涂廣平， 韓雪， 鄒勇， 曹元平， 黃超， 尹大樂

（1.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江 寧波315800；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，合肥230009）

0 引 言

軸承是變速器的支撐組件，為保證定位，與殼體軸承座孔之間采用過盈配合，軸承壓裝過程直接影響變速器的傳動(dòng)精度、振動(dòng)噪聲和使用壽命[1-2]。最初是采用手工敲擊的方法對(duì)變速器軸承進(jìn)行裝配，這種裝配方式不僅效率低下，而且嚴(yán)重影響裝配質(zhì)量。隨著裝配技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車生產(chǎn)廠商開始使用壓力機(jī)進(jìn)行軸承裝配。壓裝受力過程十分復(fù)雜，無法準(zhǔn)確測(cè)量壓裝過程中和壓裝完成后軸承和軸承座的應(yīng)力分布[3-4]，因此，需要對(duì)軸承壓裝力進(jìn)行正確的分析計(jì)算。本文在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，分析了雙離合自動(dòng)變速器（DCT）輸出軸前軸承外圈在殼體軸承座孔的壓裝工藝過程及設(shè)備，并通過試驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到壓裝力-位移曲線，為壓裝設(shè)備的設(shè)計(jì)與壓裝過程的監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)。

1 壓裝力理論計(jì)算

為了得到壓裝力的理論值，首先需要計(jì)算出接觸面間的徑向接觸應(yīng)力。多層組合圓筒結(jié)構(gòu)是將厚壁圓筒分為2個(gè)或2個(gè)以上的單層圓筒，各層之間有一定的過盈尺寸，這種利用緊配合的方法套在一起制成的厚壁圓筒稱為“組合圓筒”[5]。顯而易見，軸承外圈與軸承座孔之間的過盈裝配屬于“組合圓筒”問題，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。過盈配合的接觸比較復(fù)雜，接觸區(qū)間在壓裝過程中通常會(huì)產(chǎn)生彈性變形和塑性變形[6]，在本文中僅考慮了壓裝過程中的彈性變形。對(duì)于彈性變形狀態(tài)下過盈配合的接觸應(yīng)力，可采用厚壁圓筒理論與拉梅公式來進(jìn)行求解[7]。套合前，軸承外圈（內(nèi)圓筒）內(nèi)半徑為R1i，外半徑為R1O；軸承座孔（外圓筒）內(nèi)半徑為R2i，外半徑為R2O。設(shè)理論過盈量為δ，則δ=R1O-R2i。

在壓力p的作用下，軸承外圈外壁向內(nèi)壓縮，軸承座內(nèi)壁向外膨脹，從而使軸承外圈和軸承座緊密配合。設(shè)軸承外圈外徑變形量為u1，軸承座孔內(nèi)徑變形量為u2，則

圖1 軸承外圈與軸承座孔套合模型

式中：E1為軸承外圈彈性模量，N/mm2；μ1為軸承外圈泊松比。

由彈性力學(xué)理論可以列出軸承座孔內(nèi)壁的徑向位移為

2 壓裝系統(tǒng)及工藝分析

本文介紹的雙離合變速器軸承與軸承座孔具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝配過程是通過電動(dòng)伺服壓機(jī)完成的，屬于壓力壓裝法。

圖2 DCT輸出軸前軸承與殼體軸承座孔結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 電動(dòng)伺服壓裝設(shè)備

電動(dòng)伺服壓機(jī)主要由C形架、反靠機(jī)構(gòu)、托盤舉升定位機(jī)構(gòu)、伺服壓機(jī)、壓頭浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓機(jī)變位機(jī)構(gòu)、離殼隨行托盤、RFID（射頻識(shí)別裝置）、操作面板HMI（人機(jī)界面）等部分組成，綜合考慮變速器裝配流程和定位要求，伺服壓機(jī)固定在隨行托盤下方，伺服電動(dòng)機(jī)通過同步帶輪驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，與滾珠絲桿配套的螺母依靠導(dǎo)向機(jī)構(gòu)帶動(dòng)抗扭壓軸及其聯(lián)結(jié)的壓頭實(shí)現(xiàn)垂直向上的壓裝動(dòng)作，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電動(dòng)伺服壓機(jī)

伺服壓機(jī)標(biāo)配的編程軟件可用于創(chuàng)建簡(jiǎn)單和復(fù)雜的壓裝程序，記錄、顯示質(zhì)量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)壓裝的過程數(shù)據(jù)。通過操作界面可以在程序步中直接輸入過程參數(shù)，如壓力、位移、時(shí)間、速度、加速度、減速度等，程序被調(diào)用時(shí)就會(huì)自動(dòng)向下執(zhí)行?？梢酝ㄟ^力-位移（Fl）曲線上的窗口或包絡(luò)線等方式對(duì)工件的壓裝過程進(jìn)行監(jiān)控。該壓機(jī)具有剛性好、噪聲低、效率高、柔性好等優(yōu)點(diǎn)。

電動(dòng)伺服壓機(jī)的壓裝過程分為快進(jìn)、探測(cè)、壓裝、保壓、返回等5個(gè)步驟[8]。開機(jī)時(shí)設(shè)備自動(dòng)尋找工作原點(diǎn)，人工設(shè)置好壓裝參數(shù)后，工件9隨托盤2移動(dòng)到壓裝工位，RFID3讀取托盤2上的信息，托盤2舉升定位，反力機(jī)構(gòu)8下降與工件9接近，壓頭10將在此位置以快進(jìn)速度上升至探測(cè)位置，開始探測(cè)過程；壓頭10以探測(cè)速度繼續(xù)上升，若到了所設(shè)定的探測(cè)限制位置仍未探測(cè)到工件，壓頭10將停止動(dòng)作，并自動(dòng)返回工作原點(diǎn)，報(bào)警請(qǐng)求工作人員處理；而在探測(cè)過程中接觸壓力及其它參數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓頭10自動(dòng)切換到壓裝速度，開始?jí)貉b過程；壓裝到設(shè)定位置時(shí)將按照設(shè)定好的時(shí)間進(jìn)行保壓過程；保壓完成后壓頭10按照設(shè)定速度返回至工作原點(diǎn)，壓裝過程結(jié)束。具體流程如圖4所示。

圖4 壓裝流程圖

2.2 工藝分析

為保證壓裝質(zhì)量，在壓裝過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）輸出1軸采用圓柱滾子軸承，且具有正反面，壓裝過程中應(yīng)注意軸承正反防錯(cuò)，可以采用光電傳感器對(duì)正反面軸承保持架與外圈端面高度差異進(jìn)行檢測(cè)，軸承正確壓裝方向如圖5所示；2）為保證壓裝位置準(zhǔn)確，殼體通過3個(gè)小平面和2個(gè)孔進(jìn)行定位，如圖6所示；3）殼體為薄壁件，為防止殼體在壓裝過程中受力變形，應(yīng)采用反力支撐機(jī)構(gòu)，如圖7所示；4）壓裝過程力設(shè)置為2～18 kN，壓裝截止力為23 ～25 N。

圖5 軸承壓裝方向

圖6 定位孔及定位面

圖7 反力支撐面

壓裝試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用第2節(jié)所述的電動(dòng)伺服液壓機(jī)，嚴(yán)格按照壓裝步驟及壓裝工藝要求，對(duì)雙離合自動(dòng)變速器軸承進(jìn)行壓裝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。在圖8中有一條反映各階段壓裝狀態(tài)的時(shí)間軸。自設(shè)備工進(jìn)開始，采樣頻率10 000 Hz，將這些點(diǎn)連接起來，便形成一條曲線，從而反映軸承在壓入軸承座孔過程中的每一位置的壓力變化（t5區(qū)除外）。在時(shí)間軸上，將壓裝曲線劃分為t0、t1、t2、t3、t4、t5共6個(gè)時(shí)間階段進(jìn)行分析[9]：1）t0階段。浮動(dòng)壓頭找正，曲線有起伏。2）t1階段。軸承外圈擠壓壓縮，至外圈未壓入部分直徑與殼體配合孔徑大小接近為止，曲線上升。3）t2階段。軸承外圈和殼體內(nèi)孔受壓綜合形變進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域，壓裝力上下小幅度波動(dòng)。4）t3階段。軸承端面貼靠到殼體，壓裝力急速上升，直至完全貼合。5）t4階段。軸承壓裝系統(tǒng)無間隙，壓裝力近似垂直上升。6）t5階段。壓機(jī)達(dá)到設(shè)定的截止力，開始保壓，保壓5 s（該區(qū)域壓頭位移為零）。

圖8 軸承壓裝曲線

從圖8中軸承壓裝曲線及對(duì)各個(gè)階段的分析可以看出，壓裝曲線在規(guī)定區(qū)域內(nèi)，壓裝結(jié)果較為理想。

4 結(jié) 論

本文通過理論計(jì)算、壓裝工藝的分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面對(duì)變速器軸承壓裝工藝進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：1）變速器軸承外圈的壓裝力F與摩擦因數(shù)f、過盈量δ、壓裝深度l等因素成正比例關(guān)系；2）壓裝速度對(duì)壓裝力的影響很小，在生產(chǎn)過程中可以適當(dāng)調(diào)節(jié)壓裝速度以適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍；3）通過對(duì)雙離合自動(dòng)變速器軸承壓裝試驗(yàn)結(jié)果分析，證明了采用電動(dòng)伺服壓機(jī)按照文中給出的壓裝方法有利于提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定加工質(zhì)量。