CN112032277A - 一种汽车差速器免微调主锥轴承单元及装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车差速器免微调主锥轴承单元及装配方法，包括一轴承座、两轴承内圈、两列圆锥滚子、两保持架以及一轴承外圈，其中，两轴承内圈并排贴合安装于主动齿轮的齿轮轴上，两列圆锥滚子分别安装于两轴承内圈的锥面上并由保持架定位，轴承外圈安装于两列圆锥滚子周向外侧；装配时，主动齿轮的齿轮轴上的锁紧螺母以设定力矩紧固主锥轴承单元，使两列所有圆锥滚子与轴承内、外圈滚道均匀接触，轴承单元实现设计预紧。本发明轴承单元可准确实现定压预紧，从而使主减差速器装配方便，不仅主动齿轮轴系寿命高，还大大提高装配生产效率，并有利于装配自动化和智能化发展。

Description

一种汽车差速器免微调主锥轴承单元及装配方法
技术领域
本发明属于轴承技术领域，尤其涉及一种汽车差速器主锥轴承。
背景技术
汽车发动机的动力经过变速器输出后，传递到主减速器，从主动锥齿轮通过啮合，将动力输入给从动锥齿轮。如图1所示，传统的主减速器总成，包括锁紧螺母1、主齿凸缘2、油封3、轴承座4、主动齿轮5、垫片6、前列轴承7、轴套8、后列轴承9、调整垫片10，主动齿轮5的齿轮轴上安装有轴承座4、前列轴承7、轴套8、后列轴承9，后列轴承9与主动齿轮5之间设置调整垫片10，齿轮轴的轴端头安装锁紧螺母1、主齿凸缘2、油封3，通过锁紧螺母1固定主齿凸缘2，主齿凸缘2与前列轴承7之间设置垫片6。主动锥齿轮的回转支承采用的是两套大小不同的单列圆锥滚子轴承，中间加轴套8。轴套的作用是拉大轴承的两个支撑点距离，以提高轴系的承载能力和刚性，同时传递两列轴承间的轴向作用力。如不加轴套，两列轴承的支点间距是40mm，其计算寿命是40E+06 转；加轴套后跨距增加到85mm，轴承计算寿命达到80E+06转；寿命增加1倍。
根据理论设计，当旋紧主减-差速器主锥齿轮轴端的螺母达到规定力矩时，主/被动齿轮刚好啮合，同时两列支承轴承的游隙(预紧力)也处于最佳，主动齿轮轴系可以完美的投入运转。
然而在实际应用中，由于各个零部件的尺寸加工偏差和组合装配引起变形影响没有被充分关注，轴承设计完全基于理想状态，因此组装起来的主减总成中的主/被动齿轮啮合间隙常常不合适，轴承的预紧力也或小或大，要反复调整垫片来进行轴承预紧力和齿轮啮合间隙的再次调配，工作繁琐且不易调准确，致使整个系统使用达不到设计寿命；同时也造成主减-差速器总成的生产装配效率低。另外，由于两列轴承中间夹有低碳钢管制成的轴套，其在轴向载荷Fa作用下产生的变形量波动很大：例本案总成在紧固力矩形成的压力下重复10次压缩，轴向位移变化范围是68μm，为轴承游隙的2倍以上。因此传统结构的主锥齿轮轴系的稳定性不好，会明显影响轴承的使用寿命。
另外，传统结构中，前列轴承的润滑是靠齿轮转动时搅动齿轮油，溅射到轴承上形成润滑；后列轴承的润滑油则是在齿轮转速达到400rpm以上甩起油液，部分油液流入箱体油道并被导入到后列轴承，但是后列轴承空间开放，不利润滑油驻留，会有贫油的风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，提高主锥轴承的寿命可靠性和使用装配效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，包括一轴承座、两轴承内圈、两列圆锥滚子、两保持架以及一轴承外圈，其中，两轴承内圈并排贴合安装于主动齿轮的齿轮轴上，两列圆锥滚子分别安装于两轴承内圈的锥面上并由保持架定位，轴承外圈安装于两列圆锥滚子周向外侧。
优选的，所述轴承内圈的轴向相接侧设有环形延伸部，两轴承内圈的环形延伸部端面相接。
优选的，所述轴承外圈在中间位置沿周向分布有至少两个油孔，所述轴承座开设有与油孔连通的油道，润滑油通过油孔进入免微调主锥轴承单元内部。
优选的，轴承外圈在中间位置外圆设有沿整个周向延伸的凹槽，所述油孔开设于凹槽。
优选的，所述主动齿轮与相接的轴承内圈之间设有啮合调整垫片，远离主动齿轮的轴承内圈轴向外侧由定位环压紧定位。
优选的，所述定位环由环套于主动齿轮的齿轮轴上的主齿凸缘压紧，所述主动齿轮的齿轮轴的轴端部设有螺纹段，所述螺纹段螺纹连接有锁紧螺母，所述主齿凸缘由锁紧螺母锁紧固定。
本发明还提供了一种汽车差速器免微调主锥轴承单元装配方法，装配时，主动齿轮的齿轮轴上的锁紧螺母以设定力矩紧固主锥轴承单元，使两列所有圆锥滚子与轴承内、外圈滚道均匀接触，轴承单元实现设计预紧。
本发明采用的技术方案，具有如下有益效果：
装配时，主动齿轮的齿轮轴上的锁紧螺母以设定力矩紧固主锥轴承单元，使两列所有圆锥滚子与轴承内、外圈滚道均匀接触，轴承单元实现设计预紧。因此，轴承单元可准确实现定压预紧——轴承单元的装配高一定，施加其上的轴向预紧力一定，即具有了确定的可控预紧，从而具有了设计预期的刚性、承载能力和使用寿命。
由于轴承不需要做任何调整，直接装配即可获得适当的预紧力，进入最佳的工作状态，从而使主减-差速器装配方便，不仅主动齿轮轴系寿命高，还大大提高装配生产效率，并有利于装配自动化和智能化发展。
轴承单元的两内圈端面直接接触，没有中间轴套，不仅方便装配，而且齿轮轴端锁紧螺母对轴承单元预紧力控制精准而稳定，同时也消除了轴向应力加大时中间轴套屈服变形所导致的失效风险。
轴承单元的外圈为一个整体，因此两列滚道加工可以用一个基准面同时加工，精度高，一致性好。
轴承单元的两列轴承做成完全对称，预紧后两内圈直接接触，整体刚性高，载荷在两列轴承上分布均匀，整体承载能力更高；由于承载能力的提升，轴承单元对于同样负荷条件、同样寿命要求的设计跨距可适量缩小，从而可以达到减重的目的。
轴承单元的内侧滚道润滑最初也是利用主动齿轮转动飞溅的油液，同时油液通过轴承座中的油道。经轴承单元外圈中部8个均布的油孔流入轴承单元内部，并充满整个轴承单元内腔。由于两列滚动体与内外圈之间形成了一个半封闭空间，流入的轴承单元的润滑油可以充分浸入两列滚道之间，十分有利于轴承运转润滑。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1为传统汽车差速器轴承安装示意图；
图1中：1.锁紧螺母，2.主齿凸缘，3.油封，4.轴承座，5.主动齿轮，6. 垫片，7.前列轴承，8.轴套，9.后列轴承，10.调整垫片；
图2为本发明的汽车差速器免微调主锥轴承单元安装示意图；
图2中：1.锁紧螺母，2.主齿凸缘，3.油封，4.轴承座，5.主动齿轮，6. 压合垫片，7.免微调主锥轴承，8.调整垫片；
图3为本发明的汽车差速器免微调主锥轴承结构图；
图3中：101.轴承外圈，102.轴承内圈，103.圆锥滚子，104.保持架；
图4为轴承承受极限载荷时滚子端部出现异常高的接触应力沿素线的分布；
图5为本发明滚道优化修型后接触应力分布。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员可以理解的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。例如下述的“内”、“外”等指示方位或位置关系的词语仅基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置/元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
参考图2和图3所示，一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，包括一轴承座4、免微调主锥轴承7，其中，免微调主锥轴承7包括两轴承内圈102、两列圆锥滚子103、两保持架104以及一轴承外圈101，其中，两轴承内圈102并排贴合安装于主动齿轮5的齿轮轴上，两列圆锥滚子103分别安装于两轴承内圈 102的锥面上并由保持架104定位，轴承外圈安装于两列圆锥滚子周向外侧。
其中，所述轴承内圈的轴向相接侧设有环形延伸部，两轴承内圈的环形延伸部端面相接。
本发明轴承单元是定压预紧型，即轴承单元的装配高一定，施加其上的轴向预紧力一定，即具有了确定的可控预紧，从而具有了设计预期的刚性、承载能力和使用寿命。
由于轴承不需要做任何调整，直接装配即可获得适当的预紧力，进入最佳的工作状态，从而使主减-差速器装配方便，不仅主动齿轮轴系寿命高，还大大提高装配生产效率，并有利于装配自动化和智能化发展。
轴承单元的两内圈端面直接接触，没有中间轴套，齿轮轴端锁紧螺母对轴承单元预紧力控制精准而稳定，同时也消除了轴向应力加大时中间轴套屈服变形所导致的失效风险。
轴承单元的外圈为一个整体，因此两列滚道加工可以用一个基准面同时加工，精度高，一致性好。
轴承单元的两列轴承做成完全对称，预紧后两内圈直接接触，整体刚性高，载荷在两列轴承上分布均匀，整体承载能力更高；由于承载能力的提升，轴承单元对于同样负荷条件、同样寿命要求的设计跨距可适量缩小，从而可以达到减重的目的。
另外，与现有技术类似，可以参考图1所示的传统汽车差速器轴承安装，所述主动齿轮与相接的轴承内圈之间设有调整垫片8，远离主动齿轮的轴承内圈轴向外侧由压合垫片6压紧定位。所述压合垫片由主齿凸缘2压紧，所述主齿凸缘2由锁紧螺母1锁紧固定，轴承外侧设有油封3。
为了改善润滑，轴承外圈在中间位置沿周向分布有至少两个油孔，例如6 个、8个，在本实施例中采用8个的结构。所述轴承座开设有与油孔连通的油道，润滑油通过油孔进入免微调主锥轴承单元内部。轴承外圈在中间位置外圆设有沿整个周向延伸的凹槽，所述油孔开设于凹槽。轴承单元的内侧滚道润滑最初也是利用主动齿轮转动飞溅的油液，同时油液通过轴承座中的油道。经轴承单元外圈中部8个均布的油孔流入轴承单元内部，并充满整个轴承单元内腔。由于两列滚动体与内外圈之间形成了一个半封闭空间，流入的轴承单元的润滑油可以充分浸入两列滚道之间，十分有利于轴承运转润滑。因此，在实际运转起来时，形成一种多孔涌泉的供油形式。
实施例二
一种汽车差速器免微调主锥轴承单元装配方法，装配时，主动齿轮的齿轮轴上的锁紧螺母以设定力矩紧固主锥轴承单元，使两列所有圆锥滚子与轴承内、外圈滚道均匀接触，轴承单元实现设计预紧。
当然，为了实现上述装配方法，需要优化算法和引入新的设计参数，准确设计出各零件的合理公差范围和游隙控制范围，保证主锥齿轮轴的紧固螺母以规定力矩紧固轴承单元的同时，其内所有圆锥滚子与内外圈滚道均匀接触，轴承单元到达设计预紧，即达到最佳的承载能力和滚动运转状态。
以下计算公式中的参数符号说明
表1.参数符号说明
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure BDA0002643941580000081
首先，通过优化算法，对轴承滚道轮廓修型“以最大接触应力最小化”为目标函数进行优化设计；保证滚子有高的承载能力及抑制接触区域边缘应力过载；同时还有良好的滚动接触线偏斜修正和抗滑移能力。
将轴承分解为k个切片绕轴心回转而成，切片宽度为ω，kω即是轴承的滚动接触长度。在弹性半空间表面(x’,y’)点的法向接触压力p和(x,y) 点变形之间有关系：
Figure BDA0002643941580000082
对式(1)积分，设c为滚道凸度，zj是j处最高(凸度)点纵坐标，建立滚子与滚道两个接触体的接触应力、变形与趋近量δ的关系为：
Figure BDA0002643941580000083
设δj为径向载荷在j处的滚子产生的变形，cλ为滚道凸度在第λ切片上产生的变形，引入圆锥滚子轴承内(各滚子)的静力平衡方程：
Figure BDA0002643941580000084
由此可解出任意滚子的接触应力和接触变形的关系，并通过滚道素线修型优化，使可能出现的最大应力最小化，具体可以参考现有技术。其中式(2)中的接触应力σ可通过变化Z,ρ来进行优化，在解析方程的基础上，用这个数模通过正交法优化法反复运算，主要是控制滚道大端不出现应力集中现象。
例如图4所示轴承承受极限载荷时滚子端部出现异常高的接触应力，图5 所示为滚道优化修型后，同样载荷作用下，滚子接触应力分布明显改善，峰值应力下降了26％。
其次，引入新设计参数，计算“附加径向预紧”，“偏斜”，“外载”因素影响。
a.由于轴承外圈和减速器壳体都比较薄，安装过盈配合，两者都会产生微量变形，即对轴承产生附加的径向预紧。设承载套圈圆周各点的变形符合薄壁圆环相对圆心的位移原理：
Figure BDA0002643941580000091
而式中：
Figure BDA0002643941580000092
Figure BDA0002643941580000093
Figure BDA0002643941580000094
解微分方程可得出轴承单元外圈变形的级数形式表示
即任意角度处的径向位移uψ：
Figure BDA0002643941580000095
其中：
Figure BDA0002643941580000096
Figure BDA0002643941580000101
Figure BDA0002643941580000102
b.轴承内圈压入主锥齿轮轴如是过盈配合，则会发生变形，引起内圈滚道位移。根据弹性壁厚圆环理论，安装在实心轴上的轴承内圈由压配合引起的外径(滚道直径)增量为：
Figure BDA0002643941580000103
c.圆锥滚子轴承在径向、轴向和力矩载荷作用下的几何参数及其变形关系分三部分：
c.1径向平面内滚子的力矩平衡方程
Figure BDA0002643941580000104
c.2与滚子歪斜关联的启动和抵抗力矩的平衡方程
Figure BDA0002643941580000105
c.3关于轴承内圈的力和力矩的平衡方程
Figure BDA0002643941580000106
Figure BDA0002643941580000107
Figure BDA0002643941580000108
联立式(7)～(11)，并将式(2)和(8)代入参与约束分析，建立游隙和轴承参数的函数：
Figure BDA0002643941580000111
δψ＝δrcosψ-uψi(δ1，δ2，...δz)+uψe(δ1，δ2，...δz) (13)
关于轴向预紧数值计算，概括说明
a.附加径向预紧1：uψ，式(5)
b.附加径向预紧2：uis，式(6)
c.偏斜和外载修正：δψ，式(13)
最后，再以产品游隙(预紧)作为关键设计变量进行响应分析。
本发明系双列圆锥滚子结构，实际使用中须消除游隙才能在无载荷条件实现两列滚动体线对线的匹配，因此轴承设计优化最终须回归到游隙的验算：
Figure BDA0002643941580000112
式中：
Figure BDA0002643941580000113
Figure BDA0002643941580000114
Figure BDA0002643941580000115
Figure BDA0002643941580000116
Figure BDA0002643941580000121
式(14)是轴承设计几何参数与载荷和轴向预紧量的通用公式，可以参考现有技术，理论上
δ＝δ0+δψ+f(Gr-uψ-uis)
δ0：理论预紧量
Gr：理论计算径向游隙
f(Gr-uψ-uis)：将径向游隙变化函数，换算成轴向位移量。
而对于双列轴承
Figure BDA0002643941580000122
Figure BDA0002643941580000123
解J积分后即可建立应用工况下工厂制造轴承轴向游隙的控制函数：
Ga＝f(Gr，δψ，δa，uψ，uis) (15)
根据式(15)的控制函数，可以在工厂制造轴承过程中控制加工参数，从而控制轴向游隙。
实现本设计的有益效果：
轴承单元可准确实现定压预紧——轴承单元的装配高一定，施加其上的轴向预紧力一定，即具有了确定的可控预紧，从而具有了设计预期的刚性、承载能力和使用寿命。
由于这种结构不用轴套，消除了轴向应力加大时轴套屈服变形所导致的失效风险。
不需要调整主锥齿轮轴承单元间隙，使安装简化，有效提升了主减-差速器总成装配效率，并有利于装配自动化和智能化发展。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (7)

1.一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，其特征在于：包括一轴承座、两轴承内圈、两列圆锥滚子、两保持架以及一轴承外圈，其中，两轴承内圈并排贴合安装于主动齿轮的齿轮轴上，两列圆锥滚子分别安装于两轴承内圈的锥面上并由保持架定位，轴承外圈安装于两列圆锥滚子周向外侧。
2.根据权利要求1所述的一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，其特征在于：所述轴承内圈的轴向相接侧设有环形延伸部，两轴承内圈的环形延伸部端面相接。
3.根据权利要求2所述的一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，其特征在于：所述轴承外圈在中间位置沿周向分布有至少两个油孔，所述轴承座开设有与油孔连通的油道，润滑油通过油孔进入免微调主锥轴承单元内部。
4.根据权利要求3所述的一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，其特征在于：轴承外圈在中间位置外圆设有沿整个周向延伸的凹槽，所述油孔开设于凹槽。
5.根据权利要求1所述的一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，其特征在于：所述主动齿轮与相接的轴承内圈之间设有啮合调整垫片，远离主动齿轮的轴承内圈轴向外侧由定位环压紧定位。
6.根据权利要求5所述的一种汽车差速器免微调主锥轴承单元，其特征在于：所述定位环由环套于主动齿轮的齿轮轴上的主齿凸缘压紧，所述主动齿轮的齿轮轴的轴端部设有螺纹段，所述螺纹段螺纹连接有锁紧螺母，所述主齿凸缘由锁紧螺母锁紧固定。
7.一种汽车差速器免微调主锥轴承单元装配方法，其特征在于：装配权利要求1至6中任意一项所述的一种汽车差速器免微调主锥轴承单元时，主动齿轮的齿轮轴上的锁紧螺母以设定力矩紧固主锥轴承单元，使两列所有圆锥滚子与轴承内、外圈滚道均匀接触，轴承单元实现设计预紧。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113433298A (zh) * 2021-05-28 2021-09-24 浙江兆丰机电股份有限公司 驱动桥用轴承热流特性试验装置及其测试方法

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