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主被齿垫片测量机测量精度影响因素分析与实验研究 摘要 本文以主减速器装配线中主被齿垫片测量机为研究对象，对其测量精度进 行研究分析，找出影响测量精度及稳定性的因素，为设备的改进及新型测量设 备的研制奠定基础。 首先，从主减速器的产品结构出发，研究产品的装配工艺，确定装配过程 中的关键工艺，及需要测量的参数。根据现阶段国内外测量设备的测量原理， 确定测量工艺与方法。根据测量设备需要达到的指标与要求，综合考虑产品结 构、装配工艺、及装配线的整体设计等因素，设计开发测量结构，并对关键零 件进行应力应变分析。 测量设备在制造装配完成后，通过对调试结果的分析，找出影响测量精度 的关键因素。分别对被测工件、测量元器件、设备尺寸链、数据采集等因素进 行分析，并在此基础上，对主被齿垫片测量机做相关设计改进。 最后，对改进后的主被齿垫片测量机进行实验研究，分析确认该设备的精 度及稳定性达到使用要求。确保通过主被齿垫片测量机选择出来的垫片，满足 现场装配时的主被齿啮合斑点要求。 关键词：主被齿垫片测量机，测量精度，影响因素，尺寸链，啮合斑点 a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y o ni n f l u e n c e f a c t o r st om e a s u r ea c c u r a c yo ft h em e a s u r i n g m a c h i n ef o rt h es h i mb e t w e e np i n i o na n dr i n gg e a r a b s t r a c t ， t h i sa r t i c l et a k e st h em e a s u r i n gm a c h i n eo nf i n a ld r i v ea s s e m b l yl i n e f o r c h o o s i n gt h es h i mb e t w e e np i n i o na n dr i n gg e a ra sr e s e a r c ho b j e c t w er e s e a r c ha n d a n a l y z et h em e a s u r i n gm a c h i n e sa c c u r a c y ，s e a r c ht h ef a c t o r st h a ta f f e c tm e a s u r i n g m a c h i n e sa c c u r a c ya n ds t a b i l i t yf o rm a k i n gi m p r o v e m e n to rd e v e l o p i n gt h en e w m e a s u r i n gm a c h i n e f i r s t l y , c o n s i d e r i n gt h ef i n a ld r i v es t r u c t u r e ，t h ep r o d u c t sa s s e m b l yp r o c e s s e s a r es t u d i e d a n dt h ek e ya s s e m b l yp r o c e s s e sa n dt h ep a r a m e t e r st ob em e a s u r e da r e d e t e r m i n e d ，a c c o r d i n gt ot h em e a s u r i n gp r i n c i p l ei np r e s e n ts t a g ed o m e s t i ca n d f o r e i g no fm e a s u r i n gm a c h i n e ，t h em e a s u r i n gp r o c e s sa n dm e t h o df o rt h i sp r o d u c t i ss e l e e t e d c o n s i d e r i n go fp r o d u c ts t r u c t u r e ，a s s e m b l yt e c h n i q u e ，t h ea s s e m b l yl i n e o v e r a l ld e s i g na n ds oo n ，t h em e a s u r i n gm a c h i n e ss t r u c t u r ei sd e s i g n e da c c o r d i n g t ot h em e a s u r i n gm a c h i n e st a r g e t sa n dr e q u e s t s a n ds o m ei m p o r t a n tp a r t ss t r e s s a n ds t r a i nh a v eb e e na n a l y z e d a f t e rt h em e a s u r i n gm a c h i n eb e e nm a n u f a c t u r e da n da s s e m b l e dc o m p l e t e l y , t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h em e a s u r ea c c u r a c yh a v eb e e ns t u d i e db ya n a l y z i n g d e b u g g i n gr e s u l t a n dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d sa r ep u tf o r w a r db ya n a l y z i n g p r o d u c t ，m e a s u r ed e v i c e ，s i z ec h a i na n dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i o n f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n ti s c a r r i e do u tw i t ht h ei m p r o v e dm e a s u r i n gm a c h i n e , a n dt h ed e b u g g i n gd a t ei sa n a l y z e dt oc o n f i r mt h em a c h i n e sa c c u r a c ya n ds t a b i l i t y t h a ta c h i e v et h er e q u i r e m e n t s t h es h i mc h o s e nb yt h em e a s u r i n gm a c h i n ec a n a c h i e v et h ep i n i o na n dr i n gg e a r sm e s h i n gs p o tr e q u e s t k e y w o r d s ：t h em e a s u r i n gm a c h i n ef o rt h es h i mb e t w e e np i n i o na n dr i n g g e a r , m e a s u r ea c c u r a c y ，i n f l u e n c ef a c t o r s ，s i z ec h a i n ，m e s h i n gs p o t s 插图清单 图2 1 典型汽车驱动桥主减速器及差速器6 图2 2 主动锥齿轮总成9 图2 3 差速器总成9 图2 4 测量示意图11 图2 5 主锥装配测量s 1 1 1 图2 6 总成装配线测量s 2 1 1 图2 7 直接测量方法示意图1 2 图2 8 相对测量方法示意图1 2 图2 9 装配线截面图1 4 图2 1 0 装配小车1 5 图2 1 1 测量设备结构图1 6 图2 1 2 测量系统结构图1 7 图2 1 3 测量系统三维模型图1 7 图2 1 4 测量平板受力分析示意图1 8 图2 1 5 下测量平板的应力分析图1 9 图2 1 6 下测量平板的应变分析图1 9 图2 1 7 上测量系统安装板应力分析1 9 图2 1 8 上测量系统安装板应变分析1 9 图2 1 9 支撑板的应力分析2 0 图2 2 0 支撑板应变分析2 0 图2 2 1 测量实时曲线2 1 图3 1 调试标定值分布图2 4 图3 2 调试标定值o 0 1 m m 区间的概率2 4 图3 3 调试测量结果分布图2 5 图3 4 调试测量值0 o l m m 区间的概率2 5 图3 5 表面粗糙度2 7 图3 6 减速箱装配结构图2 9 图3 7 减速箱装配尺寸链2 9 图3 8 判断增环、减环的方法3 0 图3 9 尺寸链误差积累3 1 图3 10 封闭环误差计算一3 2 图3 1 1 测量系统的工作结构图及其尺寸链图3 4 图3 1 2 滑块在不受外力情况下状态3 7 图3 1 3 滑块受外力作用3 7 图3 1 4 回转部分结构图3 9 图3 1 5 紧螺栓连接受力变形线图4 0 图3 1 6 直线到导轨副的改进4 2 图3 1 7 测量系统支撑板改进4 2 图4 1 改进后测量实时曲线4 5 图4 2 标定结果的分布图4 5 图4 3 标定结果的3 s 置信区间4 5 图4 4 测量结果的分布图4 6 图4 5 测量结果的3 s 置信区间4 6 图4 6 合格的啮合斑点4 8 图4 7 不合格的啮合斑点4 8 图4 8 安装距与齿面接触区的关系4 9 图4 9 安装距对齿面接触区的影响5 0 图4 1 0 轴线偏置与齿面接触区域的关系一5 0 图4 1 1 轴线偏置对齿面接触区的影响5 0 图4 1 2 齿轮调节示意图5 1 表格清单 表2 1 同一时间段的标定数据2 0 表2 2 同一工件的测量值2 1 表4 1 标定数据4 4 表4 2 同一工件的测量值4 4 表4 3 手工测量与设备测量的结果对比4 7 表4 4 啮合斑点的调整方法5 2 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得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金匿工些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位敝储躲糯歇签字日期：矛年细谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴些厶堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金壁工些太堂可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者虢拗次 签字日期： 莎年勿月踢日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：p p 年y 月 电话： 邮编： 彳日 致谢 三年紧张而充实的研究生生活即将结束。在此论文完成之际，我的心情万 分激动。从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程，我得到了许 多热情的帮助。 首先感谢我的导师王淑旺副教授，在过去三年研究生的学习和生活中给了 我无数的关怀和指导，王老师在繁忙的工作之中从未放松对我的指导，鼓励我 以创造性思维思考问题，教导我如何进行理论上的研究，并为我提供了许多实 践的机会，锻炼了我独立解决问题和实际运用能力。在日常生活中，王老师也 给了我极大支持和关怀。王老师独特的教学方法、严谨的治学态度、渊博的学 识以及平易近人的待人方式，给我留下了深刻的印象，是我永远的学习榜样。 在此再次向王老师致以深切的敬意和衷心的感谢! 感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院的林巨广老师、任永强老师对我研 究生期间学习的关心和教导。 感谢巨一自动化装备有限公司的沈百诚总工程师；郭金虎、王剑波、吕苗 苗、石爱文、张明、杨建君、俞琦等工程师。 感谢连传庆、蔡高坡、王金龙、吴磊、柳国光、汪洋、景兴琪等师兄在工 作及学业上给予手把手的指导。 感谢郗世洪、张定、关鹏、赵强、鲁恒飞、梅宇等师弟们给予极大的帮助 和支持。 感谢我的同学陈清红、王华国、杨勇、苏晓峰、郑大维及5 0 7 实验室所有 兄弟，有他们的陪伴使得我研究生生活精彩丰富。 我要特别感谢我的父母和哥哥多年来对我的学习和生活的支持和鼓励。在 我困惑犹豫茫然的时候，是他们给予了我坚定的信心和前进的力量，使我得以 顺利完成了学业。本文凝结了他们的心血、教诲和温暖! 最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在百忙 中给予的悉心指导! 同时也对曾给予我帮助和关心我的老师、同学和朋友们表 示衷心的感谢! 作者：沈磊跃 2 0 1 0 年0 4 月 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于安徽巨一自动化装各有限公司为某车桥生产企业的某型号主 减速器装配线所研制的主被齿垫片测量机的项目，同时也是合肥工业大学汽车 装备工程技术研究所的研发项目。拟通过对该型号测量机( 简称“主被齿垫片 测量机 ) 的测量精度影响因素进行分析和实验研究，找出影响设备测量精度 的因素，为设备的改进及新一代主被齿垫片测量机的研制奠定基础。 1 1 2 课题的意义 现代汽车工业是“技术密集、资金密集、劳动密集型产业i 1 】。制造业尤 其是汽车工业整体的快速发展带动了经济、技术及诸多相关行业迅猛发展，形 成了庞大的经济产业链，任何发达中国家无一不将其作为重要产业。汽车制造 业现已成为评价国家工业化水平以及科技水准的主要指标。中国作为后起的汽 车工业国家，提升汽车的质量，提高国产化率是我国汽车工业今后参与国际竞 争的前提条件【2 j 。 近代全球经济发展表明，发达国家经济的发展均与汽车产业有着密不可分 的关系【3 】。中国建国以来，汽车工业经过半个多世纪的发展，特别是近二十几 年来的发展，其经历了从无到有、规模由小到大的辉煌历程。2 0 0 9 年中国汽车 年产量已实现1 3 0 0 万辆目标，中国的汽车生产量和消费量已经跃居世界第一 位，汽车变速箱和桥减速器产值已超过千亿人民币。国家相关部门预测，我国 汽车产业还将继续迅速稳健增长。 由国家汽车工业部的相关规划可以看出，我国今后相当长的一段时间里， 整车设计及其零部件的自主研发能力建设是汽车工业的发展重点。随着国内外 汽车市场竞争的加剧，依靠先进的科学技术提高汽车质量、降低成本已成为汽 车企业生存发展的途径。我国汽车工程学会的相关报告也反映出，现阶段我国 汽车行业应不断增强自主研发独立设计的能力，重视技术标准的研究和制订， 同时也应该加快推出新产品的速度，提高制造工艺和产品装配设备的设计能力， 为提高我国汽车工业的国际竞争力打好基础。我国“十一五 规划中，国家汽 车工业部特别提出将汽车产品的母机作为今后汽车行业发展的重点方向。 主减速器总成是汽车传动系关键部件，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。主减速器总成在汽车传动系中发挥着重要作用， 其质量性能与生产规模已成为评价一个国家汽车工业发展水平的重要标准。提 高主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主要问题。 零部件制造质量和总成装配质量是减速器总成质量的决定因素，所以在主 减速器装配过程中，必须严格控制关键的间隙、扭矩和预紧等【4 】。主减速器总 成装配中，需要严格控制的关键点有：主从动锥齿轮副之间的齿侧间隙及该齿 轮副的啮合斑点情况；主减速器锥齿轮总成装配过程中圆锥滚子轴承预紧力； 装配过程中各个部位的螺钉、螺母需要拧紧的扭矩。关于圆锥滚子轴承的预紧 力及螺钉、螺母的拧紧扭矩，国内学者已做过相当多的研究，其控制技术日趋 成熟。但主从动锥齿轮副之间的间隙及啮合斑点的调整，目前仍未出现有效的 突破。 主减速器中主从动锥齿轮副是减速器总成的核心零部件之一，准确选择轴 承座与减速器壳体接触面间的垫片是控制主从动锥齿轮在传动中保持适当齿侧 间隙及良好啮合区域的保证。对于该垫片的测量选择因此显的尤为重要。 1 2 国内外主减速器总成装配技术研究现状及发展趋势 主减速器在汽车传动过程中的重要性不言而喻，在对主减速器研究方面， 国外做了大量工作取得了众多成果，尤其是在装配工艺及新型主减速器的研制 方面。在主减速器的装配过程中，主从动锥齿轮的装配是减速器的重要组成部 分，也是装配要求较高的零部件，因此，主从动锥齿轮配对装配技术的研究很 早就得到了国内外汽车生产厂家的重视。 1 2 1 国内主减速器总成装配技术研究现状 我国“十一五 规划提出，增强汽车工业自主创新能力，加快发展拥有自 主知识产权的汽车发动机、汽车电子、关键总成及零部件，大力发展民族汽车 工业。 目前，国内开展的主减速器总成装配技术研究方向主要有以下几个方面： ( 1 ) 主减速器壳体垫片选择 主、被动锥齿轮是否啮合良好，是影响汽车后桥主减速器装配质量好坏的 一个重要因素。正确选择壳体垫片厚度，以保证主、从动齿轮间合适的啮合区 域及齿侧间隙，是提高主减速器装配质量的保证。国内合肥工业大学和成都电 子科技大学等开展了主减速器壳体垫片预选相关研究，建立了测量选垫模型， 开发了主减速器壳体垫片预选设备，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 【5 】【6 】 o ( 2 ) 主锥轴承预紧垫片选择 为了提高主动齿轮轴的轴向刚度，以及支撑刚度，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【7 】。而预紧力的大小是通过调整垫在两个圆 锥滚子端面的垫片厚度来调节的。垫片过厚则螺母拧紧产生的预压力作用至垫 2 片上，仅通过轴承内圈，使得轴承的预紧力偏小；反之垫片选择过薄则轴承预 紧力偏大。为此，合肥工大汽车装备工程技术研究所经过深入的研究，建立了 主锥选垫的测量模型，顺利地研制了选垫设备并应用于生产。 ( 3 ) 汽车主锥总成预紧力检测技术 现阶段，国内部分车桥生产企业对主锥轴承预紧力的检测还停留在依靠熟 练工人的经验检测及应用简单的测量工具进行检测的情形。随着车桥生产企业 对主锥总成装配质量提出了更高的要求，轴承预紧力检测方法的革新也逐渐提 上日程，成都电子科技大学和合肥工业大学开展了一系列研究【8 】【9 】【l o 】，成功研 制了压装检测设备，及拧紧检测设备。压装检测设备主要是根据主动锥齿轮凸 缘螺母的拧紧力矩要求，计算出圆锥滚子轴承承受的正压力，在该设备模拟该 正压力的过程中，测量轴承的预紧力矩，当预紧力合适是则通过该工位，若不 合格将返回( 2 ) ，重新选择主锥轴承预紧垫片。拧紧检测设备是根据凸缘螺母的 拧紧力矩要求，在拧紧过程中，实时监测拧紧力矩同时检测圆锥滚子轴承的预 紧力，当拧紧力矩在要求范围内，且轴承预紧力也符合要求，则该主减速器锥 齿轮总成装配合格。该研制设备已经开始应用在生产实践过程中，并得到客户 的高度认同。 ( 4 ) 汽车主锥总成拧紧 主锥凸缘螺母通过伺服电机带动拧紧轴的拧紧机，拧到所要求的扭矩范围 内。国内原来的主锥总成拧紧设备的稳定性较差、效率低，而高档拧紧机都依 赖进口国外设备。为此，合肥工业大学联合电子科技大学等就自动拧紧设备的 应用展开了研究，成功研制了全新的自动拧紧设备【l l 】【1 2 1 。 现阶段国内展开的主减速器总成装配技术研究，其发展趋势主要表现在以 下几个方向： ( 1 ) 高柔性。随着社会和市场的发展，汽车需求趋于多样化、多元化，企 业的生产也必须满足多种类、中小批量的需求。汽车传动系制造技术及装备， 必须具有高度的柔性以满足多种类产品的需求； ( 2 ) 高精度、高可靠性。零部件的制造质量与装配质量直接影响到汽车传 动系总成的质量。因此，要保证汽车传动系的质量，就必须提高车辆传动系零 部件的制造与装配质量； ( 3 ) 自动化。随着市场的扩大和汽车行业的整合使得汽车企业的生产规模 越来越大，企业产品的质量要求越来越高，提高装配质量及装配效率是企业面 临的关键问题。通过提高产品的装配设备的能力，提高工人操作效率，提高产 品的装配质量。装配设备的自动化是当前的发展趋势，通过提高装配设备的自 动化测控程度来提高装配产品的质量及效率已成为一种极有效措施。 1 2 2 国外主减速器总成装配技术研究现状 发达国家汽车产业的主减速器总成装配质量普遍高于国内，原因主要是两 3 方面1 8 】：一是零部件的加工质量高。国外企业通过先进精密加工技术使得零部 件制造误差小，零部件的加工质量高。这为获得优良的产品装配质量提供了必 要条件。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。高技术水平的在线测量设备是高质量的装配产品的保证。 作为汽车驱动桥重要组成部分的主减速器装配技术研究早已得到了国外厂 家的重视。发达国家的汽车生产企业，很早就开始了主减速器中主被齿装配方 面的相关研究。由于影响汽车后桥装配线上主被齿调整垫片的测量选择的因素 较多，故很难准确测量与选垫。现阶段对于国外的大部分车型，该调整垫片已 替换为弹性垫片或通过提高装配零部件的制造精度取消该处的调整垫片结构， 以减小测量选择垫片带来的误差。但在重载卡车上，这种结构仍然使用，选择 装配完成后，通过齿侧间隙自动测量调节设备对主减速器进行装配调节。 在汽车主齿轴轴承预紧及其隔套垫片选择方面，主锥选垫机也早已广泛使 用，使其产品性能得到了可靠的保证【l3 1 。国外研究主要集中在轴承预紧力对旋 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，在大批量生产过程中实现预紧力等方面的控制【1 4 儿1 5 】【1 6 】【17 1 。 这些自动化装配设备在测控方面尤其是在精度控制方面，绝大部分都采用 了6 s 检测，部分高要求的采用3 s 检测理论。在满足使用要求的前提下，通过 该设备装配产品，对己成功装配的产品相关参数做样本统计，并作6 s 3 s 的置 信区间，以此来判别下一次装配产品的参数合格与否。如测量设备对轴承预紧 力垫片测量选择过程中，采用3 s 检测理论，通过多次测量选垫，系统将已测 量数据做样本统计，得到该数据的统计规律，针对数据分布的正态分布特征曲 线，做3 s 的概论统计，确定测量极限误差在3 s 区间内，对于超出这个区间 的测量值，系统将判定该测量值对应的产品不合格或出现相关故障。 发达国家的汽车企业，均具有自己先进的主减速器总成装配线，其装配效 率高、工作噪声低、使用寿命长，主减速器装配工艺标准明显高于国内。国外 装配线的突出特点驱动桥减速器总成装配线的自动化程度高，且在线自动测量 设备应用广泛。 1 3 本课题研究的主要内容 为了提高测量设备的测量精度及其稳定性，并使得通过测量设备测量选择 出来的调整垫片满足减速器装配时的质量要求，提高产品的装配效率及质量， 本文从以下几个方面内容进行研究：通过对诸多的影响因素进行理论分析和实 践研究，针对目前某车桥生产企业正在使用的在线主被齿垫片测量机的情况， 对测量选垫机测量准确度和稳定性进行深入分析，为新型测量设备的研制奠定 基础。 4 本论文第二章首先从产品的结构分析入手，详细地分析了该型号主减速器 的结构、装配工艺、及该主减速器的关键装配环节，确定测量的对象，测量的 必要性和可行性，并在此基础上，选择测量的原理及方法。接下来根据装配线 及装配工艺的要求，对测量设备进行具体的结构设计。把握测量设备中的关键 零部件，利用材料力学、相关分析软件对该部分的零部件做分析。在符合刚度 及强度的基础上，根据产品的特点完成设备的结构设计。在该设备制造装配完 成后，对该设备进行调试得到初步的调试结果。 第三章通过对调试结果做进一步分析，确认该设备的测量精度及稳定性较 差。通过对影响测量精度及稳定性的因素进行分析研究，把握测量精度的主要 的影响因素并对测量元器件、被测工件等进行分析。接下来再利用尺寸链相关 理论对测量设备的装配及工作过程进行分析，找出结构上的存在的缺陷。然后， 从测量设备的电气控制及数据采集与分析的处理办法上，分析可能存在的影响 因素。最后，根据以上分析得到的结果，对该设备做相关改进。 第四章根据改进后测量设备的装配调试数据分析确认该设备的精度及稳定 性达到使用要求。在实际应用中，测量选择相应厚度值垫片，装配时通过现场 啮合斑点反馈，检测垫片选择的合适程度，并根据啮合斑点情况，给出相关调 整指导。 第二章主被齿垫片测量机原理与机构 2 1 主减速器的结构分析及装配工艺 2 1 1 结构介绍 由汽车发动机输出的扭矩经过变速器，再通过传动轴传递到汽车驱动桥， 最后驱动桥将扭矩传递到驱动轮，使汽车前行。 图2 1 为一种典型的单级主减速器总成图。 1 凸缘螺母2 驱动法兰3 主动齿轮外轴承4 调整垫片5 主动齿轮内轴承6 轴承座 7 主动锥齿轮8 主减速器壳9 半轴齿轮1 0 差速器右半壳1 1 从动齿轮螺栓 1 2 差速器轴承1 3 差速器壳螺栓1 4 差速器左半壳1 5 行星齿轮1 6 从动齿轮1 7 油封 图2 1 典型汽车驱动桥主减速器及差速器 汽车驱动桥在传动系的末尾，其主要组成有：主减速器总成、轮边减速器、 半轴和制动毂等。其功能是：将万向传动轴传来的发动机转矩通过主动锥齿轮、 差速器、半轴等传到驱动车轮，实现降低转速，增大转矩的功能；通过主减速 器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向；通过差速器实现两侧车轮差速的作用，保 证内外侧车轮以不同转速转向。 主减速器是汽车驱动桥的关键部件，其功能是将输入的转矩增大并相应的 降低转速，以及当发动机纵置时还具有改变转矩旋转方向的作用。按参加减速 传动的齿轮数目分为单级式主减速器和双级式主减速器；按主减速器主传动比 挡数分为单速式和双速式；按齿轮副结构形式分为圆柱齿轮式、圆锥齿轮式和 6 准双曲面齿轮式 1 8 】。主减速器总成由主动锥齿轮总成、差速器总成、减速器壳 体等部分组成。 2 1 2 主减速器装配工艺 汽车主减速器总成的结构如图2 ，1 所示，其包含的零部件较多，装配的难 度及任务量较大。按照产品的结构，一般将该类型的主减速器总成的装配工艺 分为三块进行：主动锥齿轮总成装配；差速器总成装配；减速器总成装配。其 装配的工艺如下表所示： 主动锥齿轮总成装配工艺( 参照图2 2 ) 装配工 装配工艺内容 装配采用的设 序 备 工序主动圆锥齿轮，轴承座等上线，轴承座内孔中压入两圆 压力机 1l o锥滚子轴承的外环 工序测量选择轴承预紧力调整垫片；再由该测量设备测量轴承预紧力垫 1 2 0 s 1 值 片测量机 工序 压下轴承内圈、导向轴承内圈于主轴上 压力机 1 3 0 工序手工预拧入凸缘螺母，然后利用设备拧紧凸缘螺母至要 自动拧紧设备 1 4 0 求扭矩，检测轴承预紧力 工序 检测凸缘的端径跳，产品下线自动检测设备 15 0 差速器总成装配工艺( 参照图2 3 ) 装配 装配工艺内容 装配采用 工序的设备 工序 在差速器左半壳内初装固定厚度的半轴齿轮垫片，半轴齿轮， 十字轴，行星齿轮及行星齿轮垫片，再装另一半轴齿轮及半 手工装配 2 1 0 轴车辆垫片，然后将差速器右壳合并 工序四轴拧紧 2 2 0 穿入差速器壳体螺栓，利用自动拧紧设备拧紧差速器壳螺栓 机 工序 装配从动锥齿轮到位压力机 2 3 0 工序利用专用防转夹具，将差速器翻转1 8 0 。，穿入从动锥齿轮螺专用夹具 2 4 0栓 及翻转机 工序四轴拧紧 2 5 0 拧紧从动锥齿轮螺栓，专用翻转夹具返回 机 7 减速器总成装配工艺 装配 装配工艺内容 装配采用的设 工序备 工序减速器壳体上线，拆除轴承盖，工件翻转1 8 0 。，将导 自动翻转机、压 力机 3 1 0向轴承外圈压入减壳 工序 测量s 2 值：减速器壳体上轴承座安装平面至差速器轴 主被齿垫片测 承安装孔轴线的距离。根据工序1 2 0 测得的s 1 值，选 3 2 0量机 择合适的主被动齿轮调罄垫片 工序工件翻回1 8 0 。，将主动锥齿轮总成装入减速器壳体，自动翻转机、气 3 3 0用气动扳手预拧紧轴承座螺栓 动扳手 工序工件翻转18 0 。，装差速器轴承外圈、调整螺母、差速自动翻转机、气 3 4 0锁，初步拧紧调整螺母，初步拧紧轴承盖螺栓 动扳手 工序 同步旋转两轴承调整螺母，调整主、被动圆锥齿轮齿 侧间隙，锁紧调整螺母，气动扳手拧紧轴承座螺栓，气动扳手 3 5 0 拧紧锁片螺栓 斑点检测设备、 工序 检验啮合斑点及齿侧间隙，产品打标、下线打标机，专用吊 3 6 0 具 主动锥齿轮装配工艺中反映出工序1 2 0 是主动锥齿轮总成的关键装配工 艺，在该装配工艺完成的基础上，才能正确进行下一步装配工序。工序1 2 0 中 如果测量选择垫片不合适，工序1 4 0 必将不能合格完成，装配无法进行，无法 进入工序1 5 0 。此种情况必须将工件拆卸后，返回至1 2 0 工序，进行重新测量 选择垫片。可见，装配工序1 2 0 完成装配质量的好坏直接影响的后面的装配工 艺合格与否。 由减速器总成装配工艺可看出，工序3 2 0 属于关键装配工艺，只有完成该 部分的装配工序才可能进入下一步装配。工序3 5 0 及3 6 0 均是为了调整及检验 3 2 0 工序进行的。该工序的主要内容为选择合适的主从动锥齿轮之间的调整垫 片，以此来调节主从锥齿轮的啮合间隙，及齿侧间隙，保证主减速器运动的平 稳性。 工序1 2 0 及3 2 0 是关键装配工艺，均需要测量选择垫片。对于工序1 2 0 的 8 测量设备其负责完成对主锥轴承预紧力调整垫片的选择及s 1 值的测量；工序 3 2 0 的测量设备，测量减速器壳体轴承座安装端面至差速器轴承安装孔的轴线 的距离s 2 ，通过与工序1 2 0 传送过来的s 1 值做运算，得到装配在轴承座与减 速器壳体安装面之间的垫片厚度( 主被齿垫片) 。测量选择主被齿垫片后进行 装配，通过差速器总成的调整螺母，保证齿侧间隙，再进行啮合斑点检测。 主减速器中主从动圆锥齿轮副属于减速传动机构，一般为一对圆弧锥齿轮、 准双曲面圆锥齿轮或摆线圆锥齿轮，主动和从动锥齿轮之间必须要保证有正确 的相对位置及适当的齿侧间隙，方能使两齿轮啮合传动时冲击及噪声较轻，而 且轮齿沿其长度方向磨损较均匀以及使用寿命最长。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 形而影响正常啮合；另一方面应有必要的啮合调整装置【l4 1 。 9 1 导向轴承2 主动锥齿轮3 轴承 4 轴承座5 调整垫片6 隔套 7 油封座8 凸缘总成9 锁紧螺母 图2 2 主动锥齿轮总成 1 轴承2 差速器左壳3 从动锥齿轮 4 十字轴5 行星齿轮6 半轴齿轮 7 、差速器右壳 图2 3 差速器总成 主动锥齿轮2 与轴制成一体( 后面称之为主动齿轮轴或主动锥齿轮轴) ， 后端安装支承在互相贴近而小端相向的两个圆锥滚子轴承3 上，前端通过导向 轴承装配在减速器壳体上的导向轴承安装孔中，以此来保证主动锥齿轮在传动 时拥有足够的刚度( 如图2 2 ) 。被动锥齿轮通过螺钉紧定在差速器壳体上， 差速器中行星齿轮装配好后，将左右壳合装，装配完后再装配左右两端的轴承， 完成差速器总成装配。将差速器总成左右两端的轴承置于减速器壳体上的轴承 安装孔中，通过两端的调整螺母来调节主从动锥齿轮之间的齿侧间隙，稳固差 速器的位置。 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 9 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程度，即在消除轴承轴向间隙的基础上，再施加一定的 压紧力。合适的调整垫片即可控制主动锥齿轮轴的轴向力的分配比例，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力符 合要求。 差速器总成的结构如图2 3 所示，由圆锥滚子轴承、差速器壳、从动锥齿 轮、行星齿轮、球面垫片、十字轴、半轴齿轮等装配而成。部分的差速器含有 半轴齿轮垫片，以调整半轴齿轮背面距差速器壳体之间的距离，减小半轴齿轮 的轴向窜动、减小摩擦磨损、降低噪音等。装配时差速器合壳长螺栓在拧紧时， 对其扭矩有一定的要求，以此保证左右差速器壳体之间联系的稳定性；从动锥 齿轮与差速器壳体之间的链接螺栓装配时亦有一定的扭矩要求，保证从动锥齿 轮固定在差速器壳体上，以防动力传动时出现松动脱落等情况。 2 2 测量原理与方法 2 2 1 主被齿垫片测量原理 本论文主要是针对工序3 2 0 ，测量选择合适的主被齿垫片，设计并分析主 被齿垫片测量机的精度。由主减速器的装配工艺可看出，测量选择主被齿垫片， 其测量数据分为两部分：主锥总成装配过程中的s 1 值测量，与减速器壳体上 的s 2 值测量。 主被齿垫片厚度选择的计算办法如图2 4 ，需要测量的参数：轴承座与减 速器壳体安装接触面至下端轴承内圈的下端面即主锥齿轮背面的距离s 1 ，减速 器壳体上差速器轴承安装孔的轴线至减速器壳小端安装面即与轴承座安装接触 面的距离s 2 。已知的数据有：s 标准值。s 标准值为该配对锥齿轮副出厂时的 配对安装距，由于每对锥齿轮副在配对机上加工时其实际安装尺寸相对理论安 装距基本都是有一定的变动量，每对齿轮副都有各自的实际安装距，各不相同， 但在一定的加工尺寸误差范围内。则通过以上的数据可得到垫片厚度6 ： 6 = s 标准值+ s 1 一s 2 ；( 2 1 ) l o 图2 4 测量示意图 如上所述，需测量测量的数据有s l ，s 2 。s 1 值如图2 5 ，是在主锥总成装 配线上通过轴承预紧力垫片测量机测得。s 2 数据为主减速器总成装配线上的专 有测量设备测量所得。 图2 5 主锥装配测量s l图2 6 总成装配线测量s 2 如图2 - 6 所示的减速器壳体结构，根据主减速器的装配工艺，在线直接测 量s 2 值不容易实现。这里我们通过测量图中的l 值，减速器壳体轴承座安装 端面至差速器轴承安装孔的最低( 最近) 母线距离，将测量出来的l 值与差速 器轴承安装孔的半径( 由d 2 ) 做和，可得到s 2 值： s 2 = l + ( d 2 ) ；( 2 - 2 ) 在此次的测量设备准确度的分析过程中，是以测量s 2 值的测量设备为分 析研究对象，故在后面的设备结构设计也是针对该台测量设备进行的。 222 测量方法选择 工业中进行的测量，一般是根据被测对象的形状、材质、批量、大小、精 度等选择可行的、符合经济原则的测量方式。测量方法根据不同的分类原则， 可以分为以下几种。 ( 1 ) 根据测量的内容不同，可分为单项测量和综合测量。分别对被测件的 相关尺寸进行的测量称为单项测量。测量由各相关参数综合而成的某一肖量参 数称为综合测量。综合测量是一种模拟实际使用情况的测量方法，使测量结果 能真实地将实际使用中的情况反映出来，测量效率高，适用检验工件合格与否。 ( 2 ) 根据测量结果获得的方式不同，可分为绝对测量与相对测量。绝对测 量是指用测量仪器直接表示被测件长度的测量方法。相对测量是指量值仪表示 被测长度偏差的测量方法，比较仪和量块均是通过该方法进行测量的。 ( 3 ) 根据测量过程中，测量元件( 测量元器件) 是否与工件有接触，可分 为接触测量与非接触测量。 ( 4 ) 根据测量得到的信息与加工控制之间的作用关系，可分为主动测量与 被动测量”。 其中，绝对测量是指用量具( 游标卡尺、卷尺、高度尺等) 直接凄取被测 件的高度，如图2 7 。其优点是：简单、快速、明了：其缺点：量值大，测量 累计误差大，测量精度受操作者主观因素影响明显。 相对测量：假设被测工件高度h ，制造一个和被测件高度相当的已知高度 的标准件，其高度为h o ，如图2 8 ；通过短距离高精度位移传感器分别对被测 件和标准件进行测量测量时其压缩量分别为6 及6o ，则被测工件的高度： h = h o + ( 6 6 。) ；( 2 3 ) 图2 7 壹接测量方法示意幽酗2 8 相对测鼍方法示意闰 汽车主减速器装配过程中，锥齿轮副的装配要求较高，需要保证装配完成 后，该齿轮副之间的齿侧间隙及啮合斑点合格。故装配过程中，选择丰被齿之 间的垫片厚度及规格组合要很准确，即要求测量设备的测量值准确，保证测量 完成后，选择出来的垫片厚度值满足装配合格的条件。 在此要求下，由于产品的结构不规则，很难用量具对产品进行直接测量相 关参数。工业上对产品的相关参数进行精确测量时均通过高精度位移传感器进 行接触式测量。因此，选择测量的方法为：接触式相对测量方法。此种测量方 法的优点：量程小，测量精度高，受环境温度变化影响小。 根据测量方法的选择，及公式( 2 - 2 ) ，可知s 2 值是通过测得的l 值进行 运算得到的。l 值的测量方法即为接触式相对测量。其测量办法如图2 8 所示， 设计制作标准工件，高l o ，其高度值与被测l 值相近，通过短距离高精度位移 传感器分别对被测件和标准件进行测量，测量时其压缩量分别为6 及6o ，则被 测工件的高度： l = l o + ( 6 6o ) ； 2 3 测量机构的设计 2 3 1 测量设备的准确度要求 2 3 1 1 测量相关的定义概念 精密度指的是在规定的条件下，对同一工件进行独立测试，其结果间的一 致程度。测量设备在相同的条件下对同一零件进行测试，基本上不会得到相同 的测试结果。其主要原因是在每次测量过程中不可避免地会出现随机误差，且 影响测量结果的随机因素不能被完全控制。 当已知或可以推测所测量特性的真值时，测量方法的正确度即为人们所关 注。尽管对很多测量方法，真值可能不会确切知道，但有可能知道所测量特性 的一个接受参照值或接受范围。通过把接受参照值与测量方法给出的测量结果 进行比较就可以对测量方法的正确度进行评定。正确度通常用偏倚来表示。例 如，在化学分析中，如果所用的测量方法不能测出某种元素的全部，或者由于 一种元素的存在而干扰了另一种元素的确定，就会产生偏倚。下面是测量过程 中的相关概念： 准确度( a c c u r a c y ) ：测试结果与接受参照值间的一致程度； 正确度( t r u e n e s s ) ：由大量测试结果得到的平均数与接受参照值间的一致程 度； 精密度( p r e c i s i o n ) ：在规定条件下，独立测试结果间的一致程度； 偏倚度( b i a s ) ：测试结果的期望与接受参照值之差； 重复性( r e p e a t a b i l i t y ) ：在重复性条件下的精密度； 重复性条件( r e p e a t a b i l i t yc o n d i t i o n s ) ：在同一实验室，由同一操作员使用相 同的设备，按相同的测试方法，在短时间内对同一被测对象相互独立进行的测 试条件【2 0 】。 2 3 1 2 测量设备的需要满足的指标 在实验中当达到以下4 个测量条件时，相同待测工件测量结果的一致性称 为重复性，4 个测量条件如下： a 、相同的测量环境； b 、相同的测量仪器及在相同的条件下使用； c 、相同的位置； d 、在短时间内的重复。 量具及测量设备重复性和再现性的可接受准则是： a ) 低于1 0 的误差一测量系统可以被接受； b ) 1