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电于科拄大学碾士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫帆研制 摘要 为了保证汽车后桥主锥总成装配质量，在总成装配工艺中，既要保证预紧刚 度在规定的值内，又要保证主动锥齿轮与从动锥齿轮有良好的啮合状态。作为一 种经济适用方法，多数车型的这些装配工艺要求是通过加减调整垫圈来实现的。 目前，国内汽车后桥的生产线上，仍有不少厂家采用手工测量凭经验选挚方式 制约产品质量进一步提高，生产效率低，更不能适应于自动化生产方式。 本文根据一汽山东汽车馥装厂蓬翔牌多车型主动锥齿轮总成的结构特点，设 计并研制成功用丁自动化生产线的e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机，结束了该厂一直 凭手工选垫的历史，实现了刚度调整垫片的最优选择，显著地提高了主锥总成的 装配质量。 本文首先介绍了e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机的工作原理，其中重点介绍了圆 锥滚予轴承刚度及预紧和通用型主锥选垫原理。接着详细地介绍了实现选垫动作 的硬件结构设计，特别对各个结构部分所发挥的功效和原理作了较为细致地剖 析。最后深入解析了系统软件设计，重点是围绕进垫工艺所进行的p l c 控制系统 设计。 本文所研制的两台设备分别于2 0 0 3 年3 月和1 0 月通过项目组验收，在交付 现场进行了各项数据测试，所测数据均达到预定要求。该设备投入车桥生产线， 性能稳定可靠。 关键闻：主减速器，主锥总成，刚度，调整垫片，p l c 电了科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 a b s t r a c t i nt h ed r i v eb e v e lp i n i o na s s e m b l yo ft r u c k 血ed e s i r ei sd e f i n i t e l yp r e s e n t f o rn o t0 n l ys t i f i n e s so fp r e l o a d ，b u ta l s op r e c i s es i t u a t i o no fap a i ro ft a p e r e d g e a ri no r d e rt og u a r a n t e eq u a l i t yt h ed e s i r ei sr e a l i t i e dt h r o u g ha d d i n go r m i n u s i n ga d j u s t a b l es p a c e r si nm o s to f t r a c k h o w e v e r , i ti su s u a l l yd e c e i d e d b y h u m a na n de x p e r i e n c ei 1 1o u rc o u n t t y t h eq u a l i t yc o m e sf r o ms 1 ( i l l so f0 p e r a t o r a n dv a r i e si n t e n s e l y c o m b i n e dw i t ht h es t r u c t u r eo fs e v e r a la u t o m o b i l ef e a rb r i d g ed r i v i n g b e v e lp i n i o nb e a r i n g si nf a w s h a n d o n gs p e c i a la u t o m o b i l ew o r k s t h ep a p e r m a n a g e st od e s i 印a n dm a n u f a c t u r eg e n e r a lt y p es p a c e rs e l e c t o r sf o rp i n i o n g e a r si na u t o m o b i l er e a rb r i d g e w h i c hw o r ki nt h ea u t o m a t i ca s s e m b l e1 i n e ，i t e n d su pt h ef a c t t h a ta d j u s f i n gs p a c e rs i z ei sd e c e i d e db yh u m a ns e n s a t i o n ， r e a l i z e st h eo p t i m u ms t i f i n e s ss p a c e r sc h o i c ea n dp r o m o t e st h eq u a l i t yo ft h e a s s e m b l y 。 f i r s t t h em a c h i n ew o r kp r i n t i i ) l ei si l l u m i n a t e di ut h i sp a l ：l e r t h i ss e c t i o n s p e c i n l ya n a l y z e st a p e r e dr o l l i n gb e a r i n g ss t i f f n e s s ，p r e l o a da n dp r i n c i p l eo f s e l e c t i n gt h ea a j u s t i n gs p a c e ro ft h ea x l ep i n i o n s e c o n d l y , t h e a u t h o r i n t r o d u c e sp a r t i c u l a r l y 雹s t 3 0 0 ”h a r d w a r ed e s i g n a n dm o r e f u n e t i o na n d t h e o r ya r ea n a l y z e dd e e p l ya tt h ee n d 、t h ea u t h o rp r e s e n t s “e s t 3 0 0 p l c s o f t w a r ed e s i g ni nt h el i g h to fs e l e c t i n gt h es p a c e r sp r o c e d u r e t w om a t h i n e sf i o mt h i sp a d e rh a v eb e e nc h e c k e da n da c c e p t e di np e n 2 l a i t o w n ，s h a n d o n gp r o v i n c ei nm a r a n do c t 2 0 0 3 i nt h ef a e t o r y , t h em a c h i n e s c h a r a c t e rd a t aa r et e s t e d a 1 1t h ed a t am e e tt h ed e m a n d s 1 1 1 em a c h i n e sh a v er n n s t e a d i l ya n dr e l i a b l ys i n c et h e i rh a n d o v e r s k e yw o r d s ：m a i nr e d u c i n gg e a r , p i n i o ng e a ra s s e m b l y s t i f f n e s s ，s p a c e r , p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取季导的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括 为获得电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示谢意。 签名： 日期：年月 日 关于论文使用授权的声明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容便如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应遵守此规定) 。1 签名： 导师签名二 日期：年月日 日期：年月日 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 第一章绪论 本论文是在先后研制成功两台e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机的基础上撰写而成 的。 主锥选垫机用于汽车后桥装配线上，其功能是自动选择调整垫片厚度，实现 汽车主动锥齿轮总成刚度的优化调节。汽车主动锥齿轮总成的使用性能与寿命由 其刚度和温度确定，而这两者又与锥轴承的预紧力直接相关。大的预紧力可能增 加主锥总成的刚度和平稳性，但不可避免地使总成温度升高，大大降低了总成的 使用寿命。如果预紧力过小，则会降低主锥总成的传动精度，影响主、从动齿轮 的正常啮合，加速齿面磨损，且会使锥轴承局部摩损增大，这样，既降低了汽车 的使用性能，也降低了总成的使用寿命。因此，如何保证主锥总成中锥轴承的预 紧力在规定的范围内，是问题的关键。 图1 1 所示为汽车后桥主减速器中两种常用的主锥总成结构类型。为了叙述 方便，图1 a 、1 b 主锥总成分别简称为i 型和i i 型，其支承刚度直接影响主减速器 中螺旋锥齿轮付的啮合性能。根据在装配工艺过程中轴向预紧力的作用异同，i 、 图( a )i 型主锥总成 图( b )i i 型主锥总成 1 圆锯蒗子轴承内圈2 滚子轴承 3 圆锥滚子轴承外圈4 锁紧螺母5 轴承座6 调整垫片7 隔套( 套筒) 图1 主锥总成结构 i i 型主锥总成刚度调整垫片的选取原理是不同的。用力拧紧锁紧螺母时，如图所 示i 型主锥的螺母产生的轴向力一部分作用在圆锥滚子轴承内圈及其之间的调 整垫片上，另一部分作用在圆锥滚子轴承内圈、滚子、外圈和轴承座上，该部分力 的大小将决定轴承的回转阻力矩；同样条件下i i 型主锥螺母产生的轴向力一部分 作用在主锥齿轮芯轴台阶与圆锥滚子轴承内圈和调整垫片上，另一部分与i 型受 4 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 力情况相同，作用在圆锥滚子轴承内圈、滚子、外圈和轴承座上，该部分力的大小 也将决定轴承的回转阻力矩。若主锥齿轮芯轴台阶的实际尺寸大于公称尺寸 ( 相当于所垫垫片加厚) ，则i i 型主锥的轴承外圈和轴承座预紧不够，造成主锥 总成刚度下降：若芯轴台阶尺寸偏小，则i i 型主锥的轴承内圈和圆锥滚子预紧力 矩过大，轴承转动时会升温过高。因此在实现刚度调整垫片的最优选择时，】i 型 结构的调整垫片选取需在i 型垫片影响因素之外考虑主锥齿轮轴的轴向误差。 本文讨论的问题来源于一汽山东汽车改装厂后桥生产线对3 0 0 ( 巾8 0 ) 、3 0 0 ( 中7 5 ) 、3 2 6 、4 5 7 ( 中) 、4 5 7 ( 后) 、4 3 5 ( 中) 、4 3 5 ( 后) 、d a 4 8 5 等八种主锥 总成的装配选垫测量要求，论文的工作是基于主锥总成刚度调节理论，在以往的 研究成果的基础上所作出的改进和推广，即在以往的一些经实践证明有效的、比 较成熟的技术基础上，根据实际需要作进一步变化、发展和应用，从而开发出通 用型自动主锥选垫机。 i i 国内外主锥选垫问题的发展状况 i i 1 研究进展与方向 从收集的资料来看，目前，国内外对圆锥滚子轴承预紧的研究方向主要是轴 承预紧力对旋转主轴的动、静态特性的影响，轴承部件的预紧方法及预紧力的控 制装置。 ( 1 ) 预紧力对旋转主轴的动、静态特性的影响 预紧力对主轴系统各项特性，尤其是对回转精度、静刚度、热特性和动态特 性的影响，轴承预紧力在主轴运行过程中的变化机理和规律，轴上构件对轴承预 紧力的影响规律等理论问题，以及轴承预紧力的在线测量、最优化等应用性问题， 近来在工业发达国家中得到了广泛的重视和研究，并取得了一些实用性成果。国 内浙江大学机械学院也已开始对这些问题进行研究。 ( 2 ) 轴承部件的预紧方法及预紧力的控制的研究 对于预紧力的控制装置的研究，国内外学者进行了大量的理论探讨和实践工 作。研制的控制装置从控制形式上可分为两类：一类是从改变轴承结构的观点出 发，代之以特种轴承，如美国t i m e k e n 公司研制的液压挡圈圆锥滚子轴承可通过 调节油压来调节轴承的工况预紧力。根据类似的原理，德国的u k f 公司与 b t u c k h a r d t & w e b e r k g 公司也研制了各自的新型轴承并登记了专利。据称它们都 能实现对主轴轴承预紧力的在线控制。但由于轴承既作为主牺回转支承部件，又 是预紧力控制的执行部件，故在轴承出现正常或非正常磨损和疲劳损坏时，更换 轴承势必要重新调整整个控制系统，这将给维修带来很大的麻烦。此外，特种轴 2 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 类是独立制作预紧力补偿装置，最简单的方法是用弹性中间环来代替传统的中间 环，如德国g m n 公司的预紧力控制器就是借助油腔的油压变化来调整预紧力的 1 1 2 国外情况 由于技术保密或者其它原因，目前我们只得到国外先进汽车企业早期的关于 后桥生产或相关技术的比较详细的资料，因此只能通过侧面来推测这些企业所用 技术。 从产品质量来看，国外同类后桥一般有更长的寿命，更小的噪音，可见国外 技术确实更好。分析原因不外两种可能：一是国外采用了特殊结构；二是国外的 制造装配精度更好。比如在汽车齿轮制造上，国外先进企业的制造精度比国内要 高一两个等级。 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( m e r c e d e s - b e n z ) 重型汽车，意 大利依维柯( r 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，使得最后的 产品获得优良的质量。 1 1 3 国内情况 目前国内几家大型汽车企业所用的汽车技术大多是沿用以往技术或在8 0 年 代整车或关键大总成技术从国外引进，其技术水平现与国际先进水平有一定差 距。从掌握的文献资料来看，国内虽然对齿轮配合精度与寿命关系的研究比较多， 但对后桥制造自动化技术的研究却很少，相应的专用设备的研制首见于本院研制 的汽车主锥齿轮装配位置测量机、汽车后桥主锥用垫片自动分选机、汽车主锥自 动选垫机、汽车半轴自动选垫机等设备。 汽车主锥齿轮装配位置测量机是用于汽车主锥总成的装配过程中的专用测 试设备，它用来准确地测试主锥齿轮的安装尺寸、位置，从而选出保证齿轮副啮 合精度的最佳调整垫片值。该设备能准确地选出保证主锥齿轮啮合精度的调整垫 片。 汽车后桥主锥用垫片自动分选机适用于分选不同车型、种类与零件号的精密 垫片，把同类件号的垫片又迸行更细的分组，使得垫片的厚度及平行度更为确 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥造垫机研制 垫片，把同一类件号的垫片又进行更细的分组，使得垫片的厚度及平行度更为确 定，从而满足主锥装配的要求。 汽车主锥自动选垫机用于汽车后桥主锥总成装配线上。该设备提出了一种自 运选垫动态模拟测试模型，采用比对测量法，设计了自动对中和夹具定位的机构， 通过高性能工业控制计算机测算出汽车后桥主锥总成的装配参数，自动选出保证 圆锥滚子轴承预紧负荷的最佳调整垫片值，代替了现行的人工试凑选垫工序。 汽车半轴自动选垫机用于半轴的安装，它通过自动测试桥壳孔深及半轴长 度，然后计算出添加于半轴轴承上的预紧垫片，从而保证添加了垫片的半轴轴承 具有适当的预紧度。 以上设备均用于后桥装配，它们的应用使标志了我国汽车后桥生产的自动化 水平的提高。 1 2 关于通用型主锥选垫机 通过查询资料和调研，以前所研制的设备使用范围仅仅适用于i 型主锥总成， 无法适用于生产线的多品种生产能力要求。本文根据一汽山东汽车改装厂的车桥 生产线的实际情况，通过增加一个测量主锥齿轮轴台阶高度的装置，成功解决了 主锥轴承刚度调节与主动锥齿轮轴误差相关或不相关两种结构类型的主锥选垫 兼容性问题，研制成功了一种通用型主锥选垫机，进一步完善了其性能和拓宽了 应用前景。该主锥选垫机已成功应用于一汽山东汽车改装厂的车桥生产线上，可 方便地根据产品类型选择测量模型，大大地提高了生产线的品种适应能力。该设 备采用p l c 控制，用图文显示单元显示各项过程参数、选垫结果及故障信息，操 作简便，运行稳定可靠，对提高汽车驱动性能有重要意义。 4 皇至型垫盔兰婴主兰苎 ! ! 旦塑望星型圭丝塑兰! ! ! 塑 第二章汽车后桥总成的结构及其装配工艺 e s t 3 0 0 型主锥选垫机用于测量载重汽车驱动桥的主减速器主动锥齿轮的支 承轴承对的内圈之间的间隙，在线给出最佳的调整垫片厚度值，确保主锥总成的 预紧阻力矩符合要求。为了分析主锥总成的预紧力情况，有必要对汽车后桥结构 及其装配工艺进行简要介绍。 2 1 汽车的基本构架及后桥结构 常用汽车在总体上一般由四部分构成：发动机、底盘、车身、电气设备。发 动机为整个汽车系统提供基本的动力。底盘是整体框架的支撑，接受并传递发动 机传来的动力，控制行驶方向。车身用于安置驾驶员、乘客或货物。电气设备用 于点火、照明、娱乐或通讯等。现代先进汽车还装有以电脑为中心的自动控制系 统。底盘主要由传动系、行驶系、转向系和制动系组成。传动系的基本功用是将 发动机产生的动力传给汽车的驱动车轮，产生驱动力，使汽车能以一定速度行驶。 底盘的布局有不同方式，若把发动机置于前部，驱动机构置于后部，则称为前置 后驱，本文所讨论的内容均限于此种结构。对于前置后驱的汽车来说，发动机产 生的转矩依次经过离合器、变速箱、万向节、传动轴、主减速器、差速器、半轴 传给后车轮，后车轮得到转矩便给地面一个向后的作用力，并因此而受到一个向 前的反作用力，这个反作用力就是汽车的驱动力，所以后轮又称为驱动轮。载重 汽车的前轮与传动系一般没有动力上的直接联系，因此称为从动轮。 前置后驱的驱动桥在本文中简称为后桥，后桥一般由主减速器、差速器、半 轴和驱动桥壳等组成，是传动系统的最后一个总成。后桥的作用是将万向传动装 置传来的发动机转矩传给驱动轮，并经降速增大转矩、改变动力传递方向，使汽 车行驶，而且允许左右驱动轮以不同的转速旋转。后桥主动锥齿轮总成( 简称主 锥总成) 由主减速器、差速器等组成，主锥总成位于汽车后桥最前端，是汽车动 力传动中的关键部件，其好坏直接关系到汽车后桥的效率与寿命。 主减速器由对锥齿轮副组成，齿面常采用准双曲面。其功用是将万向传动 装置传来的发动机转矩变向并传给驱动车轮，实现降速以增大转矩。主减速器按 减速齿轮副对数，有单级式和双级式主减速器。按传动比挡数，有单速式和双速 式主减速器。按齿轮副结构，有圆锥齿轮式和准双曲面齿轮式主减速器。 单级主减速器结构简单、体积小、质量小和传动效率高。要求齿轮副要有正 确的相互位置、足够的支撑刚度和便于啮合调整。图2 1 所示为典型中型货车后 桥的单级主减速器，减速齿轮是准双曲面齿轮，主减速比6 3 3 。小端相对的圆锥 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 图2 1 单级主减速器结构图 滚子轴承和固定主动锥齿轮，轴承中间用隔套和调整垫片隔开。叉形凸缘的内花 键套在主动锥齿轮轴外花键上，并用花槽螺母固定。两轴承间调整垫片的厚度可 调节圆锥滚子轴承和固定主动锥齿轮的预紧度，直至用手能转动叉形凸缘，无卡 滞现象为止。从动锥齿轮用螺钉固定在差速器壳上，差速器壳由两半壳体构成， 用螺栓合成一体，中间是安装差速器的空间。差速器壳用大端相对的圆锥滚子轴 承支撑在主减速器壳上。用特殊工具同时松、紧左右轴承调整螺母，可调节轴承 预紧度，直至用手能转动从动锥齿轮无卡滞现象为止。将调整好的主、从动齿轮 装配到一起时，用增减调整垫片的厚度来调节主、从动齿轮的纵向啮合深度，用 一松一紧左右轴承调整螺母来调节主、从动齿轮横向啮合深度，调整至主、从齿 面正反转啮合印记( 红丹油) 均出现在靠齿面小头端、2 3 齿长的齿高中部略靠 上处为止。转动主减速器无卡滞现象，转动阻力要均匀。支撑螺栓旋入后，端面 与从动锥齿轮背平面问间隙在o 4 m m 左右，支撑螺栓作用是阻止从动锥齿轮受 力时产生过大的弯曲变形而影响主、从动齿轮啮合精度。 差速器由四个差速器齿轮组成行星系，它的作用是使汽车在转弯行驶或在不 平路面上直线行驶时，使左右后轮的转速不同，从而减少轮胎磨损和动力消耗， 优化转向和制动性能。 半轴是在差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴，其内端与差速器的半轴齿 轮连接，而外端则与驱动轮的轮毂相连。 6 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 驱动桥壳的功用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等，使左右驱动车轮 的轴向相位置固定；并与从动桥共同支承车架及其上的各总成重量。驱动桥壳可 分为整体式桥壳和分离式桥壳。 2 2 主锥总成的结构及其装配 主减速器又称主传动器，它由一对弧齿锥齿轮组成，其作用是降低速度，增 大扭矩，改变旋转轴线方向，以保证汽车有足够的牵引力和合适的速度。其中， 主动锥齿轮总成( 简称主锥总成) 是指汽车主减速器中主动弧齿锥齿轮的支承轴 系，主减速器的主动伞齿轮与其轴是制成一体，一对单列圆锥滚子轴承布在齿轮 的一侧，主动齿轮是悬伸在轴承之中，为悬臂式支承法。其结构可参考图1 。 由于主动螺旋伞齿轮和从动螺旋伞齿轮副在传动过程中，必须保证正确的相 对位置，才能保证良好的啮合状态。故在装配时，一方面要保证主、从动齿轮有 足够的支承冈6 度，使其在传动中不发生较大的变形而影响正常啮合；另一方面应 考虑装配组件加工时误差的离散性，因此装配时应计算这些差值，用调整垫片进 行调整，保证正确的啮合位置。 支承主从动螺旋伞齿轮副的两对单列圆锥滚子轴承装配时，在消除了轴承间 隙的基础上，还应给予一定的预紧力。其目的是为了减少伞齿轮在传动中产生的 轴向推力所引起的轴向位移，以提高轴承的支撑刚度，保证锥齿轮副的正常啮合。 但预紧力不能太大或太小，若过大，则圆锥滚子轴承的摩擦力矩随之增加，温度 升高，轴承的磨损加速，从而大大降低主锥总成的使用寿命；若过小，则主、被 动弧齿锥齿轮的齿面啮合精度和平稳性降低，且会产生冲击使圆锥滚子轴承的局 部磨损增大，达不到提高支承系统刚度的要求，从而也降低齿轮付及主锥总成的 使用寿命。 许多车型的后桥总成装配中，为便于调整主锥总成的预紧度及保证主动锥齿 轮与从动锥齿轮正确啮合，采用配置不同的调整垫片，以进行调整。目前在我国 大多后桥生产线上，选择调整垫片是靠人工来完成的。现行的汽车主锥总成圆锥 滚子轴承装配工艺如图2 2 所示，分两步： 第一步：将一套待装轴承、轴承座霞于压床上，中间加有隔套4 和一组垫片 2 。该垫片厚度一般由人工根据一批产品的情况选取。加压4 5 t ，人工转动轴承 座8 ，用专用测试仪用专用测试仪测定扭矩m 。如果偏紧，就卸下上面的轴承， 换取尺寸大的垫片2 ，重新调整。如果偏松，换取尺寸小的垫片，反复试凑，调 整到满足产品要求为止，即选到了合适厚度的调整垫片2 。 第二步：将此组轴承、轴承座、隔套、垫片按选垫位置压入主锥齿轮轴上。 该选垫工艺仅适用于i 型主锥总成。对i i 型主锥总成，则必须连同主锥齿轮轴一 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 起完成试凑工作。 1 压床压头2 调整垫片3 圆锥滚子轴承外圈 4 隔套5 定位夹具6 圆锥滚子轴承内圈7 滚子轴承8 轴承座 图2 2 装配工艺图 2 3 后桥总成装配 如图2 3 所示，将选好的调整垫片、圆锥滚子轴承、轴承座总成装在主减速 器上，然后在自动化生产线上将装好的主减速器总成装入桥壳里。为了验证装配 质量好坏，一般装好的后桥总成都要放在驱动桥实验台上进行各项性能核实。 图2 3 后桥总成装配图 8 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 第三章刚度调节原理 汽车主锥总成是由主动锥齿轮及一对双列圆锥滚子轴承等组成，衡量其性能 好坏的一个重要标志是刚度，较好的刚度是汽车后桥生产线追求的目标之一。在 装配工艺中，通过预紧来调整主锥总成的的刚度，这也是圆锥滚子轴承的使用特 点之一。预紧过度或预紧量太小都会对系统的运行造成不良影响。圆锥滚子轴承 在承受径向力时会产生附加的轴向分力，因此一般成对使用。在工程实践中，圆 锥滚子轴承的安装方式和预紧量的大小应根据轴承承受载荷的情况和使用要求 来确定。圆锥滚子轴承预紧力和刚度之间的关系与向心球轴承不同，单个圆锥滚 子轴承不论如何预紧，都不能增加其刚度。 3 1 预紧 预紧是使轴承滚动体和内外套圈产生一定的预紧变形，以保持轴承内外套圈 均处于压紧状态。在一个主轴系统中，主轴系统不受外载荷作用时，轴承中滚动 体对外圈的作用力称为轴承预紧力。预紧力的大小和方向随轴承类型、装配条件 及运行状况的不同而不同。在圆锥滚子轴承中，有径向和轴向预紧力。轴承按设 计要求，在装配时获得的预紧力称为装配预紧力。轴承预紧程度的不同，直接影 响套圈与滚动体的接触状况，引起轴承的载荷分布、接触刚度、摩擦与润滑状态、 发热程度、阻尼以及固有频率等一系列特性参数的变化。随着轴承这一系列特性 参数的改变，立即会对整个轴系的工作性能产生影响。适当的预紧有助于提高轴 承的工作性能。 3 1 1 适当预紧可以提高刚度 ( a )( b ) 图3 1 问隙过大与间隙合适的轴承 9 皇王型垫查堂堡主笙奎 ! ! ! ! ! ! 望星型圭堡垄兰! ! ! 塑 圆锥滚子轴承在没有预紧时，燕子与外圈之间有一定的游隙存在a 如果此时 对轴承加以外载荷p ，则只能有载荷p 所指向的少数几个滚子受力( 见图3 1 a ) ， 大多数的滚子都处于不受力的状态，此时轴承的刚度比较小。预紧以后，滚子与 外圈之间的游隙减小或消失，当轴承再受到外载荷p 时，大部分或全部的滚子就 都能承受一定的载荷，这就增强了轴承的刚度( 见图3 1 b ) a 3 1 2 适当预紧可以提高轴承的寿命 前面已经提及，预紧后，参加工作的滚动体数量增加了，每个滚动体承受的 载荷降低了。此外，略大的滚动体变形较大，使较小的滚动体也承受了载荷。因 而，可以把载荷比较均匀地分配给各个滚动体，所以，适当预紧可以提高轴承寿 命。 、 3 1 3 适当预紧可以提高轴承的阻尼和降低噪音 适当预紧后，滚动体与滚道间可以建立稳定的油膜。油的粘性阻尼和滚动体 及滚道材料内摩擦阻力都可以提高轴系的动态特性和降低噪音。但是，预紧要适 当。当预紧不大时，阻尼是增大的，当预紧大到一定程度时，阻力就不再增大了。 综上所述，预紧对提高轴承的工作性能有非常重要作用。但轴承的预紧并不 是无限度的。美国t i m k e n 公司曾做过预紧对汽车轮毂轴承的寿命影响实验，得 到图3 2 所示的曲线。 l 碍丽 、 、 内侧 外钢= 过盈量一一争轴承游隙 图3 2 预紧与轴承寿命的关系曲线 从实验得到的曲线可知，预紧有一个最佳值。因此，预紧量的确定，要综合 考虑各种因素。 i o 皇王型茎查兰堡主堡奎 ! ! 里竺堕堕韭坠型塑墅型! i 盟 3 2 圆锥滚子轴承的刚度 一个轴承的刚度是指单位变形所需负荷的大小，可由下式表示： k ：一d f ( 3 1 ) d 6 式中f 一作用于轴承上的负荷 8 一在负荷f 的作用下，轴承的变形量 k 值越大，表明轴承的刚度越大。 对于圆锥滚子轴承的刚度问题，要用三个术语：径向刚度、轴向刚度和角刚 度。 由( 3 1 ) 式可以定义径向刚度为轴承的径向负荷除以圆锥滚子轴承内圈和外 圈在径向中心线的总位移。由于各个滚予与其相接触的滚道间的赫兹接触面积的 变化，及与负荷有关的载荷分布区的改变，径向负荷不与刚度成线性关系。 轴向刚度的定义是轴向负荷除以轴向位移。这里的轴向位移是指圆锥滚子轴 承内圈大端面之间的距离变化。 滚子和与其相接触的滚道变形以及可伸缩性对圆锥滚子的轴向位移产生影 响。这是由于滚子与它相接触的两滚道之间的赫兹接触变形有轴向分量。 角刚度是指轴承抗不同轴度的能力或抗弯曲的能力，其定义是作用力矩除以 轴承内圈和外圈中心线的不同轴度的角度值。 径向刚度、轴向刚度和角刚度与轴承的载荷分布区密切相关，轴承载荷区的 任何增大都将导致其径向、轴向和角刚度的增强。而影响载荷分布区的因素有( 1 ) 作用负荷( 2 ) 轴承游隙( 3 ) 轴承支撑变形。在这三因素中，轴承的游隙是一个 易变量。 f 图3 3 圆锥滚子轴承轴向位移与轴向载荷的近似关系 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 经实践证明，对于单个圆锥滚子轴承来说，其轴向位移与轴向载荷近似为线 性关系，如图3 _ 3 所示，由此可知不能用预紧的方法来提高轴承的刚度。 但是成对安装的圆锥滚子轴承，通过预紧可以使系统的支撑刚度提商近一倍， 其原理图3 4 如下： 6a ， l t = - i = - - c 日 【工_ 6a l6a l i 6a o6a o 图3 4 成对圆锥滚子轴承轴向预紧原理 两个轴承在预紧载荷l 作用下，其预紧变形量均为6 。当f 作用于轴上后， 轴沿f 的方向移动了6 。这时，轴承i 的变形量增加了6 。，而轴承i i 的变形 量则减少了6 。，即 6 a t = 6 a o + 6 a b a l i = 6 a 0 6 a ( 3 2 ) ( 3 3 ) 所以6 。= k 。了f a ( 3 4 ) 如果两轴承不预紧，显然外加轴向负荷f 完全由轴承i 承受。这时轴沿f 方向的移动量6 。就是轴承i 的轴向变形量； 即6 a 。k 。f a( 3 - 5 ) 与轴承预紧时轴承i 的轴向变形量6 。相比，可得： 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 6 。12 8 a ( 3 6 ) 因此，成对安装的圆锥滚子轴承，通过预紧可以提高支承刚度一倍。 3 3 圆锥滚子轴承受力分析 在给定轴向预紧力作用下，装配好的后桥总成中的圆锥滚子轴承的受力如图 3 5 所示。 图3 5圆锥滚子受力图 其中，f 轴向外载荷 q 。一外圈滑道对滚子的作用力 绋一内圈挡边对滚子端面的作用力 9 一内圈滑道对滚子的作用力q i 外圈滑道对滚子的作用力为： q 。：里l ：旦( 3 7 ) c o s 口ps i n 口。 其中 q 。一q 。的径向分力 q 。一统的轴向分力 1 2 。一q 。径向的夹角 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 内崩滑遭对滚于的作用力为： q ：旦；旦 ( 3 8 ) 其中 q ，一q ，的径向分力 q 。q 。的轴向分力 口。一q 与径向的夹角 内圈挡边对滚子端面的作用力为： q 。：盟：旦 ( 3 9 ) 其中 o 。q 。的径向分力 q 。q 。的轴向分力 嘞一伤与径向的夹角 根据式( 3 7 ) ，式( 3 8 ) ，式( 3 9 ) 可以求得滚子的径向和轴向平衡条件： q r + 如一一 ( 3 1 0 ) q 。一q 女一q 。= 0 根据圆锥滚子轴承的几何结构，其角度之间有如下关系： 口+ 仃a2 口+ i 7 一( 口一詈) 】= 三+ 詈( 3 1 1 ) q + a a ；( a - 卅= 争詈 ( 3 1 2 ) 口一髓。= 妒( 3 1 3 ) 其中 妒一滚子两条母线之间的夹角 对式( 3 7 ) ，式( 3 8 ) ，式( 3 9 ) ，式( 3 1 0 ) 联立求解，有： q 。：擘磐墼( 3 1 4 ) s i n 口s i n ( a f + 口d ) 伤：善璧墼 ( 3 1 5 )v j 一 【 lh i s i n 口s i n ( a + 口d ) 联立求解式( 3 1 1 ) ，式( 3 1 2 ) ，式( 3 1 3 ) ，式( 3 1 4 ) ，式( 3 1 5 ) ，有： q ，：望量 ( 3 1 6 ) 2 i n , - s l nt 2 1 4 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 又q 。= 五a 函e a 所以有： a 。= q 。 ( 3 1 7 ) 设圆锥滚子轴承的滚子数e l 为z ，f 为作用在轴承外圈大端面上的轴向作用 力，则有： q e = o ，= 面f 根据式3 1 5 ，有： 2 f s i n 里 o a = 瓦者 3 4 圆锥滚子轴承预紧力与摩擦力矩分析 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 后桥装配完毕后，后桥主锥总成承受一定的轴向预紧力f ，需要由人工通过 检查圆锥滚子轴承能否正常转动来判断所加的调整垫片是否合适。那么，圆锥滚 子轴承在受轴向负荷时，摩擦阻力矩的影响因素及其与圆锥滚子轴承本身内在关 系如何，如何通过圆锥滚子轴承所受的轴向预紧力f 来计算这个摩擦力矩，这正 是本节要解决的问蹶。 圆锥滚予轴承的摩擦阻力矩由下面几个部分组成： 滚动体与内外滑道间的滚动摩擦阻力矩； 滚动体端面和内圈挡边之间的滑动摩擦阻力矩； 滚动体与保持架兜孔之间的滑动摩擦阻力矩； 润滑剂黏度引起的粘性摩擦阻力矩。 由于在自动选垫机上进行测量时，后桥主锥总成转速不是很高。此时，第3 ) 、 第4 ) 部分摩擦阻力矩与第1 ) 、第2 ) 部分摩擦阻力矩相比很小，可以不予考虑。 所以本文在分析测量状态下后桥半轴总成内圆锥滚子轴承预紧力与摩擦阻力矩 的关系时，只计算第1 ) 和第2 ) 部分摩擦阻力矩。 从图3 5 我们可以看出，轴承中的滚子受到三个分布力的作用，为了分析的 方便，我们将这三个分布力简化为集中力，简化后的受力模型如图3 6 。 轴承中的滚子在静止时只受到这三个力的作用，但在轴承转动时，滚予还要 受滚子与内外圈表面相互作用时所产生的摩擦力和摩擦阻力矩的作用。由于圆锥 滚子轴承在设计上保证了滚子沿滑道滚动时不会发生差动滑动或自旋打滑。因 此，产生的摩擦力都垂直与图3 6 所示的平面。 内外圈表面和内圈挡边作用于滚动体上的摩擦力和摩擦力矩如图3 7 所示。 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 为了简化问题，我们用圆柱滚子轴承代替了圆锥滚子轴承。圆柱滚子轴承的直径 用圆锥滚子轴承的平均直径来代替，内外圈滑道半径按滚予中心处的圆锥滑道半 径计算。 图3 6 简化后的滚子受力图 图3 7 圆锥滚子轴承所受的摩擦力和摩擦力矩 其中 m ，j j l 厶精道与滚子接触开始时的滚动阻力 冗，匕一滑道与滚子接触区域中的滑动摩擦力 乃滚子端面与挡边接触区域中的滑动摩擦力 f ，o ，分别表示内外圈和挡边。在轴向负荷时每个滚子都受图3 7 所示的力 和力矩。 根据个滚子上的力和力矩的平衡条件，可得如下方程组： f 口f “= f 。 ( 3 2 0 ) m + 托= 亨( 瓦+ e ) 十i d 3 一e ) 乃 ( 3 2 1 ) 1 6 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 圆锥滚子轴承的旋转力矩定义为作用于外圆的力矩m ，并且考虑到滚子的数 目z ，所以有： m = z ( r o e 。一m 。) 联立式( 3 2 0 ) ，式( 3 2 1 ) ，式( 3 2 2 ) ，有： 村：z 鱼丝! 墨! 丝十z 堡墨 d 3d 3 令： m 。：z 型学 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) m ：z e f s r r o( 3 2 5 ) 。d3 则有： m = m r + m ， ( 3 2 6 ) 由公式( 3 2 6 ) 可知：圆锥滚予轴承的阻力矩是由滚道上的摩擦和挡边上的摩 擦组成的，其中每一部分都可以分开来计算。 对于m 。，在转速很低和没有润滑的条件下测量圆锥滚子轴承时，我们引入 滚动摩擦系数 ，则有： m ? = q 允 m o = q ； k 将它们代入式( 3 2 4 ) ，可得： m 。：z 墅丝掣 d 3 将式( 3 1 8 ) 代入式( 3 ，2 9 ) ，并令d ：= r ，+ r 。，则有： ( 3 。2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 。2 9 ) ( 3 3 0 ) 对于滚子端面与挡边接触区域中的滑动摩擦力矩m ，式( 3 2 5 ) 中的力昂是 滚子端面与挡边之间滑动引起的滑动摩擦力。我们引入滑动摩擦系数，则厶有 表达式： 乃= 饱一( 3 3 1 ) 1 7 电子科技大学颈士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 因此，a t 可以重新写作如f 形式： m 。：z r o e ，f ，j 一 ：z r 。e f ，q a 一 ( 3 3 2 ) 口， & e f a rs i n 罢 d 3s i n a 在图( 3 6 ) 中，有： ，d1 。2 霹( 3 3 3 ) ：! l s i n 口 又有： 2 月。s i n 要 _ _ 5 = 1( 3 3 4 ) a ，s i n 口 将式( 3 3 4 ) 代入式( 3 3 2 ) ，有： m ；= e y e( 3 3 5 ) 根据式( 3 2 6 ) 、( 3 3 0 ) 、( 3 3 5 ) ，有： m ：f ( 掣+ e f )( 3 3 6 ) 口，s i l l 口 这就是圆锥滚予轴承受到纯轴向载荷f 时的摩擦阻力矩。式( 3 3 6 ) 等号右边 括号内项均为定值，因此在转动时摩擦力矩m 与轴向载荷f 呈线性关系。 3 5 圆锥滚子轴承预紧力与剐度的关系 在3 , 2 节中，我们已经对圆锥滚子轴承的轴向刚度作了定义： 足：f 。( 3 3 7 ) 占 一 其中 f 一轴向载荷 6 一外圆大端面与内圆大端面之间的相对位移 圆锥滚子轴承的受力见图3 5 ，其中q 。，q ，q 。都是分布力。由于圆锥滚予轴 承内圈挡边的高度比较低，因此我们可以把内圈挡边对圆锥滚子的作用力看作集 中力，这样既可以简化分析过程，又能保证分析的精度和正确性。 电子科技大学硕士论文 e s t 3 0 0 通用型主锥选垫机研制 3 5 i 微元体受力分析 工口丑鹕c t n if ： 萨 l 业兰世，上 7 1 o dx1 x + d x o 勺 、 j 1 r 扩1 r 一 图3 8 简化后的圆锥滚子受力 简化后的圆锥滚子的受力情况见图3 8 。 其中 q 。_ 夕 圈对滚子的作用力 q 内圈对滚子的作用力 线一内圈挡边对滚子的作用力 上一圆锥滚子母线长 卢圆锥滚子母线与x 轴的夹角 d 。圆锥滚子大端面的直径 d ( x ) 一圆锥滚子x 处的直径 从圆锥滚子中截取如图3 8 阴影部分所示的一段微元，这段微元的受力情况 如图3 9 所示： 图3 9 微元段的受力 其中 只一外圈对滚子作用力的载荷密度 1 9 皇王型堇盔兰堡主丝窒 ! ! 里! 生里里里圭竺望兰! ! ! 型 只一内圈对滚子作用力的载荷密度 ( z ) 一圆锥滚予x 处截面所受的轴向力 出一微元长度 只：粤 ( 3 3 8 ) l 根据式( 3 1 8 ) ，可得： 只= 瓦f 蕊 又根据式( 3 1 7 ) ，可得： e 2 只2 瓦孟 对于圆锥滚子x 处的直径d ( x ) ，有 d ( x ) = d o 一2 x t g f l 对于圆锥滚子x 处的轴向力n ( x ) ，有： ( x ) + 瓦2 f 而x s i n = q 一 ( x ) = p d 一瓦2 f 蕊x s i n 对于一段微元体，在如图( 3 9 ) 所示的受力情况下， 改变量由两部分组成： ( 3 3 9 ) ( 3 4 0 ) f 3 4 1 ) ( 3 4 2 ) ( 3 4 3 ) 它的直径会发生变化，其 a d ( x ) = 鲥，( x ) + d ( x ) ( 3 4 4 ) 其中a d ( x ) 微元段的径向变形 a d 。( x ) 一由分布载荷引起的微元段径向变形 “( x ) 有轴向载荷引起的微元段径向变形 3 5 2n ( x ) 引起的应变 n ( x ) 作用在微元体上后会产生轴向应变s 。( x ) 和径向应变s 。( x ) ： ( x ) 6 n a 2 e s 。( 一x ) n = 一d s n a ( x ) 其中卜滚子的弹性模量 d 滚子材料的泊松比 ( 3 4 5 ) ( 3 4 6 ) 塑至登墼查兰堡生丝塞 。， 。兰! 里竣幽型圭塑垄墼! 嫂墼 s 仅一圆镞滚子x 处的截蕊积 梭攥参考文献r 1 箱，滚予枣砉料憋泊襁既为0 3 ，可褥n 葶l 起觞纛锥滚孑径翔 变形为t 砜川7 6 鬻 ( 3 _ 4 7 ) 将式( 3 。3 9 ) 代入武( 3 _ 4 7 ) ，可褥： 南= m 7 6 删f x “t 9 1 f l s 盂 ( 3 4 8 ) 3 。5 。3 嘲边葬分布载荷氏。p ；引起的径自褒形 根摄参考文欺1 1 5 1 , 南边晏分礤载搿辱 起的圆锥滚予微冠体的经向变影为： 州加5 9 - ( 0 4 1 + i n 藤4 r ) b ? 9 ) 将残，3 健入式鞲4 9 ) ，霹褥； 蚓炉5 9 磊f ( 0 4 1 + i n 磊4 r ：3 固 其中r - 一畿量曲攀半经 _ 3 。4 总的裰向变辩 疆据式( 3 4 4 ) ，式3 4 8 ) ，式，5 ，我们有t a c t ( x ) = a d 善 巾磊如 ) ：一0 7 6 掣+ 1 1 5 9 1 一( o