（机械制造及其自动化专业论文）汽车驱动桥主动锥齿轮总成选垫分析及系统实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 汽车驱动桥主动锥齿轮总成是汽车传动系统的关键部件，其装配质量对汽 车性能有很大影响，而保证合适的轴承预紧力又是主动锥齿轮总成装配中的一个 关键技术。本文围绕汽车驱动桥主动锥齿轮总成装配过程中，两轴承之间调整垫 片的选择问题展开，主要进行了以下的研究： 第一章，介绍了汽车驱动桥主动锥齿轮总成的结构和装配技术，提出保证圆 锥滚子轴承合适的预紧力的重要性，以此为基础，提出主动锥齿轮总成装配中两 轴承之间的调整垫片选择问题。对国内外主动锥齿轮总成装配线的现状和选垫问 题的发展情况作了介绍。 第二章，分析圆锥滚子轴承的受力情况，在此基础上推导出轴承的刚度、变 形和载荷三者之间的关系表达式。讨论了轴承的预紧理论，介绍了轴承预紧的方 法。 第三章，对主动锥齿轮总成进行力学分析，讨论了轴向力在总成中的分配情 况，证明通过改变垫片厚度可以对轴承预紧力进行调整。提出了用测试圆锥滚子 轴承摩擦力矩的方式来测试预紧力矩的方法。 第四章，根据主动锥齿轮总成结构、预紧要求及装配工艺，建立以预紧力转 化成的轴向等效尺寸为封闭环的装配尺寸链，给出了调整垫片分组的方法。在此 基础上建立选垫机的测量模型，研究测量方法，研制了主动锥齿轮总成选垫机， 该设备应用计算机控制的测量机来智能化测量主动锥齿轮轴的轴向间隙，并优化 选择合适的调整挚片。 第五章，对选垫机测量精度影响因素做了分析。分析了基于测量模型的影响 精度的主要因素，并基于测量模型对测量误差进行补偿和修正。 最后对全文的工作进行了总结，并对将来进一步的工作作出展望。 关键词：主减速器，主动锥齿轮总成，调整垫片，刚度，预紧力，装配尺寸链， 测量模型 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d r i v i n gt a p e ra s s e m b l yo fa u t o m o b i l e sd r i v i n ga x l ei sac r u c i a lp a r tf o rt h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m i t sa s s e m b l yq u a l i t yh a sa l li m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ea u t o m o b i l e ，a n dh o w t og u a r a n t e eas u i t a b l ep r e t i g h t e n i n g f o r c eo f t h eb e a r i n g si sak e yt e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s so f t h ed r i v i n gt a p e ra s s e m b l y a d j u s t a b l eg a s k e t ss e l e c t i n gb e t w e e nb e a r i n g si n t h ep r o c e s so ft h ed r i v i n gt a p e r a s s e m b l yi ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa s f o l l o w s ： 1 1 1 es t r u c t u r ea n da s s e m b l yt e c h n o l o g yo ft h ed r i v i n gt a p e ra s s e m b l yo f a u t o m o b i l e sd r i v i n ga x l ew a si n t r o d u c c di nc h a p t e rlt h e nt h ei m p o r t a n c eo f m a k i n g s n r et h et a p e rr o l l e rb e a r i n g sh a v eas u i t a b l ep r e - t i g h t e n i n gf o r c ew a sc a r r i e d o u t , a n do nt h eb a s i so ft 1 1 i s t h ep r o b l e mo fa d j u s t a b l eg a s k e t ss e l e c t i o nb e t w e e nt h e t w ob e a r i n g sw a sa l s op u tf o r w a r d a tl a s t t h es i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h e g a s k e ts e l e c t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a dw a si n t r o d u c e d f o r c e o f t h et a p e rr o l l e rb e a r i n g sw a sa n a l y z e di nc h a p t e r2 t h ef o r m u l aw h i c h d e s c r i b e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t i f f n e s s ，d e f o r m a t i o na n df o r c ew a so b t a i n e d t h e nt h eb e a t i n g sp r e t i g h t e n i n gt h e o r yw a sd i s c u s s e d ，a n dt h ep r e - t i g h t e n i n g m e t h o dw a si n t r o d u c e d f o r c eo ft h ed r i v i n gt a p e ra s s e m b l yw a sa n a l y z e di nc h a p t e r3 n ea x i a lf o r c e s d i s t r i b u t i o ni nt h e r i v i n gt a p e ra s s e m b l yw a sd i s c u s s e d t h e na d j u s t i n gt h e p r e t i g h t e n i n gf o r c eo fb e a r i n g st h r o u g hc h a n g i n gt h et h i c k n e s so ft h ea d j u s t a b l e g a s k e t sw a sp r o v e dt o b et r u e a tl a s t , o n ek i n do fm e t h o dw h i c hw a st e s t i n gt h e p r e - t i g h t e n i n gt o r q u eb yt e s t i n gt h ef r i c t i o nt o r q u ew a sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r e ，t h e r e q u e s to fp r e t i g h t e n i n ga n dt h ea s s e m b l y p r o c e s so f t h ed r i v i n gt a p e ra s s e m b l y , a na s s e m b l ys i z ec h a i nw a s s e tu pi nc h a p t e r4 t h i sa s s e m b l ys i z ec h a i n sc l o s e d l o o pw a st h ea x i a le q u i v a l e n ts i z ew h i c hw a s t r a n s f o r m e df r o mt h ep r e t i g h t e n i n gf o r c e t h e nt h em e t h o do fg r o u p i n gw a sg i v e n o nt h eb a s i so ft h i s t h em e a s u r i n gm o d e lw a ss e tu p ，t h em e a s u r i n gm e t h o dw a s s t u d i e da n dt h eg a s k e t - s e l e c t i o nm a c h i n ew a sd e v e l o p e d t 1 1 i sc o m p u t e r - c o n t r o l l e d m a c h i n ec a ni n t e l l i g e n t l ym e a s u r et h ec l e a r a n c ea l o n ga x e sa n ds e l e c ts u i t a b l e g a s k e t s f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h eg a s k e t - s e l e c t i o nm a c h i n e st e s t i n gp r e c i s i o nw a s a n a l y z e di nc h a p t e r5 o nt h eb a s i so ft l l em e a s u r i n gm o d e l 。t l l em a i nf a c t o r sw e r e a n a l y z e d ，a n d e r r o rc o m p e n s a t i o na n dc o r r e c t i n gw e r eg i v e no u t i nt h ee n d t h ed i s s e r t a t i o nw a ss u m m a r i z e di nt h el a s tc h a p t e r , a n dt h ep o s s i b l e r e s e a r c hi nf u t u r ei sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：m a i nr e d u c e r ，d r i v i n gt a p e ra s s e m b l y ，a d j u s t a b l eg a s k e t s ，s t i f f n e s s ， p r e - t i g h t e n i n gf o r c e ，a s s e m b l ys i z ec h a i n ，m e a s u r i n gm o d e l 学号 学位论文独创性声明 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，也不包含为获得迸鎏盘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。 学位论文作者签名：嗨澎杞 签字日期： 御7 年i 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、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。本人授权迸鎏 二璺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) 学位论文作者签名：嘴孳勃 签字日期：w 0 7 年6 月8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 襞争槛 签字日期：勿l ， ) 年自月日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外汽车工业的发展 1 8 8 6 年，由德国工程师戴姆列与奔茨二人合作制成世界上第一辆汽车，标 志着汽车工业从无到有的转变。汽车问世至今一百余年期间，汽车工业从无到有， 迅猛发展，产量大幅度增加，技术日新月异。汽车为世界经济的大发展、为人类 进入现代生活，产生了无法估量的巨大影响，为人类社会的进步作出了不可磨灭 的巨大贡献。 汽车工业代表着一个国家制造业的发展水平，世界经济大国的经济发展无一 不与汽车工业有着极为密切的关系【1 】。汽车是由上万个零件组成的结构复杂、加 工精密的“技术密集、劳动密集、资金密集”型的机( 机械) 、电( 电器、电子) 、 化( 化t ) 、美( 美工造型) 一体化且大批量生产的产品，也是世界上零件数以 1 0 4 计、产量以1 0 7 计的唯一产品，是产值高、寿命长、需要量大的社会必需品。 当代世界上的最新技术与发展，首先在汽车上或汽车工业中得到推广应用【2 j 。另 外，汽车材料种类繁多，工艺复杂，在制造过程中要用到铸、锻、焊、冲压、金 属切削与无切n ) j n 工、热处理、表面处理、油漆、装配等各种加工工艺及其设备； 要消耗大量的各种钢材、有色金属、工程塑料、橡胶、玻璃、油漆等；要安装电 机、电器、仪表、微机控制系统、电子设备、空调设备、内饰和座椅、安全设备 等。汽车在使用中还要消耗大量的燃料、润滑油以及零配件；汽车还需要维护保 养及修理。因此，汽车工业要以钢铁、有色金属与非金属材料、机械制造、电机 电器与电子、化工、石油及其加工、汽车零配件制造与修理等工业以及当代许多 先进技术为基础，反过来说，汽车工业发展了，也能带动这些工业的迅速发展。 因此，许多发达国家都把汽车工业作为国民经济的支柱产业。一些发展中国家在 有了一定工业基础之后，为了带动整个国家经济的发展，往往也将汽车工业作为 支柱产业【2 】。 目前全世界汽车的保有量已超过5 亿辆。主要汽车生产国家是：日本、美国、 德国、法国、原苏联、意大利、加拿大、英国等国。全世界汽车年产量近5 0 0 0 万辆，其中日、美两国的产量约占5 0 ，欧洲各国总计占3 0 。自本世纪初至7 0 年代的数十年期间，美国汽车工业一直遥遥领先，日本则是后起之秀，从1 9 5 0 年产量仅3 万辆迅速跃至1 9 7 0 年的5 2 9 万辆，继而在1 9 8 0 年达到1 1 0 4 万辆， 开始超过美国而居世界第一位。月、美、欧洲等资本主义国家发展汽车工业的特 点是资本集中垄断，利用高科技优势，采取大批量生产方式。资本主义世界的经 浙江大学硕士学位论文 济衰退、能源危机、政局动荡、石油价格波动、市场竞争激烈等许多因素对汽车 工业影响很大。近十余年来，许多发达国家的汽车保有量和需求量已渐趋饱和， 汽车工业在5 0 、6 0 年代迅速发展的势头已减缓，企业间竞争激化，贸易保护主 义迅速蔓延。美国的汽车产量连年上、下波动，西欧汽车产量停滞不前，企业不 景气和严重亏损导致股权转让以及兼并改组。世界各大汽车公司为了在激烈的竞 争中求生存，采取将产品输出变为资本输出的对策，寻求多样化的国际合作方式， 实现跨国经营。多边合作、联合生产、合资入股、渗透兼并等方式使跨国公司日 益扩大，汽车的生产经营渐趋国际化【3 】。 改革开放以来，特别是近几年我国汽车工业发展势头强劲。据中国汽车工业 协会统计，去年全国汽车行业累计完成工业增加值3 7 9 1 0 2 亿元，同比增长3 4 5 2 ，增幅高于全国工业增加值增速水平( 1 6 6 0 ) 1 7 9 2 个百分点，增长额为 9 7 2 9 1 亿元；累计完成工业总产值1 5 5 5 6 1 6 亿元，同比增长2 9 2 0 ，增长额 为一号5 1 6 1 7 亿元，增幅同比提高2 0 6 0 个百分点；累计完成工业销售产值 1 5 2 1 5 1 6 亿元，同比增长2 4 7 ，增长额为3 2 7 9 2 4 亿元，增幅同比提高1 7 7 0 个百分点。主要经济指标增长都比较大，实现了增产增收。汽车产业作为国民经 济支柱产业的地位越来越突出。去年交通运输设备制造业对工业增长的贡献率首 次跃升至4 0 个工业行业之首。以汽车制造业为主的交通运输设备制造业已取代 电子信息通信业，成为名副其实的领头羊。汽车工业发展形势喜人，但同时也面 临着巨大的风险和挑战。特别是“入世”以后，国门完全打开，我国的轿车产业 与国外发达国家的汽车企业处于同一个大市场，将不可避免地面临激烈的竞争与 挑战。我们现在的主要问题是：缺乏完整的轿车开发能力和自主的品牌，零部件 制造体系相对薄弱，汽车产业的管理和服务体系仍十分落后，企业规模还难以与 国外大公司抗衡。不过，我国汽车工业发展前景是好的，汽车工业的目标是，到 2 0 1 0 年汽车产量达6 0 0 万辆，成为国民经济的支柱产业1 4 】。今后1 0 多年期间是 我国汽车工业飞跃发展的重要阶段，届时，我国将步入世界汽车工业强国的行列。 汽车工业发展的同时，也给社会带来了一些不易解决的难道：汽车数量过多， 造成噪声、污染、道路拥塞、事故较多、停车场短缺等社会问题。所以，汽车工 业还必须以性能优异的产品来适应环境保护、交通管理等方面的法规和政策的严 格限制。 1 2 汽车驱动桥主减速器装配技术 1 2 1 汽车驱动桥介绍 汽车的驱动桥处于传动系的末端，其基本功能是增大由传动轴或直接由变速 2 浙江大学硕士学位论文 器传来的转矩，将转矩分配给左、右驱动车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车行 驶运动学所要求的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢之 间的铅垂力、纵向力和横向力。 在一般的汽车结构中，驱动桥包括主减速器( 又称主传动器) 、差速器、半 轴及桥壳等部件 4 1 。万向传动装置传来的发动机转矩依次经过主减速器、差速器 和半轴最后传给驱动轮。主减速器可以降低转速、增加扭矩、并改变转矩的传递 方向，以适应汽车行驶的方向。差速器的功用是在必要时可使汽车两侧的车轮以 不同的转速旋转，以适应汽车转弯及在不平道路上行驶。半轴的功用使将扭矩从 差速器传到驱动轮。桥壳用以支承汽车的部分重量，并承受驱动轮上的各种作用 力，同时它又是主减速器、差速器等传动装置的外壳【5 】。 1 2 2 主减速器的结构 图1 1 为主减速器主动锥齿轮总成装配图。主减速器的减速传动机构为一对 准双曲面圆锥齿轮，为保证主动锥齿轮有足够的支承刚度，主动锥齿轮7 与轴制 成一体。在互相贴近而小端相向的两个圆锥滚子轴承4 、6 上，形成骑马式支承， 骑马式支承使支承刚度大为增加，使齿轮在载荷作用下的变形大为减t j 、1 2 l 。 图1 1 主减速器主动锥齿轮总成 1 锁紧螺母2 凸缘总成3 油封4 上轴承 5 轴承座6 下轴承7 主动锥齿轮8 调囊垫片 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 主减速器的装配技术 汽车的驱动桥是汽车传动系统的关键部件，驱动桥总成质量对汽车性能有很 大影响。据统计，在因汽车故障引起的行车事故中，制动系统故障占6 0 以上1 6 j 。 汽车驱动桥对汽车制动性能有很大影响，为提高汽车的质量，加强行车安全性能， 一方面应提高驱动桥装配线的自动化程度，保证装配质量；另一方面应提高零部 件的制造加工精度，以加强驱动桥的整体性能。木课题所研制的汽车驱动桥主动 锥齿轮轴总成选垫机就是驱动桥主减速器装配线上的一个检测设备，该设备用来 测量驱动桥主动锥齿轮总成的相关尺寸，计算出能保证轴承预紧力矩在规定范围 内时应选调整垫片的厚度，并优化选择合适的调整垫片组合。 汽车驱动桥中的主减速器是汽车传动系的最关键部件，它的主要作用在于传 力和减速增扭，主减速器总成的装配精度对驱动桥乃至整车的性能有很大的影 响。主减速器的装配中，主动锥齿轮和从动锥齿轮的正确啮合很重要，正确的相 对位置可保证主、从动锥齿轮运转过程中振动和噪声较低，轮齿沿长度方向磨损 均匀。因此，一方面要使主、从动锥齿轮有足够的支承刚度，这样在运转过程中 它们才不会发生很大的变形，影响啮合精度；另一方面，需要设计啮合调整装置， 调整主、从动齿轮的相对位置，以保证正确啮合。 增加轴承系统的刚度对提高轴的旋转精度、减少振动噪声和保证轴承寿命都 是十分有利的【”。可以采用以下措施提高轴系的刚度：选用合理的轴承类型、合 理安排轴承的组合方式、轴承预紧。在汽车驱动桥主减速器装配过程中，主要的 提高刚度的措施便是轴承预紧。因此，保证合适的轴承预紧力是主减速器装配中 的一个关键技术，本课题研制的汽车驱动桥主动锥齿轮总成选垫机就是为主减速 器装配自动选择垫片，调整轴承预紧力达到规定的范围。 1 3 国内外主减速器装配中选垫问题的发展状况 由于零件在制造过程中，存在一定的误差，所以主减速器在装配的过程中， 存在着轴向间隙。此轴向间隙会影响主动锥齿轮与从动锥齿轮的正确啮合，从而 使汽车在运行过程中产生振动、噪声，同时，也影响整个轴系的使用寿命。因此， 在主减速器的装配过程中，要消除此轴向问隙，需要选用专用的隔套和垫片。另 一方面，提高轴系的旋转精度，减少振动和噪声，保证轴承寿命，需要提高轴承 的支承刚度，主要的提高刚度的措施就是对轴承进行预紧，因此，要保证合适的 轴承预紧力也需要选择垫片来调整轴承预紧力达到规定范围 8 1 。这样，选垫问题 在主减速器装配过程中是一个很关键的问题，是保证驱动桥质量的一个重要因 素。 4 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 国外情况 在汽车主动锥齿轮总成轴承预紧及其隔套垫片的选择方面，国外主要的研究 方向是1 9 ”】：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在线测试及控 制器的实现研究等。 从产品质量来看，国外同类驱动桥一般有更长的寿命，更小的噪音，可见国 外技术较好。分析原因有两种可能：一是国外采用了特殊结构；二是国外的制造 装配精度更高。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 两个等级啊。 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、轴承预紧力矩、螺母拧紧扭矩、齿侧间隙等进 行现场在线测量诃试；大量采用可控力矩的螺母拧紧机1 1 3 1 。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。 1 3 2 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， 但对驱动桥制造、装配自动化技术的研究却很岁。 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，大部分厂家为了满足主减速器内主齿总成的装配质量要求，先通过工人经验 选择垫片种类及片数，再由压装后检测预紧力矩来确定垫片选择的正确性，如果 预紧力矩过大或过小，都应拆卸主动锥齿轮总成反复试装；而为了满足主减速器 内主、被动齿轮的啮合要求，大部分厂家选择垫片的方法多数采用涂粉、试垫， 再由装配后检查啮合印痕是否正常，以确定选择的垫片是否能保证主、被齿啮合 良好，否则应反复试装进行调整。这些方法过程繁琐，效率低下，不适应汽车行 业的发展。不过，现在大部分企业开始意识到以往的做法需要改进，开始提高车 桥装配线的自动化程度。在国内，合肥工业大学、成都电子科技大学曾做过驱动 桥主减总成选垫机的相关研究【1 5 1 6 1 ，本课题是浙江大学为一汽解放汽车有限公 司车桥分公司进行车桥主减速器生产线改造项目的自动选垫机部分，相信企业与 高校的合作，我国的驱动桥装配质量将得到很大的提高。 5 浙江大学硕士学位论文 1 4 论文研究的内容和意义 本课题围绕提高汽车驱动桥主减速器装配线自动化程度和提高装配质量展 开，研究了如何建立一个柔性化较好的测量模型，采用正确合理的测量方法，测 量和进行数据误差处理，设计一个优化的选垫模型，选择调整垫片，并完成了汽 车驱动桥主减速器总成的自动选垫系统的研制。主要内容如下： ( 1 ) 分析圆锥滚子轴承的受力情况和轴承刚度，阐述了轴承的预紧理论， 说明主动锥齿轮总成在装配过程中选择调整垫片的必要性和重要性。 ( 2 ) 对主动锥齿轮轴总成进行力学角度分析，讨论了轴向力在总成中的分 配，说明了垫片可以对轴向力分配进行调整，从而使轴承预紧力矩达到给定的范 围。最后提出了用摩擦力矩来测试预紧力矩的方法。 ( 3 ) 建立主动锥齿轮总成的装配尺寸链，给出垫片的分组方法。在此基础 上建立起选垫机的测量模型，开发了选垫机系统，对系统硬件j 软件进行了介绍。 最后给出了优化选垫的模型，并以一个检测实例证明了选垫系统设计的正确性。 ( 4 ) 对影响测量精度的因素进行了分析，给出误差补偿的方法。 1 5 论文的组织形式 论文的整体框架如图1 2 所示。各章节的具体安排如下： 第一章，绪论。介绍国内外汽车工业的发展状况，驱动桥结构和功能，提出 驱动桥主动锥齿轮总成的装配问题，接着介绍主减速器结构和其装配的关键要 求。由此，提出主减速器装配过程中的调整垫片的选择问题。 第二章，轴承刚度分析及预紧理论。对圆锥滚子轴承进行力学分析，进而推 导轴承刚度、变形与载荷三者之间的关系表达式，在此基础上阐述预紧理论。 第三章，主动锥齿轮总成的力学分析。分析主动锥齿轮总成轴向力的分配， 证明通过改变垫片尺寸可以对轴承预紧力进行调整。 第四章，选垫机测量模型的建立及选垫机系统的实现。建立主动锥齿轮总成 的装配尺寸链，给出垫片分组方法，进而建立选垫测量模型，最后研制了选垫机 系统。 第五章，测量精度控制技术。对选垫测量系统精度影响因素进行讨论，并对 误差进行补偿和修正。 第六章，总结与展望。对论文的工作进行了总结，并对将来进一步的工作作 出展望。 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 + 第二章轴承刚度分析 第三章主动锥齿轮总 及预紧理论 成的力学分析 第四章选垫机测量模 型的建立及选垫机系统 的实现 第五章测最精度控制 技术 第六章总结与展望 1 6 本章小结 图1 2论文的组织结构形式 本章首先介绍了国内外汽车工业的发展情况，说明了汽车质量的重要性。对 影响汽车质量的汽车驱动桥装配技术做出分析，通过对国内外主减速器装配现状 的介绍，指出在装配过程中，选择调整垫片的必要性和重要性。最后，说明了本 文的研究内容和意义，并对本文的结构形式作了说明。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章轴承的刚度分析和预紧理论 汽车驱动桥主减速器的主动锥齿轮轴通过一对圆锥滚子轴承支承，主动锥齿 轮总成选垫机通过选择合适的垫片来调整轴承的预紧力。主减速器上的主齿轴承 的预紧对汽车的性能影响很大，大的预紧力可能增加主动锥齿轮总成的刚度和平 稳性，但不可避免地使总成温度升高，降低总成的使用寿命：若预紧力过小，则 会降低主动锥齿轮轴总成的传动精度，使轴承局部磨损增大，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，保证主动锥齿轮总成中轴承预 紧力在要求范围内是选垫机设计的关键。那么，研究轴向预紧力与轴承刚度的关 系是十分必要的，本章将对圆锥滚子轴承的受力和刚度进行分析，并且在此基础 上阐明轴承的预紧理论。 2 1 圆锥滚子轴承的受力分析 图2 i圆锥滚子轴承滚动体受力图 d q d r 在给定轴向力的作用下，装配好的主动锥齿轮总成圆锥滚子轴承的受力如图 2 1 所示。 图中： c 舶承所受的轴向外载荷 8 浙江大学硕士学位论文 q 外圈滚道对滚动体的作用力 q 内圈滚道对滚动体的作用力 幺内圈挡边对滚动体的作用力 外圈作用于滚动体上的载荷q ： q 。：j 五，_ ：旦( 2 1 ) c o s 口，s i l l 口 内圈作用于滚动体上的载荷分为两部分：一部分为内圈滚道对滚动体的作用 力q ；另一部分为内圈挡边对滚动体的作用力蜴。 内圈滚道对滚动体的作用力q ： q ，：一：善虹 ( 2 _ 2 ) g o s 口，s i n 口， 内圈挡边对滚动体的作用力奶： 仍：l ：善堑_( 2 _ 3 ) c o s 口ds i n 口j 由作用于滚动体上的所有载荷应互相平衡可得： + 璺一璺钏 ( 2 _ 4 ) l q 。一q 。一9 ，。= 0 因为，一般圆锥滚子轴承外圈无挡边，所以轴承的接触角盯即指外圈滚道与 滚动体接触处的接触角g t e ，即 口= 口 联立式( 2 - - 1 ) 式( 2 4 ) 可得： q = 盅s ms 卷i n ( ( h )a a i + a d ) 、2 ，) q ：尘堕生里! 一 s i n a s i n ( a ，+ ) 根据圆锥滚子轴承的几何结构，其角度之间有如下的关系： 口+ a a = o t + 2 一( a 一詈 = 詈+ 詈 a , + a a = ( 口一缈) + = 詈一要 口一= 缈 其中，妒滚予两条母线之间的夹角 联立式( 2 5 ) 式( 2 9 ) 可得。 9 ( 2 _ 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 浙江大学硕士学位论文 q ：旦( 2 - - 1 0 ) 又q ：粤l ，所以 q = q ( 2 一1 1 ) 当圆锥滚子轴承承受中心轴向负荷时，各滚动体的接触负荷相同，设该圆锥 滚子轴承得滚子数目为z ，作用于轴承上的载荷为纯轴向载荷为f a ，则滚动体 所受负荷q 为： 矿 o = 二l 一 ( 2 - - 1 2 ) 。 z s i n 口 所以，内外滚道对滚动体的作用力为： q 。q 2瓦r忑a(2-13) 根据式( 2 6 ) ，内圈挡边对滚动体的作用力为： 2 f os i l l 罢 蜴2 意( 2 - - 1 4 ) 由此可见，当作用在圆锥滚子轴承上的载荷为纯轴向载荷时，外圈滚道和内 圈滚道作用在滚动体上的力是相等的。滚动体受力大小与滚子数目、滚子母线夹 角及作用于轴承上的轴向力大小相关。 2 2 圆锥滚子轴承的刚度分析 2 2 1 轴承的刚度 滚动轴承的刚度定义为轴承内、外套圈产生单位的相对弹性位移量所需的外 加负荷切。影响圆锥滚子轴承刚度的因素有多种，除了结构与尺寸外，预紧状 态、外载荷大小等都会影响其刚度大小，轴承转速变化也会影响到刚度变化。因 此，圆锥滚子轴承的刚度变化规律非常复杂，涉及到很多非线性关裂射。因此定 义轴承的刚度为： | j ：一d f ( 2 1 5 ) d 6 式中f 作用于轴承上的载荷 6 在载荷f 作用下，轴承的变形量 k 值越大，表明轴承的刚度越大。 圆锥滚子轴承的刚度分径向刚度、轴向刚度和角刚度，理论求解这些刚度极 为复杂而且不精确1 嘲。由式( 2 1 5 ) 定义径向刚度为轴承的径向载荷除以圆锥 1 0 浙江大学硕上学位论文 滚子轴承内圈和外圈在径向中心线的总位移。由于各个滚子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。轴向刚度是轴向载荷除以轴向位移。角刚度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、外圈中心线的不同轴度的角 度值。 2 2 2 圆锥滚子轴承刚度分析 2 221 圆锥滚子轴承变形与负荷的关系 滚动轴承弹性变形计算的基础是赫兹接触理论。在受载后，圆锥滚子轴承滚 动体与套圈滚道接触处变形量6 与负荷q 的关系为h 7 】l l g ： j = k q ” ( 2 1 6 ) ，10 9 其中，k 弹性系数，墨= 7 6 6 x i 0 - 5 二焉r ，c e 为与接触体材料弹性常 i 数e 和泊松比i ，有关的系数； q 轴承滚动体的法向负荷。 2 2 2 2 受纯轴向负荷的轴承变形问题 q v 萨惑6r c o 鲫h l 图2 2 轴承受载与载荷引起的位移 圆锥滚子轴承可以同时承受径向负荷和轴向负荷，这样会使轴承产生轴向和 径向的弹性变形，当轴承同时承受径向和轴向载荷时，分析时假定： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 忽略套圈的倾斜，内、外套圈保持在相互平行的平面内运动。 ( 2 ) 所有受载的滚动体的接触角是相同的，且实际接触角可以确定。 作了以上的假定，我们可以分析轴承的滚动体与内、外套圈的接触处的弹性 变形情况，若内外套圈沿轴向的相对位移为皖，沿径向的位移为4 ( 图2 2 ) ， 在与受载最大的滚动体中心夹角为处，滚动体与内外套圈接触处的总弹性变形 量为： 6 = 6 ，s i n a + 6 r e o s o t c o s 矿( 2 - - 1 7 ) 从图中可以看出，在= 0 处，弹性变形量最大，则此最大弹性变形量为： 6 。= 6 4 s i ncr+6rc,osf：g(2-18) 若轴承仅有轴向套圈相对位移量时，即覆= 0 ，则有： 吒：擘 ( 2 1 9 ) s m 口 若轴承仅有径向套圈相对位移量时，即皖= 0 ，则有： 葭：至坠( 2 2 0 ) 当圆锥滚子轴承仅受纯轴向负荷f a ( 图2 1 ) 时，在受载最大的滚动体处， 由式( 2 - - 1 3 ) ，可得受载最大的滚动体的法向载荷q 。 由式( 2 - - 1 3 ) 、式( 2 1 6 ) ，得到圆锥滚子轴承滚动体内外圈滚道接触处沿 外围方向的弹性变形6 与滚动体上作用力f a 之间的关系为： 雠( 盎) ”= 竽煮( 2 - - 2 1 ) 式中，6 就是在= 0 处的最大弹性变形量6 。 对于钢制标准轴承，c e = li m ，有： 万=伊766蕊x10-5fo。9 ( 2 2 2 ) 式中 t 圆锥滚子轴承滚子有效接触长度，且l e = z 一2 r ( m m ) 卜一滚子全长( n u n ) ，滚子两端角 联立式( 2 - - 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 和( 2 - - 2 2 ) ，得到圆锥滚子轴承的在纯轴向负荷 作用下，内外套圈轴向相对位移量皖和径向相对位移量4 分别为： 最：7 6 6 x 1 0 - s f a 。 9 ( 2 2 3 ) 屯2 z o 9 (223)eo8 s i n l 9 t z 4 ：巢裟竺 ( 2 2 4 ) 。z 0 9 ，。o 8s i n o 9 口c o s g “ 浙江大学硕士学位论文 轴承的轴向刚度k 。为： 屯= 要= 4 1 5 7 0 2 1 , 8 ”f ，a 1 1 9s inl919口(2-25) a o a 轴承的径向刚度k 为： t = 罢= 4 1 5 7 0 z l , ”9 4 “9 s i n 口c o s l o 9 口( 2 - - 2 6 ) a 啡 可以看出，圆锥滚子轴承在纯轴向载荷的作用下，滚动体内外圈滚道接触处 沿外圈方向综合等效弹性变形万( 包括轴向变形皖和径向变形4 ) 与负荷的0 9 次幂成正比，近似呈线性关系。而轴向刚度k a 和径向刚度l 【r 则与变形的o 1 次幂 成正比。所以，当给圆锥滚子轴承施加纯轴向负荷时，不仅影响轴承的轴向刚度， 而且还影响轴承的径向刚度【2 0 一2 4 1 。 2 3 圆锥滚子轴承预紧理论 滚动轴承的预紧是指将滚动轴承装入轴承座和轴上后，采取一定的措施使轴 承中的滚动体和内、外圈之间产生一定量的预紧变形，以保持内、外圈均处于压 紧状态【1 7 1 。滚动轴承预紧的目的是：增加支承的刚性，减小振动和噪声；防止 由于惯性力矩所引起的滚动体相对于内、外滚道的滑动。按预负荷的方向，预紧 可以分为轴向预紧和径向预紧两类，轴向预紧是在采取一定措施，给轴承施加轴 向载荷使轴承产生变形，而径向预紧是利用过盈配合使轴承内圈膨胀，以消除径 向游隙，是轴承处于预紧状态。径向预紧不像轴向预紧那样经常采用。本文讨论 的主动锥齿轮总成在装配时，是通过拧紧锁紧螺母来产生轴向预紧力使轴承预紧 的，所以，本文主要分析圆锥滚子轴承的轴向预紧。 2 3 1 圆锥滚子轴承的预紧原理 圆锥滚子轴承都是配对使用的，轴承本身的预紧并不需多大的轴向力。为了 消除轴承在运转过程中滚动体受离心力矩作用，造成滚动体和滚道之间产生相对 滑动，导致轴、座圈分离倾向，确保轴承正常工作，必须施加一定的轴向预紧力。 在本章第二节中已经分析了圆锥滚子轴承的变形预负荷的关系，由式( 2 2 3 ) 可以看出，单个圆锥滚子轴承的轴向变形与轴向载荷近似为线性关系。因此 单个圆锥滚子轴承是不能用预紧的方法增加其刚度的。 但是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左右1 1 6 1 。图 2 3 为圆锥滚子轴承的预紧原理图，图中的轴承i 、轴承1 1 分别为主动锥齿轮总 成中的上、下两圆锥滚子轴承，参见图1 1 。 浙江大学硕上学位论文 、轴承i i轴承1 ，7 皖 1 司。 司_ h 吧 号 吒。屯。 一 皖如 图2 3圆锥滚子轴承坝紧j 象理 两个圆锥滚子轴承在预紧载荷c 。作用下，其预紧变形量均为。当只作 用于轴上后，轴沿只方向移动了皖，这时，轴承i 进一步被压缩，变形量增加 了皖；轴承恢复部分变形，其变形量则减小了吃，即：瓦= 皖。+ 皖， 皖- 一2 皖。一皖。此时，轴承i 受力为匕+ 孚，轴承受力为匕一孚。 由本章第2 节的讨论，知道载荷与变形成线性关系，对轴承i 可得： 皖。= k e 。 皖。= k ( 矗+ 二 ) 所以轴承i 的在轴向载荷的作用下的变形为： 6 d = k i 警 如果两轴承不预紧，这时轴沿f a 方向的移动量皖就是轴承i 的轴向变形量， 即有： 吒= k e 与轴承预紧时轴承i 的轴向变形量皖相比，可得： 哦= 2 吒 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。 2 3 2 轴承最小轴向预紧载荷的决定 预紧载荷的大小，应该根据负荷情况和使用要求确定。如果为了减小支承系 统的振动和提高精度，则应该选择较轻的预紧；如果是为了增加支承系统的刚度， 则应选择较重的预紧。在实际的产品设计中，一般应根据使用经验和通过试验决 定预紧载荷的大j 、 2 5 2 6 1 。下面介绍纯轴向载荷下及径向载荷和轴向载荷同时作 1 4 浙江大学硕士学位论文 用时圆锥滚子轴承的预紧力大小。 在纯轴向载荷作用下，当兄= 2 f o 。时，轴承1 i 将完全不承受轴向载荷，解除 了预紧的作用，因此，最小轴向预紧载荷应满足以下的关系： f o 0 5 e 在径向载荷和轴向载荷同时作用时，应考虑内部轴向力的作用。由轴承载荷 分布理论( 威布尔分布) 可知，为了增加轴承的刚度，轴承中同时承受载荷的滚动 体数应尽可能多。使轴承中每个滚动体都承受载荷的预紧载荷应为： if o 1 9 f , i t g a l o 5 只 【f o 1 9 确t g a 2 + o 5 只 式中：f f l 、f f 2 由承i 、的径向载荷 a 卜。厂轴承i 、的接触角 f _ 轴承所受的轴向载荷 由此可知，圆锥滚子轴承的最小预紧力应为： f o m = m a x ( f o m i ，c m i - ，) 其中。e 一- 2 l 9 晶l o 5 e 。一 f o 。m = 1 9 f ，i i t 2 + o 5 e 知道了圆锥滚子轴承最小预紧载荷的要求，对实际的产品设计有指导作用。 2 3 3 圆锥滚子轴承的预紧方法 常用的圆锥滚子轴承的预紧方法有1 2 2 】 2 7 - 2 9 1 ： ( 1 ) 采用衬垫或隔套 两个轴承成对安装时，在内圈或外圈之间放置不同厚度的衬垫，改变垫片的 厚度可达到各种不同的预紧量。当两圆锥滚子轴承背对背安装时，可以在外圈加 垫片来预紧( 图2 4 ( a ) ) ；当两圆锥滚子轴承面对面安装时，可以在内圈之间加 垫片来预紧( 图2 4 ( b ) ) 。f 表示为预紧而施加给轴承的轴向力。 垫片 垫片 ( a ) 背对背安装 图2 4 用衬垫实现预紧 1 5 ( b ) 面对面安装 浙江大学硕上学位论文 当两个轴承相距一定距离安装时，可用不同长度的隔套实现预紧。用隔套预 紧时，要先测量两轴承内、外圈端面之间的距离。按端面间距差求预紧量的大小， 决定隔套的长度。 ( 2 ) 采用弹簧实现预紧 轴承安装到轴承部件中时，始终用弹簧顶住不旋转的外圈，以实现定压预紧。 如图2 5 所示。此方法简单可靠，在许多机械中得到广泛的应用。但采用该方法， 轴承在预紧装置上的拆卸时问长，工人的劳动强度大，预紧不同规格的轴承都必 须设计制造相应的一整套预紧用的心轴和弹簧等零件，给生产的技术准备工作带 来麻烦。 轴承预紧还需要有一定的轴向紧固装置，轴向预紧紧固装置很多，选取时应 考虑轴向载荷的大小、转速的高低、轴承类型和在轴上的位置以及装拆条件等， 载荷愈大，转速愈高，轴向固定愈要可靠。具体使用情况是：当载荷较大时，轴 承内圈多采用锁紧螺母止动垫圈预紧，轴承外圈采用端盖、螺纹环紧固；当载 荷较小、转速较低时，轴承内圈多采用轴用弹性挡圈、紧定套和退卸套。轴承外 圈多采用孔用弹性挡圈、止动环等。 2 4 本章小结 图2 5 定压预紧结构示意图 本章首先分析了圆锥滚子轴承在纯轴向载荷作用下的受力情况，在此基础上 推导了载荷、变形及刚度之间的关系表达式。接着阐述了圆锥滚子轴承的预紧理 论，分析了预紧成对安装的圆锥滚子轴承可以提高轴承刚度的理论。最后对圆锥 滚子轴承的预紧措施进行了简要介绍。本章分析对主减速器总成装配过程中的选