减速器总成预加载荷研究及系统实现.pdf

1、浙江大学机械与能源工程学院 硕士学位论文 汽车驱动桥主减速器总成预加载荷研究及系统实现 姓名：刘景涛 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：周晓军;杨辰龙 20090401 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

2、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

3、 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

4、 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

5、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

6、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

7、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

8、 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

9、 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

10、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

11、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 e

12、t 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

13、 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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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，