汽车变速器轴承的专用压装装置设计

I 摘 要 轴承作为汽车的变速器的核心部分，随着汽车工业的发展，其可靠性越发被人们所关注。轴与轴承、轴套的配合为过盈配合，需要较大的压入力，并且随着压入长度的增大而增大， 若不能很好的保证轴承的可靠性，很可能会引发交通事故。然而压装过程对轴承的可靠性起着决定性的作用， 要将两个轴套均匀地压入无缝钢管两端，并且要保证两轴套间的相对位置，轴套压到底部后，在相应的位置还要钻攻螺纹孔， 传统的人为手工压装，其弊端明显，不仅劳动强度大，效率低下，还无法满足精度要求。 本次设计的装置 采用液压传动，通过电动机带动皮带轮将动力传递 至丝杠支承 ，使丝杠转动，从而带动装有螺母的压头移动，将轴套压入至指定位置，同时保证轴套与钻孔之间的相对位置，并通过安全离合器的作用，断开电机完成压装。此装置不仅可以解决在人为进行装配时的大强度、低精度等问题，还能大大地提高了效率。 关键词 ： 汽车变速器； 过盈配合；轴、轴承和轴套；轴承压装装置 II Abstract As a core part of the transmission of the car, with the development of the automobile industry, the reliability of bearings are concerned about by more and more people. Shaft bearings, bushings with an interference fit, requires a large amount of pressing force, and increases with the length, if can not ensure the reliability of the bearing, is may lead to accidents . However, the process of pressing plays a decisive role in the bearing reliability , two sleeve pressure evenly into both ends of seamless steel pipe, and to ensure that the relative position between the two bushings the sleeve pressure in the end portion in the corresponding the location but also drilling and tapping threaded holes, traditional press-fit the human hand, its obvious drawbacks, not only labor-intensive, inefficient and unable to meet the accuracy requirements. The design of the device adopts hydraulic transmission, driven by the motor pulley to transmit power to the screw supporting the screw rotation, so as to drive the indenter mobile air-nut pressed into the sleeve to the specified location, at the same time assuring the shaft the relative position between the drilling. This device not only solve the artificial labor intensity when assembly and low positioning accuracy， but also greatly improve efficiency. Key words: automobile transmission； interference fit ； shaft, bearing and shaft sleeve； bearing pressing device III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 . 1 1.1 汽车变速器轴承的专用压机的研究内容和意义 . 1 1.1.1 设计轴承专用压机的目的和意义 . 1 1.1.2 轴承专用压机的研究范围 . 1 1.1.3 轴承专用压机需达到的技术要求 . 1 1.2 轴承及其压装在国内外的发展概况 . 2 1.2.1 轴承及其产业在国内外的发展概况 . 2 1.2.2 轴承压装在国内外的发展概况 . 3 1.3 本课题应达到的要求 . 4 1.3.1 液压机的工作原理 . 4 1.3.2 液压机的组成部分 . 4 1.3.3 液压机的特点 . 5 2 汽车变速器的介绍 . 8 2.1 汽车变速器的工作原理 . 8 2.2 汽车变速器的分类 . 8 2.3 汽车变速器的作用 . 9 2.4 汽车变速器的主要组成部分 . 9 2.5 轴承的介绍 . 10 3 设计方案的确定与选择 . 13 3.1 机械设计步 骤 . 14 3.2 设计思路 . 14 3.3 设计方案 . 18 3.3.1 电动机类型的选择 . 18 3.3.2 传动方式的选择 . 19 3.3.3 液压机的选择 . 20 3.3.4 液压缸的设计与选择 . 21 3.3.5 压板的设计 . 21 3.3.6 压头的设计 . 21 3.3.7 离合器的选择 . 22 3.4 总体方案的拟定 . 23 3.5 方案可行性分析及改进 . 23 4 系统原理及设计计算 . 24 4.1 系统原理及硬件框图 . 24 IV 4.2 工作原理 . 24 4.3 设计计算 . 24 4.3.1 压入力计算 . 24 4.3.2 螺杆计算 . 26 4.3.3 电动机的功率计算 . 27 4.4 皮带轮的选择 . 29 4.5 轴承的选择 . 30 4.6 螺栓强度计算 . 30 5 结论与展望 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 汽车变速箱轴承的专用压装装置设计 1 1 绪论 1.1 汽车变速器轴承的专用压机的 研究内容和意义 1.1.1 设计轴承专用压机的目的和意义 本课题来源于仪佳设备维修有限公司。本次设计的汽车变速器轴承的专用压机主要用于汽车 4S 店维修汽车变速器轴承拆卸后的重新压装。 轴承是变速箱的重要部件之一，为了使轴套与轴之间严格定位，滚动轴承与轴及轴承座孔需要采用过盈配合，而过盈需设计一变速箱轴承的专用压装装置安装及其预紧力，不仅对 轴承的定位、旋转精度及轴承的游隙有影响，还对滚动轴承的接触角、轴承刚度、轴承内部的载荷分布及摩擦力等会产生影响，所以轴承压装过程直接影响变速箱的使用寿命。为了达到使轴承在变速箱内发挥到极佳的状态的目的，即设计一能在无缝钢管两端均匀压入二轴套，且要保证二轴套的相对位置的压装装置，轴套压到底后，还需要在相应位置钻攻螺孔。 设计汽车变速器轴承的专用压机的意义在于，通过此装置，对 4S 维修部拆卸下来的轴承进行重新压装，其达到了人为手动操作无法达到的高强度、高精度的要求，还可以大大提高一次服务所耗费的时间，达到效率最 高。 1.1.2 轴承专用压机的研究范围 本次设计主要涉及汽车变速器轴承的专用压装装置的设计，主要需要解决的问题是该装置中一系列部件的设计，包括：电动机及减速器的选型、液压机、轴承的选型、液压缸的选择、传动机构的设计等，并画出相应的设备图。 1.1.3 轴承专用压机需达到的技术要求 压力机是一种结构精巧的通用性压力机。其用途广泛，生产效率高，特点显著，它可被广泛应用于切断、冲孔、铆合、下料、弯曲和成形等工艺。其主要包括气动压力机，螺旋压力机，曲柄压力机，多工位压力机。 压力机由电机经过传动机构带动执 行机构，对工件施加压力。其通常分为螺旋压力机、曲柄压力机和液压机三大类。实质上，它由框架、工作区域和作往复活动的滑动块组成，滑动块和工作台上安装的模具对零部件施加压力。 压力机的主要组成部分有： （ 1） 工作台：它是框架上的矩形部件，中间部分一般是作开口设计的，用于放置垫板。 （ 2） 垫板：它是一块用于安装模具和附件的钢板。 （ 3） 滑块：压力机上的一个活动部件，其行程取决于压力机的尺寸和设计。 （ 4） 脱模装置：它是一个在压力机回程过程中打出工件或废料的机构。 （ 5） 顶出件：它是一个置于中间部位垫板下方 或者，由空气、够向上运动和施加顶橡胶、弹簧、油或组合机构驱动的能出力的机床附件。 无锡太湖学院学士学位论文 2 本次设计的专用压机，为压力机中的液压机。主要通过电机旋转，由减速机经皮带将动力传递至丝杠支承 ，使丝杠转动，从而使固定有螺母的压头移动，将轴套压入至指定位置，保证轴套与钻孔之间的相对位置，当轴套到达指定位置后，安全离合器发挥作用，此时操作人员可以关闭电机，完成一次压装。 1.2 轴承及其压装在 国内外的发展概况 1.2.1 轴承及其产业在国内外的发展概况 中国是世界上最早发明滚动轴承的国家之一。轴承在国民经济 和国防建设中的作用越发显著：新中国建立前，轴承制造业几乎是空白的。机械设备上配套和维修需要的轴承，几乎都是依赖进口的。 中国轴承大致可以分为三个阶段工业的发展历程，： 奠基阶段： 1949 年瓦房店轴承厂恢复生产，成为中国第一家独立生产轴承的企业。抗美援朝期间其迁址哈尔滨并投入生产，而后伤害等市的生产基地也初步形成。截止到此时，我国轴承工业的主要生产基地形成了，分布在瓦房店、哈尔滨、洛阳、上海四处，为轴承制造业打好了了扎实的基础。 体系初步形成阶段：此阶段正处于国家制定的五个五年计划的 飞速发展时期，给轴承的发展和制造带来了新的际遇。“一五”中期，洛阳轴承厂通过国家验收，顺利投入生产；上海的轴承发展逐渐由了其自己独特的地方特色；也因此成了不同于其他基地的生产区域。瓦房店、哈尔滨轴承厂充实完善，获得了较大发展。该阶段，轴承的制造主要为了满足主机的配套和新产品的研发，已逐步进入设计和生产汽车用滚针轴承、机床主轴上的轴承、磁电机轴承和一些精密轴承，并尝试着制造了一些用于铁路机车、重型机械、轧钢机、石油工业和坦克等主机上的轴承，进行试配套。 管轴承只是充当各个主机中的支承元件的身份，但是 因为其种类凡多、加工精度高、尺寸大，故其产业只能是以一种特殊的独立形式存在于机械工业中。至今，轴承品种已逾5 万种，规格多达 15 万种。最小的轴承内径只有 0.151.0mm ，重量约 0.003g，最大的外径可达 40m ，重 340t 。北美、日本、秀的轴承产量占时间总产量的 78% ，美国、日本、德国形成世界三大轴承市场 国外轴承的发展历程： 轴承在现今的机械设备中充当着尤为重要的角色，它的“职责”主要是支撑选择轴或其他的运动部件，引导部件的转动或移动，并承受从轴或轴上零件传递来的载荷。西方人写作 Bearing ，日本人称之为“轴受”。 国 外轴承的发展主要在于 7 个方面： （ 1）主要技术与经济指标：尽。 （ 2）轴承的整体技术水平，在近 30 年来得到了令人咋舌的进步。 精度高、转速高、可 靠性高、寿命长、免保养以及标准化、单元化、通用化已经成为了轴承的基本技术指标。尤其在轴承基础技术改进、通用产品的结构研究设计、专用轴承的单元化以及陶瓷质地轴承的研发等方面成效显著。 体系初步形成阶段：此阶段正处于国家制定的五个五年计划的飞速发展时期，给轴承的发展和制造带来了新的际遇。“一五”中期，洛阳轴承厂通过国家验收，顺利投入生产；上海的轴承发展逐渐由了其自己独特的地方特色；也因此成了不同于其他基地的生产区域。瓦房店、哈尔滨轴承厂充实完善，获得了较大发展。该阶段，轴承的制造主要为了满足主机的配套和新产品的研发，已逐步进入设计和生产汽车用滚针轴承、机床主轴上 的轴承、磁电机轴承和一些精密轴承，并尝试着制造了一些用于铁路机车、重型机械、轧钢机、石油工业和坦克等主机上的轴承，进行试配套。 汽车变速箱轴承的专用压装装置设计 3 （ 3） 设计理念：我们设计了一个传统的轴承，其使用的理论和方法的研究中，将主要用于静态和准静态力学方法。但是，在过去的 50 年中，轴承的设计有很大的突破，有限差分法，有限元法，动态，准动力学，弹性流体动压润滑理论等方面的概念已经出现有效促进了产品的设计和应用计算机辅助设计技术的研究和开发，在同一时间，计算在 不同国家得到了广泛的使用，这也是轴承的设计技术，以一个新的阶段提供通过衬垫轴承。 （ 4） 通用轴承的结构改进： 产量和通用轴承产品的结构已经被广泛使用，以提高轴承负荷和延长寿命，增加强度和刚性，减少摩擦和磨损，使用新材料和新的重点研究避免维护降低噪音，减少大小重量。经过 30 多年的努力，国外通用轴承已脱胎换骨，形成了新一代的增强型产品。修剪一般轴承的内部结构的主要套圈壁的厚度减小，以增加滚动体的直径和长度的，与记录汇流排冠辊，代替保持器的参数和结构，改变其导通模式下，增量 3 轴承内圈密封墙接触来实现。 （ 5） 轴承产品技术： 管轴承只是充当各个主机中的支承元件的身份，但是因为其种类凡多、故其产业只能是以一种特殊的独立形式存在于机械工业中。至今，轴承品种已逾5 万种，规格多达 15 万种。最小的轴承内径只有 0.151.0mm ，重量约 0.003g，最大的外径可达 40m ，重 340t 。北美、日本、秀的轴承产量占时间总产量的 78% ，美国、日本、德国形成世界三大轴承市场 。 （ 6）材料应用技术： 1905 年德 国在制造滚动轴承的过程中使用了 SAE52100 高碳铬钢后，到 1920 年该材料被广泛用于滚动轴承的制造，五十年代末真空脱气钢问世，八十年达推广了真空脱气钢和钢包精炼，使轴承钢的纯度大幅提高。而后 FAG、 SKF、 KOYO等公司相继推出陶瓷轴承新品种，塑料也被广泛用于轴承的保持架。 （ 7）加工 、测试、专业化和自动化水平：在发达国家，工业制造，为标准轴承生产大量，一般采用高效率，高精密自动化设备制造，形成了较大数量的汽车产业链，甚至是自动化的工厂自动化生产车间 ；发展计算机技术和应用的实验列车，飞机，汽车和其它设备中的轴承，使用模拟技术的发展不同类型的轴承模拟试验机 ；大轴承公司的厂，点种，大小，组件和制造工艺组织专业化生产，有没有重复的产品，但会有很多中小企业与大企业之间的重复生产同一产品的情况下。 1.2.2 轴承压装在国内外的发展概况 轴承在过去通常使用手工砸装的压装方式，如今已经 远远无法达到现在企业的生产量要求，并且压力机压装过程中受力情况复杂，无法准确测量甚至无法测量压装过程中和压装完成后轴和轴承的应力分布，如果压力不够，会导致零件压装不合格。从而需要对其退卸后重新压装，这样一来，不仅影响了生产效率，还会使轴承受损无法再利用，造成生产资源的浪费，增加生产成本。压装大小柱塞的面积分别为 1S 和 2S ，柱塞上的作用力分别 1F和 2F 。根据帕斯卡定律，液体压强处处相等，即 PSFSF 1122 / ， )/( 1212 SSFF 工作精度差，失败率高，而且工人劳动强度大的缺陷使其随着车辆和轴承的不断发展，轴承和轴承的配合精度要求越来越高，逐渐被时代所淘汰，取而代之的则是固 定式压装机。发展至无锡太湖学院学士学位论文 4 今日，固定式压装机功能已经十分完善，随后圆锥滚动轴承压装机又渐渐被成为适应社会发展要求的新一代压装机，它不仅大大提高了压装质量，也减少了工作量。 1.3 本课题应达到的要求 1.3.1 液压机的工作原理 液压机（又名油压机）是根据帕斯卡定律制成的借用液体压强进行传动的机械。 图 1.1 液压机工作原理图 液压传动是通过液体压力来传递动力和实现控制的一种传动方式。图 1.1 为液压机的工作原理图。液压机由两个大小不同的液缸组成，在液缸里充满水或油。充水的叫“水压机”，充油的叫 “油压机”。大小柱塞的面积分别为 1S 和 2S ，柱塞上的作用力分别 1F 和 2F 。根据帕斯卡定律，液体压强处处相等，即 PSFSF 1122 / ， )/( 1212 SSFF ，其表示液压的增益作用，力增大了，但是功不增益因此大柱塞的运动距离是小柱塞运动距离的 21/SS倍。 1.3.2 液压机的组成部分 液压机由液压泵，液压缸（液压马达等执行机构）， 液压控制阀 ，液压辅助元件和工作介质组成。图 1.2 为常见液压机外观 图。 液压泵：将机械能转换为液压能的转化装置；是液压传动系统中的动力部分。 液压缸（液压马达等）：将液压能转换为机械能的机构，其中液压缸作直线运动，液压马达作旋转运动。 液压控制阀：控制液压缸中液体的流动方向、流量、压力和液压执行机构的工作顺序，起到保护液压回路的作用。换而言之， 就是 通过 控制和调节 液体 的流 动方 向 、 压力和流量 ，起到 控制执行机构的运动方向 、 输出的力或力矩 、 运动速度 、 动作顺序，以及限制和调节液压系统 的工作压力， 进而起到 防止过载等 的 作用 。 液压辅助元件： 除上述三部分以外还有一些其它元件也十分重要，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、油管及油管接头 (扩口式、焊接式、卡套式）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹、油箱（储油、散热、分离油中空气和杂质）、密封元件。 汽车变速箱轴承的专用压装装置设计 5 工作介质 ： 是指各 种在 液压传动中 充当介质 的液压油或乳化液， 它们能通过 油泵和液动机实现能量转换。 图 1.2 常见液压机图 1.3.3 液压机的特点 由液压泵直接传动的液压机有下列特点： 优点： （ 1）容易获得较大的压力。在下回程点保持长时间下压。 （ 2）容易获得大的工作行程，并能在行程的任意位置发挥全压，适合要求工作行程大的场合。 （ 3）容易获得大的工作空间。 （ 4）压力和速度可以很方便地在大的范围内实现无极调节，而且可以按照设计要求使压头在某一位置停留实现保压。此外，还便于调速和防止过载。 （ 5）设计、制造、操作和维修方便，便于实现遥控与自动化。 缺点： （ 1）对于液压元件精度要求比较高，结构比较复杂，机器的调整和维修比 较困难。 （ 2）高压液体较易泄漏，不仅污染工作环境，浪费油资源，对于热加工场所还有引发火 灾的潜在危险。 （ 3）工作效率比较低，且速度缓慢，大大地影响了生产效率，快速小型的液压机又不及曲柄压力机简单灵活。 液压机的工作循环过程，液压机的传动方式可分为：泵直接传动和泵 -蓄势器传动。 泵直接传动的特点： 无锡太湖学院学士学位论文 6 （ 1） 液压机活动横梁的运动速度由泵的供液量决定，而与工艺过程中锻件的变形阻力无关。若泵的供液量为常量，则液压机的工作速度也为定值。 （ 2）泵的供液压力收到其所消耗的功率以及被加工部件的变形阻力的影响，工作变形 阻力越大，泵的供液压力和所消耗的功率也越大，反之则小。 （ 3）可利用活动横梁行程速度恒定和泵供液压力变化的特点，作为操纵分配器的信号，以实现液压机的自动控制。 （ 4）基本投资小，占地面积小，日常维护和保养方便。 泵 -蓄势器传动的特点： （ 1）能量的消耗与液压机的行程大小成正比，而与锻件变形阻力无关。 （ 2）液压机的工作行程速度取决于锻件变形阻力，阻力越大速度越慢，反之，则速度越快。 经过对各传动方式的分析及比较，本次设计的装置采用泵直接传动。 1.3.4 轴承专用压机的结构 变速器轴承的 专用压装装置主要包括：驱动部分（电动机 -减速机），传动部分（皮带轮、丝杠等），工作部分（压头、钻模座等）以及起保护左右的部分（左右离合器）。 下图 1.3 为轴承专用压机图。 图 1.3 轴承专用压机图 汽车变速箱轴承的专用压装装置设计 7 1.3.5 本设计的初步设计思路 (1) 液压机的选型； (2) 压机的结构尺寸的确定； (3) 液压缸的选型； (4) 定位方式的确定； (5) 支承方式及传动方式的确定； (6) 通过压头的移动速度来确定减速机的输出转速，从而选定电动机； 无锡太湖学院学士学位论文 8 2 汽车变速器的介 绍 2.1 汽车变速器的工作原理 变速器是通齿轮传动装过固定或分档来改变输出轴和输入轴传动比的一 装置，又被称为变速箱。其通过更变传动比，改变发动机曲轴承受的转拒，满足在起步、加速、行驶及克服各种道路阻碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速的不同要求。变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。图 2.1 为汽车变速器。 图 2.1 汽车变速器 2.2 汽车变速器的分类 （ 1）按传动比变化方式来分： 有级式变速器：所谓变速器档数即指其前进档位数，采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按 所以轮系形式不同，可分为轴线固定式变速器和轴线旋转式变速器。 无级变速器的传动比自由变换的值的一定范围内，可以有无限多级的通用电气和液压式两种。变速电动无级变速器部件为直流串激电机，除了一般应用在小车在外面，在超重型卡车驱动系统也被广泛使用。移动液压元件的 CVT 变速器的液 体 力变器。 综合式变速器：是一座有水力变 器和齿轮式有级变速器组成的液 压 力机械式变速器，其传动比可在 最上限 与 最下限 之间的几个 规定 范围内作 大范围变动 ，目前 的 应用 比较广阔 。 （ 2）按操作方式来分： 强制操纵式变速器：是由司机 直接操 作进行 换档 的变 速器。 汽车变速箱轴承的专用压装装置设计 9 自动操纵式变速器： 其自动进行传动比的选择和换档的变速器，所谓的“自动”，就是指其上的每个档位的变换都需要凭借反映发动机负荷和车速的信号系统来控制换档系统的执行元件而实现的。驾驶员只需操纵加速踏板以控制车速。 半自动操纵式变速器： 一 部分 是 最经常 用的几个档位 ，她能 自动 操作 ，其余 的就要 由司机手动 操 作 ；另一 中 是预选式 的 ， 司机需要 预先用按钮选定档位，在踩下 合离器踩板 或松开加 快踩 板时，接通一个电磁装置或液压装置来进行换档。 2.3 汽车变速器的作用 改变传动比 ：达到 不同的 请 求，不同的 行驶 条件下，发动机的 工况是有利的牵引要求，可能的行驶速度要求。在大范围内的速度和汽车速度的驱动轮的转矩的大小的变化。 实现倒车行驶 ： 用来 达到 汽车倒退 驾驶 的 要求 。 为了能 实现倒 退驾车 ，发动机 的 曲轴一般都是只能 在 一个 直线上 转动 运动 ，而汽车有时需要能倒退行驶，因此， 通常借 用变速器 中设置的倒 退位 来实现汽车倒 退驾驶 。 中断动力传递 ： 在发动机起 步 ， 减速 运 行 ，汽车换档 过程 或需要停车进行动力输出时，中断 动力传递到 驱动轮 上 。 实现空档 ： 当 接合 离合器时，变速 器能不作动力传递，这样就 可以 确保司机在汽车 不松开离合器踏板离开驾驶员座位 ，而汽车部熄火 。 2.4 汽车变速器的主要组成部分 变速器由传动部分和变速部分两部分组成，可制成单独的变速部分或与传动部分合装在同一箱体内。 大多与普通的传动齿轮，而有些行星齿轮传动。一般用普通换档机制滑动齿轮和传播者。如何滑动齿轮滑动齿轮和可变比特相关的滑动齿轮两个速度滑动齿轮，如果你使用三联其大小将较大的轴方向，如果采用变位齿轮打滑，其结构紧凑，但传动比变化不大。啮合式离合器，离合器和摩擦点的订婚仪式，传输，应停止或加快区别非常年轻，摩擦离合器，可以在运行时，在任何速度下的转速差，但承载能力小，不能保证两轴严格同步。为了克 服这个缺点，与摩擦板的接合离合器外套，当所述第一变速的从动轮由摩擦板，然后被加入到同步速度。行星齿轮传动传动制动控制装置。图 2.2 手动变速箱图。图 2.3 为自动动变速器图。 无锡太湖学院学士学位论文 10 图 2.2 手动变速器图 图 2.3 自动变速器图 2.5 轴承的介绍 2.5.1 轴承在机械业中的作用 其作用主要为支撑，但是支撑轴的作用又只是其作用中的一方面，实质就是承担径向载荷。同时也可以理解为是用来固定轴的，即固定轴使其只能实现转动，而无法发生轴向和径向的移动。 电机若失去了轴承，其根本无法正常工作，在这情况下，轴可向任何 方向偏移，而电机工作时要求轴只能作选择运动，从理论上而言，电机失去轴承不可能实现传动，不仅如此，轴承还会影响传动。为了减小轴承不良在高速轴上造成的影响，必须作润滑处理，有些轴承购买时就作了润滑处理，叫做预润滑轴承，而绝大多数的轴承必须要涂抹润滑油，负载在告诉运转时，摩擦不仅会增加能耗，且易损坏轴承。 2.