自动选垫设备在主减速器总成装配中的应用
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摘要：本文简要介绍了主减速器总成装配中采用设备自动选择差速器半轴齿轮调整垫片，主齿前、后轴承调整垫片，差速器轴承调整垫片（调整螺母）的选择过程和方法以及使用设备进行轴承预紧力的调整，主、被动齿轮啮合间隙的测量和啮合印迹检验。
关键词：齿轮安装距 调整垫片 轴承预紧力 齿侧间隙 啮合印迹等
1 引言
车桥是汽车底盘中最关键的部件之一，而主减速器总成装配是车桥装配的核心，其装配质量直接影响到汽车的运行平稳性、噪声以及整车寿命和能耗。在主减速器装配过程中主要技术要求如下：选择合适的主动齿轮后轴承调整垫片，保证主动齿轮实际安装距在理论安装距公差要求范围内，使主、被动齿轮有正确的啮合印迹；选择合适的轴承预紧力调整垫片，对轴承进行预紧，消除原始安装间隙以及防止磨合期间的间隙增大，并增强支承刚度，保证主、被动齿轮有良好的啮合条件，减少运转中的噪音。
2 目前国内主减速器总成生产现状
目前国内生产批量大的减速器总成厂家并不多，而国内目前生产厂家的生产现状是多品种小批量，装配过程中自动化程度很低，减速器总成装配过程中各种间隙一直依赖于人工调整，由于各操作人员之间的操作技能、熟练程度、个人情绪、责任心及其它抗外界干扰的能力不尽相同甚至区别很大，在实际过程中需要反复拆装、检查、调整，这就造成了装配质量和生产一致性很难保证，产品返修率一直居高不下，整体技术水平很难得到质的提高，与国外厂家之间的差距越来越大，另外要想提高产量只能从场地和人员安排上想办法。据了解国外主流车桥供应商早已将保修期限提高至十万公里，而国内大多数企业还是停留在三万公里上，除了零部件的加工设备影响外，总成装配的技术水平也是导致车桥使用寿命停止不前的一个根本原因。
3 自动选垫设备在主减速器总成装配的应用情况
早期由于受各方面技术条件的影响，减速器总成装配自动调整设备一直依赖于进口，国内企业采用的并不多。北泰汽车悬架制造（北京）有限公司大兴桥厂的前身是北京吉普汽车有限公司（现名称为北京奔驰-戴姆勒・克莱斯勒汽车有限公司）底盘工厂，公司于1984年引进克莱斯勒“切诺基”的生产技术并一直为北京吉普汽车公司供应前、后桥总成，公司现用的自动设备是于1991年购买的美国AIR GAME公司生产的主齿后轴承垫片测量机床，美国TRIO公司生产的主齿轴承预紧力加载机，美国I&R公司生产的齿侧间隙自动调整机以及美国TDIC公司生产的啮合印迹测量机，这四种设备均为交钥匙工程，利用传感器、伺服马达、液压滑台和计算机进行控制，调整垫片厚度和啮合间隙的精度为±0.0015mm， 测选节拍：1.7分钟，设备本身即是装配设备也是检测设备，且设备间互相检验，主齿后轴承垫片测量机床班前要用标准的样桥壳和标准的最厚、最薄样片校验机床，设备的合格才能保证装配产品合格，啮合印迹测量机不仅通过测试主被动齿轮啮合印迹来验证主齿后轴承调整垫片的选择的正确、合理与否，同时还复验了主被齿的啮合间隙。
4 自动选垫设备的应用原理和应用方法
4.1差速器行星齿轮和半轴齿轮啮合间隙调整
差速器装配时行星齿轮垫片用的是定值，行星齿轮与半轴齿轮的齿侧间隙是用左右两半轴齿轮调整垫片来调整的。总成结构见图（一）：
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图（一）中序号为②的零件为差速器半轴齿轮调整垫片，它的厚度直接影响到行星齿轮与半轴齿轮的啮合间隙。啮合间隙的检查有直接测量和间接测量两种方法。
直接测量方法是用千分表或保险丝测量行星齿轮和半轴齿轮齿侧间隙值。
间接测量方法是用塞尺或专用工装测量半轴齿轮和半轴齿轮垫片间隙值。
4.1.2 采用的设备：半轴齿轮垫片检测机（见图（二））
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4.1.2 检测原理及流程
a、将行星齿轮垫片及半轴/行星齿轮副组装到差速器壳体。
b、将预装后的差速器总成放入夹具中，夹紧。
c、将输出花键轴和支持轴分别导入半轴齿轮花键槽和半轴孔中，气缸推动半轴/行星齿轮副，使半轴齿轮与行星齿轮齿侧间隙为0的状态，左、右两侧位移传感器分别取数。
d、分别推动半轴齿轮、行星齿轮及行星齿轮垫片与差速器壳内孔端面紧密接触，加载以消除行星齿轮的球形面与球形垫片的接合误差，左、右两侧位移传感器再次测量并取数。
e、步骤c、d两次数值差减去产品图纸上要求的齿侧间隙值即为半轴齿轮调整垫片的厚度值。
f、左、右侧间隙符合设定范围时，窗口显示：绿色指示灯显示“合格”，或显示出左、右两边齿侧隙值
g、垫片复检合格后，全过程完成。
在实际装配中为了提高生产效率，避免每个差速器都要经过预装检测后拆卸加垫再重装，而采用先凭经验加入半轴齿轮调整垫片（厚度为多次大批量装配得出调整垫片厚度的均值）后测量，检测合格的预装差速器总成就不再拆卸，只拆不合格的产品的方法。
4.2主、被动齿轮啮合印迹和轴承预紧力调整
主、被动齿轮啮合印迹通过调整主动齿轮后轴承调整垫片来调整，具体结构见图（三）。
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图（三）主减速器总成结构图
图（三）中序号⑧为的零件为主动齿轮后轴承调整垫片（也称为啮合印迹垫片），主动齿轮轴承预紧力是用两轴承④和？？？之间的弹性隔套？？？调整，序号？v？为的零件为差速器轴承调整螺母，主要用于主被动齿轮啮合间隙的调整。
4.2.1、主动齿轮后轴承调整垫片
每一对齿轮都是在产品图规定的理论安装距要求下进行研磨配对的，经过研磨配对的每对齿轮正反旋转后的啮合接触区、齿侧间隙、噪音都符合图纸的技术要求。为了达到最佳效果，一般还对主动齿轮进行锥距微调，对安装距进行修正，修正后的主动齿轮实际安装距就接近每对齿轮的主动齿轮的理论安装距，选择合适厚度的主动齿轮轴承垫片是为了保证装配后的主被动齿轮符合研磨配对时的状态。
从图（四）中可以找出影响垫片的因素
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图（四）安装尺寸简图
H――主动齿轮实际安装距
A――主减速器壳中主动齿轮后轴承外环压入端到两差速器轴孔中心距离
B――主动齿轮后轴承总成高度
C――主动齿轮后轴承调整垫片厚度
从图（四）中可以看出 C＝A-B-H
对于不同零件来说A、B、H的值都不一样（都在公差范围要求之内，但具体值是有区别的），所以在每次装配时垫片C的厚度值是不一样的，变化范围一般在0.5-1mm之间，但对于在同一个主减速器装配过程中当垫片厚度值相差大于0.05mm时齿轮的啮合印迹就会有明显的变化。
用专用机床选择垫片，专用机床可以使工件在模拟工况的情况下进行测量从而得到垫片的厚度值，它采用位移传感器和计算机控制。
测量原理：见图（五）、图（六）
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图（五） 图（六）
a、图（五）中H表示主动齿轮理论安装距的中值。模拟轴的上平面，即H的上箭头所指的平面模拟为主动齿轮大平面；模拟轴的下平面，即H的下箭头所指平面模拟为减速器壳上差速器两轴承安装孔中心线（为测量方便在实测时用的是减速器壳两差速器轴承孔的内圆，需要计算机进行一下数字处理），传感器的测量点放在模拟轴的下平面。我们使用的是比较测量法，在测试前，在模拟轴上用标准样件（样桥和样片）对设备传感器进行了标定，确定了垫片的测量范围，同时输入了计算机；
b、工件测量时，主减速器壳（已经压好了主动齿轮前、后轴承外环）主动齿轮后轴承内环也装在模拟主轴上，由于A＞H+B，所以传感器测量头就被压下一个距离，这个距离就是垫片C的厚度值；
c、为了更好的模拟实际工况，机床的上部设计有一个油缸，它带动一个上压头（压头形状模拟主动齿轮前轴承外环），测量时上压头向下压向工件，同时模拟主轴旋转，使轴承受一定的预紧力。
尽管主减速器总成的形式不同，但主齿后轴承调整垫片选择的原理是一样的，因此该原理和方法适合于所有的主减速器总成。
图（七）中的测量机床用于JEEP2500前桥主减速器总成主齿后轴承垫片选择。
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图（七） 主齿后轴承垫片测量机床
4.2.2主动齿轮轴承预紧力调整垫片
轴承预紧力的大小是由轴承摩擦力矩衡量的，即在轴承预紧后轴承开始转动时的必要力矩（即启动力矩）。
主动齿轮轴承预紧力的调整一般使用的是隔套，隔套安装在前、后两轴承内环之间。隔套的形式有刚性和塑性两种。刚性隔套的可塑性极差，为满足要求就得使用调整垫片，而塑性隔套利用了材料的延伸（压缩）机械特性，当材料达到屈服极限后变形较载荷快的特性来完成主动齿轮轴承预紧力的调整。
主动齿轮轴承预紧力的施加通过拧紧主动齿轮轴端螺母来实现，装配时对螺母的拧紧力矩有规定，用塑性隔套装配时，通常在拧到螺母拧紧力矩下限时，塑性隔套开始达到它的屈服极限值，开始产生塑性变形，随着拧紧力矩的增加，隔套被压缩使轴承受到轴向压力，当轴承预紧力达到规定范围，螺母停止拧紧。拧紧主动齿轮轴端螺母的拧紧力很大，需要用专用工具或专用机床，同时要用专用工具在同一专用机床上测量轴承预紧力。
从图（八〉中可以找出影响垫片厚度的因素
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图（八）
图中：A――主动齿轮前轴承总成的高度
B――主减速器壳中主动齿轮前后轴承外环压入端面距离
C――主动齿轮后轴承总成的高度
D――主动齿轮前轴承内环高度
E――主动齿轮前轴承调整垫片高度
F――隔套高度
G――主动齿轮后轴承内环高度或主动齿轮上主动齿轮大平面致隔套所在平面的距离
从图中可以看出E=（A+B+C）-（D+F+G）
同样，A、B、C、D、F、G值都在规定公差范围之内，但对于不同的零件来说它们的值是不同的，所以在每次装配时垫片的厚度值是不一样的，变化范围一般在0.5-1mm之间，对于同一个主减速器装配过程中当垫片厚度值相差0.025～0.03mm时，预紧力的值会有很大的变化。
用专用工装或专用机床选择垫片的方法：工件在模拟工况的情况下，进行比较测量（和标准样件），得出垫片厚度，它使用精度较高的百分表测量，并采用传感器和计算机控制。
测量原理：见图（九）和图（十）
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图（九） 图（十）
垫片是在模拟轴上分两种情况测量出来的，第一种情况是没有垫片时，主动齿轮前轴承内环、隔套、主动齿轮后轴承内环三种零件装在模拟轴上，在受外力Q2（螺母的拧紧力矩作用在轴承上的力）状态下记录主动齿轮前轴承内环上表面的位置，由图（十）表示。第二种情况是模拟有垫片时，主动齿轮前后轴承总成受力Q1（轴承的预紧力）状态下记录主动齿轮前轴承内环上表面的位置，此时压入主动齿轮前后轴承外环的主减速器壳也装到模拟轴上，轴承外环和轴承内环已组成一体即轴承总成，由图（九）表示。
两次测量的差值就是垫片的厚度值E。
根据产品图主传动结构要求的不同，测量的方法也会不同，但基本原理是一样，值得注意的是：两次测量时所加力的大小需要通过试验和工艺要求得出。上述方法所选垫片都必须在安装完成后，测量主动齿轮轴承预紧力的值，达到工艺要求后，选择垫片才算结束。
图（十一）左图为JEEP2500前桥主齿轴承预紧力加载机，右图为后桥主齿轴承预紧力加载机。JEEP2500前后桥主齿轴承预紧力均是弹性隔套。
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图（十一）主齿轴承预紧力加载机
4.3 差速器轴承预紧力的调整
差速器轴承的预紧力即测量其启动力矩是很难直接测量的，目前我们接触到的主减速器总成技术要求中对差速器轴承预紧力的要求内容归纳为三种：①轴承的预紧力用每边轴承垫片的过盈量来衡量②要求主动齿轮的总预紧力（差速器总成已装在主减速器壳内）达到的规定值③由于差速器轴承承受轴向力时，会引起桥壳的变形，Jeep2500前后桥主减速器总成技术要求中规定差速器轴承预紧力用减速器壳上规定两点的变形量来衡量。
差速器轴承预紧力调整方法和它的结构有着密切关系，目前普遍用的是两种形式：①使用差速器轴承两端的调整环②使用差速器轴承调整垫片
下面简单叙述两种结构的调整方法
4.3.1、使用差速器轴承两端的调整环
在专用机床上自动调整，图（十二）左图、右图分别为Jeep2500前桥和后桥差速器轴承预紧力和齿侧间隙调整机床，它把手工调整的动作变成两个伺服马达和液压滑台控制的拧紧头，它的位移和力的数据都由传感器输出，并由计算机控制，当差速器轴承预紧力达到规定值后（按技术要求规定）两个拧紧头会自动停止工作。
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图（十二）差速器轴承预紧力和主被齿轮啮合间隙测量机
4.3.2、使用差速器轴承调整垫片
用专用机床进行测量装配：它的工作原理和4.3.1一样，只是撑开、模拟轴承移动、测量、调整都是由计算机系统控制完成的，机床是用伺服马达和液压滑台控制的拧紧头，主动齿轮传动用液压马达（也可用伺服马达），机床使用了位移传感器和压力传感器。
4.4、主被动齿轮侧间隙的调整
主被动齿轮侧间隙的调整和差速器轴承预紧力的调整是同步进行的，同样也存在两种结构，一是采用调整环，二是采用差速器轴承调整垫片，具体采用哪种方法由具体结构决定。
4.4.1、采用调整环进行调整
用专用机床进行测量装配时，它和差速器轴承预紧力测量使用的是同一机床，见图（十二），当差速器轴承预紧力调整好后，机床开始调整测量主被动齿轮的齿侧间隙，首先两个拧紧头将主被动齿轮间隙调为零，两个拧紧头再同时回转120°，开始测量间隙值，120°值是通过试验得出的，这时绝大多数间隙测量值是合格的，间隙测量时主动齿轮被锁住，机床是用摩擦轮驱动被动齿轮摆动，被动齿轮摆动带动另一个摩擦轮传动测量机构，将信息传到计算机，机床对间隙测量三点，这台机床完成差速器轴承预紧力调整测量和主被动齿轮齿侧间隙调整测量平均用时78秒（S），并且基本一次合格，大大提高劳动效率，保证装配质量。
4.4.2、采用差速器轴承调整垫片进行调整
采用差速器轴承调整垫片进行调整有两种方法：
a、用专用工装进行测量装配时，当预紧力调整后，继续调整模拟轴承，并测量间隙值，调整结束后，读出模拟轴承上的刻度和所装轴承的厚度（加压进行测量）进行比较，得出垫片厚度，再进行装配，用专用工装进行测量装配，装配时也可以先调整主被动齿轮间隙，记下模拟轴承上的刻度，和所装轴承的厚度（加压进行测量）进行比较得出垫片的厚度，再根据实际要求，每边轴承垫片增加一个过盈量，得出最终的垫片厚度值，这两种方法的选择要看产品图的技术要求；
b、用专用机床测量装配，和调整差速器轴承预紧力使用同一机床，装配过程与（2）相同，机床上也可以只调整测量差速器轴承的齿侧间隙，得出垫片厚度值，装配时再根据实际要求，每边轴承垫片增加一个过盈量，得出最终垫片厚度值，这样机床的结构可以大大简化。
5 结束语
主减速器总成自动调整设备与传统的手工操作相比具有产品质量稳定、产品一致性好、生产效率高等优势，同时由于汽车车桥上用的主减速器总成结构基本相同，因此自动调整设备不仅仅适用于轻型越野汽车，在其它车型主减速器总成上也具有广阔的应用前景，对于提高生产厂家的批量化生产能力和在国际上的竞争力也有很好的促进作用。近几年国内部分车桥厂家如丹东曙光、江铃车桥等为提高车桥装配质量也逐步购置了自动选垫设备运用于车桥主减速器总成的装配，国产自动选垫设备也在同步开发中。
6 参考文献
* 陈家瑞 主编 《汽车构造》 吉林工业大学汽车工程系
* 刘惟信 主编 《车桥设计》 清华大学出版社
* 张新智 主编 《北京吉普切诺基的构造、使用与维修》 宇航出版社
* 《主齿后轴承垫片测量机床说明书》 美国AIR GACE公司
* 《主齿轴承预紧力加载机说明书》 美国TRIO公司
* 《齿侧间隙自动调整机说明书 》 美国I&R公司
* 《啮合印迹测试机床说明书》 美国TDIC公司