基于变速器圆锥轴承高度测量的控制方法研究

梁华锋，莫国田

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007；2.柳州上汽汽车变速器有限公司，广西 柳州 545006）

1 背景描述

变速器总成为了增加啮合齿轮的重合度，采用了大量的斜齿轮，变速器运行过程中斜齿轮会产生轴向的力，基于圆锥轴承的特性[1]，变速器中使用圆锥轴承承载轴向力，锥轴承需要选配垫片预紧锥轴承[2]，否则会出现锥轴承晃动，加速轴承磨损，影响变速总成使用寿命。选配垫片需要测量锥轴承高度及前后壳体深度，计算间隙后选配垫片[3]，但是锥轴承在测量过程中无法保证锥轴承绝对的水平，在测量过程中存在一定的倾斜。因此，控制锥轴承平行是一个很重要的过程。

2 过程分析

2.1 原因分析

测量两锥轴承端面高度时需要旋转锥轴承内圈，调平圆锥轴承外圈，在斜齿轮的作用下会产生一个往外的作用力F1，在外力作用下会导致安装轴承内圈的轴线倾斜。如图1所示。

图1 轴线倾斜

测量过程中锥轴承外圈放置在锥轴承内圈上时，容易出现圆锥轴承外圈端面倾斜的情况。如图2所示。

图2 锥轴承外圈端面倾斜

2.2 过程分析

对于内圈轴线倾斜情况可采用中心定位，避免侧向力作用时差速器内圈轴线倾斜。如图3所示。

图3 中心顶针作用

测量锥轴承高度采用三个测量头在锥轴承外圈上测量三个均布120°、作用在圆心的半径R 上的点，通过三个传感器数值求平均值，得到圆锥轴承高度。如图4所示。

图4 传感器布局

对于圆锥轴承外圈放置圆锥轴承内圈上时，为了保证锥轴承外圈平行无偏斜，在锥轴承外圈上缓慢增加预紧力从F2=0～400 N，并保持F2=400 N，同时在增加预紧力的情况下以ω=20 r/min 转动内圈，调平圆锥轴承外圈。尽管增加了差速器外圈预紧与差速器内圈转动，依然无法转平差速器外圈，统计数据如表1所示。

外圈倾斜一个β 角度，当β=0°时，H1=H2=H3；传感器最高点在β 夹角上投影角度α，如图5 所示。根据余弦定理可得：

图5 投影示意图

其中α、β两个角度为未知数，H1、H2、H3为已知数，可得：

即：C=ΔHmax/ΔHmin。

根据（1）、（2）公式可得：

根据表1，通过（3）、（4）公式可以计算测量机测量时α、β夹角值，如表2所示。

表1 锥轴承外圈三传感器测量值及差值

当出现测量锥轴承外圈倾斜，夹角β、α=0°时，圆锥轴承外圈倾斜图如图6所示。

当圆锥轴承接触点下移H 时，接触点到测量水平距离L0=H*tan（78.2°），如图7所示，倾斜后的1、2号传感器的数值减少为：H1=H-tanβ*L2=H-tanβ*[L1+H*tan（78.2°）]

图7 圆锥轴承尺寸图

倾斜后的3号传感器的数值减少为：

H1=tanβ* {[L1+H* tan（78.2°）]+L10}-H，其中L1、L2是一个常量值），如图6所示。

倾斜后的传感器相对于水平传感器值：

ΔH=〖2H-2 tanβ* [L1+H* tan（78.2°）]+tanβ* {[L1+H*tan（78.2°）]+L10}-H〗/3（其中L1、L2、L10 是一个常量值）。

即可得：ΔH={H+tanβ*[L10-L1-H*tan（78.2°）]}/3

其中：L10-L1-H*tan（78.2°）＞0；

由该公式可得，ΔH ≥0；当H=0、β=0 时，倾斜后的3个传感器平均值与无倾斜3个传感器平均值最小，因此需要控制β角度。

可以得出，当锥轴承外圈放置倾斜时，比水平测量数据值大。

2.3 数据验证

同一个差速器小总成，倾斜不同角度，使用三坐标测量三个传感器值在外圈对应的位置，如图8所示。

图8 圆锥轴承外圈测量

测量数据汇总后，根据公式(3)、(4)可以计算出α、β夹角，如表3所示。

表3 三坐标测量值及倾斜角

对β与平均值-139.13数值进行拟合绘制曲线图[4]，如图9所示。

图9 β 与平均值-139.13 曲线图

根据拟合曲线可以得：y=0.348 7*X2-0.000 612 6；

当x=0°时；y=-0.000 612 6；

即x=0°时；y=139.13-0.000 612 6=139.129 4；

当x=0.1°，y=0.002 9；

当x=0.2°，y=0.013 3。

根据图示随着β 角度增加数值逐渐增大，角度在0～0.2°之间，数值波动在0.013 3 mm内。

对ΔHmax与平均值-139.13数值进行拟合绘制下图曲线图，如图10所示。

图10 ΔHmax 与平均值-139.13

根据拟合曲线可以得：y=-15.36*X2+5.495*X+0.084；

装配线上按0.01控制，x=0.01时；y=0.137 4；

根据图示随着ΔHmax增加数值逐渐增大，数值波动在0.137 mm。

3 结论

1)对于圆锥轴承内圈倾斜情况，增加中心顶针，避免圆锥内圈倾斜；

2）对于圆锥轴承外圈倾斜，施加预紧力预紧同时转动圆锥轴承内圈导正；

3）对于圆锥轴承外圈需要控制三个传感器的差值在0.137以内，避免测量倾斜导致测量不准确的情况。

通过控制圆锥轴承内圈、外圈的倾斜可以保证测量圆锥轴承高度测量准确，保证变速器总成中选垫正确，避免了锥轴承外圈测量不准确引起的变速器总成故障。