輕、微型汽車驅動橋主減速器波形隔套的設計與分析

聶采順，陳海，鄧祥靜，李永放，何華

（四川建安工業有限責任公司，四川 雅安 625000）

輕、微型汽車驅動橋主減速器波形隔套的設計與分析

聶采順，陳海，鄧祥靜，李永放，何華

（四川建安工業有限責任公司，四川 雅安 625000）

汽車后橋主減速器主齒軸承的預緊參數，對整個驅動橋的使用性能影響極大，要保持裝配參數在使用過程中基本不變，這就需要利用波形隔套即彈性隔套的載荷特性曲線 P-δ作用。文章從力學上對主動齒輪軸承的預緊進行了詳細的分析和計算，以及主減速器的裝配性能進行詳細分析，并提出了主動齒輪軸承預緊力的確定原則，同時為波形隔套的設計提供了理論依據。

預緊；波形隔套；載荷特性曲線；裝配性能

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.012

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-33-03

引言

汽車從業人員都知道，波形隔套對于汽車驅動橋主減速器的裝配有重大作用，可直接影響減速器軸承的預緊度和主動齒輪的支撐剛性。一般來說，主齒軸承裝配形式如圖1所示，不同的只是兩軸承間的波形隔套有兩類:一類是“剛性”隔套，主要用于輕型車（3t）以上噸位的后驅動橋上；另一類是波形隔套即彈性隔套，廣泛用于（3t）以下輕、微型車的后驅動橋上。使用“剛性”隔套時，需要多組調整墊片，并且各組之間厚度差非常小，最小的為 0.03mm，經常要反復拆裝試加多次墊片才能調整到合適的預緊力，導致生產效率低，勞動強度大。而且預緊力過大，會降低傳動效率，導致軸承發熱，影響輔承壽命，甚至燒死。若預緊力過小，會降低主動齒輪的支撐剛性，造成主齒軸承軸向竄動，影響主被齒嚙合，甚至打齒。如果使用波形隔套，上述問題就會迎刃而解，甚至在裝配尺寸鏈上的相關公差可以放寬，提高裝配效率，提高零件加工的經濟性。

1、主動齒輪軸承預緊力分析

目前，圓錐滾子軸承基本都是成對背向裝配使用的，必須施加一定的預緊力，才能保證其旋轉精度，提高軸承的支撐剛性，確保軸承正常工作。例如:五十鈴 NPR59的主齒軸承預緊力為1960N-3290N，那么為什么減速器總成裝配時要在主齒螺母上施加 340N.m-490N.m的扭矩呢？下面以五十鈴NPR59的主齒軸承為例進行分析，見圖2。

如圖2所示，F0為主齒螺母在擰緊力矩T的作用下產生的軸向力，作用于內圈。主齒螺母規格為M24x2。F1為軸承所需的預緊力，即減速器殼內擋肩作用于外圈的力(1960N-3920N)。F2為波形隔套作用于內圈的軸向力。

由此可得，F0= F1+ F2

由于 F1相對于 F2較小，可以近似認為 F0≈F1,也就是說，主齒螺母產生的軸向力幾乎全部施加到波形隔套上。

根據螺紋聯接的擰緊力矩的計算公式：

上式中，T為主齒螺母擰緊力矩，N.m，按裝配要求T=340N.m-490N.m；T1為用于克服螺紋副的螺紋阻力矩；T2為螺母與被聯接件支承面間的端面摩擦力矩；d為螺紋公稱直徑，mm，d=24 mm；F0為預緊力，N；K 為擰緊力矩系數。

上式中，d2為螺紋中徑；ψ為螺旋升角；ρv為螺紋當量摩擦角，ρv= arctgfv；f為螺母與被聯接件支承面間的摩擦系數，f=0.15；fv為螺紋當量摩擦系數，fv=0.15；Dw為主齒螺母與主齒連接法蘭接觸面外徑，Dw=50mm；d0為主齒螺母與主齒連接法蘭接觸面內徑，d0=33mm。

根據式(1)，當T=340N.m時，F0=67460N

當T=490N.m時，F0=97222N

所以主齒螺母產生的軸向力在67460N～97222N范圍內。

2、波形隔套的受力分析

波形隔套作為結構件中的一個構件，首先要保證它自身足夠的強度。波形隔套形狀上產生了變化，變化的目的就是減小結構的剛性，在裝配載荷的作用下，在確保自身足夠的強度的前提下，讓波形隔套產生更大的豎向變形，這樣波形隔套就更加有彈性。如下圖3：

五十鈴NPR59波形隔套如圖3（a）所示，五十鈴 NPR57和皮卡橋波形隔套如圖3（b）所示。以五十鈴NPR59為例，其波形隔套達到屈服極限時需要的壓力為：

上式中，A為波形隔套的截面積；δs為材料的屈服極限，材料為10號鋼，δs=205N/mm2；

上式中，r2為波形隔套外半徑；r1為波形隔套內半徑。

由此可見，主齒螺母產生的軸向力基本上用來使波形隔套屈服，波形隔套的受力與變形曲線應在圖4中陰影部分范圍內。

3、主動齒輪的受力分析

在汽車前進時，被動齒輪對主動齒輪的作用力所產生的軸向分力是由下向上推，即大軸承承受；而在倒擋時，被動齒輪對主動齒輪作用的軸向分力由主動齒輪傳遞給主齒螺母，再由主齒螺母傳遞給小軸承，此時主動齒輪受力見圖 5。

按發動機最大扭矩，變速器為倒擋時，作用于主動齒輪的轉矩為：

T＇= Memaxxt5xη=2069 N.m

取：Memax(發動機最大轉矩)為294N.m；t5（變速器倒擋速比）為7.82；η（傳遞效率）為0.9。

計算主動齒輪齒寬中點處分度圓上的切向力Ftm1為：

Ftm1= 2000T＇/dm1= 68851N

取： dm1(主動齒輪分度圓直徑)為60.1mm，計算主動齒輪齒寬中心處的軸向力 Fx1為：

Fx1= Ftm1/cosβm(tgαnsinδ1-sinβmcosδ1)=-55793 (3)

取：αn(主動齒輪凹面壓力角)為 23°06＇，βm(主動齒輪平均螺旋角)為 45°03＇，δ1(主動齒輪頂錐角)為 14° 56＇。

4、波形隔套的加工成型流程

從原材料到成品的加工流程如下圖：

5、波形隔套的裝配

波形隔套都有一段工作區域，即按規定的主齒螺母擰緊力矩范圍裝配后波形隔套的受力及變形狀態處于載荷特性曲線P-δ曲線的“使用區域”位置上，如圖4所示。

現以某國外車型的波形隔套裝配過程為例加以說明：

1.用規定的扭矩擰緊主齒螺母；

2.將連接法蘭旋轉 5圈以上使軸承充分貼合，然后用測矩器測量軸承規定的起動力矩，并在主動齒輪與從動齒輪的齒隙調整合格后再次測量主減的綜合力矩；

3.現以圖解方式說明調整起動力矩的步驟：

4.調整完畢并鎖緊主齒螺母后在螺母上刻好擰緊合格標識。

若出現了過擰緊，即在圖4中A點右方工作，常會導致主動齒輪初裝時轉動力矩合格，但數小時后明顯增大，行車數百公里后會發生異響。裝配工人也不易掌握，例如因主動齒輪轉動力矩一直較小而稍稍擰緊螺母時卻又突然增大，甚至不能用手轉動。這時，可將此波形隔套再進行油淬回火，使其屈服極限略有上升，但仍具有較好塑性變形能力而作為半剛性波形隔套。此時只需2～3種厚度規格的墊片即可使用，也可加快裝配速度和滿足使用要求，但一般不推薦，即波形套只要出現過擰緊就報廢。因波形隔套出現一次過擰緊后不管采用什么挽救手段，均達不到原技術狀態。

6、波形隔套的設計步驟及主齒螺母擰緊力矩的確定

1.先計算倒擋時波形隔套的受力情況，根據公式(3)確定軸向力Fx1的大小。

2.為了保證主齒的正常工作，主齒螺母所產生的軸向力F0應大于Fx1，同時考慮安全系數F0=K1Fx1，取K1=1.3～1.5。根據公式(1)可求得主齒螺母擰緊力矩，在裝配過程中按該值操作。

3.任何螺紋都有其強度極限，應使螺紋的保證載荷P>K2F0，才不至于使螺紋失效，一般取安全系數K2>2。

4.根據主動齒輪安裝部位的形狀設計波形隔套的外形，從形狀而言，要設計出隔套薄弱點即鼓型，有利于塑性變形。如圖3中的A-A剖面處。

5.根據公式(2)計算 A值和δs值，以便選取合適的型材尺寸和材料。并經過有限元分析和計算，確定波形隔套的初步結構方案。

6.通過臺架試驗、汽車道路試驗最終確認波形隔套的定型方案。

[1] 唐自玉,邴麗榮.后橋主齒軸承預緊力的力學分析及可壓縮隔套的設計[J].汽車技術,2001(10):18-20.

[2] 陳經勉.輕型汽車驅動橋主減速器軸承“可壓縮”隔套設計[J].汽車與配件,1992(12):25-26.

[3] 齒輪手冊編委會.齒輪手冊第二版(上冊)[M].北京：機械工業出版社,2004.

[4] 成大先.機械設計手冊 第五版(第 1、2、3 卷) [M].北京：化學工業出版社,2008.

Light, miniature automobile drive axle of main reducer waveform design and analysis of the spacer

Nie Caishun, Chen Hai, Deng Xiangjing, Li Yongfang, He Hua
（Sichuan Jian’an Industry Co., Ltd., Sichuan Ya’an 625000）

Pre-load parameter of automobile rear axle final drive pinion bearing, has great influence for the whole drive axle using performance, if we want to keep assemble parameter almost invariant during using, we need to use waveform sleeve/elastic sleeve load character curve P-δfunction.This article analyzed and calculated pre-load of gear pinion bearing minutely, and assembly performance of final drive, presented definite principle of gear pinion bearing pre-load force, at the same time, provided theoretical foundation of design waveform sleeve.

pre-load; waveform sleeve; load character curve; assembly performance

U463.5

A

1671-7988（2015）09-33-03

聶采順，就職于四川建安工業有限責任公司研發中心，從事輕、微型汽車底盤零部件設計和開發。