轴承预紧力检测与实现方法的研究

合肥工业大学

硕士学位论文

轴承预紧力检测与实现方法的研究

姓名：韩江波

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：林巨广

20080201

轴承预紧力检测与实现方法的研究

摘要

主减速器是汽车传动系统的重要组成部分，而主锥总成部分作为主减速器起始端，其装配质量的好坏直接影响到动力在主减速器中的传递。在主锥总成的装配过程中，圆锥滚子轴承预紧力的大小直接影响主锥总成整个性能。

本文从分析主锥总成开始，研究了主锥总成中的圆锥滚子轴承的预紧理论以及预紧力的检测方法，结合对传感器检测方法相关理论的研究，提出了压测机的设计思路，根据该思路设计出压测机的总体方案和结构，并分别从机械部分和控制部分对压测机结构作了详细设计。在本文的最后，对已投入使用的压测机测出来的相关数据做了分析，也对本阶段工作做了总结，并依据在现场使用状况和相关资料对本课题的继续深入做出展望。关键字：主锥总成检测预紧力矩控制系统

Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｐｒｅｌｏａｄｃｈｅｃｋｉｎｇａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｆｉｎａｌｄｒｉｖｅｒｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ。ＴｈｅＡｃｔｉｖｅＧｅａｒＡｘｌｅＡｓｓｅｍｂｌｙｉｓｔｈｅｓｔａｒｔｐａｒｔｉｎｔｈｅｆｉｎａｌｄｒｉｖｅｒ，ｉｔｓａｓｓｅｍｂｌｙｑｕａｌｉｔｙｄｉｒｅｃｔｌｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｐｏｗｅｒｉｎｔｈｅｒｅｔａｒｄｅｒ．Ｄｕｒｉｎｇ

ａｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ，ｔｈｅｐｒｅｌｏａｄｏｆｔｈｅｔａｐｅｒｒｏｌｌｅｒｂｅａｔｉｎｇｈａｓ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＡｃｔｉｖｅＧｅａｒＡｘｌｅＡｓｓｅｍｂｌｙ．ｄｉｒｅｃｔｌｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅ

ＢｅｇｉｎｎｉｎｇｗｉｔｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅＡｃｔｉｖｅＧｅａｒＡｘｌｅＡｓｓｅｍｂｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｐｒｅｌｏａｄｏｆｔａｐｅｒｒｏｌｌｅｒｂｅａｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｐｒｅｌｏａｄｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，

ｓｅｎｓｏｒｃｏｍｂｉｎｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆａｎｄｓｏｍｅｒｅｌｍｉｖｅｔｈｅｏｒｙ，ｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｔｈｏｕｇｈｔ

ｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｐｒｅｓｓｉｎｇａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｄｅａ，ｗｅｇｏｔｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｊｅｃｔａｎｄ也ｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ，ａｎｄｍａｄｅａｄｅｔｍｌｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐａｒｔ。Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｓｏｍｅｔｅｓｔｅｄｄａｔａｏｆｔｈｅｕｓｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓ，ａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｒｅｃｅｎｔｗｏｒｋ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｓｏｍｅｒｅｌａｔｉｖｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｗｅ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡｃｔｉｖｅＧｅａｒｃａｌｌｇｏｏｎａｄｅｅｐｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．ＡｘｌｅＡｓｓｅｍｂｌｙｃｈｅｃｋｉｎｇｐｒｅｌｏａｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

插图清单

图２－１汽车驱动桥分解图………………………………………………………………………。５图２．２单级式主减速器…………………………………………………………………………．．７图２．３上锥总成…………………………………………………………………………………．．９图２４主锥总成…………………………………………………………………………………．．９图３．１圆锥滚子轴承预紧原理…………………………………………………………………１３图３．２主锥中圆锥滚子轴承受力图……………………………………………………………１４图３．３主锥总成轴向力封闭系统………………………………………………………………１４图３．４主锥总成轴向力封闭系统………………………………………………………………１５图３．５圆锥滚子受力图…………………………………………………………………………１７图３－６圆锥滚子受力简化图……………………………………………………………………１８图３．７圆锥滚子微元受力图……………………………………………………………………１８图３—８圆锥滚子轴承轴向位移…………………………………………………………………２０图３－９圆锥滚子轴承所受轴向力与轴向变形量关系图………………………………………２０图３．１０两圆锥滚子轴承内圈间尺寸关系图…………………………………………………一２ｌ图３．１ｌ弹簧秤检测法示意图…………………………………………………………………．．２２图３．１２传感器的组成…………………………………………………………………………．．２３图３．１３新检测法示意图………………………………………………………………………．．２４图４．１圆锥滚子轴承所受的摩擦力和摩擦力矩………………………………………………２８图５．１压测机的装配步骤………………………………………………………………………３４图５－２压测机机械部分的总体结构示意图……………………………………………………３５图５．３液压缸差动连接回路……………………………………………………………………３８图５＿４电液比例阀控制系统的组成原理………………………………………………………３９图５．５电液比例压力控制叠加阀原理简图……………………………………………………４０图５－６压测机电气硬件控制部分系统图………………………………………………………４４图５．７工控机系统组成…………………………………………………………………………４４图５．８采样保持电路……………………………………………………………………………．４５图５－９开关量输入通道结构图…………………………………………………………………４６图５．１０开关量输出通道结构图………………………………………………………………一４６图５．１１光电隔离电路原理图………………………………………………………………………．４７图５．１２开关晕输入状态图……………………………………………………………………一４７图５．１３硬件去抖动电路………………………………………………………………………。４８图５．１４软件去抖动流程图……………………………………………………………………．．４８图５．１５压装程序工作流程图…………………………………………………………………一５０图５．１６压装界面………………………………………………………………………………．．５０

图５．１７压测程序工作流程图…………………………………………………………………一５１图５．１８压测界面………………………………………………………………………………一５２图５．１９系统参数界面…………………………………………………………………………．．５２图５．２０系统参数修改权限身份确认界面……………………………………………………一５３图５．２１调试界面…………………………………………………………………………………５３图６．１压测机实物图……………………………………………………………………………５６

表格清单

表２．１主减速器的分类…………………………………………………………………………。６表２．２上锥总成装配线工艺流程及主要设备…………………………………………………１０表３．１土锥轴承预紧力矩检测方法对比………………………………………………………２５表５．１液压系统控制要求………………………………………………………………………３７表５．２电液比例阀、电液伺服阀、普通开关阀性能比较……………………………………３９表５．３电液比例阀与电液伺服阀对比…………………………………………………………．．４０表６．１压测机压装压测数据……………………………………………………………………５５

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志和敛谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为麸得金ｇ墨王些厶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。

学位论文作者签字：彳捌．娘签字目期：前年夕月７日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解金ａ巴王些态堂有关保留、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什和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权—金８曼王些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文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。

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学位论文作者签名：啤／彬导师签名：砖，乏Ｉ／

吩年幼７日签字日期：９辟≯月）日签字日期：

学位论文作者毕业后去向：

工作单位：

通讯地址：电话：邮编：

致谢

在论文完成之际，回顾两年多来的研究生生活，千头万绪涌现到心头，最终凝聚成两个字——感谢。

首先感谢我的恩师林巨广研究员两年多来对我学习、工作和生活等方面的谆谆教导和热心关怀，感谢林老师给我提供了一个非常难得的学习平台。林老师严谨的治学态度、雷厉风行的做事风格让我受益匪浅，也必将影响我的一生。与先生的每一次交流和接触都让我记忆犹新，先生的教诲和鼓励是我研究生阶段不断努力和进步的动力和源泉。不管是在现在的学习阶段还是在随后的岁月里，先生的教诲和鼓励已经也必将一直激励我不断努力前进，从而闯出自己的一片天地。

感谢我的指导老师任永强副教授，是任老师将我手牵手的领进电控设计知识殿堂，也是任老师在我学习、生活和工作最困难时期鼓励和帮助我渡过难关。感谢任老师在研究生阶段对我的无私帮助和热心关怀，感谢老师两年多来对我各个方面的照顾和鼓励，老师对我许多方面的建议和指导正成为也必将继续成为我今后生活的导向。

感谢何元祥老师、卫道柱老师、王淑旺老师、陈廷欣老师、夏永胜老师以及研究所中其他老师们两年多来对我的帮助和指导，我的劳动成果也包含了他们辛勤的汗水。

感谢安徽江淮自动化装各有限公司的蒋召文、柳明、代明、李海波、石爱文、郭金虎等工程师，还有郑冠林工程师，感谢他们在工作中对我的支持和帮助。感谢公司所有领导和员工对我工作的关心、指导、配合与支持。

感谢安吉阁、冯刚、汤伟、吴磊、俞琦、朱友超等同学陪伴我走过了一段难忘的研究生历程，特别感谢盛军、魏义、杨洪彬同学在我整个研究生生活中对我的关心、帮助与支持，感谢我的室友贾志华、张天成同学对我生活、学习以及工作的关心和帮助。感谢刘波、王金龙、景兴琪等师兄弟师姐妹们对我多年来的帮助与指导。

感谢我的父母、妹妹、女友以及其它关心和帮助过我的亲朋好友，是他们用真挚的亲情、友情、爱情搀扶我走到了今天。

韩江波０８年２月

第一章绪论

近些年来，社会对汽车不断增长的要求，促使汽车工业生产日益繁荣。汽车工业的迅速发展促进了各行各业的繁荣兴旺。一辆汽车有上万个零件，由钢铁、有色金属、工程塑料、玻璃、涂料等多种材料制成，应用冶金、铸造、锻压、焊接、机械加工、装配等许多工艺和技术，涉及许多工业部门，汽车的销售和营运还涉及许多第三产业。可以断言，没有哪个行业与汽车完全无关。汽车工业的发展无疑会促进各行各业的繁荣兴旺，带动整个国家国民经济的快速发展ｕ１。因而世界上各个发达国家几乎都把汽车工业作为国民经济的支柱产业。

１．１汽车装备制造业的发展现状

从历史角度观察，汽车产品的发展，必然伴随着装备的发展，反之亦然。在国外，一些发达国家及早地将注意力转向自动装配技术，并取得了卓越的成果，一些产品、部件的装配过程逐渐摆脱了工人的操作，柔性装配系统（ＦＡＳ）已成为ＣＩＭＳ的一个重要环节。国外很强调全面考虑，综合解决，它涉及到产品开发设计、生产工艺、生产管理和零部件制造等各个部门和各个环节。如德国奔驰公司的奔驰汽车生产线，自动化程度相当高，各个装配工位都采用了先进的现代化技术，如传感、电子控制，甚至美学都应用其中。这也使得其公司在全世界的竞争力独占鳌头，撼之不动。

当前国外的汽车制造工厂的一个重要发展特点是采用先进管理技术与信息技术来管理和调度生产。重点表现在以下几个方面比１：

ａ、计算机技术的应用。现今，国外汽车装配厂百分之百的应用大型计算机

系统来指挥调度生产过程和存、取零部件及处理各种信息数据。大型机和各系统机或微型机一起形成计算机网络，使得制定计划、及时供货制、监控库存、向协配厂订货、待装件运输、销售及售后服务、订货等业务全部综合为一体。

ｂ、工厂信息系统。工厂信息系统（ＦＩＳ）是指工厂范围内的信息数据收集与

发送系统，它联结所有主要场所，包括悬链系统、机器人、传动装置和其它设备。ＦＩＳ能及时获得生产及设备维修数据，是整个工厂的数据收集和生产“报告＂系统，它将制造和维修联系起来，并将大多数自动化设备置于监控之下，搜索并解决物流过程中出现的问题。

Ｃ、及时供货制。指在规定的时间和地点，利用最少的人力、设备、工具，

把零部件运送到指定的地方，在零件数量上，按要求，不多也不少，在时间上，不早也不迟，在这两方面都能达到“正好”。

ｄ、在线编程生产方式。在线编程，其主要特征是：按用户订单组织生产，即按市场需求一下料一冲压一焊装一油漆一总装一进入市场。整个生产

过程借助计算机系统来进行管理，各工种、工序严格按照计算机确定的程序进行操作。

我国拥有３万多家汽车零部件制造企业，制造能力比较强。但是，由于制造技术、装备水平和管理水平落后，目前，我国汽车零部件产业现状是，低端产品出口（低价值、低利润），高端产品进口（高价值、高利润）。同时，无法满足国际市场巨大需求。如美国通用汽车向我国提出年采购１００亿美元的汽车零部件需求，但由于我国大多数汽车零部件产品质量、品种、水平不能满足需要，实际采购量不到１０％。因此，广大汽车零部件制造企业急需采用先进制造技术及装备进行技术改造。可以说，目前我们只能够用进口高端数控机床（生产线）来换取出口汽车零部件。

另外，我国汽车装备呈现出两极分化、总体落后状态。一方面，有采用世界最先进的敏捷柔性生产线的上海通用这样的示范工厂；另一方面，也有一些国有老企业数控机床的比率却只有１％（２００２年调查）。总体来说，合资轿车企业和少数民营企业（如万向集团）汽车装备整体上已经进入柔性化时代，达到世界发达国家２０世纪９０年代水平，但其总数仍只占汽车及零部件制造企业少数。大部分汽车零部件制造企业仍然主要使用落后装备生产，这就造成他们只能够生产低端汽车零部件‘引。

面对越来越激烈的市场竞争环境，除了制造出高质量的汽车零部件外，更需要拥有先进的装配设备，借鉴国外先进装配技术，自主研发适合我国国情的汽车装备产品便显得格外重要。

１．２主锥轴承预紧力检测技术以及压测技术现状

汽车零部件的装配离不开质量检测。检测技术是自动化控制技术、微电子技术、通信技术、计算机科学和物理学等学科有机结合、综合发展的产物，是工业生产的耳目，是监视、控制、保证和提高产品质量的重要手段。随着现代工业科学技术的发展，检测技术的重要性越来越被人们所重视。检测技术对于控制和改进产品生产过程中的质量、保证设备的安全运行以及提高生产率、降低成本等方面都起着重要的作用，是发展现代工业和科学技术必不可少的重要手段之一。在各种现代装备系统的设计和制造工作中，检测技术已占到首位。检测系统的成本已达到装备系统总成本的５０％～７０％，它是保证现代工程装备系统性能指标和正常工作的重要手段，是其先进性能及实用水平的重要标志［４】。

主锥总成是汽车驱动桥中的起始部分，也是驱动桥的关键部分之一，其装配质量的好坏直接影响了整个驱动桥的质量，也必然会影响整部车的性能，因此对主锥总成的检测显得格外重要，而主锥总成中对其性能影响最大的就是轴承预紧力的大小。

一些车桥生产厂家对主锥轴承预紧力的检测还停留在依靠熟练工人的经验检测和应用简单的测量工具进行检测的落后状态。随着高精度传感器以及计算机２

技术的发展，检测技术已经进入了快速、精确、方便时期，另外，车桥厂家对主锥总成装配质量提出了更高的要求，因此，对主锥总成中的轴承预紧力检测方式的革新也逐渐提上日程。在探索轴承预紧力检测方法方面，成都电子科技大学做了一系列研究口３删１，也取得了很多成果。电子科大的方法是在主锥总成装配的最后一道工序，也就是拧紧凸缘螺母时应用高精度传感器结合计算机技术检测轴承的预紧力矩。该方法测出的结果以及依据结果所做出的判断较为准确，但因为采用了角度控制拧紧法，故拧紧检测时间偏长，影响生产节拍。另外，该方法是在拧紧凸缘螺母后才对轴承预紧力是否符合要求做出判断的，如果轴承预紧力不符合要求，则拆装产品重新选择垫片比较麻烦。

不论是凭经验检测还是借助相关测量设备对轴承预紧力进行检测，最终可以归为两种检测方法。轴承预紧力的检测方法之一是测量轴承的摩擦力矩。这种方法的优点是简便易行；缺点是测量结果对预紧力矩的变化不够敏感。因此，采用这种方法调整轴承预紧时加的预紧力只能略大于推荐的预紧力矩。对于该预紧力矩的检测方法又有两种检测方式，一种是检测动态预紧力矩，一种是检测静态预紧力矩。

检测轴承预紧力的另一方法是测量轴承的轴向变形，由于轴向变形量即为预紧量，而轴承是否已经磨合对轴承变形量影响不大，采用这种方法不必考虑轴承是否已磨合。这种测量方法的前提是轴承与轴以及轴承座的配合均为过盈配合，若为间隙配合则将导致轴向变量增大。这种方法的缺点是轴向力和变形的测量非常麻烦。

这里所说的压测技术其实是压装和检测技术的集成。对于压装，现行的技术基本上都是采用液压系统进行，当然也有一些压装采用的是气压系统，液压和气压系统的比较将在文中其它部分进行阐述。

１．３本课题研究的内容和意义

当前，我国的汽车保有量正在急剧上升，全国范围内掀起了汽车消费的浪潮。消费者对汽车的性能要求越来越高，这就迫使汽车生产厂家除了不断的开发出新产品，还应该提高汽车零件的质量，改善汽车装配工艺和装配质量。驱动桥作为汽车传动系关键部分，它的装配质量对汽车整体性能的好坏影响很大，由于汽车驱动桥总成是直接影响汽车行驶安全的关键总成，因而提高驱动桥总成的整体质量与装配质量已成为各个汽车驱动桥生产厂家不得不关注的问题。

１．３．１本课题研究的内容

本课题主要研究主锥圆锥滚子轴承预紧力检测理论及检测方法、压测机设计原理以及压测机总体方案与结构。其具体工作如下：

１）轴承预紧力检测理论及检测方法主要介绍轴承的预紧原理以及轴承预紧力检测方法。详细分析配对圆锥滚子

轴承的预紧原理、预紧方法以及预紧力的影响因素；重点研究轴承所受轴向力与轴向变形量即预紧度的关系以及调整垫片的厚度与轴承轴向变形量的关系；认真归纳总结三种轴承预紧力的检测方法并将这三种检测方法进行详细阐述和比较。

２）主锥轴承压装与检测设备的设计原理

主要介绍压测机的设计思路以及主要参数的确定。通过对已归纳总结的轴承预紧力检测方法的研究以及对现有研究成果的分析，确定本课题的检测方法，并结合整条装配线的装配工艺对选定的检测方法进行优化，从而得到压测机的设计思路；根据设计思路对主要参数进行分析与计算。

３）主锥轴承压装与检测设备的实现方法

主要介绍压测机机械部分、控制部分的总体方案与结构。简要的介绍机械部分的方案与结构；从液压、电气两部分重点分析控制部分的方案与结构，详述本课题中运用的电液比例压力阀以及相关回路，仔细讨论电气硬件部分的结构以及各主要部分的工作原理，简要的叙述软件部分。

１．３．２本课题研究的意义

在汽车驱动桥总成的装配过程中，主动锥齿轮总成的轴承预紧成为众多车桥厂家感到困难和棘手的问题，传统的装配工艺和检测手段使主锥总成的质量难以保证。本课题就是针对主锥总成传统装配工艺中的难题进行进一步探索和研究的。

对汽车主锥总成传统装配工艺的进一步探索与研究已有一些成果，这些成果主要集中在选择合适的调整垫片和对轴承预紧力检测方面。对于轴承预紧力检测，目前所应用的比较先进的方法就是拧测法口３｜，该方法是将轴承预紧力检测与凸缘螺母的拧紧集成在一起，先将凸缘螺母拧到一定程度，然后开始检测轴承预紧力，同时使用角度控制法继续拧紧螺母，直到最终完成，此方法虽然能较好的检测预紧力是否符合要求，但是由于此方法采用了角度控制拧紧方法，故该工位的装配时间偏长，如果所选垫片不合格，产品的返修工作将比较麻烦。鉴于以上问题，本课题将检测轴承预紧力步骤提前，并通过认真分析研究主锥总成的装配工艺，将主锥的部分压装工作与该检测工作集成在一起，从而设计出压测设备。

压测机兼具了压装和检测功能，减少了主锥总成装配线上的工位，缩短了装配时间，加快了装配节拍。另外，由于在压装主锥外轴承内圈之后就立即进行轴承预紧力检测，假如产品不合格，则降低了拆装劳动强度，缩短了拆装时间。本设备采用了高精度、高效率的液压控制系统以及先进的电气控制系统和专门的软件，加上高精度传感器，使测量过程简便，测量结果准确可靠。本设备配合装配线上的其他自动化设备，在一定程度上提高了国产汽车驱动桥的整体装配性能，同时也降低了劳动强度，加快了生产节拍，提高了生产效率，从而也必将带来一定的经济效益。４

第二章汽车驱动桥主减速器主锥总成的分析

汽车传动系统是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用是将发动机输出的动力传给驱动车轮。

传动系与发动机协同工作，提供给汽车在各种行驶条件下正常行驶所必需的驱动力与车速，并使汽车具有良好的动力性和燃油经济性。因此要求整个传动系具有传输的平稳性、可靠性以及效率的最大利用率。发动机发出的动力依次经过离合器、变速器、由万向节和传动轴组成的万向传动装置以及安装在驱动桥中的主减速器总成，最后传到车轮。由此可见主减速器总成位于动力传输的末端，主减速器应具有更高的可靠性，它对于汽车动力的传输起着重要的作用。

２．１汽车驱动桥简述

一般地，汽车发动机的输出转矩将首先传到变速器，变速器将发动机输送过来的转矩通过传动轴传递到汽车驱动桥，驱动桥将转矩传递到驱动轮上。

驱动桥是传动系中的一部分，由主减速器、差速器、主轴和驱动桥壳等组成，其作用是将万向传动装置传来的发动机转矩传递到驱动车轮上，实现降速、增大

。

卜密封垫２一半轴油封３一车轮轴承４一车轮轴承盖５一半轴６一密封垫７一车轮轴承止推垫８、２１、２９－轴承９一主动锥齿轮隔套垫片１０－主动锥齿轮和从动齿罔１１一差速器壳１２一密封垫１３一盖１４一行星齿轮轴定位销１５一差速器行星齿轮轴１６－差速器半轴齿轮１７一止推垫１８一差速器壳盖１９一轴承调整螺母２０－轴承外圈２２－齿圈紧同螺栓２３一调整螺母２４一轴承盖２５一通气孔２６－半轴壳２７－Ｄｎ油口塞２８－轴承外套３０－凸缘３１一导向盘３２一油封３３一轴承隔套

图２－１汽车驱动桥分解图

转矩，同时改变转矩的传递方向，并实现差速以保证内外侧车轮以不同转速转向。５

主减速器总成（主减速器总成由主动锥齿轮总成、差速器总成、减速器壳体等部分组成）是驱动桥的核心部件，驱动桥所实现的作用全部是由主减速器总成实现的，因此要求主减速器总成要有好的性能和质量∞３。

如图２．１所示，是一种典型汽车驱动桥（含减速器、半轴、桥壳等部件）的分解图，现在也有多驱汽车，变速器后面配有分动器，分动器将变速器的输出转矩分给不同的驱动桥。

２．２主减速器总成

主减速器是驱动桥重要的组成部分，其功能简言之就是减速增扭，也就是将万向传动装置传来的发动机转矩增大并相应降低转速。当发动机纵置时还具有改变转矩旋转方向的作用。

２．２．１主减速器的分类

为满足不同的使用要求，主减速器的结构形式也是不同的。按不同的分类原则可分为如表２—１所示的几种类型。

表２－１主减速器的分类

序号

ｌ

２

３分类方式齿轮副数目主传动比挡数齿轮副结构形式单级式单速式圆丰丰齿轮式类型双级式双速式圆锥齿轮式准双曲面齿轮式在以上表中的分类中，对于双级式主减速器，若第二级减速器齿轮有两副，并分置于两侧车轮附近，实际上成为独立部件，这样的减速器称为轮边减速器。

对于单速式减速器和双速式减速器来说，前者的传动比是固定的，后者有两个传动比供驾驶员选择，以适应不同行驶条件的需要。

而圆柱齿轮式主减速器又可分为轴线固定式和轴线旋转式即行星齿轮式。在本课题主要以单级式主减速器为研究对象。

２．２．２单级式主减速器的结构

单级式主减速器具有结构简单、体积小、质量小和传动效率高等优点，可较好的满足动力性要求较低的汽车的需求。目前单级式主减速器主要应用在轿车和一般轻中型货车中。

图２—２为某型汽车驱动桥单级式主减速器及差速器总成图。主减速器的减速传动机构为一对准双曲面锥齿轮１５和６。其中齿轮６为从动锥齿轮，齿轮１５为主动锥齿轮。

从图中可以知道，发动机动力传到驱动桥主减速器的主动锥齿轮后，通过主动和从动锥齿轮啮合，带动差速器旋转，并通过差速器的行星齿轮将转矩分配给６

左右两根半桥，从而驱动车轮旋转。

在主减速器中，最主要的力矩传递是主动锥齿轮和从动锥齿轮间力矩的传递，因此，在装配过程中，主动锥齿轮和从动锥齿轮间的啮合质量便显得尤为重要，由此要求主减速器的主动和从动锥齿轮之间必须有正确的相对位置，这样才能保证啮合质量，从而使两齿轮啮合传动时冲击噪声轻，而且轮齿沿其长度方向磨损均匀。

为了保证两齿轮的啮合质量，主减速器的结构不仅要求主动锥齿轮和从动锥齿轮有足够的支承刚度，使其在传动过程中不至于发生较大变形而影响正常啮合，而且应有必要的啮合调整装置。

卜差速器轴承盖２一轴承调整螺母３一圆锥滚子轴承４一主减速器壳５一支承螺栓６一从

１０一凸缘

１６一行星齿轮１１一凸缘螺母１７一半轴齿轮１２一防１８一动圆锥齿轮７一调整垫片８一轴承座尘罩１３一油封１４一圆锥滚子轴承９一圆锥滚子轴承１５一主动圆锥齿轮

行星齿轮轴（十字轴）

图２－２单级式主减速器

２．３主锥总成

前面已经讲过，汽车发动机的输出转矩首先传到变速器，再由变速器将来自于发动机的输出转矩通过传动轴传递到汽车驱动桥，而汽车驱动桥中首先接收该

转矩的部分便是主减速器中的主动锥齿轮部分，然后通过主动和从动锥齿轮啮合，带动差速器旋转，将转矩传递给差速器，并通过差速器的行星齿轮将转矩分配给左右两根半桥，将来自发动机的转矩传到终端，从而驱动车轮旋转。

从这点来看，主动锥齿轮总成部分在主减速器中起到了转矩接收和传递作用，当然，这并不是其主要功能，从整体来看，在主减速器中其主要功能还在于减速增扭。对于单级式主减速器来说，主动圆锥齿轮与从动圆锥齿轮一起形成主减速器的主体。对于双级式主减速器而言，虽然主减速器有两级减速机构，但作为第一级中的主锥齿轮总成仍然起着非常重要的作用。

不论单级式主减速器还是双级式主减速器，其间的转矩传递和减速增扭均从主锥总成部分开始，因此，对作为主减速器起始端的主锥总成部分的研究也便显得格外重要。

２．３．１主锥总成的结构

由主减速器的结构可以看出，从变速箱或分动器经万向传动装置输入驱动桥的转矩首先便传到主减速器主动圆锥齿轮总成（以下均将主动圆锥齿轮总成简称为主锥总成）上，对于主锥总成的结构组成，有如图２—３和图２—４所示的两种典型结构。

从图２．３和图２．４可以看出，图中的两种主锥总成均由主动圆锥齿轮、两个圆锥滚子轴承、轴承座、凸缘、凸缘螺母以及调整垫片组成，当然，各主要部分都装配在同一根轴上，在结构上为保证主动锥齿轮有足够的支承刚度，主动锥齿轮与这根轴制成一体（后面称之为主动齿轮轴或主动锥齿轮轴）。其他一些主锥总成结构与图中两种结构构成大致相似。

两种主锥总成主要不同之处在于图２－４中的主锥总成中多了一个隔套８，其中用于调整外圆锥滚子轴承预紧力的调整垫片上的轴向力作用在隔套８上，隔套８将力传递到内圆锥滚子轴承内圈，圆锥滚子轴承内圈将传递来的力最终作用在主动圆锥齿轮轴上。而图２．３中在主动圆锥齿轮轴上适当设计了一个轴肩，调整垫片直接作用在该轴肩上。

２．３．２主锥总成的装配工艺

汽车驱动桥主减速器的装配质量是影响整个汽车驱动桥性能的一个重要因素，主动锥齿轮总成是主减速器的关键部件，其装配质量的重要性就显得尤为突出。由主锥总成结构可以看出，主锥总成的装配大致为内外圆锥滚子轴承外圈压入轴承座、将内圆锥滚子轴承内圈压入主锥齿轮轴、选择调整垫片、装配外圆锥滚子轴承内圈、压装油封、压装主齿凸缘和拧紧凸缘螺母等主要步骤。

安徽江淮自动化装备有限公司经过自主研发和多年来的不断改进，最终制定和研发出表２．２所示的主锥总成装配线工艺流程和主锥总成装配线上所使用的主要设备。

８

７

６

５

４

３

２ｌ

卜主动圆锥齿轮２一内圆锥滚子轴承

封库７一油封８一防尘盖９一凸缘３一轴承座１０－凸缘螺母４一调整垫片５一外圆锥滚子轴承６一油

图２—３主锥总成

６

卜主动圆锥齿轮２一轴承座３一油封４一凸缘５一凸缘螺母６一外圆锥滚子轴承７一调整垫片８一隔套９一内圆锥滚子轴承

图２—４主锥总成

当然，除了表中所列出的主要设备以外，作为主锥总成装配线，为了适应现代化装配要求，安徽江淮自动化装备有限公司还研发出了配套的装配线体、夹具、桥架等相关设施，作为整条主锥总成装配线，其线体根据自动化程度来分又可分为手动线和自动线，因其不是本论文讨论的重点，故不做详细介绍。

装配主锥总成部分时，为了减小在锥齿轮传动过程中产生的轴向力所引起的

齿轮轴的轴向位移，提高轴的支承刚度，保证锥齿轮副的正常啮合，圆锥滚子轴承应有一定的装配预紧度，即在消除轴承间隙的基础上，再给予一定的压紧力。轴承的轴向间隙不应超过０．１ｍｍ，可通过在两轴承内座圈间装入一组厚度不同的调整垫片，通过调整垫片的厚度来实现调整轴承预紧度的目的。在装配过程中，

表２—２主锥总成装配线Ｔ艺流程及主要设备

工位

ｌ

２

３工艺流程将主动圆锥齿轮内、外轴承外罔胝装到轴承座中测量选择调整垫片；复测垫片厚度将主动圆锥齿轮内轴承内圈Ｊ卡装入主动圆锥齿轮轴中

将隔套、调整垫片、主动圆锥齿轮外轴承内圈、油封及主要设备专用压力机土锥垫片测量预选机专用压力机

４盖总成、凸缘放入或压装入主动圆锥齿轮轴中；检测主

齿轴承预紧力矩压测机

５

６

７拧紧主锥总成锁紧螺母检测主锥总成凸缘端面跳动值下线，将主锥总成移至主减线单轴拧紧机端面跳动测量仪吊装设备

要求用较大的力矩拧紧螺母，其在主动锥齿轮轴上产生的轴向力包括两部分，第一部分是给圆锥滚子轴承加载，保证其预紧需要，第二部分则作用于轴承内圈、调整垫片上。由于圆锥滚子轴承承受的轴向力一般为几千牛顿，因此，图２—４中凸缘螺母轴向力的大部分作用于轴承内圈、调整垫片以及隔套上，隔套的另一端支撑在内轴承的内圈上，最终通过内轴承的内圈作用在轴上，而在图２—３中无隔套装置，凸缘螺母传过来的力作用在轴承内圈、调整垫片，调整垫片直接项在齿轮轴的轴肩上。调整垫片太薄则圆锥滚子轴承分配的轴向力增大，造成预紧力矩过大，汽车运行时发热严重甚至烧坏轴承，而调整垫片太厚则圆锥滚子轴承上分配的轴向力减小，预紧不足，降低了轴系的回转精度，影响锥齿轮副的使用寿命，噪声也增大。合适的调整垫片即可控制主动锥齿轮轴上轴向力的分配比例，当主动锥齿轮锁紧螺母拧紧到规定拧紧力矩范围内时，保证了圆锥滚子轴承的预紧要求，从而提高轴承的寿命，降低汽车噪音。

２．４本章小结

本章主要对汽车驱动桥主减速器主锥总成作了相关分析。在本章开始先对汽车驱动桥做了简要介绍随后从主减速器一般的分类开始，较为详细的介绍了单级式主减速器结构组成。在主减速器中，作为该部分的起始重要部件主动圆锥齿轮总成在主减速器中担当着非常重要的角色，其不仅是接收上一级传递来的转矩和为下一级传递转矩的重要装置，也是主减速器中减速增扭装置的重要组成部分，因此对它的研究就显得非常必要，在本章节中从主锥总成的结构和装配工艺两部

分对该重要部件做了详细说明。

在接下来的章节中将对本章节所涉及到的主锥总成中所受力的情况作相关分析与研究。

第三章主锥轴承预紧理论与预紧力检测方法

从前章节所作的分析中可以看出，圆锥滚子轴承的预紧力问题是主锥总成装配工艺中最重要的问题。轴承的预紧对汽车的性能影响很大，大的预紧力矩可能增加主锥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，若预紧力矩过小，则会降低主锥总成的传动精度，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，保证主锥总成中轴承预紧力矩在规定范围内是主锥总成装配的关键。

３．１轴承预紧理论

所谓预紧，就是在安装时采用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力，以消除轴承中的轴向游隙，并在滚动体内、外圈接触处产生初变形旧１。预紧后的轴承受到工作载荷时，其内、外圈的径向及轴向相对移动量要比未预紧的轴承大大地减少。

３．１．１配对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。

由《轴承使用时的预紧情况分析》一文可知，对于单个圆锥滚子轴承，轴向变形与轴向载荷之间的关系为：

谚：９．８Ｋｏ。９（３一１）

式中：皖——轴承的．Ｆ轴．向变形量；

Ｋ。——弹性变形系数；

Ｃ——轴向载荷。

由上式可以看出，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不能用预紧的方法增加其刚度，但是成对安装的圆锥滚子轴承，通过预紧可以提高系统支承刚度一倍左右阳１。

如图３．１所示，两个圆锥滚子轴承在预紧载荷Ｃ。作用下，其预紧变形量均为瓯。。当只作用于主锥齿轮轴上后，轴沿瓦方向移动了瓯。这时，轴承Ｉ的变形量增加了瓯，而轴承ＩＩ的变形量则减４，Ｙ８０，即８０。＝８０。＋８０。

因载荷与变形成线性关系，故可得

皖Ｏ一－Ｋ。Ｖｏｏ（３－２）（３－３）耻引褂孚）

１２

所以疋吨譬

卜Ｊｌ（３－４）

＼轴承兀

６＠轴承Ｉ，

——＼

／／＼

孙

６ｄ６∞／ｄＬ‘－＜１吨Ｌ．ａ与６Ｌ工．‘＼ｈ

图３一ｌ圆锥滚子轴承预紧原理口ｏｂＬ＿＿——６

如果两轴承不预紧，显然外加轴向载荷Ｅ完全由轴承Ｉ承受。这时，主齿轮轴沿只方向的移动量皖就是轴承Ｉ的轴向变形量，即皖＝Ｋ。只，与轴承预紧时轴承Ｉ的轴向变形量皖相比，可得芘＝２皖。

由此可知，对于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。３．１．２轴承预紧力的影响因素

虽然配对轴承在使用上优点很多，但预紧力的大小却对轴承性能有着极为重要的影响。预紧力过大，虽然可以获得较高的轴向刚度及抗卸载能力，但却使轴承的摩擦力矩增大，温度升高，轴承寿命降低；预紧力过小，情况则相反。因此在使用中必须综合考虑多方面的影响因素，而后确定合适的预紧力【８

经过分析，影响主锥圆锥滚子轴承预紧力的因素有以下几个。

ａ、轴承内圈所受轴向力大小的影响

轴承的预紧度即轴承轴向变形主要是由轴承受到的轴向载荷引起的，因此，轴向力的大小对轴承预紧力的影响非常大。过小的轴向力无法使轴承达到预定的变形，造成预紧不足，降低了轴承的回转精度，影响锥齿轮副的使用寿命，噪声也增大；轴向力过大，使轴承轴向变形过大，造成预紧过度，运行时发热严重甚至烧坏轴承。１０】。

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