乘用車變速器軸承預緊力測試技術及自動調節方法

陳德鑫，李松松，石興磊

(中國第一汽車股份有限公司 技術中心，長春 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，目前多數使用圓錐滾子軸承進行支承。因此，軸承預緊力[1]直接影響著變速器的性能和可靠性。無預緊力或者預緊力過小，會造成軸定位不準，破壞齒輪的正確嚙合，從而產生噪聲，甚至引起齒輪的異常損壞；預緊力過大，會導致軸承在使用過程中摩擦力增大，溫度升高，從而加劇滾動表面的磨損，降低軸承的使用壽命，導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緊力在合理的范圍是提高乘用車變速器可靠性的關鍵因素之一。

根據輕量化的要求，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差異較大，在工作溫度下的熱變形規律不一致，極容易導致變速器殼體與軸在軸向出現間隙，從而影響圓錐滾子軸承的預緊，進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緊力調整方法優缺點的基礎上，詳細闡述了基于感壓紙測試技術的軸承預緊力測試方法，并且提出了一種利用碟形彈簧的非線性剛度特性自動調節圓錐滾子軸承預緊力的方法。

1 軸承預緊力的常用調整方法

1.1 調整原理

目前，對乘用車變速器圓錐滾子軸承預緊力的調整，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整墊片進行。通過調整墊片的過盈量，不僅可以對圓錐滾子軸承進行軸向預緊，而且可以用來補償在工作溫度下由于殼體與軸的熱變形規律不一致所產生的軸向間隙，從而達到保證軸承預緊的目的，其調整方案如圖1所示。

1—后蓋；2—殼體；3，10—齒輪；4，9—接合齒；5，8—同步環；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，通常設為20 ℃；T2為變速器在工作狀態下的溫度，℃；L1為T1溫度下的樣件長度，mm；L2為T2溫度下的樣件長度，mm；αT為樣件材料的線膨脹系數。根據 (1) 式分別計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整墊片需要補償的數值。

1.2 存在的弊端

雖然調整墊片的過盈量可對殼體與軸之間的軸向間隙進行熱補償，但仍存在如下弊端：

(1)在工作溫度下，殼體與軸的熱變形規律除受軸向尺寸及材料線膨脹系數影響之外，還受徑向尺寸及形體結構的影響[2]，因此用傳統熱變形公式所計算的熱變形規律并不準確。調整墊片的過盈量是否能夠對殼體與軸之間產生的軸向間隙進行合理的補償，無法準確預知。

(2)圓錐滾子軸承軸向變形與軸向載荷之間的關系為[3]

(2)

式中：δa為軸承的軸向變形量；ka為彈性變形系數；Fa為軸向載荷。

但是，調整墊片的過盈量并不能簡單地認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)式計算的預緊力并不準確，無法準確推斷調整墊片過盈量與軸承預緊力的關系，變速器工作溫度下的實際預緊力情況更是無法預知。

(3)乘用車變速器工況復雜，采用調整墊片只能保證在某一理想的工作溫度下達到合理的預緊要求，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緊的要求。

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

2 軸承預緊力測試技術

為了準確掌握變速器軸承預緊力與過盈量的關系以及工作溫度下軸承預緊力的變化規律，使預緊力在工作狀態下達到一個合理的范圍，建立了完整的乘用車變速器軸承預緊力測試技術。通過該技術可以掌握軸承預緊力在工作溫度下的變化情況，以使用合理的調整墊片對其進行調整，測試的總體思路如圖2所示。

圖2 乘用車變速器圓錐滾子軸承預緊力測試方案

2.1 常溫下圓錐滾子軸承啟動力矩的測量

通過檢測變速器輸入軸的啟動力矩推導預緊力的范圍是軸承預緊力檢測的一種常用方法。輸入軸的啟動力矩主要就是克服軸承預緊所導致的圓錐滾子承受的摩擦阻力矩。其測試方法為：在常溫狀態下，首先使用三坐標測試設備分別測量殼體和軸上2個軸承大端面間的軸向長度；然后根據測量結果加工不同厚度的調整墊片，調整過盈量至少為0.05，0.10，0.15和0.20 mm 4個等級；最后在變速器裝配過程中，安裝不同的調整墊片，同時測量不同調整墊片對應的輸入軸啟動力矩。為了保證啟動力矩測試的準確性，盡量保證勻速，并進行多次測量取平均值。

某變速器最大輸出扭矩為200 N·m，為橫置式機械結構，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整墊片過盈量與啟動力矩的測試結果如圖3所示，從中可以準確掌握啟動力矩與過盈量間的關系。

圖3 圓錐滾子軸承啟動力矩與過盈量的關系

2.2 常溫下圓錐滾子軸承預緊力的測量

使用感壓紙測試技術可以直接獲得軸承預緊力的大小。感壓紙是一種可以檢測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，當受到一定程度的外界壓力時，膠囊就會破裂流出染色劑；另一層薄膜表面涂有顯色劑，當微型膠囊中的染色劑受壓破裂流出后，就會與顯色劑發生化學反應而呈現紅色。通過顏色濃度就可以顯示出檢測的壓力。

將感壓紙剪成與調整墊片同樣大小的形狀，與調整墊片一同安裝在圓錐滾子軸承外圈，預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緊力的測試結果見表1，其壓力分布情況如圖4所示。

圖4 圓錐滾子軸承預緊力的分布情況

表1 圓錐滾子軸承預緊力測試結果

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

圖5 圓錐滾子軸承預緊力與過盈量的關系

2.3 溫度場下圓錐滾子軸承啟動力矩的測量

將變速器置于溫度箱內，分別在不同的穩態均勻溫度場下，測量溫度與輸入軸啟動力矩的關系，結果如圖6所示。結合圖3就可以準確掌握變速器軸及殼體軸向的熱變形規律，得到變速器在不同工作溫度下的熱變形補償值，如圖7所示。

圖6 圓錐滾子軸承啟動力矩與溫度的關系

圖7 圓錐滾子軸承殼體的軸向熱變形規律

當使用過盈量為0.2 mm的調整墊片對該變速器的中間軸及主減速器軸進行預緊力調整時，圓錐滾子軸承預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緊力為調整目標，根據設計要求，對調整墊片的過盈量進行優化調整。

圖8 圓錐滾子軸承預緊力與溫度的關系

3 軸承預緊力自動調節系統

通過變速器軸承預緊力測試技術，雖然可以準確掌握軸承預緊力的變化規律，但隨著工況的復雜變化，并不能保證變速器在不同的工作溫度下均能使軸承預緊力保持在設計要求的合理范圍，而且變速器在裝配調整中還存在生產效率較低的問題。為了解決上述問題，提出了采用定壓調節取代定位調節的方法，并建立了基于碟形彈簧非線性剛度特性的軸承預緊力自動調節系統。

3.1 自動調節原理

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為碟形彈簧內截錐高度,mm。

基于碟形彈簧特性的預緊力自調節系統結構如圖9所示。裝配時，將碟形彈簧的大端頂住不旋轉的軸承外圈，小端安裝在軸承端蓋一側，通過端蓋的螺栓對軸承施加預緊力，初始預緊力的大小由彈簧的壓縮量控制。隨著變速器的轉速增加，溫度升高，殼體與軸由于熱變形規律不一致在軸向出現間隙，導致壓緊的碟形彈簧產生軸向位移，對熱變形進行補償，從而實現軸承預緊力的自動調節。

3.2 設計要點

在碟形彈簧設計時應注意如下原則：

(1)裝配時，碟形彈簧的壓縮量應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)碟形彈簧補償調整的范圍，即碟形彈簧的工作區應該包括如圖10所示的制造裝配誤差λ1，熱變形補償區λ2，以及軸向力變化(ΔF)引起軸承軸向變形量變化所導致的補償區λ3。

圖10 碟形彈簧工作區的位移范圍

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

3.3 實例分析

以上述變速器為例，當中間軸圓錐滾子軸承采用碟形彈簧進行預緊力調整時，說明其碟形彈簧的設計參數及特性曲線。

根據中間軸及殼體的尺寸鏈，計算得其軸向誤差λ1的范圍為0～0.35 mm；如圖7所示，變速器在60～110℃工作時所需要的軸向熱補償量λ2的范圍為0.09～0.19 mm；根據軸向力計算其所引起的軸承軸向變形量λ3的范圍為0～0.15 mm。因此，碟形彈簧工作區的位移范圍為0.09～0.69 mm。該圓錐滾子軸承預緊力與壽命的關系如圖11所示，根據上述設計準則，所設計的碟形彈簧的主要參數見表2，其剛度特性如圖12所示。

表2 碟形彈簧的主要設計參數 mm

圖11 圓錐滾子軸承預緊力與壽命的關系

圖12 預緊力調整用碟形彈簧的剛度特性

4 結束語

建立了乘用車變速器軸承預緊力的測試技術，通過該技術可以較準確的預知變速器在工作狀態下的軸承預緊力情況，并掌握殼體與軸之間在工作溫度下的熱變形補償量，以便以工作狀態下的軸承預緊力為調整目標，對調整墊片過盈量進行優化調整。

另外，提出了一種利用碟形彈簧非線性剛度特性，自動調節圓錐滾子軸承預緊力的方法，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緊的要求。