示，2 0 0 5 年一季度，汽车制造业销售收入首次超过纺织业和电 气机械器材制造业，成为中国工业经济的支柱产业之一1 2 j 。据有关部门预测， 到2 0 1 0 年中国汽车年产量有望实现8 0 0 9 0 0 万辆目标，中国的汽车生产量和 消费量可能跃居世界第二位，届时汽车变速箱和桥减速器产值将超过百亿人民 币大关。 根据汽车工业振兴规划纲要，今后我国汽车工业的发展重点是汽车整车 及其零部件的独立自主研发能力建设。随着汽车工业的支柱地位加强和国际、 国内汽车市场竞争的加剧，依靠科技进步提高产品质量，降低成本已成为企业 生存和发展的唯一出路。中国汽车工程学会发布的汽车工业中长期科技发展 战略研究报告也认为，我国汽车行业应不断增强自主开发能力，加快新产品 推出速度，提高汽车产品的综合技术水平，推进制造工艺及装备开发和应用、 技术标准的研究和制订等方面的创新发展，为提高我国汽车工业的国际竞争力、 实现可持续发展夯实基础。 汽车减速器总成作为汽车传动系最关键的部件之一，也是直接关系到整车 性能的关键部件，其质量的好坏，直接影响汽车运行的平稳性、噪声、寿命及 能耗。汽车减速器总成在汽车上占据着重要地位，减速器总成发展反映汽车工 业的发展，其质量与生产规模已成为衡量汽车工业发展水平的重要标志。提高 驱动桥总成特别是减速器总成的装配质量，已成为各汽车车桥生产企业关注的 问题。零部件制造质量和总成装配质量是减速器总成质量特性的决定因素，所 以在减速器装配过程中，必须严格测控关键的间隙、扭矩和预紧等。主动锥齿 轮轴总成是减速器总成的核心部件之一，准确选择圆锥滚子轴承隔套垫片是其 有合适的预紧和足够的刚度的保证； 提高选垫效率和准确度是当务之急。 要环节进行研究具有重要的意义。 人工试垫选垫方式效率低下、准确度差， 因此，对主锥总成装配过程中选垫这一重 1 2 汽车驱动桥及其主减速器装配技术 1 2 1 汽车驱动桥及其主减速器 一般地，汽车发动机的输出扭矩经过变速器，变速器输出扭矩通过传动轴 传递到汽车驱动桥，驱动桥的作用是将扭矩传递到驱动轮上。现在也有多驱( 多 于两轮驱动) 汽车，变速器后面配有的分动器，将变速器的输出扭矩分给不同 的驱动桥。 图卜l 是一种典型汽车驱动桥( 含减速器、半轴、桥壳等部件) 的分解图。 5 1 一密封垫2 - 半轴油封3 车轮轴承4 _ 车轮轴承盖5 半轴6 密封垫7 车轮轴承止推垫8 、2 l 、 2 9 - 轴承9 - 主动锥齿轮隔套垫片lo - 主动锥齿轮和从动齿圈1 1 差速器壳1 2 密封垫1 3 盖 1 4 行星齿轮轴定位销1 5 - 差速器行星齿轮轴1 6 差速嚣半轴齿轮1 7 止推垫1 8 差速嚣壳盖 1 9 - 轴承调整螺母2 0 轴承外圈2 2 - 齿圈紧周螺栓2 3 调整螺母2 4 轴承盖2 5 通气孔2 6 半 轴壳2 7 - 加油口塞2 8 轴承外套3 0 凸缘3 l - 导向盘3 2 油封3 3 轴承隔套 图卜l 某种汽车驱动桥分解图 主减速器是汽车驱动桥的关键部件，它的主要功用是将从变速器经传动轴 输入的转矩增大并相应降低转速。主减速器总成主动锥齿轮总成、差速器总成、 o 减速器壳体等部分组成。其中，主动锥齿轮总成( 图卜2 ) 包括图1 1 中的零件 8 、9 、1 0 、2 8 、2 9 、3 0 、3 1 、3 2 、3 3 等零部件。 1 2 ，2 汽车驱动桥主减速器装配技术 主减速器的减速传动机构为一对准双曲面圆锥齿轮，主动和从动锥齿轮之 间必须有正确的相对位置，方能使两齿轮啮合传动时冲击噪声较轻，而且轮齿 沿其长度方向磨损较均匀。为此，在结构上一方面要使主动和从动锥齿轮有足 够的支承刚度，使其在传动过程中不至于发生较大变形丽影响正常啮合；另一 方面应有必要的啮合调整装置引。为保证主动锥齿轮有足够的支承刚度，主动 锥齿轮5 与轴制成一体( 后面称之为主动齿轮轴或主动锥齿轮轴) ，前端支承在 互相贴近而小端相向的两个圆锥滚子轴承6 上( 如图卜2 ) 。 1 锁紧螺母2 轴承座3 调整垫片4 隔套 5 主动锥齿轮6 轴承7 油封8 凸缘 图卜2 主动锥齿轮总成 汽车驱动桥主减速器的装配质量是影响整个汽车驱动桥性能的一个重要因 素。装配主减速器时，为了减小在锥齿轮传动过程中产生的轴向力所引起的齿 轮轴的轴向位移，提高轴的支承刚度，保证锥齿轮副的正常啮合，圆锥滚子轴 承应有一定的装配预紧度，即在消除轴承间隙的基础上，再给予一定的压紧力。 轴承的轴向间隙不应超过o 1 m m ，可通过更换不同厚度的隔套4 ，或者在两轴 承内座圈间装入一组厚度不同的调整垫片3 ，通过调整垫片的厚度来实现调整 轴承预紧度的目的【4 。 主动锥齿轮总成是主减速器的关键部件，装配主锥总成部分时，要求用较 大的力矩拧紧螺母，其在主动锥齿轮轴上产生的轴向力包括两部分，第一部分 是给圆锥滚子轴承加载，保证其预紧需要，第二部分则作用于轴承内圈、隔套 及调整垫片上。由于圆锥滚子轴承承受的轴向力一般为几千牛顿，因此，螺母 轴向力的大部分作用于轴承内圈、隔套及调整垫片上。调整垫片太薄则圆锥滚 子轴承分配的轴向力增大，造成预紧力矩过大，汽车运行时发热严重甚至烧坏 轴承，而调整垫片太厚则圆锥滚子轴承上分配的轴向力减小，预紧不足，降低 了轴系的回转精度，影响锥齿轮副的使用寿命，噪声增大。合适的调整垫片即 可控制主动锥齿轮轴上轴向力的分配比例，当主动锥齿轮锁紧螺母拧紧到规定 拧紧力矩范围内时，保证圆锥滚子轴承的预紧符合要求。 1 3 国内外现状 1 3 1 国外现状 据资料查询和广泛调研结果，国外尤其是发达国家的汽车生产厂家，很早 就开始了主减速器装配相关研究。汽车后桥装配线上自动主锥选垫机也早己广 泛使用，使其产品性能得到了可靠的保证。 在汽车主动锥齿轮轴轴承预紧及其隔套垫片选择方面，国外主要的研究方 向 5 】【司【7 l 【8 】是：轴承预紧力对旋转的主动锥齿轮轴的动态和静态特性参数的影响、 轴承部件的预紧方法和预紧力控制研究、在大批量生产线上预紧力控制器的实 现研究等。 从设备的使用方面，欧美和亚洲的韩国、日本等国的汽车企业，都拥有自 己先进的桥减速器总成装配线，其装配效率高、工作噪声低、使用寿命长，减 速器装配工艺标准明显高于国内。大部装配线自动化程度很高，自动输送，自 动上料，自动装配，部分零部件采用人工上料，机器装配；广泛采用先进的测 控技术与装备，进行在线测量：对垫片厚度、轴承预紧力、螺母拧紧扭矩、齿 侧间隙等进行现场在线测量调试：大量采用可控力矩的螺母拧紧机。总之，国 外驱动桥减速器总成装配线整线自动化程度高，突出特点是在线测量方法广泛 应用。 汽车产业发达国家的桥减速器总成装配质量普遍高于国内，分析原因不外 乎以下两种原因嗍：一是零部件加工质量高。国外先进企业精密的加工技术使 得制造误差很小，再通过严格的标准检验，获得高质量的零部件。这为装配后 产品获得优良的质量提供了必要条件。以汽车齿轮制造为例，国外先进企业的 制造精度比国内高一两个等级。二是多年积累的经验，为他们装配线上高水平 测控技术与装备的开发奠定了基础。高水平的在线测量方法是高质量的装配产 品的保证。 从后桥结构组成来看，国外比较先进的车型与国内相比，看不出有太大的 差别，比如，奥地利斯太尔( s t e r y ) 和德国奔驰( b l e r c e d e s - b e n z ) 重型汽车，意 大利依维柯( i v e c o ) 和日本五十铃( i s u z u ) 轻型货车，日本大发( d a i h a t s u ) 和铃 木( s u x u k i ) 微型汽车，也是通过添加调整垫片使主减速器的主从齿轮配合准确， 因此第二种可能性比较大，即国外先进企业通过其精密的加工技术制造出误差 很小的零部件，再运用精度高的装配设备进行组装，通过严格的检验，使得最 4 后的产品获得优良的质量。 由于技术保密等原因，除一些比较早期的资料外，难以得到最新的资料和 最近的研究进展情况 9 1 f 1 们。 1 3 2 国内现状 1 3 2 1 国内企业现状 汽车驱动桥主减速器的装配质量是影响整个汽车性能的一个重要因素。然 而到目前为止，国内相当一部分厂家，为了满足主减速器主锥总成的装配质量 要求，根据经验选择垫片，压装后检测预紧力矩来确定所选垫片的正确性，若 预紧力矩不符合要求，则拆卸主锥总成反复试垫试装；而为了满足主减速器主、 被动齿轮的啮合要求，大部分厂家采用涂粉、试垫方法选择主减速器壳体垫片， 再检查装配后啮合印痕是否正常，以确定所选垫片是否能保证主、被齿啮合良 好，否则应反复试装调整。这些方法过程繁琐，效率低下，难以适应现代汽车 行业的发展要求。 一汽、二汽、上汽等大型汽车集团的车桥生产企业，代表着国内桥减速器 装配的先进水平。相对来说，上汽集团从国外引进的桥减速器总成装配线较先 进，广泛应用在线测量技术，自动化程度较高。但投资巨大，适用于少品种大 批量，这些特点都不符合中国得实际。二汽集团的车桥生产企业在采用安徽江 淮自动化装备有限公司的装配线之前，最先进的减速器装配线是上个世纪八十 年代末的产品，线上采用的选垫机当时已经很先进，曾获得国家科技进步奖， 但是由于当时条件的限制，其所采用的铡控技术已经失去其先进性，己不能满 足现代汽车工业的要求。二汽集团自身研制的拧紧机测控系统稳定性不好，实 际上已经处于废置状态。 综合国内主要车桥生产厂家的技术现状，大部分企业己经意识到拥有自己 的装配测控技术和设备已经刻不容缓。结合中国国情，合肥工业大学等国内高 等院校和部分汽车企业的研发部门新研制的车桥装配线及线上测控设备，与国 内生产企业生产品种较多、中等批量的生产特点相适应，设备采用实用先进技 术，造价适中，在企业得到逐步的推广应用。 1 3 2 。2 国内研究现状 目前，国内开展汽车驱动桥及其主减速器装配、总成性能检测相关理论研 究和设备开发的单位主要有：合肥工业大学、电子科技大学、浙江大学和二汽 集团下属研发单位等。研究方向主要有以下几个方面： ( 一) 主锥轴承预紧垫片选择 为了提高主动齿轮轴的支承刚度，特别是轴向剐度，以保证后桥齿轮和轴 承的良好工作状态，要求主动齿轮轴螺母在满足工艺要求的拧紧力矩条件下， 主齿轮轴轴承应具有合适的预紧力矩 1 i i 。因此，除要求装配零件( 包括轴承座、 轴承、主齿轮轴、隔套等) 都达到各自的质量控制标准外，必须正确选择隔套垫 片厚度，且在消除主齿轮轴轴向间隙的同时，达到设定的预紧力矩。为此，电 子科技大学和台肥工业大学都开展了相关研究，建立了主锥选垫测量模型 1 2 1 1 3 】，开发了主锥选垫设备，设备根据相对测量( 比对测量) 原理，分别采用 p l c 和计算机控制。设备通过精确测量相关尺寸选择垫片，并优化垫片组合， 极大地提高了主动锥齿轮总成的装配质量。 很多因素影响汽车主锥选垫机测量准确度。关于主锥选垫机选出的最佳调 整垫片值的测量不确定度，电子科技大学进行了理论研究【l ”，从标准件尺寸、 压力和扭矩波动的补偿值和比较( 比对) 测量法的差值等方面，评定了标准不 确定度。文献 1 4 中提出，压力和扭矩波动的补偿值由实验得出，但尚未见相 关后续的实验研究。 ( 二) 主减速器壳体垫片预选 主、被动锥齿轮是否啮合良好，是影响汽车后桥主减速器的装配质量好坏 的另一个重要的因素。正确选择所用壳体垫片厚度，以保证主、从动齿轮间的 合适的啮合阐隙，是提高主减速器装配质量的关键之一。合肥工业大学和电子 科技大学等开展了主减速器壳体垫片预选相关研究，建立了选垫测量模型 lj s j i t 6 开发了主减速器壳体垫片预选设备，分别采用p l c 和工控机控制，测算 满足主、被动齿轮正确啮合所应垫垫片的总厚度，完成主减速器壳体垫片预选 工作，提高了主减速器的装配质量。 ( 三) 汽车主锥总成拧紧 针对国内原有汽车主锥总成拧紧自动化设备工作可靠性较差和效率低，高 档主锥拧紧机只有靠进口的状况，国内合肥工业大学和电子科技大学等院校开 展了自动拧紧的理论和应用研究，研制了新型全自动拧紧机【1 8 1 。从结构设计、 力矩参数测量、对孔检测、控制系统设计和扭矩控制方法等方面迸行了较深入 研究，采用了一系列的新方法，扭矩控制平稳精确，生产效率较高。 ( 四) 主减速器性能检测试验 安全性越来越成为汽车工业关注的焦点，对安全等性能的检测要求也越来 越高。目前，道路试验和台架试验两种检测方法基本上都是针对整车进行的。 驱动桥总成在线自动检钡8 系统则是在汽车生产过程中对驱动桥总成性能进行检 测，检测合格的车桥才用于装车。 合肥工业大学和浙江大学在主减速器和驱动桥总成性能检测试验方向上做 了大量研究，并取得了一定的理论和应用成剿1 9 】 2 0 】。主减速器性能检测试验系 统的研制，为控制中间环节，改进产品设计、制造和装配工艺，提高产品质量 提供了必要的技术装备。 6 1 4 本文研究的主要内容 如前所述，汽车驱动桥主减速器将变速后的动力分配到两边的驱动轮上， 实现减速、驱动、转向差速等功能，主减速器总成的装配质量直接影响汽车的 运行平稳性、噪声、寿命及能耗，因而提高车桥主减速器装配线自动化程度， 保证装配质量势在必行。 主锥选垫机是主减速器装配线上关键设备之一。为了提高主锥选垫机测量 准确度，应对诸多的影响因素进行理论分析和实验研究，本文从以下几个方面 内容进行研究，主要分析了影响主锥选垫机测量准确度的因素，为新型主锥选 垫机的研发工作奠定基础。 ( 1 ) 主动锥齿轮总成系统内载荷分析 本文第二章将分析装配主动锥齿轮总成( 如图卜2 ) 时，锁紧螺母拧紧至 规定扭矩，主动锥齿轮轴上产生的轴向载荷在轴承座、轴承、主动齿轮轴系统 中的分配关系。 ( 2 ) 影响主锥测量选垫机测量准确度的主要因素分析 主锥选垫机测量准确度影响因素诸多，第三章中，将对主动锥齿轮轴与上 下轴承内圈的配合过盈量、测量时轴承座转速、测量时轴承的润滑情况、隔套 的轴向刚度等因素进行分析；第四章中，将对测量时所采用的模拟正压力因素 进行分析。 ( 3 ) 实验规划研究 第三章中，将介绍采用正交试验法完成“主要影响因素试验”的方法，找 出主锥选垫机测量准确度各主要影响因素对测量结果的影响程度以及其排序； 第五章中将介绍模拟正压力对测量准确度影响的实验研究方法，找到针对具 体减速器主动锥齿轮总成的函数表达式，以达到精确弥补由于模拟正压力因素 导致的测量误差。 第二章主动锥齿轮总成系统内载荷分析 这里所说的内载荷分析是指在装配主动锥齿轮总成( 如图卜2 所示) 时， 锁紧螺母拧紧至规定扭矩，主动齿轮轴上产生的轴向载荷在轴承座、轴承、主 动齿轮轴系统中的分配关系。 2 1 概述 螺纹联接属于可拆卸性联接【2 ”，由于联接方法简单可靠而广泛地应用于很 多机构装配中。据有关统计，我国中吨位载货汽车的路试故障中，螺纹联接故 障占1 0 3 5 ，螺纹联接的平均故障间隔里程约为4 0 0 0 公里 2 2 】，与国外先进 水平相比存在明显差距，螺纹联接轴向预紧力的大小和精度越来越受到重视， 成为保证产品装配质量和联接可靠性重要指标。 在汽车传动系装配过程中开始采用扭矩一转角法控制轴向预紧力，但目前在 多数机械产品的装配中，多采用最经济的直接扭矩控制法间接实现轴向预紧力 的控制阳1 【2 4 1 。 对于主减速器主动齿轮轴总成，锁紧螺母拧紧后会在主动齿轮轴上产生一 个预紧力，这个预紧力会引起圆锥滚子轴承对的轴向变形，而测量选垫机在测 量时所采用的模拟正压力的大小可能会与这一预紧力差别很大，从而会对测量 选垫机的测量准确度产生较大影响。 下面先从螺纹副的受力分析开始。推导出由锁紧螺母的拧紧力矩引起的主 动齿轮轴上实际轴向力；再对实际轴向力在轴承座、轴承、主动齿轮轴系统中 的分配进行研究，最终得到由锁紧螺母的拧紧力矩引起的、用于预紧圆锥滚子 轴承对的压力和作用于隔套及垫片上的压力。 2 2 螺纹副受力分析 螺纹副力学分析计算可以简化为斜楔受力计算，螺母可以看作是绕在螺栓 圆柱体上的斜楔，螺母预紧时，其螺纹副作用力有作用于螺纹表面的正压力和 螺纹表面摩擦力，这两种力分布在整个螺纹副接触表面上，而进行受力分析计 算时，可以把这两种力视为集中作用于螺纹中径处【2 ”。由于用于机构联接及预 紧的螺纹牙型基本上为三角型螺纹，所以其受力图见图2 - 1 、图2 2 、图2 3 。 施加拧紧扭矩拧紧螺母时，要克服螺旋副问的摩擦扭矩z 和螺母支承面上 的摩擦扭矩e ，故所需拧紧扭矩t = z + 兀。 由图2 1 、图2 2 和图2 - 3 可知：两截面之间的夹角为螺纹升角i ，有以下 关系： n 五i踢 图2 - 1 螺栓受力示意图 天参 飞形 拶： t a n = t a n 声- c o s _ ( 2 - 1 ) 螺纹上作用有轴向力，和由拧紧扭矩造成的拧紧力e ( e = z i d 2 ) ，则螺纹 表面的法向压力e 为( f - c o s & + f s i n ) ) c o s f l ，沿螺旋线方向力的平衡条件是 2 6 ： f c o s f s i n z 一( f - c o s 2 + f s i n a ) c o s k 0 ( 2 2 ) 令# c o s f l = 7 = t a n p 7 ，把巧= 互呸代入整理可得克服螺旋副间的摩擦扭 矩z 为： 互= f - 啦t a n ( 旯+ p ) 2 ( 2 3 ) 式( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) 中，各个符号所代表的意义如下： a 一螺纹升角； 参一垂直嫘旋线截面内的牙型半角； 一螺纹间的摩擦因数； 一当量摩擦因数； p7 一当量摩擦角： 击一螺纹中径。 六角螺母支承面是一外径为历，内径为岛的圆环面，克服螺母支承面摩擦 扭矩z 为： 正= 鲁_ 可d i 面- d 0 3 式中：，舒一螺母与支撑面之间的摩擦系数。 故拧紧螺母所需的扭矩为： r = f 警，蚀c 五十们+ 争。簧鲁 a ， ( 2 4 ) 式可写成： t = k f d 其中：d 一螺纹公称直径5 卜戤融“= 2 d _ a d 2 t a n m 力旨1 1 2 n 将 2 d 、 7 3 dd l 。一d n 。 2 3 扭矩产生的实际轴向力 利用t = k f d 来确定拧紧扭矩值，虽然简单，但是由于扭矩系数k ( 由摩 擦系数和螺纹精度共同决定的系数) 只是宏观上反应拧紧过程中的扭矩与轴向 预紧力的关系的系数，显然获得的轴向预紧力极不准确。轴向预紧力受摩擦系 数影响特别大，这是因为： 对于平衡式( 2 - 2 ) ，把f = 正r 2 代入，则有： 互巧屹。 s i n 2 丽万+ 忑。再c o s 面t c 瓦o s f l 万 一般而言，粗牙的螺纹升角 小于3 。，细牙螺纹的螺纹升角且小于2 。3 0 。 而由( 2 1 ) 式t a n = t a n c o s , z ，= 3 0 。所以。s i n , ! , c o s 很小，可 以忽略，则乃可写成 五邓印 t a n 2 + 上。别 毋l ( d ：2 t a n 2 + 。r 。2 。 k t _ 由螺距p = 丌d 2 - t a n 2 ，可得。 z ：f f 三+ 立竺1 l 2 石c o s l 3 j 则 嘲+ 正巧j 去+ 笳w 霸d i _ 丽1 ) 0 3l 由此式可以看出，施加的拧紧扭矩用于3 个部分：用于拉伸螺栓的扭矩之二_ ； 用于克服螺旋副摩擦作用的扭矩! 笺；用于克服螺母与被联接件之间的摩擦 c o s 作用的扭矩曼箦群。带入常用标准紧固件的尺寸和摩擦系数，可以看 出，用于拉伸螺栓的扭矩仅占1 5 左右( 一般1 3 2 2 ) ，而用于克服螺旋副 摩擦作用的扭矩和用于克服螺母与被联接件间摩擦作用的扭矩占8 5 左右，这 说明轴向预紧力或拧紧扭矩与摩擦系数有密切关系，对摩擦系数的变化非常敏 感，摩擦系数的较小变化，将使轴向预紧力发生较大的变化。大量的试验和实 践经验也证明了上述结论【2 7 】。 因此，主减总成锁紧螺母拧紧时，被联接件之间的压紧力可以根据t = k f d 来计算，在丁和d 已知的情况下，就可以确定拧紧力矩所产生的轴向夹紧力了， 此时，f = 。但是由于足值无法精确确定，一般是根据所参考的设计手册 中的推荐值( 一般在0 1 0 3 之间) ，再结合实际情况，但是由于确定出来的 五值受到螺纹制造误差等不确定因素的影响，所以所确定的扭矩值也是一个估 算的值，因此，必须要选择合理的拧紧工艺，在保证螺纹制造精度的情况下， 优化拧紧工艺消除摩擦力等不确定因素的影响。 2 4 轴向力在主动锥齿轮总成中的分配 图2 4 轴承座、轴承、主动齿轮轴系统的力学关系 如图2 - 4 所示，f 为主锥锁紧螺母在拧紧力矩t 的作用下主动锥齿轮轴上 产生的轴向力；蜀为轴承所需的预紧力，即轴承座内挡肩作用于轴承外圈的力； 乃是由隔套、调整垫片和轴承内圈承受的轴向力；主动锥齿轮总成中轴承内圈 与主动锥齿轮轴之间是过盈配合，装配的时候存在径向的装配应力，因此在轴 承内圈与主齿轴之间还存在轴向的摩擦力啊整个轴承座、轴承、主动齿轮轴 系统的力学关系基本上为：f = e + e + f ，。 主锥总成中轴承内圈与主动齿轮轴之间过盈配合引起的轴向摩擦力凡可 根据式( 3 - 8 ) 和式( 3 - 9 ) 进行计算；明显的，有f + e = f e 。对于不同 的轴承和不同产品的装配要求，一大小有一定的差别。一般的，局约从2 ，0 0 0 n 到4 ，0 0 0 n 不等【2 ”。对于轴承预紧力乃和隔套( 含垫片) 所承受的压力局之间 的分配关系，由于日相对于f 2 很小【2 8 1 ，也就是说，主齿螺母产生的轴向力几 乎全部施加到隔套上，可以得出e = f 一只一f * f e 。 2 5 本章小结 本章从螺纹副受力分析入手，分析了当主动锥齿轮总成锁紧螺母拧紧至规 定扭矩时，主动锥齿轮轴上产生的轴向力的大小，进一步分析了此轴向载荷在 轴承座、轴承、主动齿轮轴系统中的分配：乃为轴承所需的预紧力，即轴承座 内挡肩作用与轴承外圈的力；乃是由隔套、调整垫片和轴承内圈承受的轴向力； 毋轴承内圈与主动齿轮轴之间的轴向摩擦力。其中，轴承所需的预紧力乃是第 四章和第五章分析正压力因素对测量准确度影响的理论基础；隔套、调整垫片 和轴承内圈承受的轴向力乃是分析隔套刚度和轴承内圈刚度因素对测量准确 度影响的基础。 1 2 第三章主锥选垫机测量准确度主要影响因素分析 3 1 主锥选垫机及其测量准确度影响因素 主动齿轮轴的刚度是决定汽车驱动桥主减速器装配质量的关键因素之一。 为了保证主动齿轮轴有足够的刚度，较轻主、被动齿轮啮合传动的冲击噪声，保 证主轴的传动精度、速度性能和使用寿命等，必须适当预紧主动齿轮轴的一对 圆锥滚子轴承。当前，一般采用在轴承内全隔套基础上添加适当厚度的垫片的 方法 2 ”，来调整圆锥滚子轴承对的预紧载荷。因此，正确选择适当厚度垫片， 是提高主减速器装配质量的关键之一。 以前，很多生产厂家采用人工测隙、试垫选垫法【30 1 ，其过程繁琐、劳动强 度高、调整精度低、返工率高。因此，为了提高选垫效率和装配质量，研制相 关选垫设备成为必然趋势。经多年发展，汽车产业发达国家相关产品发展也相 对成熟。近些年来，合肥工业大学和电子科技大学等国内高校开展了相关研究， 研制了汽车主锥选垫设备。一般采用安装前测量法，这一方法有简单方便的特 点，但对估计主动锥齿轮总成( 如图卜2 ) 系统安装后的变形量估计不足，只 能通过测量前模拟、测量后补偿等方法弥补，难以做到精准测量、选垫。有必 要对测量过程影响因素做认真的分析研究。 课题组研制的自动化程度较高的汽车后桥主减速器主锥选垫机，采用工控 机控制，完成测量、计算、智能组垫，保证在锁紧螺母拧紧时圆锥滚子轴承有 满足要求的预紧力矩。其操作简便，调整精度高，提高了主减速器装配质量。 该机一次性选垫成功率约为8 5 ，处于国内先进水平。 测量机由主机和辅机两部分组成。具体测量方法是：两个圆锥滚子轴承的 外圈压入轴承座之后，主机采用相对测量原理，借助标准的测量工装辅具，并 施加压力f 模拟锁紧螺母拧紧后对圆锥滚子轴承对产生的压力作用，同时旋转 轴承座，以消除轴承滚子与内外圈不完全贴合等偶然误差，测得两圆锥滚子轴 承内圈间的距离上，。与此同时，辅机测出隔套的高度上口。主机和辅机分开测量， 但为了方便表示，图3 1 中将三，和上? 表示在一起。 垫片的厚度占= 厶一三2 + 厂( f ，w ，p l ，p 2 ，r ，聊k ) ，f ( f ，w ，p l ，p 2 ，r ，m k ) 是 一个多变量函数，其中： f 表示测量时所采用的模拟压力，它的大小影响轴承、轴承座系统轴向压 缩量，影响测量准确度； w 表示测量时轴承座在旋转力矩m ( 见图3 - 1 ) 作用下的转速，旋转测量 利于轴承滚子与内外圈的贴合，提高测量精度；同时不可避免地带来振动，不 利于测量准确度的提高： p l ，p 2 分别表示主动锥齿轮轴与上、下轴承内圈的配合过盈量。过盈量的 大小影响安装到主动齿轮轴上后的内圈轴向变形量，从而影响测量选垫准确度； ，表示测量时轴承的润滑情况，如干摩擦、半干摩擦、润滑良好等情况。润 滑状况不同，轴承座旋转时的振动就不同，可能会影响测量选垫准确度； h 图3 - 1 主锥选垫机测量方式 聊表示轴承座的材料。不同的材料在力的作用下，变形状况和变形量大小 不同，因而它也是测量选垫准确度的潜在影响因素之一； 盘表示隔套的轴向刚度。隔套的轴向刚度决定着隔套在受到轴向力的作用 下的变形量，进而影响测量选垫准确度。 由于厂函数变量过多，难以通过理论推导建立准确、通用数学模型。长期以 来，国内主锥选垫机绝大多数是通过试测找“规律”，得出对测量结果的“综合 补偿值”，难以保证结果的准确度。只能通过实验方法，找出各实验因素对测量 结果的影响程度和影响大小顺序。第3 2 章节中将采用具体实验方法正交 试验法，对影响测量选垫机测量准确度的几个重要因素进行研究。 本章后续部分将就主动齿轮轴与上、下圆锥滚子轴承内圈的配合过盈量口， 和肋、轴承的润滑状况，、测量时轴承座的转速w 、隔套的轴向刚度七等因素对 澳4 量准确度的影响进行分析。第四章将详细分析模拟正压力对测量准确度的影 响，为第五章的实验研究模拟正压力对测量准确度的影响奠定理论基础。 3 2 测量准确度主要影响因素的试验研究方法 理论上，可以通过仿真模拟等方法就主动齿轮轴与轴承内圈的过盈量、测 量时轴承的润滑状况、隔套刚度、测量时的模拟正压力和轴承座转速等因素对 测量准确度的影响进行分析( 见第3 3 章节和第四章) ，然而，由于锁紧螺母和 主动齿轮轴末端与锁紧螺母配合螺纹、隔套、轴承的滚予、滚道和内外圈甚至 调整垫片等零件加工质量往往不尽如人意，因而实际受力状况更加复杂，并且 各因素之间可能存在交叉影响。所以，有必要对测量准确度主要影响因素进行 试验研究。将此试验称为“主要影响因素试验”。 本节将首先简单介绍正交试验法，其后将采用正交试验法对试验进行规划， 明确试验目的、因素和因素水平、指标，完成正交试验表格设计，为后续实验 的开展打下良好的基础。 1 4 3 2 1 正交试验；去【3 1 】【3 2 】 正交试验法是研究与处理多因素试验的一种科学方法。它在实践经验与理 论认识的基础上，利用规格化的表格正交表，科学地优化试验条件，合理 安排试验。其突出优点在于能从很多试验条件中选出代表性强的少数次条件， 并能对少数次试验条件的分析，找出较好的生产条件即最优或较优的试验方案。 我国工业企业，特别是化工、纺织、医药、电子、机械企业，正交试验法 的应用也取得相当的成就。针对田口型正交试验设计法计算复杂的问题，中国 数学家张里千教授发明的中国型正交试验设计法，由于应用计算简便的极差分 析法，非常适合工业企业和生产现场应用。 3 2 1 1 相关概念 ( 一) 试验因素 试验因素又叫试验因子。当试验条件变化，试验考核指标也发生变化时， 影响试验考核指标值的量称为试验因素( 因子) ，一般记为a 、b 、c 等。 试验因素可以理解为试验过程中的自变量，从广义上讲，试验因素可理解 为若干变量间的某种确定关系。试验因素按其是否可以量化分为：可以按数 量表示的定量因素；难以按数量表示的定性因素。按试验因素是否可以控制 或调节分为：所处的状态可以控制或调节的可控因素；所处的状态能控 制或调节的不可控因素。 在正交试验设计应用过程中，如无特殊规定，因素一般是指可控因素。在 试验过程中只考察一个因素对试验结果( 考核指标) 影响的试验，称为单因素 试验。若同时考察两个以上因素