（机械制造及其自动化专业论文）汽车驱动桥主减速器总成预加载荷研究及系统实现.pdf

摘要 汽车驱动桥主减速器总成是汽车传动系统的关键部件，其装配质量对汽车整 车的性能密切相关。本文围绕主减速器总成装配过程中主螺母拧紧力矩与轴承预 紧力的测量与控制展开，主要研究内容如下： 第一章、介绍汽车驱动桥的基本结构和主减速器总成的装配技术，以及影 响主减速器总成质量的两个重要指标，并阐述了螺纹拧紧技术和轴承预紧力控制 技术国内外发展现状。 第二章、通过对总成中圆锥滚子轴承的受力和刚度分析，研究了轴承的预 紧原理，并根据尺寸链原理提出了主减速器总成圆锥滚子轴承调整垫片的选择理 论及分组方法。 第三章、分析了轴向预紧力在总成中的调整原理，对主螺母的拧紧过程进 行了力学分析，为装配模型的建立和系统的开发奠定了理论基础。 第四章、分析了自动装配机硬件控制系统的构成和原理，并对自动装配机 中运动控制和逻辑控制的关键问题进行了研究。 第五章、根据前面的理论分析和计算建立了系统理论模型，对传动系统、 电气系统和软件系统的设计做了重点介绍，并对数据采集过程中影响测量精度的 因素加以分析。在软件中采取了必要的算法对测量误差进行了补偿和修正，保证 了拧紧力矩和预紧力矩的测量精度。 最后对厂家提供的3 2 0 型主减速器总成进行了装配测试，证明了本文建立 的装配模型、硬件设计和软件设计都达到了预期效果。 关键词：主减速器，预紧力，拧紧，装配模型 浙江人学硕上学位论文 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 ，a n di t sa s s e m b l yq u a l i t yh a sa ni 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 t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la b o u tt h e t i g h t e n i n gt o r q u eo ft h es p i n d l en u ta n dt h ep r e t i g h t e n i n gf o r c eo ft h eb e a r i n ga r e s 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 ti sa sf o l l o w s ： c h a p t e r1 ：i n t r o d u c et h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l e sd r i v i n ga x l ea n d a s s e m b l yt e c h n o l o g yo fm a i nr e d u c e r ，a n dt w oi m p o r t a n ti n d e x e si n f l u e n c i n gt h e q u a l i t y t h e nd i s c u s st h es i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h es c r e w t i g h t e n i n ga n dt h ec o n t r o lo ft h ep r e t i g h t e n i n gf o r c eo ft h eb e a r i n gb o t ha th o m ea n d a b r o a d c h a p t e r2 ：a n a l y z et h ef o r c ea n ds t i f f n e s so f t h et a p e rr o l l e rb e a r i n g s t h e ns t u d y t h eb e a r i n g sp r e - t i g h t e n i n gt h e o r ya n dg i v et h es e l e c t i n gt h e o r ya n dg r o u p i n gm e t h o d o fa d j u s t a b l eg a s k e t sb a s e do nt h ea s s e m b l ys i z ec h a i n c h a p t e r3 ：a n a l y z ea d j u s t m e n tt h e o r yo fa x i a lp r e t i g h t e n i n gf o r c e a n dh a v ea m e c h a n i c a la n a l y s i s ，w h i c hp r o v i d e sf o ra t h e o r yb a s i sf o rs e t t i n gu pt h ea s s e m b l y m o d e la n dt h ed e v e l o p m e n to ft e s ts y s t e m c h a p t e r4 ：i n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n dt h e o r yo ft h eh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e m a n ds t u d yt h ek e yt e c h n o l o g yo nh o wt oc o n t r o lt h em o v e m e n ta n dl o g i c c h a p t e r5 ：s e tu pt h et e s ts y s t e mm o d e lb a s e do nt h ep r e v i o u st h e o r ya n a l y s i sa n d c m c u l a t i o n i n t r o d u c et h ed e s i g no ft h ed r i v i n gs y s t e m ，e l e c t r i c a ls y s t e ma n dt e s t s o f t w a r es y s t e mi nd e t a i l ，a n dd i s c u s st h ei n f l u e n t i a lf a c t o ra b o u tm e a s u r e m e n te r r o r d u r i n gt h ea c q u i s i t i o no ft e s td a t a c o n s e q u e n t l yt a k es o m en e c e s s a r ym e t h o dt o c o m p e n s a t ea n dc o r r e c tt h em e a s u r e m e n te r r o ri nt h et e s ts o f t w a r e ，a n de n s u r et h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o n i nt h ee n d ，t a k ea p r a c t i c a la s s e m b l yo nt h em a i nr e d u c e rm o d e l3 2 0p r o v i d e db y t h ec u s t o m e r , w h i c hp r o v e st h ea s s e m b l ym o d e l ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea l lf e a s i b l e k e yw o r d s ：m a i nr e d u c e r ，p r e t i g h t e n i n gf o r c e ，t i g h t e n i n g ， a s s e m b l ym o d e l i l 浙江大学硕上学位论文 学号2 q 鱼q 昼q 2 3 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，也不包含为获锝逝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：签字日期：年月 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鲎有关保留、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。本人授权逝姿 盘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) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江人学硕上学位论文 第一章绪论 随着工业自动化和传感器技术以及计算机技术的迅猛发展和广泛应用，特别 是我国汽车工业近几年来的迅猛发展，对自动化检测、自动化装配等提出了越来 越高的要求，在许多大批量零部件的加工和装配过程中，不仅要求全面检测，而 且还需要在自动装配的前提下使各零部件装配时达到最佳状态( 即最佳范围值) 。 但是，由于我国汽车制造业起步较晚，而且从国# i - 弓i 进的生产和装配技术都不是 当前最先进的技术，因此，加入世贸组织后，我国的汽车面临着很严峻的形势【l j ， 主要体现在我国的汽车生产和装配技术水平落后，汽车产品质量很难达到世界一 流的水平。虽然我国将汽车列为支柱产业【2 】，并颁布了系列汽车行业质量标准， 但仍有许多汽车生产厂家存在装配质量控制不严，缺乏合理科学的装配方法和设 备的问题，从而导致了在市场上缺乏竞争力。为解决汽车驱动桥主减速器总成的 装配质量和降低人工在装配流水线上的劳动强度，提高企业的经济效益，本文从 分析和控制圆锥滚子轴承预加载荷入手，研究各种参数之间的关系后，提出在大 规模生产线上实现轴承预加载荷和主螺母拧紧力矩最佳控制方案，并且成功的在 长春一汽轻型车厂生产线上与自动选垫机组成了主减速器总成的自动装配系统。 1 1 汽车驱动桥及主减速器总成结构及功能 驱动桥是汽车传动系统中的关键部件，其质量好坏直接影响到汽车制动性 能，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【3 j 。 驱动桥的功能是将万向传动装置传来的动力改变其传递方向，并由主减速器 降速增扭后传给差速器，再分配到左右半轴，最后传至驱动轮，使汽车行驶。一 般汽车的驱动桥的组成包括主减速器、差速器、半轴和桥壳等，其结构简图如图 1 1 所示。 浙江大学硕十学位论文 图1 1 单级车桥示意图 1 、驱动桥壳2 、主减速器3 、差速器4 、半轴5 、轮毂 主减速器的功能是降低发动机输出转速且增加其扭矩，并传递到差速器。按 结构可以分为一下几种：单级主减速器：单级主减速器结构简单、质量小、体 积小、传动效率高。在轿车及中型以下货车上得以普遍采用。双级主减速器： 当汽车主减速器需要有较大的传动比时，若采用单级主减速器，由于主动锥齿轮 受强度、最小齿数的限制，其尺寸不能太小，相应地从动锥齿轮直径将较大。这 不仅使从动齿轮刚度降低，而且会使主减速器壳及驱动桥壳外形轮廓尺寸增大， 难以保证足够的离地间隙，这时需采用双级主减速器。贯通式主减速器：多轴 驱动的越野汽车，为了简化结构，增大离地问隙，分动器到同一方向的两驱动桥 之间只用一套万向传动装置。这样，传动轴须从距离分动器较近的驱动桥中穿过， 再通向距离分动器较远的驱动桥，这种被传动轴穿过的驱动桥称为贯通式驱动 桥。轮边减速器：将双级主减速器的第二级齿轮减速机构放在两侧车轮近旁， 称为轮边减速器。轮边减速器又有定轴轮系和行星轮系两种结构型式。 差速器的功能是将主减速器传来的动力传给左、右两半轴，并在必要时允许 左、右半轴以不同转速旋转，以满足两侧驱动轮差速的需要。普通齿轮式差速器 有锥齿轮式和圆柱齿轮式两种。由于锥齿轮式差速器结构简单、工作平稳，因此 目前应用最为广泛。 半轴的功能是将差速器传来的动力传给驱动轮。常采用全浮式半轴支承和半 浮式半轴支承两种型式。 驱动桥壳既是传动系的组成部分，同时也是行驶系的组成部分。作为传动系 浙江大学硕士学位论文 的组成部分，其功用是安装并保护主减速器、差速器和半轴；作为行驶系的组成 部分，其功用是安装悬架或轮毂，和从动桥一起支承汽车悬架以上各部分质量， 承受驱动轮传来的作用力和力矩，并在驱动轮与：悬架之问传力。驱动桥壳可分为 整体式桥壳和分段式桥壳两种类型。 本课题研究的主要内容为：单级汽车主减速器总成装配过程中圆锥滚子轴承 预紧力和主螺母拧紧时主锥轴向预紧力的自动控制和实现方法。单级汽车主减速 器总成结构简图如图1 2 所示。 图1 2 单级主减速器主动锥齿轮总成结构简图 1 主螺母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 调整垫片 1 2 主减速器总成装配原理 主减速器总成在汽车传动系统中作用非常重要，负责把发动机输出的高速低 扭矩动力转化为低速高扭矩动力，并且改变其传递方向，使动力顺利高效的传递 到差速器，其装配质量直接影响到动力传递的效率和自身的使用寿命等。为提高 我国汽车制造行业主减速器装配水平，降低工人在装配流水线上的劳动强度，提 高企业的经济效益，提高整车的质量，加强行车安全，一方面要提高主减速器装 配线的自动化程度，保证装配质量，另一方面要提高汽车零部件制造和加工工艺 浙江大学硕士学位论文 水平。 1 2 1 轴承预紧的必要性及作用 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、外圈之问产生一定量的预紧变形，以保持内、外圈均处于压 紧状态【4 1 。对轴承进行预紧的目的是增加支撑刚度，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。按照预紧的方向可以分为轴 向预紧和径向预紧，轴向预紧是在轴承的轴向加载一定的载荷，径向预紧是利用 过盈配合使轴承内圈膨胀变形，消除径向间隙，使轴承处于预紧状态。 预紧是滚动轴承使用特点之一，因此如何实现轴承的预加载荷是本文所研究 的重点问题之一。预紧力的大小和方向随着轴承类型、装配条件及运行状况的不 同而不同。对于常见的主轴系统来说，在径向圆柱滚子轴承中只有径向预紧力， 在止推轴承中只有轴向力，在圆锥滚子轴承中，有径向和轴向力，因此在驱动桥 主减速器总成中上、下两个圆锥滚子轴承轴承中就有两个方向的预紧力。根据轴 承设计要求，在装配时必须获得一定的装配预紧力。轴承预紧后能够提高其支撑 刚度，轴承的支撑刚度是保证主减速器总成主锥齿轮啮合正确、运转平衡、噪声 低、耐磨损及寿命长的重要因素之一，而且成对安装的圆锥滚子轴承预紧后能够 提高其支撑刚度近一倍( 第二章中做理论分析) 。 在当今汽车工业大规模产业化生产的时代，能否在装配过程中控制合适的轴 承预紧力十分重要，因为轴承预紧程度的不同，直接影响套圈与滚动体的接触状 况，导致轴承的载荷分布、接触刚度、磨擦与润滑状况、发热程度、阻尼以及固 有频率等一系列特性参数发生变化，随着这一系列特性参数的改变，立即会对整 个轴承的工作性能产生影响【5 j 。就本文所研究的单级主减速器总成而言，如果轴 承加载的预紧力不适当，轻则可以导致汽车主锥转动噪音增大，减少整个车轿的 使用寿命，重则造成车毁人亡的重大事故。相对未预紧的轴承而言，进行适当预 紧的轴承有以下优点： 第一，刚度提高，由于轴承加工过程中存在误差，装配后在不进行预紧时， 存在只有部分直径较大的滚动体与轴承滚道贴合，轴承滚道受到的支撑力比较 小。当预紧后，直径较大的滚动体受力变形，从而其他未接触挡圈的滚动体此时 浙江大学硕十学位论文 接触到滚道，对轴承滚道起到支撑作用，而且由于此时滚动体有一定量的弹性变 形，支撑作用变强，因此轴承的刚度得到提高。 第二，旋转精度提高，轴承未预紧状态时存在轴向间隙，在载荷作用下，只 有部分滚动体对轴承的内挡圈进行支撑，此时内挡圈轴心与外挡圈轴心不在同一 直线，在轴承转动时，由于支撑度不够，产生径向跳动，而且由于滚动体和滚道 波纹的原因，也会使挡圈的轴心产生变动。轴承预紧后，滚动体和滚道产生一定 量弹性变形，滚动体直径较大的变形较大，直径较小的变形较小，而且滚道波纹 的高点也会产生弹性变形，因此减小了由滚动体直径不一致和滚道波纹的影响， 提高了旋转精度，减少了滚动体在高速旋转时产生的噪声。 第三，寿命提高，预紧后的轴承受载倚的滚动体数量增多，每个滚动体受 到的载荷相应减小，虽然每个滚动体由于直径的不同而受到的载荷大小不同，但 是相对未预紧时的情况明显好转，因此，轴承的寿命得以提高。 第四，阻尼提高而且噪音减小，当轴承适当预紧后，滚动体与滚道之间可 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尼都可以提高轴 承的动态性能，降低滚动体滚动时噪音。 1 2 2 主螺母拧紧的意义 组成主减速器总成的各个零部件在制造和加工过程中都会存在一定的误差， 因此，在主减速器总成的装配过程中会存在一定的轴向问隙。而轴向间隙会直接 影响主动锥齿轮与从动锥齿轮的正常啮合，从而使汽车在行驶过程中产生噪声和 振动，同时也影响主减速器的使用寿命，因此必须利用主螺母拧紧所产生的轴向 力消除轴向间隙，并且保证主减速器总成中成对安装的圆锥滚子轴承产生合适的 预紧力，所以，主螺母拧紧产生的轴向预紧力也是主减速器总成装配过程中需要 重点研究的问题之一。 1 3 轴承预紧力控制技术及螺纹拧紧技术的国内外发展现状 本文研究的主减速器总成自动装配机综合应用了轴承预紧力控制技术和螺 纹拧紧技术，是两个技术综合控制主减速器总成的自动装配，下面对这两种技术 的国内外发展现状进行简单介绍。 浙江人学硕士学位论文 1 3 1 轴承预紧力控制技术国内外发展现状 国外学者对轴承预紧力控制技术进行了深入的研究，主要研究轴承预紧力对 旋转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 控制以及在大批量生产线上预紧力的在线测试和控制器的实现研究等 6 - 8 j 。国外 研制的预紧力控制装置分为两类：第一类是改变轴承的结构，用特种轴承代替现 有的轴承。例如，美国的t i m k e n 公司研制的液压挡边圆锥滚子轴承，通过调节 油压就可以调整轴承的预紧力。根据类似的原理，德国的u k f 公司与 b u r c k h a r d t & w e b e rk g 公司也研制了各自的新型轴承并登记了专利。据称这种轴 承能够实现对主轴轴承预紧力的在线控制。这种轴承有其易于控制预紧力的优 点，但是也有其缺点，因为这种轴承既作为主轴回转的支撑部件，又是预紧力控 制的执行部件，因此当轴承出现磨损或者疲劳损坏时，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，这种轴承制造复杂，标准化、 通用化程度不高，价格昂贵，严重限制了其推广和应用。预紧力控制器的第二类 形式是独立制作预紧力补偿装置，最为简单的形式是用弹性中间环来代替传统的 中间环，德国g m n 公司的预紧力控制器借助于油腔的油压变化来调整预紧力的大 小。日本庆义熟大学研制的预紧力控制系统，利用轴上的畸变元件，即应力传感 器，使压电促动器产生位移，达到控制预紧的目的。近来，国外在小轿车上用波 形套作为调整件调整主动圆锥齿轮轴承的预紧力，具有较高的生产率，能可靠稳 定的保持预紧力，是一种较先进的方法。 国内在预紧力控制器方面的研究起步晚，上世纪六十年代末，在实验室开发 出一种带有微机( a p p l e - i i ) 控制的预紧力控制系统，随后开发出用机床主轴轴承 新型预紧力控制器，并申请了专利。九十年代初，由电子科技大学研制的自动选 垫机和挚片间隙测量机，在第二汽车车轿厂生产线上运行，标志着预紧力控制器 的批量生产上了一个新台阶。在长春一汽轻型车厂，以前是根据操作工的经验先 选择垫片，然后把轴承和垫片安装到液压装置压紧轴承内圈，模拟实际的轴向力， 最后转动轴承判断其预紧力，合适后才能安装到主减速器总成上进行主螺母的手 动拧紧。这种方法缺点是：工人劳动强度高，精确度低，生产节奏慢，主要依靠 工人的经验，产品的合格率低，不适合现代化工业生产的要求。 浙江大学硕十学位论文 1 3 2 螺纹拧紧技术国内外发展现状 螺纹联接是机械产品零部件间的重要联接方式之一，其联接质量足保证产 品装配质量及可靠性的重要指标。如汽车发动机的主轴承、汽缸盖、飞轮螺栓副， 传动系统中的离合器、变速箱及后桥主减速器装配等都对螺纹联接的轴向力大小 和精度提出了严格要求。若达不到要求会严重影响传动效率、平稳性、噪声甚至 安全性。如装配汽车后桥主减速器总成时，圆锥滚子轴承应有一定的预紧度，过 紧则传动效率低且加速轴承磨损发热，过松则影响主锥轴的旋转精度。 螺纹拧紧技术是从国外发展起来的，为适应定扭矩加载的可控制拧紧场合需 求，在上世纪8 0 年代末，伴随着电机调速等控制技术、扭矩控制等技术的迅速 发展，国外的装配作业线上的装配工具逐步从手工、风动或电动工具向低能耗、 低噪声、控制精确等可控制拧紧设备发展，通过计算机控制的自动型装配系统， 实现对装配对象的定扭矩、定转角监控或屈服强度监控。较著名的国外拧紧机生 产厂商有a t l a s c o p c o 公司( 瑞典) 、b o s c h 公司( 德国) 、c o o p e r 公司( 美国) 、 i n g e r s o l l r a n d 公司( 美国) 、o b e r 公司( 意大利) 等【9 。 目前，国外的机电、汽车制造行业普遍采用的拧紧方法有：控制扭矩法、扭 矩转角法和控制屈服点法。控制扭矩法是根据螺纹拧紧扭矩与螺栓所受轴向力之 间的关系在生产中发展起来的，是目前螺纹件拧紧装配最常用也是最经济的拧紧 方法【l0 1 。这种方法一般用在弹性区。扭矩法的优点足控制日标直观、测量容易、 操作过程简便、控制程序简单。扭矩转角法，或称转角法【l ，是根据螺纹副中螺 母的转角与配合的螺栓所受轴向力之间的关系发展起来的一种方法。扭矩转角法 的做法是指螺母在最初拧紧时，先要确定极限扭矩( 即实现连接密封所需的扭 矩) ，把螺栓一直拧到贴合扭矩值，再转过一个预定的角度，此即为旋转角度拧 紧法，从而间接控制轴向力。贴合扭矩值常取所需拧紧扭矩值的2 5 左右【12 1 。扭 矩转角法的优点是：拧紧质量稳定，螺纹件摩擦系数对拧紧质量的影响小。 螺栓可拧至塑性变形区而不至于拧断，设计预紧力可取螺栓屈服强度的8 0 。缺 点是：拧紧工具价格昂贵，操作不方便。控制屈服点法是利用扭矩与转角增量比 概念，将螺纹件拧紧至螺栓的屈服点。拧紧工具利用计算机将采集到的实时扭矩 和转角进行微分，从而得到扭矩一转角曲线，再由曲线的斜率控制实现自动停机。 优点是能够将螺栓拧至屈服点，最大限度的发挥了螺纹件强度的潜力。缺点是拧 浙江大学硕+ 学位论文 紧工具价格过于昂贵。 同国外相比，我国机电、汽车产品的螺纹拧紧工具目前还比较落后，尚不能 系列、批量地供应生产中急需的拧紧工具及设备，每年都要花费大量外汇购买国 外产品。由于进口拧紧机价格昂贵，国内不少后桥及变速箱企业在生产中大都采 用冲击扳手拧紧，一般只能获得3 0 0n m 左右的扭矩，劳动强度高、噪声大、 生产效率低、控制精度差，而部分减速器主动齿轮组件螺母的安装工艺要求7 0 0 n r n 以上，因而严重影响汽车的整车性能。近年来特别2 0 0 0 年以来，随我国汽 车业的迅猛发展，为了提高整体素质，增强国际竞争力，正朝着规模化、自动化 方向大踏步前进，对装配质量和生产率的提出了更高的要求，因此对大批量工业 化螺纹拧紧的效率，也提出了越来越高的要求，这种要求促进了现阶段我国在拧 紧技术方面的发展。 1 3 3 研制主减速器总成自动装配机的迫切性与重要性 目前国内外对主减速器总成自动装配的研究主要在轴承预紧力对旋转主轴 的动、静态特性的影响和轴承部件的预紧方法，而生产线上大批量的自动拧紧主 螺母并同时在线检测轴承预紧力在国内还是一个比较薄弱的环节。轴承预紧力是 通过选择一定厚度、高精度的垫片，在轴向上加一定的力来实现的，自动选垫机 可以完成挚片的选择，但是预紧力大小的控制是由主螺母拧紧产生的轴向力来实 现的，只有当轴承的预紧力和主螺母的拧紧力同时到达规定范围时，主减速器总 成的装配才合格。 长期以来国内车轿厂生产线上是用人工方式通过操作人员的长期工作经验， 调整锁紧螺母的拧紧力来达到预紧的效果，这样的调整方式不但操作人员劳动强 度大，生产效率低，而且产品质量难以保证，由于不合格的预紧力产品的反复拆 装使钢性隔套张性失效。另外静态下的组装往往产生预紧力大小假象，当安装在 车上进行检验则可能会造成预紧力失效或预力过大轴承过热“抱死”。因此，国 内车桥厂主减速器装配线上急需一套能够同时检测和控制主螺母拧紧力和轴承 预紧力的自动装配机。 浙江大学硕士学位论文 1 4 课题研究目标、内容及意义 1 4 1 课题研究目标 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，基于现有的传感器技术、机电控制技术，对目前所用的圆锥滚子轴承预紧力 控制和螺纹拧紧控制方法进行力学分析和实验研究，以实现准确的轴承预紧力和 螺纹拧紧力的控制为研究目标，建立实用的扭矩、角度等多变量目标控制拧紧理 论与技术方法，并以该理沦方法为基础，研究并完成主减速器总成自动装配模型 的设计与开发，最后，通过伺服系统、步进电机和工业控制计算机等不同控制硬 件的组合，完成系统的研制。本课题所研制的主减速器总成自动装配机通过引入 模块化设计等现代设计理念，集机械传动、电气传动、电子技术、自动检测于一 体的机电一体化设备，提高系统的柔性，以适应多品种、大批量的现代生产的需 要。 1 4 2 课题研究内容 ( 1 ) 主减速器总成装配过程中多目标变量控制理论与技术方法的研究 以力学分析和实验研究为手段，对圆锥滚子轴承的预加载荷和主螺母拧紧产 生的轴向预紧力进行了力学分析，并对成对安装的圆锥滚子轴承的预紧原理进行 研究，最终得出主减速器总成装配模型。结合目前传感器和机电控制技术，研究 出简单、有效、准确的主螺母拧紧力矩和圆锥滚子轴承预紧力矩的检测理论和控 制方法，实现对主减速器总成自动装配机系统研发的指导。 ( 2 ) 智能化的计算机控制系统的研究开发 通过对工业控制计算机，以及由它组成的电气系统的实验研究与分析，针对 主减速器总成自动装配机的机械系统运行要求，以主螺母拧紧力矩和轴承预紧力 矩为目标变量的智能化可控为设计前提，建立经济可行的计算机控制硬件系统， 并完成相应的软件系统的开发。 1 4 3 课题研究的意义 在汽车驱动桥的装配过程中，主减速器总成的装配质量对驱动桥的性能有着 浙江大学硕十学位论文 非常重要的影响。主减速器总成主螺母拧紧时会产生轴向力，它用于给网锥滚子 轴承提供定值预紧力1 3 4 1 ，以保证轴承正常运转，既不能烧死，也不能轴向窜 动，因此装配时需在保证施加在主螺母的扭矩值在规定的范围内又要保证其圆锥 滚子轴承的预紧力也同时在规定范围之内。 主动锥齿轮总成的轴承预紧是众多车桥厂家感到困难和棘手的问题，本课题 所研制的自动装配机采用工业控制计算机控制，对汽车驱动桥主减速器总成装配 中的主螺母拧紧力在控制方法上采用高精度扭矩传感器实时检测并由工控机控 制扭矩，可以很好地完成主动锥齿轮轴上的圆锥滚子轴承轴向预紧工作，并保证 轴承预紧力达到规定值，使主减中的主、从动弧齿锥齿轮有足够的支承刚度，并 且正常啮合。 本文所研制的主减速器总成自动装配机自投入长春一汽轻型车厂使用以来， 性能稳定，质量可靠，操作简便，适用于自动化生产线，解决了影响汽车驱动桥 主减速器装配质量问题的一个重要环节，大大提高了自动化装配线的生产效率， 也使装配合格率大为提高，降低了返工率。本产品和装配线上的其它配套设备的 有效利用，全面提高了汽车驱动桥主减速器的装配质量，从而在一定程度上提高 了国产汽车驱动桥的整体性能。 1 5 本章小结 介绍汽车驱动桥的基本结构和主减速器总成的装配原理，以及影响主减速器 总成质量的两个重要指标，通过阐述轴承预紧力控制技术和螺纹拧紧技术的国内 外发展现状，指出了在主减速器总成装配过程中控制轴承预紧力和主螺母拧紧力 矩的必要性和重要性。最后，说明了本文研究的目标、内容和意义。 浙江大学硕十学位论文 第二章圆锥滚子轴承预加载荷研究及实现 汽车驱动桥主减速器总成中的主动锥齿轮轴通过成对安装的圆锥滚子轴承 支承，而圆锥滚子轴承能否获得合适的预紧力，直接关系到主减速器总成的装配 质量，因此，圆锥滚子轴承预加载荷的大小直接关系到汽车的性能。如果预加载 荷过大，虽然会增加总成的刚度和平稳性，但不可避免地使总成传动过程中温度 升高，降低总成的使用寿命；如果预紧力过小，则会降低总成的传动精度，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，研究轴向预紧力与轴承刚度的关系是十分必要的，本章将对网锥滚子轴承 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。结合主动锥齿轮 总成装配尺寸链原理，提出了工业化生产过程中选择调整垫片厚度的方法和垫片 如何分组补偿的原理。 2 1 圆锥滚子轴承受力分析 圆锥滚子轴承在轴向力只的作用下，装配好的主动锥齿轮总成圆锥滚子轴 承受力分析如图2 1 所示。 外圈作用于滚动体上的力e 可分解为两个方向的力： = ec o s ( 2 1 ) f 。o = es i n 内圈作用于滚动体上的力有两个：一个是内圈滚道对滚动体的作用力f ， 另一个是内圈挡边对滚动体的力乃。 内圈滚道对滚动体的作用力f 可分解为两个方向的力： = 曩c 。s q ( 2 2 ) 圪= fs i n c r j 浙江人学硕士学位论文 f a 图2 1 圆锥滚予轴承滚了受力分析图 e 轴承所受轴向载荷，f e 外圈滚道对滚动体的作用力， f 内圈滚道对滚动体的作用力，乃外圈挡边对滚动体的作用力 内圈滚道对滚动体的作用力乃可分解为两个方向的力： 兄= ec o s 口d nn 如2p ds i n q d 因为滚动体受力平衡，所以根据力平衡公式得： ie ，+ 一f , r = 0 【艺一吃一乞= 0 代入( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 可得： f ：墨型丝型 。s i n o t es i n ( o r f + ) f ，：幺型丝二竺! “ s i n a 。s i n ( a , + q ) 对圆锥滚子进行几何分析： 令妒为圆锥滚子两条母线问夹角 吒+ = o r e + 三一( 吼一詈) = 三+ 呈 1 2 一 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 浙江人学硕士学位论文 ”= ( 旷缈) + = ( t ：t e 坞= 争詈( 2 - - 8 ) 式( 2 7 ) 一( 2 8 ) 得： 吒一q = 妒 ( 2 9 ) 联立( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 可得： f：_生(2-10) s i n a 。 又因为瓦= es i nc r 。，因此可得： z = e ( 2 1 1 ) 当圆锥滚子轴承受中心轴向压力时，各个滚动体所受负荷相同。当该圆锥滚 子轴承受轴向载荷为e ，滚子数目为z 时： ( 2 1 2 ) 2 只s i n 罢 历= 艺一 ( 2 1 3 ) 厶s i n a g 由以上两式可以得出，当圆锥滚子轴承受中心轴向载倚时，滚动体所受内外 圈轨道的力大小相等。滚动体的受力与滚子数目、滚子母线央角以及作用于轴承 的中心轴向力大小相关。 2 2 圆锥滚子轴承刚度分析及最小轴向预紧力的确定 2 2 1 轴承刚度定义 滚动轴承的刚度定义为轴承内、 外加负荷【4 】。可用下式表示： k ：坚 d 6 外套圈产生单位的相对弹性位移量所需的 式中：f 表示作用于轴承上的载荷 万表示在载荷f 的作用下，轴承的变形量 ( 2 1 4 ) 浙江大学硕十学位论文 k 值越大就表示轴承的刚度越大。 由滚动轴承刚度的定义可以得到： 径向刚度的定义为：轴承的径向载荷除以圆锥滚子轴承内、外套圈在径向 中心线的总位移。由于各个滚子与其接触轨道间的直接接触面积的变化，及与载 荷分布区的改变，因此，径向载荷不与变形成线性关系。 轴向刚度的定义为：轴向载荷除以轴向位移。轴向位移足指圆锥滚子轴承 内套圈大端面与外套圈大端面之间距离的变化。滚子及其与其接触的滚道变形， 以及本身可伸缩性都对圆锥滚子的轴向位移产生影响。滚子与它相接触的两滚道 之间的直接接触变形也有轴向分量。 角刚度的定义为：作用力矩除以轴承内、外套圈中，t l , 线的不同轴度的角度 值，表示轴承抗不同轴度的能力或抗弯的能力。 影响滚动轴承刚度的因素主要有其自身结构和尺寸，其次有预紧状态和外 载荷的大小，而且轴承在高速转动时其刚度也会产生变化，所以，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系【1 5 】。圆锥滚子轴承的刚度分 为径向刚度、轴向刚度和角刚度，理论求解这些刚度极为复杂而且不准确【1 6 j 。 2 2 2 受纯轴向载荷时的轴承刚度分析 滚动轴承预紧时会产生一定量的弹性变形，其计算的基础是赫兹接触理论。 受载后，圆锥滚子轴承滚动体与套圈接触处的变形量万与负荷q 的关系为【4 】1 1 7 ： 万= k q o 9 ( 2 1 5 ) 其中，k ，为弹性系数( 刚度) ，k ，= 7 6 6 x 1 0 - 5 鲁，c 0 9 e 为与接触体材料弹 1 性常数e 和泊松比y 有关的系数，q 为轴承滚动体的法向负荷。 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，分析时为简化计算，做 如下假设： ( 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 ) 轴承预紧过程中所有滚动体的弹性变形量相同。 浙江大学硕十学位论文 ( 3 ) 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缈处，滚动体与内外套圈接触处的总弹性变形 量为： 6 = 8 0sincr+6rcoscrcos(2-16) q d 1 l f 箴 、 日6 r 洲1 | n | 。 图2 2 轴承滚动体受力弹性变形图 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： 瓦戤= 皖s i n c r + p c o s o ! ( 2 1 7 ) 若轴承仅有轴向套圈相对位移量时，即= 0 ，则有： 皖：擘 ( 2 18 ) s l i l ( z 若轴承仅有径向套圈相对位移量时，即8 0 = 0 ，则有： 覆：监 ( 2 1 9 ) c o s 口 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 2 ) ，可得受载最大的滚动体的法向载荷q 。 由式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 5 ) ，得到圆锥滚子轴承滚动体内外圈滚道接触处 沿外圈方向的弹性变形万与滚动体上作用力尼之问的关系为： 浙江大学硕上学位论文 泓( 彘) n 9 = 半煮( 2 - - 2 0 ) 式中，万就是在= o 处的最大弹性变形量6 m a x 。 对于钢制标准轴承，c e = 1 【1 7 l ，有： 万：7 6 而6 鬲x1 _ 0 - 下5f on9(2-21) d = 一 j 。 z 0 9 ，。o 8s i n o 9 口 7 式中： ，。圆锥滚子轴承滚子有效接触长度，且，。= ，一2 r ( m m ) ，滚子全长( m m ) ，滚子两端角 联立式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 和( 2 2 1 ) ，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： 万，：7 6 而6 鬲x f l 0 - 5 f 石。n 一9 ( 2 - - 2 2 ) ， = 一 j 。4 z o 9 ，o 8s i n l9 口 。 4 ：烈芸坐( 2 - - 2 3 )。7 z o9 ，。o 8 s i n o9 口c o s a 。 轴承的轴向刚度为： 包：等：4 15 7 0 z l e 8 ，9 皖9s i n l 9 ，9 口 ( 2 2 4 ) 轴承的径向刚度岛为： 箬- 4 1 5 7 0 z l e 8 ，9 9 s i n 眦o s l o 9 口 ( 2 - 2 5 ) 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。而轴向刚度和径向刚度岛则与变形的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1 9 2 3 1 。 2 2 3 成对安装圆锥滚予轴承刚度提高原理 由式( 2 - - 1 5 ) n - i 矢h ，对于单个圆锥滚子轴承来说，由于k 。= 7 6 6 x1 0 _ 5 普0 9 ， 1 它的大小只取决于与材料本身，因此，不能用预紧的方法提高轴承的刚度。但是， 成对安装的圆锥滚子轴承，通过预紧则可以提高支撑刚度一倍左右【2 4 1 。由于成 对安装的圆锥滚子轴承内圈受轴向力时产生的位移量非常小，在原理图中将微位 浙江人学硕士学位论文 移量放大，以便于进行分析，其原理如图2 3 所示： c o 6 d l 6 0 h 、 晓 、 1 9 b t g 一0 5 c ( 2 - - 3 6 ) 【f o 1 9 c i i 喀呸+ o 5 只 式中：f r l 、f r i i 轴承i 、i i 的径向载荷 口、口，轴承i 、i i 的接触角 ，。轴承所受的轴向载荷 由此可知，圆锥滚子轴承的所需最小预紧力为： f o m i n = m a x ( f o m i n if o m i n ) ( 2 3 7 ) 其中， f o m i n i = 1 9 最喀。1 0 5 c f o 幽l l = 1 9 f , i i t g 。2 + o 5 e 计算出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。 浙江大学硕上学位论文 2 3 圆锥滚子轴承预加载荷与摩擦力矩关系分析 2 3 1 轴承预紧力的测试方法 主减速器总成装配完毕后，传统的检测方法就是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挚片是否合适，这种方法带有很大的主观性， 不能准确判断预紧力是否合适。有关文献显示，现在预紧力的测试方法包括：用 摩擦力矩测试，用配对轴承轴向变形验证，用内、外隔圈验证等方法【2 6 1 。本文 将对用摩擦力矩测试预紧力的方法进行分析。 在轴承结构形式、内部参数和润滑方式一定的情况下，圆锥滚子轴承所受 的轴向载荷与摩擦力矩有固定的对应关系，在这里预紧力可以作为轴向载荷来考 虑【2 7 】。因此，可以对施加预紧力后的成对圆锥滚子轴承的摩擦力矩进行精确计 算。 2 3 2 轴承摩擦力矩与轴向预紧力的关系 圆锥滚子轴承的摩擦阻力矩由以下几个部分组成【2 8 】： ( 1 ) 滚动体和内外圈滚道之间的滚动摩擦力矩。 ( 2 ) 滚动体端面和内圈挡边工作面之间的滑动摩擦阻力矩。 ( 3 ) 滚动体与保持架引导面( 主要是保持架兜孔) 之间的滑动摩擦力矩。 ( 4 ) 润滑剂在接触处的内摩擦以及润滑剂的飞溅和搅拌而产生的润滑摩 擦阻力距。 在正常工作状态和良好的润滑条件下，作用于保持架的力较小，所以摩擦 阻力也小。当润滑不足、被污染以及转速较高时，其摩擦显著增大【2 9 1 。滚动轴 承的润滑剂摩擦主要取决于润滑的量及其粘度和轴承的转速，当转速低时，润滑 摩擦很小，随着转速增大则润滑摩擦也迅速上升。由此可见，上面( 3 ) 、( 4 ) 两 部分跟轴承的转速有很大的关系。在装配过程中，由于主锥总成转速不高。此时， ( 3 ) ( 4 ) 部分所述摩擦阻力距相对较小，可以不予考虑。所以本文在分析测量 状态下主动锥齿轮轴总成的圆锥滚子轴承预紧力与摩擦阻力矩的关系时，只考虑 第( 1 ) 、( 2 ) 部分所述的摩擦阻力距。 浙江人学硕士学位论文 f s e 图2 4 圆锥滚子轴承摩擦力矩分析 内外圈表面和内圈挡边作用在滚动体上的摩擦力及摩擦力矩如图2 4 所示。 为简化问题，计算过程中用圆柱滚子轴承代替圆锥滚子轴承，而网锥滚子轴承的 直径可以用圆柱滚子轴承的平均直径来代替，内外罔滚道半径按照滚子母线中心 处的滚道半径计算。 上图中，m 、丝为内外滚道与滚子接触开始时的滚动摩擦阻力距 只，、巴为内外滚道与滚子接触区域的滑动摩擦力 尸为滚子所受重力 目为接触面反作用力 只为内圈挡边对滚动体的滑动摩擦力 d i 为圆柱滚子直径 r 、r e 为滚动体母线中心处的滚道内、外半径 f 、e 、f 分别表示内外圈和挡边，在轴向载荷的作用下，每个圆锥滚子受 力分析都如图2 4 所示。 根据一个滚动体上的力和力矩平衡的条件，可得到如下方程组： 浙江大学硕士学位论文