乘用車變速器軸承預(yù)緊力測(cè)試技術(shù)及自動(dòng)調(diào)節(jié)方法

陳德鑫，李松松，石興磊

(中國(guó)第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011)

在乘用車變速器的中間軸及主減速器軸上有軸向力的作用，目前多數(shù)使用圓錐滾子軸承進(jìn)行支承。因此，軸承預(yù)緊力[1]直接影響著變速器的性能和可靠性。無預(yù)緊力或者預(yù)緊力過小，會(huì)造成軸定位不準(zhǔn)，破壞齒輪的正確嚙合，從而產(chǎn)生噪聲，甚至引起齒輪的異常損壞；預(yù)緊力過大，會(huì)導(dǎo)致軸承在使用過程中摩擦力增大，溫度升高，從而加劇滾動(dòng)表面的磨損，降低軸承的使用壽命，導(dǎo)致變速器的效率降低。因此，在工作溫度下，保證圓錐滾子軸承的預(yù)緊力在合理的范圍是提高乘用車變速器可靠性的關(guān)鍵因素之一。

根據(jù)輕量化的要求，乘用車變速器殼體主要采用鑄鋁材料，而軸主要采用鋼材料。由于2種材料的線膨脹系數(shù)差異較大，在工作溫度下的熱變形規(guī)律不一致，極容易導(dǎo)致變速器殼體與軸在軸向出現(xiàn)間隙，從而影響圓錐滾子軸承的預(yù)緊，進(jìn)而影響變速器的性能及可靠性。

在分析普遍采用的乘用車變速器軸承預(yù)緊力調(diào)整方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了基于感壓紙測(cè)試技術(shù)的軸承預(yù)緊力測(cè)試方法，并且提出了一種利用碟形彈簧的非線性剛度特性自動(dòng)調(diào)節(jié)圓錐滾子軸承預(yù)緊力的方法。

1 軸承預(yù)緊力的常用調(diào)整方法

1.1 調(diào)整原理

目前，對(duì)乘用車變速器圓錐滾子軸承預(yù)緊力的調(diào)整，主要通過在圓錐滾子軸承外圈大端面安裝一定過盈量的調(diào)整墊片進(jìn)行。通過調(diào)整墊片的過盈量，不僅可以對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行軸向預(yù)緊，而且可以用來補(bǔ)償在工作溫度下由于殼體與軸的熱變形規(guī)律不一致所產(chǎn)生的軸向間隙，從而達(dá)到保證軸承預(yù)緊的目的，其調(diào)整方案如圖1所示。

1—后蓋；2—?dú)んw；3，10—齒輪；4，9—接合齒；5，8—同步環(huán)；6—齒套；7—定位銷；11，15—隔套；12，14—滾針軸承；13—花鍵轂；16—襯套；17—中間軸；18—圓錐滾子軸承；19—調(diào)整墊片

工件在工作溫度下的熱變形量為

L2=L1[1+αT(T2-T1)]，

(1)

式中：T1為常溫，通常設(shè)為20 ℃；T2為變速器在工作狀態(tài)下的溫度，℃；L1為T1溫度下的樣件長(zhǎng)度，mm；L2為T2溫度下的樣件長(zhǎng)度，mm；αT為樣件材料的線膨脹系數(shù)。根據(jù) (1) 式分別計(jì)算殼體及軸在工作溫度下的熱變形量，兩者之間的差值即為調(diào)整墊片需要補(bǔ)償?shù)臄?shù)值。

1.2 存在的弊端

雖然調(diào)整墊片的過盈量可對(duì)殼體與軸之間的軸向間隙進(jìn)行熱補(bǔ)償，但仍存在如下弊端：

(1)在工作溫度下，殼體與軸的熱變形規(guī)律除受軸向尺寸及材料線膨脹系數(shù)影響之外，還受徑向尺寸及形體結(jié)構(gòu)的影響[2]，因此用傳統(tǒng)熱變形公式所計(jì)算的熱變形規(guī)律并不準(zhǔn)確。調(diào)整墊片的過盈量是否能夠?qū)んw與軸之間產(chǎn)生的軸向間隙進(jìn)行合理的補(bǔ)償，無法準(zhǔn)確預(yù)知。

(2)圓錐滾子軸承軸向變形與軸向載荷之間的關(guān)系為[3]

(2)

式中：δa為軸承的軸向變形量；ka為彈性變形系數(shù)；Fa為軸向載荷。

但是，調(diào)整墊片的過盈量并不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是圓錐滾子軸承本身的軸向變形，其中也包含了變速器殼體本身的彈性變形。因此，通過(2)式計(jì)算的預(yù)緊力并不準(zhǔn)確，無法準(zhǔn)確推斷調(diào)整墊片過盈量與軸承預(yù)緊力的關(guān)系，變速器工作溫度下的實(shí)際預(yù)緊力情況更是無法預(yù)知。

(3)乘用車變速器工況復(fù)雜，采用調(diào)整墊片只能保證在某一理想的工作溫度下達(dá)到合理的預(yù)緊要求，但無法滿足在各種不同的工作溫度下均能滿足軸承合理預(yù)緊的要求。

(4)在裝配過程中采用該調(diào)整方法時(shí)，需要精確測(cè)量殼體與2套軸承之間的軸向尺寸，再通過選取不同厚度的調(diào)整墊片進(jìn)行裝配調(diào)整，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

2 軸承預(yù)緊力測(cè)試技術(shù)

為了準(zhǔn)確掌握變速器軸承預(yù)緊力與過盈量的關(guān)系以及工作溫度下軸承預(yù)緊力的變化規(guī)律，使預(yù)緊力在工作狀態(tài)下達(dá)到一個(gè)合理的范圍，建立了完整的乘用車變速器軸承預(yù)緊力測(cè)試技術(shù)。通過該技術(shù)可以掌握軸承預(yù)緊力在工作溫度下的變化情況，以使用合理的調(diào)整墊片對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，測(cè)試的總體思路如圖2所示。

圖2 乘用車變速器圓錐滾子軸承預(yù)緊力測(cè)試方案

2.1 常溫下圓錐滾子軸承啟動(dòng)力矩的測(cè)量

通過檢測(cè)變速器輸入軸的啟動(dòng)力矩推導(dǎo)預(yù)緊力的范圍是軸承預(yù)緊力檢測(cè)的一種常用方法。輸入軸的啟動(dòng)力矩主要就是克服軸承預(yù)緊所導(dǎo)致的圓錐滾子承受的摩擦阻力矩。其測(cè)試方法為：在常溫狀態(tài)下，首先使用三坐標(biāo)測(cè)試設(shè)備分別測(cè)量殼體和軸上2個(gè)軸承大端面間的軸向長(zhǎng)度；然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果加工不同厚度的調(diào)整墊片，調(diào)整過盈量至少為0.05，0.10，0.15和0.20 mm 4個(gè)等級(jí)；最后在變速器裝配過程中，安裝不同的調(diào)整墊片，同時(shí)測(cè)量不同調(diào)整墊片對(duì)應(yīng)的輸入軸啟動(dòng)力矩。為了保證啟動(dòng)力矩測(cè)試的準(zhǔn)確性，盡量保證勻速，并進(jìn)行多次測(cè)量取平均值。

某變速器最大輸出扭矩為200 N·m，為橫置式機(jī)械結(jié)構(gòu)，中間軸及全減速器軸均采用圓錐滾子軸承支承，常用工作溫度為60～100 ℃，其在常溫下中間軸及主減速器軸調(diào)整墊片過盈量與啟動(dòng)力矩的測(cè)試結(jié)果如圖3所示，從中可以準(zhǔn)確掌握啟動(dòng)力矩與過盈量間的關(guān)系。

圖3 圓錐滾子軸承啟動(dòng)力矩與過盈量的關(guān)系

2.2 常溫下圓錐滾子軸承預(yù)緊力的測(cè)量

使用感壓紙測(cè)試技術(shù)可以直接獲得軸承預(yù)緊力的大小。感壓紙是一種可以檢測(cè)壓力及其分布的膠片。其由2層薄膜組成，其中一層薄膜表面分布著密密麻麻的微型膠囊，當(dāng)受到一定程度的外界壓力時(shí)，膠囊就會(huì)破裂流出染色劑；另一層薄膜表面涂有顯色劑，當(dāng)微型膠囊中的染色劑受壓破裂流出后，就會(huì)與顯色劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而呈現(xiàn)紅色。通過顏色濃度就可以顯示出檢測(cè)的壓力。

將感壓紙剪成與調(diào)整墊片同樣大小的形狀，與調(diào)整墊片一同安裝在圓錐滾子軸承外圈，預(yù)緊力作用使感壓紙受到擠壓，從而可以很容易地得到精確的壓力值及壓力分布圖。在調(diào)整墊片厚度不同的4種工況下，中間軸及主減速器軸圓錐滾子軸承預(yù)緊力的測(cè)試結(jié)果見表1，其壓力分布情況如圖4所示。

圖4 圓錐滾子軸承預(yù)緊力的分布情況

表1 圓錐滾子軸承預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果

由于感壓紙有一定的厚度，且受預(yù)緊力時(shí)的壓緊厚度不容易準(zhǔn)確測(cè)量，因此無法直接找到預(yù)緊力與調(diào)整墊片過盈量之間的關(guān)系。將啟動(dòng)力矩作為中間變量，就能確定預(yù)緊力與過盈量之間的關(guān)系。中間軸及主減速器軸圓錐滾子軸承的預(yù)緊力與過盈量之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 圓錐滾子軸承預(yù)緊力與過盈量的關(guān)系

2.3 溫度場(chǎng)下圓錐滾子軸承啟動(dòng)力矩的測(cè)量

將變速器置于溫度箱內(nèi)，分別在不同的穩(wěn)態(tài)均勻溫度場(chǎng)下，測(cè)量溫度與輸入軸啟動(dòng)力矩的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。結(jié)合圖3就可以準(zhǔn)確掌握變速器軸及殼體軸向的熱變形規(guī)律，得到變速器在不同工作溫度下的熱變形補(bǔ)償值，如圖7所示。

圖6 圓錐滾子軸承啟動(dòng)力矩與溫度的關(guān)系

圖7 圓錐滾子軸承殼體的軸向熱變形規(guī)律

當(dāng)使用過盈量為0.2 mm的調(diào)整墊片對(duì)該變速器的中間軸及主減速器軸進(jìn)行預(yù)緊力調(diào)整時(shí)，圓錐滾子軸承預(yù)緊力隨溫度的變化情況如圖8所示。因此，可以以工作溫度下的預(yù)緊力為調(diào)整目標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)調(diào)整墊片的過盈量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖8 圓錐滾子軸承預(yù)緊力與溫度的關(guān)系

3 軸承預(yù)緊力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

通過變速器軸承預(yù)緊力測(cè)試技術(shù)，雖然可以準(zhǔn)確掌握軸承預(yù)緊力的變化規(guī)律，但隨著工況的復(fù)雜變化，并不能保證變速器在不同的工作溫度下均能使軸承預(yù)緊力保持在設(shè)計(jì)要求的合理范圍，而且變速器在裝配調(diào)整中還存在生產(chǎn)效率較低的問題。為了解決上述問題，提出了采用定壓調(diào)節(jié)取代定位調(diào)節(jié)的方法，并建立了基于碟形彈簧非線性剛度特性的軸承預(yù)緊力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.1 自動(dòng)調(diào)節(jié)原理

碟形彈簧具有非線性的剛度特性，即

F=πEtλln(R/r)[(h-λ)(h-0.5λ)+t2]/[6(1-μ2)(R-r)2],

(3)

式中:F為軸向載荷，N；λ為碟形彈簧的軸向變形量，mm；R為碟形彈簧外徑,mm；r為碟形彈簧內(nèi)徑,mm；t為碟形彈簧厚度,mm；E為碟形彈簧的彈性模量,MPa，鋼材料取2×105MPa；μ為碟形彈簧的泊松比，鋼材料取0.3；h為碟形彈簧內(nèi)截錐高度,mm。

基于碟形彈簧特性的預(yù)緊力自調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。裝配時(shí)，將碟形彈簧的大端頂住不旋轉(zhuǎn)的軸承外圈，小端安裝在軸承端蓋一側(cè)，通過端蓋的螺栓對(duì)軸承施加預(yù)緊力，初始預(yù)緊力的大小由彈簧的壓縮量控制。隨著變速器的轉(zhuǎn)速增加，溫度升高，殼體與軸由于熱變形規(guī)律不一致在軸向出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致壓緊的碟形彈簧產(chǎn)生軸向位移，對(duì)熱變形進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)軸承預(yù)緊力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在碟形彈簧設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意如下原則：

(1)裝配時(shí)，碟形彈簧的壓縮量應(yīng)小于碟形彈簧的高度h，以保證碟形彈簧的大端與軸承外徑面接觸。

(2)碟形彈簧補(bǔ)償調(diào)整的范圍，即碟形彈簧的工作區(qū)應(yīng)該包括如圖10所示的制造裝配誤差λ1，熱變形補(bǔ)償區(qū)λ2，以及軸向力變化(ΔF)引起軸承軸向變形量變化所導(dǎo)致的補(bǔ)償區(qū)λ3。

圖10 碟形彈簧工作區(qū)的位移范圍

(3)在工作區(qū)的位移范圍內(nèi)，碟形彈簧的壓緊力應(yīng)保證在5%的范圍內(nèi)波動(dòng)，以保證工作溫度下的軸承預(yù)緊力基本保持不變。

3.3 實(shí)例分析

以上述變速器為例，當(dāng)中間軸圓錐滾子軸承采用碟形彈簧進(jìn)行預(yù)緊力調(diào)整時(shí)，說明其碟形彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)及特性曲線。

根據(jù)中間軸及殼體的尺寸鏈，計(jì)算得其軸向誤差λ1的范圍為0～0.35 mm；如圖7所示，變速器在60～110℃工作時(shí)所需要的軸向熱補(bǔ)償量λ2的范圍為0.09～0.19 mm；根據(jù)軸向力計(jì)算其所引起的軸承軸向變形量λ3的范圍為0～0.15 mm。因此，碟形彈簧工作區(qū)的位移范圍為0.09～0.69 mm。該圓錐滾子軸承預(yù)緊力與壽命的關(guān)系如圖11所示，根據(jù)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，所設(shè)計(jì)的碟形彈簧的主要參數(shù)見表2，其剛度特性如圖12所示。

表2 碟形彈簧的主要設(shè)計(jì)參數(shù) mm

圖11 圓錐滾子軸承預(yù)緊力與壽命的關(guān)系

圖12 預(yù)緊力調(diào)整用碟形彈簧的剛度特性

4 結(jié)束語

建立了乘用車變速器軸承預(yù)緊力的測(cè)試技術(shù)，通過該技術(shù)可以較準(zhǔn)確的預(yù)知變速器在工作狀態(tài)下的軸承預(yù)緊力情況，并掌握殼體與軸之間在工作溫度下的熱變形補(bǔ)償量，以便以工作狀態(tài)下的軸承預(yù)緊力為調(diào)整目標(biāo)，對(duì)調(diào)整墊片過盈量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

另外，提出了一種利用碟形彈簧非線性剛度特性，自動(dòng)調(diào)節(jié)圓錐滾子軸承預(yù)緊力的方法，該方法不僅可提高裝配效率，而且能夠滿足不同工作溫度下軸承預(yù)緊的要求。