（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器總成預(yù)加載荷研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).pdf

摘要 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器總成是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其裝配質(zhì)量對(duì)汽車(chē)整 車(chē)的性能密切相關(guān)。本文圍繞主減速器總成裝配過(guò)程中主螺母擰緊力矩與軸承預(yù) 緊力的測(cè)量與控制展開(kāi)，主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一章、介紹汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的基本結(jié)構(gòu)和主減速器總成的裝配技術(shù)，以及影 響主減速器總成質(zhì)量的兩個(gè)重要指標(biāo)，并闡述了螺紋擰緊技術(shù)和軸承預(yù)緊力控制 技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章、通過(guò)對(duì)總成中圓錐滾子軸承的受力和剛度分析，研究了軸承的預(yù) 緊原理，并根據(jù)尺寸鏈原理提出了主減速器總成圓錐滾子軸承調(diào)整墊片的選擇理 論及分組方法。 第三章、分析了軸向預(yù)緊力在總成中的調(diào)整原理，對(duì)主螺母的擰緊過(guò)程進(jìn) 行了力學(xué)分析，為裝配模型的建立和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。 第四章、分析了自動(dòng)裝配機(jī)硬件控制系統(tǒng)的構(gòu)成和原理，并對(duì)自動(dòng)裝配機(jī) 中運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。 第五章、根據(jù)前面的理論分析和計(jì)算建立了系統(tǒng)理論模型，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)、 電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了重點(diǎn)介紹，并對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中影響測(cè)量精度的 因素加以分析。在軟件中采取了必要的算法對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行了補(bǔ)償和修正，保證 了擰緊力矩和預(yù)緊力矩的測(cè)量精度。 最后對(duì)廠家提供的3 2 0 型主減速器總成進(jìn)行了裝配測(cè)試，證明了本文建立 的裝配模型、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都達(dá)到了預(yù)期效果。 關(guān)鍵詞：主減速器，預(yù)緊力，擰緊，裝配模型 浙江人學(xué)碩上學(xué)位論文 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 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文 學(xué)號(hào)2 q 魚(yú)q 晝q 2 3 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù) 我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研 究成果，也不包含為獲锝逝鎏盤(pán)堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我 一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解逝鎏盤(pán)鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)逝姿 盤(pán)堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)) 學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名： 簽字日期：年月日簽字日期：年月日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 電話： 郵編： 浙江人學(xué)碩上學(xué)位論文 第一章緒論 隨著工業(yè)自動(dòng)化和傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別 是我國(guó)汽車(chē)工業(yè)近幾年來(lái)的迅猛發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化檢測(cè)、自動(dòng)化裝配等提出了越來(lái) 越高的要求，在許多大批量零部件的加工和裝配過(guò)程中，不僅要求全面檢測(cè)，而 且還需要在自動(dòng)裝配的前提下使各零部件裝配時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)( 即最佳范圍值) 。 但是，由于我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)起步較晚，而且從國(guó)# i - 弓i 進(jìn)的生產(chǎn)和裝配技術(shù)都不是 當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，因此，加入世貿(mào)組織后，我國(guó)的汽車(chē)面臨著很?chē)?yán)峻的形勢(shì)【l j ， 主要體現(xiàn)在我國(guó)的汽車(chē)生產(chǎn)和裝配技術(shù)水平落后，汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量很難達(dá)到世界一 流的水平。雖然我國(guó)將汽車(chē)列為支柱產(chǎn)業(yè)【2 】，并頒布了系列汽車(chē)行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)， 但仍有許多汽車(chē)生產(chǎn)廠家存在裝配質(zhì)量控制不嚴(yán)，缺乏合理科學(xué)的裝配方法和設(shè) 備的問(wèn)題，從而導(dǎo)致了在市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。為解決汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器總成的 裝配質(zhì)量和降低人工在裝配流水線上的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，本文從 分析和控制圓錐滾子軸承預(yù)加載荷入手，研究各種參數(shù)之間的關(guān)系后，提出在大 規(guī)模生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)軸承預(yù)加載荷和主螺母擰緊力矩最佳控制方案，并且成功的在 長(zhǎng)春一汽輕型車(chē)廠生產(chǎn)線上與自動(dòng)選墊機(jī)組成了主減速器總成的自動(dòng)裝配系統(tǒng)。 1 1 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋及主減速器總成結(jié)構(gòu)及功能 驅(qū)動(dòng)橋是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量好壞直接影響到汽車(chē)制動(dòng)性 能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在因汽車(chē)故障引起的行車(chē)事故中，制動(dòng)系統(tǒng)故障占6 0 以上【3 j 。 驅(qū)動(dòng)橋的功能是將萬(wàn)向傳動(dòng)裝置傳來(lái)的動(dòng)力改變其傳遞方向，并由主減速器 降速增扭后傳給差速器，再分配到左右半軸，最后傳至驅(qū)動(dòng)輪，使汽車(chē)行駛。一 般汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋的組成包括主減速器、差速器、半軸和橋殼等，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1 1 所示。 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 圖1 1 單級(jí)車(chē)橋示意圖 1 、驅(qū)動(dòng)橋殼2 、主減速器3 、差速器4 、半軸5 、輪轂 主減速器的功能是降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速且增加其扭矩，并傳遞到差速器。按 結(jié)構(gòu)可以分為一下幾種：?jiǎn)渭?jí)主減速器：?jiǎn)渭?jí)主減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、體 積小、傳動(dòng)效率高。在轎車(chē)及中型以下貨車(chē)上得以普遍采用。雙級(jí)主減速器： 當(dāng)汽車(chē)主減速器需要有較大的傳動(dòng)比時(shí)，若采用單級(jí)主減速器，由于主動(dòng)錐齒輪 受強(qiáng)度、最小齒數(shù)的限制，其尺寸不能太小，相應(yīng)地從動(dòng)錐齒輪直徑將較大。這 不僅使從動(dòng)齒輪剛度降低，而且會(huì)使主減速器殼及驅(qū)動(dòng)橋殼外形輪廓尺寸增大， 難以保證足夠的離地間隙，這時(shí)需采用雙級(jí)主減速器。貫通式主減速器：多軸 驅(qū)動(dòng)的越野汽車(chē)，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，增大離地問(wèn)隙，分動(dòng)器到同一方向的兩驅(qū)動(dòng)橋 之間只用一套萬(wàn)向傳動(dòng)裝置。這樣，傳動(dòng)軸須從距離分動(dòng)器較近的驅(qū)動(dòng)橋中穿過(guò)， 再通向距離分動(dòng)器較遠(yuǎn)的驅(qū)動(dòng)橋，這種被傳動(dòng)軸穿過(guò)的驅(qū)動(dòng)橋稱為貫通式驅(qū)動(dòng) 橋。輪邊減速器：將雙級(jí)主減速器的第二級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)放在兩側(cè)車(chē)輪近旁， 稱為輪邊減速器。輪邊減速器又有定軸輪系和行星輪系兩種結(jié)構(gòu)型式。 差速器的功能是將主減速器傳來(lái)的動(dòng)力傳給左、右兩半軸，并在必要時(shí)允許 左、右半軸以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，以滿足兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪差速的需要。普通齒輪式差速器 有錐齒輪式和圓柱齒輪式兩種。由于錐齒輪式差速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)，因此 目前應(yīng)用最為廣泛。 半軸的功能是將差速器傳來(lái)的動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)輪。常采用全浮式半軸支承和半 浮式半軸支承兩種型式。 驅(qū)動(dòng)橋殼既是傳動(dòng)系的組成部分，同時(shí)也是行駛系的組成部分。作為傳動(dòng)系 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 的組成部分，其功用是安裝并保護(hù)主減速器、差速器和半軸；作為行駛系的組成 部分，其功用是安裝懸架或輪轂，和從動(dòng)橋一起支承汽車(chē)懸架以上各部分質(zhì)量， 承受驅(qū)動(dòng)輪傳來(lái)的作用力和力矩，并在驅(qū)動(dòng)輪與：懸架之問(wèn)傳力。驅(qū)動(dòng)橋殼可分為 整體式橋殼和分段式橋殼兩種類型。 本課題研究的主要內(nèi)容為：?jiǎn)渭?jí)汽車(chē)主減速器總成裝配過(guò)程中圓錐滾子軸承 預(yù)緊力和主螺母擰緊時(shí)主錐軸向預(yù)緊力的自動(dòng)控制和實(shí)現(xiàn)方法。單級(jí)汽車(chē)主減速 器總成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 2 所示。 圖1 2 單級(jí)主減速器主動(dòng)錐齒輪總成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1 主螺母2 凸緣總成3 油封4 上軸承 5 軸承座6 下軸承7 主動(dòng)錐齒輪8 調(diào)整墊片 1 2 主減速器總成裝配原理 主減速器總成在汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中作用非常重要，負(fù)責(zé)把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的高速低 扭矩動(dòng)力轉(zhuǎn)化為低速高扭矩動(dòng)力，并且改變其傳遞方向，使動(dòng)力順利高效的傳遞 到差速器，其裝配質(zhì)量直接影響到動(dòng)力傳遞的效率和自身的使用壽命等。為提高 我國(guó)汽車(chē)制造行業(yè)主減速器裝配水平，降低工人在裝配流水線上的勞動(dòng)強(qiáng)度，提 高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提高整車(chē)的質(zhì)量，加強(qiáng)行車(chē)安全，一方面要提高主減速器裝 配線的自動(dòng)化程度，保證裝配質(zhì)量，另一方面要提高汽車(chē)零部件制造和加工工藝 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 水平。 1 2 1 軸承預(yù)緊的必要性及作用 滾動(dòng)軸承的預(yù)緊是指將滾動(dòng)軸承裝入軸承座和軸上后，采取一定的措施使軸 承中的滾動(dòng)體和內(nèi)、外圈之問(wèn)產(chǎn)生一定量的預(yù)緊變形，以保持內(nèi)、外圈均處于壓 緊狀態(tài)【4 1 。對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊的目的是增加支撐剛度，減小振動(dòng)和噪聲，防止由于 慣性力矩所引起的滾動(dòng)體相對(duì)于內(nèi)、外滾道的滑動(dòng)。按照預(yù)緊的方向可以分為軸 向預(yù)緊和徑向預(yù)緊，軸向預(yù)緊是在軸承的軸向加載一定的載荷，徑向預(yù)緊是利用 過(guò)盈配合使軸承內(nèi)圈膨脹變形，消除徑向間隙，使軸承處于預(yù)緊狀態(tài)。 預(yù)緊是滾動(dòng)軸承使用特點(diǎn)之一，因此如何實(shí)現(xiàn)軸承的預(yù)加載荷是本文所研究 的重點(diǎn)問(wèn)題之一。預(yù)緊力的大小和方向隨著軸承類型、裝配條件及運(yùn)行狀況的不 同而不同。對(duì)于常見(jiàn)的主軸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在徑向圓柱滾子軸承中只有徑向預(yù)緊力， 在止推軸承中只有軸向力，在圓錐滾子軸承中，有徑向和軸向力，因此在驅(qū)動(dòng)橋 主減速器總成中上、下兩個(gè)圓錐滾子軸承軸承中就有兩個(gè)方向的預(yù)緊力。根據(jù)軸 承設(shè)計(jì)要求，在裝配時(shí)必須獲得一定的裝配預(yù)緊力。軸承預(yù)緊后能夠提高其支撐 剛度，軸承的支撐剛度是保證主減速器總成主錐齒輪嚙合正確、運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、噪聲 低、耐磨損及壽命長(zhǎng)的重要因素之一，而且成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承預(yù)緊后能夠 提高其支撐剛度近一倍( 第二章中做理論分析) 。 在當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的時(shí)代，能否在裝配過(guò)程中控制合適的軸 承預(yù)緊力十分重要，因?yàn)檩S承預(yù)緊程度的不同，直接影響套圈與滾動(dòng)體的接觸狀 況，導(dǎo)致軸承的載荷分布、接觸剛度、磨擦與潤(rùn)滑狀況、發(fā)熱程度、阻尼以及固 有頻率等一系列特性參數(shù)發(fā)生變化，隨著這一系列特性參數(shù)的改變，立即會(huì)對(duì)整 個(gè)軸承的工作性能產(chǎn)生影響【5 j 。就本文所研究的單級(jí)主減速器總成而言，如果軸 承加載的預(yù)緊力不適當(dāng)，輕則可以導(dǎo)致汽車(chē)主錐轉(zhuǎn)動(dòng)噪音增大，減少整個(gè)車(chē)轎的 使用壽命，重則造成車(chē)毀人亡的重大事故。相對(duì)未預(yù)緊的軸承而言，進(jìn)行適當(dāng)預(yù) 緊的軸承有以下優(yōu)點(diǎn)： 第一，剛度提高，由于軸承加工過(guò)程中存在誤差，裝配后在不進(jìn)行預(yù)緊時(shí)， 存在只有部分直徑較大的滾動(dòng)體與軸承滾道貼合，軸承滾道受到的支撐力比較 小。當(dāng)預(yù)緊后，直徑較大的滾動(dòng)體受力變形，從而其他未接觸擋圈的滾動(dòng)體此時(shí) 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 接觸到滾道，對(duì)軸承滾道起到支撐作用，而且由于此時(shí)滾動(dòng)體有一定量的彈性變 形，支撐作用變強(qiáng)，因此軸承的剛度得到提高。 第二，旋轉(zhuǎn)精度提高，軸承未預(yù)緊狀態(tài)時(shí)存在軸向間隙，在載荷作用下，只 有部分滾動(dòng)體對(duì)軸承的內(nèi)擋圈進(jìn)行支撐，此時(shí)內(nèi)擋圈軸心與外擋圈軸心不在同一 直線，在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于支撐度不夠，產(chǎn)生徑向跳動(dòng)，而且由于滾動(dòng)體和滾道 波紋的原因，也會(huì)使擋圈的軸心產(chǎn)生變動(dòng)。軸承預(yù)緊后，滾動(dòng)體和滾道產(chǎn)生一定 量彈性變形，滾動(dòng)體直徑較大的變形較大，直徑較小的變形較小，而且滾道波紋 的高點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生彈性變形，因此減小了由滾動(dòng)體直徑不一致和滾道波紋的影響， 提高了旋轉(zhuǎn)精度，減少了滾動(dòng)體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。 第三，壽命提高，預(yù)緊后的軸承受載倚的滾動(dòng)體數(shù)量增多，每個(gè)滾動(dòng)體受 到的載荷相應(yīng)減小，雖然每個(gè)滾動(dòng)體由于直徑的不同而受到的載荷大小不同，但 是相對(duì)未預(yù)緊時(shí)的情況明顯好轉(zhuǎn)，因此，軸承的壽命得以提高。 第四，阻尼提高而且噪音減小，當(dāng)軸承適當(dāng)預(yù)緊后，滾動(dòng)體與滾道之間可 以建立穩(wěn)定的油膜，油的粘性阻尼和滾動(dòng)體及滾道材料內(nèi)摩擦阻尼都可以提高軸 承的動(dòng)態(tài)性能，降低滾動(dòng)體滾動(dòng)時(shí)噪音。 1 2 2 主螺母擰緊的意義 組成主減速器總成的各個(gè)零部件在制造和加工過(guò)程中都會(huì)存在一定的誤差， 因此，在主減速器總成的裝配過(guò)程中會(huì)存在一定的軸向問(wèn)隙。而軸向間隙會(huì)直接 影響主動(dòng)錐齒輪與從動(dòng)錐齒輪的正常嚙合，從而使汽車(chē)在行駛過(guò)程中產(chǎn)生噪聲和 振動(dòng)，同時(shí)也影響主減速器的使用壽命，因此必須利用主螺母擰緊所產(chǎn)生的軸向 力消除軸向間隙，并且保證主減速器總成中成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承產(chǎn)生合適的 預(yù)緊力，所以，主螺母擰緊產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力也是主減速器總成裝配過(guò)程中需要 重點(diǎn)研究的問(wèn)題之一。 1 3 軸承預(yù)緊力控制技術(shù)及螺紋擰緊技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 本文研究的主減速器總成自動(dòng)裝配機(jī)綜合應(yīng)用了軸承預(yù)緊力控制技術(shù)和螺 紋擰緊技術(shù)，是兩個(gè)技術(shù)綜合控制主減速器總成的自動(dòng)裝配，下面對(duì)這兩種技術(shù) 的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 1 軸承預(yù)緊力控制技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外學(xué)者對(duì)軸承預(yù)緊力控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，主要研究軸承預(yù)緊力對(duì) 旋轉(zhuǎn)主動(dòng)錐齒輪軸的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性參數(shù)的影響、軸承部件的預(yù)緊方法和預(yù)緊力 控制以及在大批量生產(chǎn)線上預(yù)緊力的在線測(cè)試和控制器的實(shí)現(xiàn)研究等 6 - 8 j 。國(guó)外 研制的預(yù)緊力控制裝置分為兩類：第一類是改變軸承的結(jié)構(gòu)，用特種軸承代替現(xiàn) 有的軸承。例如，美國(guó)的t i m k e n 公司研制的液壓擋邊圓錐滾子軸承，通過(guò)調(diào)節(jié) 油壓就可以調(diào)整軸承的預(yù)緊力。根據(jù)類似的原理，德國(guó)的u k f 公司與 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軸承并登記了專利。據(jù)稱這種軸 承能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主軸軸承預(yù)緊力的在線控制。這種軸承有其易于控制預(yù)緊力的優(yōu) 點(diǎn)，但是也有其缺點(diǎn)，因?yàn)檫@種軸承既作為主軸回轉(zhuǎn)的支撐部件，又是預(yù)緊力控 制的執(zhí)行部件，因此當(dāng)軸承出現(xiàn)磨損或者疲勞損壞時(shí)，更換軸承勢(shì)必要重新調(diào)整 整個(gè)控制系統(tǒng)，這將給維修帶來(lái)很大的麻煩。此外，這種軸承制造復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化、 通用化程度不高，價(jià)格昂貴，嚴(yán)重限制了其推廣和應(yīng)用。預(yù)緊力控制器的第二類 形式是獨(dú)立制作預(yù)緊力補(bǔ)償裝置，最為簡(jiǎn)單的形式是用彈性中間環(huán)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 中間環(huán)，德國(guó)g m n 公司的預(yù)緊力控制器借助于油腔的油壓變化來(lái)調(diào)整預(yù)緊力的大 小。日本慶義熟大學(xué)研制的預(yù)緊力控制系統(tǒng)，利用軸上的畸變?cè)?，即?yīng)力傳感 器，使壓電促動(dòng)器產(chǎn)生位移，達(dá)到控制預(yù)緊的目的。近來(lái)，國(guó)外在小轎車(chē)上用波 形套作為調(diào)整件調(diào)整主動(dòng)圓錐齒輪軸承的預(yù)緊力，具有較高的生產(chǎn)率，能可靠穩(wěn) 定的保持預(yù)緊力，是一種較先進(jìn)的方法。 國(guó)內(nèi)在預(yù)緊力控制器方面的研究起步晚，上世紀(jì)六十年代末，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā) 出一種帶有微機(jī)( a p p l e - i i ) 控制的預(yù)緊力控制系統(tǒng)，隨后開(kāi)發(fā)出用機(jī)床主軸軸承 新型預(yù)緊力控制器，并申請(qǐng)了專利。九十年代初，由電子科技大學(xué)研制的自動(dòng)選 墊機(jī)和摯片間隙測(cè)量機(jī)，在第二汽車(chē)車(chē)轎廠生產(chǎn)線上運(yùn)行，標(biāo)志著預(yù)緊力控制器 的批量生產(chǎn)上了一個(gè)新臺(tái)階。在長(zhǎng)春一汽輕型車(chē)廠，以前是根據(jù)操作工的經(jīng)驗(yàn)先 選擇墊片，然后把軸承和墊片安裝到液壓裝置壓緊軸承內(nèi)圈，模擬實(shí)際的軸向力， 最后轉(zhuǎn)動(dòng)軸承判斷其預(yù)緊力，合適后才能安裝到主減速器總成上進(jìn)行主螺母的手 動(dòng)擰緊。這種方法缺點(diǎn)是：工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，精確度低，生產(chǎn)節(jié)奏慢，主要依靠 工人的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品的合格率低，不適合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求。 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 3 2 螺紋擰緊技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 螺紋聯(lián)接是機(jī)械產(chǎn)品零部件間的重要聯(lián)接方式之一，其聯(lián)接質(zhì)量足保證產(chǎn) 品裝配質(zhì)量及可靠性的重要指標(biāo)。如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承、汽缸蓋、飛輪螺栓副， 傳動(dòng)系統(tǒng)中的離合器、變速箱及后橋主減速器裝配等都對(duì)螺紋聯(lián)接的軸向力大小 和精度提出了嚴(yán)格要求。若達(dá)不到要求會(huì)嚴(yán)重影響傳動(dòng)效率、平穩(wěn)性、噪聲甚至 安全性。如裝配汽車(chē)后橋主減速器總成時(shí)，圓錐滾子軸承應(yīng)有一定的預(yù)緊度，過(guò) 緊則傳動(dòng)效率低且加速軸承磨損發(fā)熱，過(guò)松則影響主錐軸的旋轉(zhuǎn)精度。 螺紋擰緊技術(shù)是從國(guó)外發(fā)展起來(lái)的，為適應(yīng)定扭矩加載的可控制擰緊場(chǎng)合需 求，在上世紀(jì)8 0 年代末，伴隨著電機(jī)調(diào)速等控制技術(shù)、扭矩控制等技術(shù)的迅速 發(fā)展，國(guó)外的裝配作業(yè)線上的裝配工具逐步從手工、風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)工具向低能耗、 低噪聲、控制精確等可控制擰緊設(shè)備發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)型裝配系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配對(duì)象的定扭矩、定轉(zhuǎn)角監(jiān)控或屈服強(qiáng)度監(jiān)控。較著名的國(guó)外擰緊機(jī)生 產(chǎn)廠商有a t l a s c o p c o 公司( 瑞典) 、b o s c h 公司( 德國(guó)) 、c o o p e r 公司( 美國(guó)) 、 i n g e r s o l l r a n d 公司( 美國(guó)) 、o b e r 公司( 意大利) 等【9 。 目前，國(guó)外的機(jī)電、汽車(chē)制造行業(yè)普遍采用的擰緊方法有：控制扭矩法、扭 矩轉(zhuǎn)角法和控制屈服點(diǎn)法?？刂婆ぞ胤ㄊ歉鶕?jù)螺紋擰緊扭矩與螺栓所受軸向力之 間的關(guān)系在生產(chǎn)中發(fā)展起來(lái)的，是目前螺紋件擰緊裝配最常用也是最經(jīng)濟(jì)的擰緊 方法【l0 1 。這種方法一般用在彈性區(qū)。扭矩法的優(yōu)點(diǎn)足控制日標(biāo)直觀、測(cè)量容易、 操作過(guò)程簡(jiǎn)便、控制程序簡(jiǎn)單。扭矩轉(zhuǎn)角法，或稱轉(zhuǎn)角法【l ，是根據(jù)螺紋副中螺 母的轉(zhuǎn)角與配合的螺栓所受軸向力之間的關(guān)系發(fā)展起來(lái)的一種方法。扭矩轉(zhuǎn)角法 的做法是指螺母在最初擰緊時(shí)，先要確定極限扭矩( 即實(shí)現(xiàn)連接密封所需的扭 矩) ，把螺栓一直擰到貼合扭矩值，再轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)預(yù)定的角度，此即為旋轉(zhuǎn)角度擰 緊法，從而間接控制軸向力。貼合扭矩值常取所需擰緊扭矩值的2 5 左右【12 1 。扭 矩轉(zhuǎn)角法的優(yōu)點(diǎn)是：擰緊質(zhì)量穩(wěn)定，螺紋件摩擦系數(shù)對(duì)擰緊質(zhì)量的影響小。 螺栓可擰至塑性變形區(qū)而不至于擰斷，設(shè)計(jì)預(yù)緊力可取螺栓屈服強(qiáng)度的8 0 。缺 點(diǎn)是：擰緊工具價(jià)格昂貴，操作不方便?？刂魄c(diǎn)法是利用扭矩與轉(zhuǎn)角增量比 概念，將螺紋件擰緊至螺栓的屈服點(diǎn)。擰緊工具利用計(jì)算機(jī)將采集到的實(shí)時(shí)扭矩 和轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分，從而得到扭矩一轉(zhuǎn)角曲線，再由曲線的斜率控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)。 優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⒙菟〝Q至屈服點(diǎn)，最大限度的發(fā)揮了螺紋件強(qiáng)度的潛力。缺點(diǎn)是擰 浙江大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 緊工具價(jià)格過(guò)于昂貴。 同國(guó)外相比，我國(guó)機(jī)電、汽車(chē)產(chǎn)品的螺紋擰緊工具目前還比較落后，尚不能 系列、批量地供應(yīng)生產(chǎn)中急需的擰緊工具及設(shè)備，每年都要花費(fèi)大量外匯購(gòu)買(mǎi)國(guó) 外產(chǎn)品。由于進(jìn)口擰緊機(jī)價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)不少后橋及變速箱企業(yè)在生產(chǎn)中大都采 用沖擊扳手?jǐn)Q緊，一般只能獲得3 0 0n m 左右的扭矩，勞動(dòng)強(qiáng)度高、噪聲大、 生產(chǎn)效率低、控制精度差，而部分減速器主動(dòng)齒輪組件螺母的安裝工藝要求7 0 0 n r n 以上，因而嚴(yán)重影響汽車(chē)的整車(chē)性能。近年來(lái)特別2 0 0 0 年以來(lái)，隨我國(guó)汽 車(chē)業(yè)的迅猛發(fā)展，為了提高整體素質(zhì)，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，正朝著規(guī)?；⒆詣?dòng)化 方向大踏步前進(jìn)，對(duì)裝配質(zhì)量和生產(chǎn)率的提出了更高的要求，因此對(duì)大批量工業(yè) 化螺紋擰緊的效率，也提出了越來(lái)越高的要求，這種要求促進(jìn)了現(xiàn)階段我國(guó)在擰 緊技術(shù)方面的發(fā)展。 1 3 3 研制主減速器總成自動(dòng)裝配機(jī)的迫切性與重要性 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)主減速器總成自動(dòng)裝配的研究主要在軸承預(yù)緊力對(duì)旋轉(zhuǎn)主軸 的動(dòng)、靜態(tài)特性的影響和軸承部件的預(yù)緊方法，而生產(chǎn)線上大批量的自動(dòng)擰緊主 螺母并同時(shí)在線檢測(cè)軸承預(yù)緊力在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)。軸承預(yù)緊力是 通過(guò)選擇一定厚度、高精度的墊片，在軸向上加一定的力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，自動(dòng)選墊機(jī) 可以完成摯片的選擇，但是預(yù)緊力大小的控制是由主螺母擰緊產(chǎn)生的軸向力來(lái)實(shí) 現(xiàn)的，只有當(dāng)軸承的預(yù)緊力和主螺母的擰緊力同時(shí)到達(dá)規(guī)定范圍時(shí)，主減速器總 成的裝配才合格。 長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)車(chē)轎廠生產(chǎn)線上是用人工方式通過(guò)操作人員的長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)， 調(diào)整鎖緊螺母的擰緊力來(lái)達(dá)到預(yù)緊的效果，這樣的調(diào)整方式不但操作人員勞動(dòng)強(qiáng) 度大，生產(chǎn)效率低，而且產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，由于不合格的預(yù)緊力產(chǎn)品的反復(fù)拆 裝使鋼性隔套張性失效。另外靜態(tài)下的組裝往往產(chǎn)生預(yù)緊力大小假象，當(dāng)安裝在 車(chē)上進(jìn)行檢驗(yàn)則可能會(huì)造成預(yù)緊力失效或預(yù)力過(guò)大軸承過(guò)熱“抱死”。因此，國(guó) 內(nèi)車(chē)橋廠主減速器裝配線上急需一套能夠同時(shí)檢測(cè)和控制主螺母擰緊力和軸承 預(yù)緊力的自動(dòng)裝配機(jī)。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 課題研究目標(biāo)、內(nèi)容及意義 1 4 1 課題研究目標(biāo) 本課題圍繞提高汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器裝配線自動(dòng)化程度和提高裝配質(zhì)量展 開(kāi)，基于現(xiàn)有的傳感器技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)，對(duì)目前所用的圓錐滾子軸承預(yù)緊力 控制和螺紋擰緊控制方法進(jìn)行力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的軸承預(yù)緊力和 螺紋擰緊力的控制為研究目標(biāo)，建立實(shí)用的扭矩、角度等多變量目標(biāo)控制擰緊理 論與技術(shù)方法，并以該理淪方法為基礎(chǔ)，研究并完成主減速器總成自動(dòng)裝配模型 的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，最后，通過(guò)伺服系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等不同控制硬 件的組合，完成系統(tǒng)的研制。本課題所研制的主減速器總成自動(dòng)裝配機(jī)通過(guò)引入 模塊化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念，集機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、電子技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)于一 體的機(jī)電一體化設(shè)備，提高系統(tǒng)的柔性，以適應(yīng)多品種、大批量的現(xiàn)代生產(chǎn)的需 要。 1 4 2 課題研究?jī)?nèi)容 ( 1 ) 主減速器總成裝配過(guò)程中多目標(biāo)變量控制理論與技術(shù)方法的研究 以力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究為手段，對(duì)圓錐滾子軸承的預(yù)加載荷和主螺母擰緊產(chǎn) 生的軸向預(yù)緊力進(jìn)行了力學(xué)分析，并對(duì)成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承的預(yù)緊原理進(jìn)行 研究，最終得出主減速器總成裝配模型。結(jié)合目前傳感器和機(jī)電控制技術(shù)，研究 出簡(jiǎn)單、有效、準(zhǔn)確的主螺母擰緊力矩和圓錐滾子軸承預(yù)緊力矩的檢測(cè)理論和控 制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)主減速器總成自動(dòng)裝配機(jī)系統(tǒng)研發(fā)的指導(dǎo)。 ( 2 ) 智能化的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā) 通過(guò)對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，以及由它組成的電氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與分析，針對(duì) 主減速器總成自動(dòng)裝配機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行要求，以主螺母擰緊力矩和軸承預(yù)緊力 矩為目標(biāo)變量的智能化可控為設(shè)計(jì)前提，建立經(jīng)濟(jì)可行的計(jì)算機(jī)控制硬件系統(tǒng)， 并完成相應(yīng)的軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。 1 4 3 課題研究的意義 在汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的裝配過(guò)程中，主減速器總成的裝配質(zhì)量對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的性能有著 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 非常重要的影響。主減速器總成主螺母擰緊時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向力，它用于給網(wǎng)錐滾子 軸承提供定值預(yù)緊力1 3 4 1 ，以保證軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，既不能燒死，也不能軸向竄 動(dòng)，因此裝配時(shí)需在保證施加在主螺母的扭矩值在規(guī)定的范圍內(nèi)又要保證其圓錐 滾子軸承的預(yù)緊力也同時(shí)在規(guī)定范圍之內(nèi)。 主動(dòng)錐齒輪總成的軸承預(yù)緊是眾多車(chē)橋廠家感到困難和棘手的問(wèn)題，本課題 所研制的自動(dòng)裝配機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制，對(duì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器總成裝配 中的主螺母擰緊力在控制方法上采用高精度扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并由工控機(jī)控 制扭矩，可以很好地完成主動(dòng)錐齒輪軸上的圓錐滾子軸承軸向預(yù)緊工作，并保證 軸承預(yù)緊力達(dá)到規(guī)定值，使主減中的主、從動(dòng)弧齒錐齒輪有足夠的支承剛度，并 且正常嚙合。 本文所研制的主減速器總成自動(dòng)裝配機(jī)自投入長(zhǎng)春一汽輕型車(chē)廠使用以來(lái)， 性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，操作簡(jiǎn)便，適用于自動(dòng)化生產(chǎn)線，解決了影響汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋 主減速器裝配質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，大大提高了自動(dòng)化裝配線的生產(chǎn)效率， 也使裝配合格率大為提高，降低了返工率。本產(chǎn)品和裝配線上的其它配套設(shè)備的 有效利用，全面提高了汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器的裝配質(zhì)量，從而在一定程度上提高 了國(guó)產(chǎn)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的整體性能。 1 5 本章小結(jié) 介紹汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的基本結(jié)構(gòu)和主減速器總成的裝配原理，以及影響主減速器 總成質(zhì)量的兩個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)闡述軸承預(yù)緊力控制技術(shù)和螺紋擰緊技術(shù)的國(guó)內(nèi) 外發(fā)展現(xiàn)狀，指出了在主減速器總成裝配過(guò)程中控制軸承預(yù)緊力和主螺母擰緊力 矩的必要性和重要性。最后，說(shuō)明了本文研究的目標(biāo)、內(nèi)容和意義。 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 第二章圓錐滾子軸承預(yù)加載荷研究及實(shí)現(xiàn) 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器總成中的主動(dòng)錐齒輪軸通過(guò)成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承 支承，而圓錐滾子軸承能否獲得合適的預(yù)緊力，直接關(guān)系到主減速器總成的裝配 質(zhì)量，因此，圓錐滾子軸承預(yù)加載荷的大小直接關(guān)系到汽車(chē)的性能。如果預(yù)加載 荷過(guò)大，雖然會(huì)增加總成的剛度和平穩(wěn)性，但不可避免地使總成傳動(dòng)過(guò)程中溫度 升高，降低總成的使用壽命；如果預(yù)緊力過(guò)小，則會(huì)降低總成的傳動(dòng)精度，使軸 承局部磨損增大，這樣，既降低了汽車(chē)的使用性能，也降低了總成的使用壽命。 因此，研究軸向預(yù)緊力與軸承剛度的關(guān)系是十分必要的，本章將對(duì)網(wǎng)錐滾子軸承 的受力和剛度進(jìn)行分析，并且在此基礎(chǔ)上闡明軸承的預(yù)緊理論。結(jié)合主動(dòng)錐齒輪 總成裝配尺寸鏈原理，提出了工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中選擇調(diào)整墊片厚度的方法和墊片 如何分組補(bǔ)償?shù)脑怼?2 1 圓錐滾子軸承受力分析 圓錐滾子軸承在軸向力只的作用下，裝配好的主動(dòng)錐齒輪總成圓錐滾子軸 承受力分析如圖2 1 所示。 外圈作用于滾動(dòng)體上的力e 可分解為兩個(gè)方向的力： = ec o s ( 2 1 ) f 。o = es i n 內(nèi)圈作用于滾動(dòng)體上的力有兩個(gè)：一個(gè)是內(nèi)圈滾道對(duì)滾動(dòng)體的作用力f ， 另一個(gè)是內(nèi)圈擋邊對(duì)滾動(dòng)體的力乃。 內(nèi)圈滾道對(duì)滾動(dòng)體的作用力f 可分解為兩個(gè)方向的力： = 曩c 。s q ( 2 2 ) 圪= fs i n c r j 浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 f a 圖2 1 圓錐滾予軸承滾了受力分析圖 e 軸承所受軸向載荷，f e 外圈滾道對(duì)滾動(dòng)體的作用力， f 內(nèi)圈滾道對(duì)滾動(dòng)體的作用力，乃外圈擋邊對(duì)滾動(dòng)體的作用力 內(nèi)圈滾道對(duì)滾動(dòng)體的作用力乃可分解為兩個(gè)方向的力： 兄= ec o s 口d nn 如2p ds i n q d 因?yàn)闈L動(dòng)體受力平衡，所以根據(jù)力平衡公式得： ie ，+ 一f , r = 0 【藝一吃一乞= 0 代入( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 可得： f ：墨型絲型 。s i n o t es i n ( o r f + ) f ，：幺型絲二竺! “ s i n a 。s i n ( a , + q ) 對(duì)圓錐滾子進(jìn)行幾何分析： 令妒為圓錐滾子兩條母線問(wèn)夾角 吒+ = o r e + 三一( 吼一詈) = 三+ 呈 1 2 一 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 ”= ( 曠緲) + = ( t ：t e 塢= 爭(zhēng)詈( 2 - - 8 ) 式( 2 7 ) 一( 2 8 ) 得： 吒一q = 妒 ( 2 9 ) 聯(lián)立( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 可得： f：_生(2-10) s i n a 。 又因?yàn)橥? es i nc r 。，因此可得： z = e ( 2 1 1 ) 當(dāng)圓錐滾子軸承受中心軸向壓力時(shí)，各個(gè)滾動(dòng)體所受負(fù)荷相同。當(dāng)該圓錐滾 子軸承受軸向載荷為e ，滾子數(shù)目為z 時(shí)： ( 2 1 2 ) 2 只s i n 罷 歷= 藝一 ( 2 1 3 ) 厶s i n a g 由以上兩式可以得出，當(dāng)圓錐滾子軸承受中心軸向載倚時(shí)，滾動(dòng)體所受內(nèi)外 圈軌道的力大小相等。滾動(dòng)體的受力與滾子數(shù)目、滾子母線央角以及作用于軸承 的中心軸向力大小相關(guān)。 2 2 圓錐滾子軸承剛度分析及最小軸向預(yù)緊力的確定 2 2 1 軸承剛度定義 滾動(dòng)軸承的剛度定義為軸承內(nèi)、 外加負(fù)荷【4 】?？捎孟率奖硎荆?k ：堅(jiān) d 6 外套圈產(chǎn)生單位的相對(duì)彈性位移量所需的 式中：f 表示作用于軸承上的載荷 萬(wàn)表示在載荷f 的作用下，軸承的變形量 ( 2 1 4 ) 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 k 值越大就表示軸承的剛度越大。 由滾動(dòng)軸承剛度的定義可以得到： 徑向剛度的定義為：軸承的徑向載荷除以圓錐滾子軸承內(nèi)、外套圈在徑向 中心線的總位移。由于各個(gè)滾子與其接觸軌道間的直接接觸面積的變化，及與載 荷分布區(qū)的改變，因此，徑向載荷不與變形成線性關(guān)系。 軸向剛度的定義為：軸向載荷除以軸向位移。軸向位移足指圓錐滾子軸承 內(nèi)套圈大端面與外套圈大端面之間距離的變化。滾子及其與其接觸的滾道變形， 以及本身可伸縮性都對(duì)圓錐滾子的軸向位移產(chǎn)生影響。滾子與它相接觸的兩滾道 之間的直接接觸變形也有軸向分量。 角剛度的定義為：作用力矩除以軸承內(nèi)、外套圈中，t l , 線的不同軸度的角度 值，表示軸承抗不同軸度的能力或抗彎的能力。 影響滾動(dòng)軸承剛度的因素主要有其自身結(jié)構(gòu)和尺寸，其次有預(yù)緊狀態(tài)和外 載荷的大小，而且軸承在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其剛度也會(huì)產(chǎn)生變化，所以，圓錐滾子軸承 的剛度變化規(guī)律非常復(fù)雜，涉及到很多非線性關(guān)系【1 5 】。圓錐滾子軸承的剛度分 為徑向剛度、軸向剛度和角剛度，理論求解這些剛度極為復(fù)雜而且不準(zhǔn)確【1 6 j 。 2 2 2 受純軸向載荷時(shí)的軸承剛度分析 滾動(dòng)軸承預(yù)緊時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的彈性變形，其計(jì)算的基礎(chǔ)是赫茲接觸理論。 受載后，圓錐滾子軸承滾動(dòng)體與套圈接觸處的變形量萬(wàn)與負(fù)荷q 的關(guān)系為【4 】1 1 7 ： 萬(wàn)= k q o 9 ( 2 1 5 ) 其中，k ，為彈性系數(shù)( 剛度) ，k ，= 7 6 6 x 1 0 - 5 魯，c 0 9 e 為與接觸體材料彈 1 性常數(shù)e 和泊松比y 有關(guān)的系數(shù)，q 為軸承滾動(dòng)體的法向負(fù)荷。 圓錐滾子軸承可以同時(shí)承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷，這樣會(huì)使軸承產(chǎn)生軸向 和徑向的彈性變形，當(dāng)軸承同時(shí)承受徑向和軸向載荷時(shí)，分析時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，做 如下假設(shè)： ( 1 ) 忽略套圈的傾斜，內(nèi)、外套圈保持在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 ( 2 ) 軸承預(yù)緊過(guò)程中所有滾動(dòng)體的彈性變形量相同。 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 ( 3 ) 所有受載的滾動(dòng)體的接觸角是相同的，且實(shí)際接觸角可以確定。 作了以上的假定，我們可以分析軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)、外套圈的接觸處的彈 性變形情況，若內(nèi)外套圈沿軸向的相對(duì)位移為皖，沿徑向的位移為4 ( 圖2 2 ) ， 在與受載最大的滾動(dòng)體中心夾角為緲處，滾動(dòng)體與內(nèi)外套圈接觸處的總彈性變形 量為： 6 = 8 0sincr+6rcoscrcos(2-16) q d 1 l f 箴 、 日6 r 洲1 | n | 。 圖2 2 軸承滾動(dòng)體受力彈性變形圖 從圖中可以看出，在= 0 處，彈性變形量最大，則此最大彈性變形量為： 瓦戤= 皖s i n c r + p c o s o ! ( 2 1 7 ) 若軸承僅有軸向套圈相對(duì)位移量時(shí)，即= 0 ，則有： 皖：擘 ( 2 18 ) s l i l ( z 若軸承僅有徑向套圈相對(duì)位移量時(shí)，即8 0 = 0 ，則有： 覆：監(jiān) ( 2 1 9 ) c o s 口 當(dāng)圓錐滾子軸承僅受純軸向負(fù)荷f a ( 圖2 1 ) 時(shí)，在受載最大的滾動(dòng)體處， 由式( 2 1 2 ) ，可得受載最大的滾動(dòng)體的法向載荷q 。 由式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 5 ) ，得到圓錐滾子軸承滾動(dòng)體內(nèi)外圈滾道接觸處 沿外圈方向的彈性變形萬(wàn)與滾動(dòng)體上作用力尼之問(wèn)的關(guān)系為： 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文 泓( 彘) n 9 = 半煮( 2 - - 2 0 ) 式中，萬(wàn)就是在= o 處的最大彈性變形量6 m a x 。 對(duì)于鋼制標(biāo)準(zhǔn)軸承，c e = 1 【1 7 l ，有： 萬(wàn)：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： ，。圓錐滾子軸承滾子有效接觸長(zhǎng)度，且，。= ，一2 r ( m m ) ，滾子全長(zhǎng)( m m ) ，滾子兩端角 聯(lián)立式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 和( 2 2 1 ) ，得到圓錐滾子軸承的在純軸向負(fù)荷 作用下，內(nèi)外套圈軸向相對(duì)位移量皖和徑向相對(duì)位移量4 分別為： 萬(wàn)，：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 ：烈蕓坐( 2 - - 2 3 )。7 z o9 ，。o 8 s i n o9 口c o s a 。 軸承的軸向剛度為： 包：等：4 15 7 0 z l e 8 ，9 皖9s i n l 9 ，9 口 ( 2 2 4 ) 軸承的徑向剛度島為： 箬- 4 1 5 7 0 z l e 8 ，9 9 s i n 眥o s l o 9 口 ( 2 - 2 5 ) 可以看出，圓錐滾子軸承在純軸向載荷的作用下，滾動(dòng)體內(nèi)外圈滾道接觸處 沿外圈方向綜合等效彈性變形萬(wàn)( 包括軸向變形皖和徑向變形4 ) 與負(fù)荷的0 9 次冪成正比，近似呈線性關(guān)系。而軸向剛度和徑向剛度島則與變形的o 1 次冪 成正比。所以，當(dāng)給圓錐滾子軸承施加純軸向負(fù)荷時(shí)，不僅影響軸承的軸向剛度， 而且還影響軸承的徑向剛度1 9 2 3 1 。 2 2 3 成對(duì)安裝圓錐滾予軸承剛度提高原理 由式( 2 - - 1 5 ) n - i 矢h ，對(duì)于單個(gè)圓錐滾子軸承來(lái)說(shuō)，由于k 。= 7 6 6 x1 0 _ 5 普0 9 ， 1 它的大小只取決于與材料本身，因此，不能用預(yù)緊的方法提高軸承的剛度。但是， 成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承，通過(guò)預(yù)緊則可以提高支撐剛度一倍左右【2 4 1 。由于成 對(duì)安裝的圓錐滾子軸承內(nèi)圈受軸向力時(shí)產(chǎn)生的位移量非常小，在原理圖中將微位 浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 移量放大，以便于進(jìn)行分析，其原理如圖2 3 所示： c o 6 d l 6 0 h 、 曉 、 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 軸承i 、i i 的徑向載荷 口、口，軸承i 、i i 的接觸角 ，。軸承所受的軸向載荷 由此可知，圓錐滾子軸承的所需最小預(yù)緊力為： 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 計(jì)算出圓錐滾子軸承最小預(yù)緊載荷的要求，對(duì)實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文 2 3 圓錐滾子軸承預(yù)加載荷與摩擦力矩關(guān)系分析 2 3 1 軸承預(yù)緊力的測(cè)試方法 主減速器總成裝配完畢后，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法就是人工通過(guò)檢查圓錐滾子軸 承能否正常轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)判斷所加的調(diào)整摯片是否合適，這種方法帶有很大的主觀性， 不能準(zhǔn)確判斷預(yù)緊力是否合適。有關(guān)文獻(xiàn)顯示，現(xiàn)在預(yù)緊力的測(cè)試方法包括：用 摩擦力矩測(cè)試，用配對(duì)軸承軸向變形驗(yàn)證，用內(nèi)、外隔圈驗(yàn)證等方法【2 6 1 。本文 將對(duì)用摩擦力矩測(cè)試預(yù)緊力的方法進(jìn)行分析。 在軸承結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)部參數(shù)和潤(rùn)滑方式一定的情況下，圓錐滾子軸承所受 的軸向載荷與摩擦力矩有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在這里預(yù)緊力可以作為軸向載荷來(lái)考 慮【2 7 】。因此，可以對(duì)施加預(yù)緊力后的成對(duì)圓錐滾子軸承的摩擦力矩進(jìn)行精確計(jì) 算。 2 3 2 軸承摩擦力矩與軸向預(yù)緊力的關(guān)系 圓錐滾子軸承的摩擦阻力矩由以下幾個(gè)部分組成【2 8 】： ( 1 ) 滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道之間的滾動(dòng)摩擦力矩。 ( 2 ) 滾動(dòng)體端面和內(nèi)圈擋邊工作面之間的滑動(dòng)摩擦阻力矩。 ( 3 ) 滾動(dòng)體與保持架引導(dǎo)面( 主要是保持架兜孔) 之間的滑動(dòng)摩擦力矩。 ( 4 ) 潤(rùn)滑劑在接觸處的內(nèi)摩擦以及潤(rùn)滑劑的飛濺和攪拌而產(chǎn)生的潤(rùn)滑摩 擦阻力距。 在正常工作狀態(tài)和良好的潤(rùn)滑條件下，作用于保持架的力較小，所以摩擦 阻力也小。當(dāng)潤(rùn)滑不足、被污染以及轉(zhuǎn)速較高時(shí)，其摩擦顯著增大【2 9 1 。滾動(dòng)軸 承的潤(rùn)滑劑摩擦主要取決于潤(rùn)滑的量及其粘度和軸承的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，潤(rùn)滑 摩擦很小，隨著轉(zhuǎn)速增大則潤(rùn)滑摩擦也迅速上升。由此可見(jiàn)，上面( 3 ) 、( 4 ) 兩 部分跟軸承的轉(zhuǎn)速有很大的關(guān)系。在裝配過(guò)程中，由于主錐總成轉(zhuǎn)速不高。此時(shí)， ( 3 ) ( 4 ) 部分所述摩擦阻力距相對(duì)較小，可以不予考慮。所以本文在分析測(cè)量 狀態(tài)下主動(dòng)錐齒輪軸總成的圓錐滾子軸承預(yù)緊力與摩擦阻力矩的關(guān)系時(shí)，只考慮 第( 1 ) 、( 2 ) 部分所述的摩擦阻力距。 浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 f s e 圖2 4 圓錐滾子軸承摩擦力矩分析 內(nèi)外圈表面和內(nèi)圈擋邊作用在滾動(dòng)體上的摩擦力及摩擦力矩如圖2 4 所示。 為簡(jiǎn)化問(wèn)題，計(jì)算過(guò)程中用圓柱滾子軸承代替圓錐滾子軸承，而網(wǎng)錐滾子軸承的 直徑可以用圓柱滾子軸承的平均直徑來(lái)代替，內(nèi)外罔滾道半徑按照滾子母線中心 處的滾道半徑計(jì)算。 上圖中，m 、絲為內(nèi)外滾道與滾子接觸開(kāi)始時(shí)的滾動(dòng)摩擦阻力距 只，、巴為內(nèi)外滾道與滾子接觸區(qū)域的滑動(dòng)摩擦力 尸為滾子所受重力 目為接觸面反作用力 只為內(nèi)圈擋邊對(duì)滾動(dòng)體的滑動(dòng)摩擦力 d i 為圓柱滾子直徑 r 、r e 為滾動(dòng)體母線中心處的滾道內(nèi)、外半徑 f 、e 、f 分別表示內(nèi)外圈和擋邊，在軸向載荷的作用下，每個(gè)圓錐滾子受 力分析都如圖2 4 所示。 根據(jù)一個(gè)滾動(dòng)體上的力和力矩平衡的條件，可得到如下方程組： 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文