周志雄，肖耘亞，李 偉

（1.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.韶關(guān)學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

轎車輪轂軸承單元由多個零件裝配而成，經(jīng)過預(yù)先調(diào)節(jié)并一次性終身潤滑，且由于自成一體，裝配時不需要任何特殊的調(diào)節(jié)，因此不僅減少了部件數(shù)量及車輪配置的總重量，而且縮短了車輛的裝配時間［1－2］.由此可見，輪轂軸承單元作為轎車的關(guān)鍵零部件之一［3］，嚴重影響著轎車的安全性、舒適性、經(jīng)濟性以及尾氣排放等重要性能，因此也成為國家重點鼓勵發(fā)展的汽車配套產(chǎn)業(yè).自從1938年瑞典SKF公司開發(fā)出輪轂軸承單元以來，已經(jīng)歷了多次重大改進變革.目前最新應(yīng)用的輪轂軸承單元是將輪轂、ABS傳感器與軸承套圈制成一體［4－5］，其端部經(jīng)擺動碾壓（也稱旋壓）成形的軸鉚合式輪轂軸承單元［6］.但是目前國內(nèi)對輪轂軸承單元精密鉚合裝配工藝的研究還處于起步階段，缺乏相應(yīng)的專用設(shè)備，很多企業(yè)都是在鉚釘機上進行輪轂軸承單元裝配試驗，主要通過控制鉚頭下壓的時間或行程來控制軸向預(yù)緊力.但是由于單元組件數(shù)量較多且都存在一定的制造誤差，自由組裝后的原始游隙會很大，最大可達0.152mm，而在現(xiàn)有設(shè)備上鉚合裝配是無法消除原始游隙對預(yù)緊力的影響，從而導(dǎo)致裝配預(yù)緊力離散度大，產(chǎn)品質(zhì)量差.如果通過對單元組件進行選配來解決這一問題，又會大大降低生產(chǎn)效率.同時由于現(xiàn)有鉚釘機設(shè)備控制精度差，難以保證輪轂軸承單元鉚合裝配后0～－2μm的負游隙，所以很多企業(yè)生產(chǎn)的輪轂軸承單元都是采用正游隙，大大降低了產(chǎn)品的裝配質(zhì)量和使用效果.此外，由于結(jié)構(gòu)限制，現(xiàn)有鉚釘機的鉚頭傾角大都是固定不變的.因此研究設(shè)計并開發(fā)出轎車輪轂軸承單元精密鉚合裝配專用機床非常有必要，也很迫切.

本文提出一種轎車輪轂軸承單元精密鉚合裝配專用機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，進行了相關(guān)設(shè)計理論分析；試制出了樣機，測試了其性能，為提升我國轎車輪轂軸承單元的制造水平打下了基礎(chǔ).

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的提出

輪轂軸承單元的鉚合裝配工藝原理如圖1所示，鉚頭相對于工件軸線傾斜一定角度，工件軸端受到鉚頭的局部壓力，隨著鉚頭連續(xù)的周期擺動，工件軸端逐漸彎曲成形，從而實現(xiàn)輪轂軸承單元的鉚合裝配.

圖1 輪轂軸承單元鉚合裝配工藝原理圖Fig.1 Principle diagram of riveting and assembly process of hub bearing units

根據(jù)上述原理，本文提出的新型精密鉚合裝配專用機床如圖2所示，采用4柱立式結(jié)構(gòu)，主電機直接驅(qū)動動力頭，再通過鉚頭傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)帶動鉚頭作圓軌跡式回轉(zhuǎn)運動，并可依工作需要調(diào)整鉚頭傾角；工件放置在壓力傳感器上，連同滑臺一起裝在工作臺上，工作臺由主油缸驅(qū)動可沿立柱導(dǎo)軌作軸向進給運動，當工件軸端接觸到旋轉(zhuǎn)的鉚頭后開始擺輾成形，從而實現(xiàn)輪轂軸承單元的鉚合裝配.料缸推動壓力傳感器連同上面的工件沿滑臺在水平方向左、右移動，從而實現(xiàn)上、下料動作.

圖2 機床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of machine tool

機床上裝有步進電機并通過齒輪傳動精確控制主油缸活塞桿行程.動力頭殼體上裝有磁力附加裝置，壓力傳感器安裝在工件與工作臺之間，結(jié)合封閉光柵尺的測量和步進電機對主油缸行程的實時調(diào)整控制，可實現(xiàn)對鉚接尺寸的實時準確測量與反饋控制，從而實現(xiàn)輪轂軸承單元的精密鉚合裝配.裝配過程中，被鉚工件的小內(nèi)圈端面先與磁力附加裝置接觸，產(chǎn)生壓力信號，并對應(yīng)一光柵尺讀數(shù)，當軸承軸端與鉚頭接觸達到設(shè)定壓力值時對應(yīng)另一光柵尺讀數(shù)，依據(jù)兩次光柵尺讀數(shù)的差值，并通過機床的控制策略實現(xiàn)機床的實時測量、自動調(diào)整、精密鉚合裝配等功能.

2 設(shè)計理論分析

2.1 鉚頭傾角的選擇

鉚頭傾角γ是指傾斜的鉚頭軸線與工件軸線之間的夾角，如圖3所示.γ角影響鉚裝軸向力與徑向力的分布.γ角越小，鉚裝軸向分力越大，金屬容易軸向流動，但太大的軸向分力容易使軸端發(fā)生徑向脹大而導(dǎo)致軸承單元卡死；γ角越大，鉚裝徑向分力越大，金屬容易徑向流動，但隨著γ角的增大，機床的振動會加劇，從而降低機床的精度和使用壽命.綜合考慮，鉚頭傾角取值為γ＝1°～10°，且針對厚薄不同的軸端鉚裝時，要具備連續(xù)可調(diào)的能力.

圖3 鉚裝時的受力圖Fig.3 Force diagram during riveting and assembly

2.2 每轉(zhuǎn)進給量

根據(jù)鉚頭、工件運動幾何關(guān)系，鉚頭轉(zhuǎn)一周后工作臺的上升量，即每轉(zhuǎn)進給量s為：

式中：v為工作臺的進給速度（mm／s）；n為鉚頭轉(zhuǎn)速（r／min）.

通過在已有鉚釘機床上進行輪轂軸承單元鉚裝試驗發(fā)現(xiàn)，式（1）與實際情況相差較大.通過試驗數(shù)據(jù)擬合得出的較為準確的每轉(zhuǎn)進給量為：

式中：ΔH 為軸端壓下的高度（mm）；t為輾壓時間（s）.

2.3 鉚裝受力分析

鉚裝時的受力狀態(tài)如圖3所示.鉚裝總作用力F為：

式中：Ac為接觸面積（mm2）；R 為軸端外徑（mm）；r為軸端內(nèi)徑（mm）；p為平均單位壓力（N／mm2），可按經(jīng)驗公式計算［7］：

式中：c為約束系數(shù)（1.0～1.1）；σ為工件的平均單位變形抗力（N／mm2）.

λ為面積接觸率，按波蘭馬爾辛尼克教授提出的公式計算［8］：

2.4 擺輾力矩及電機選型

水平鉚裝分力Ft為：

式中：α為軋制咬入角（°）.擺輾所需的力矩MR為：

式中：Rx為中性面位置的半徑（mm），按Rx＝r＋0.67（R－r）估算.所需的主電機功率P為：

式中：η為傳動效率.

本文擬開發(fā)的專用機床主要針對DAC2F10輪轂軸承單元，其外觀尺寸約為?90mm×100mm，被鉚軸端外徑為28mm，內(nèi)徑為16mm，其軸向擺輾力為80～130kN.根據(jù)上述參數(shù)及理論分析，選擇主電機的型號為Y160L－8，功率和轉(zhuǎn)速分別為7.5kW和720r／min.

2.5 軸向鉚裝力及液壓系統(tǒng)工作壓力

軸向鉚裝分力Fn為：

液壓系統(tǒng)工作壓力p′為：

式中：A為主油缸工作面積（m2）；p″為沿程壓力損失（N／m2）.

3 樣機試制

試制的新型精密鉚合裝配專用機床樣機如圖4所示，其底座、動力頭箱體及工作臺等基礎(chǔ)件均以焊接件作毛坯，并進行退火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，從而保證機床的工作精度；上述三大基礎(chǔ)件與立柱相配合的4個孔位采用數(shù)控鏜床來加工，以保證相互位置精度；4根立柱在調(diào)質(zhì)加表面淬火處理的基礎(chǔ)上，圓導(dǎo)軌部分鍍硬鉻并磨削，工作臺與導(dǎo)柱相配合的部位采用直線軸承，以便減小摩擦.機床依自下而上的順序平穩(wěn)裝配，避免導(dǎo)軌面與直線軸承的損壞.

圖4 新型精密鉚合裝配機床Fig.4 New machine tool for precision riveting and assembly

機床配備電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，并通過自主開發(fā)的專用控制軟件實現(xiàn)工作臺位移與軸向鉚裝力的實時精密控制及圖形顯示輸出.

4 樣機性能測試及鉚裝試驗

經(jīng)過實際測試，機床最大軸向鉚裝力達30T；鉚頭轉(zhuǎn)速約720r／min，并在0°～10°傾角范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；工作臺的定位精度小于2μm，最大工作行程為25mm，在0～50mm／s進給速度內(nèi)連續(xù)可調(diào)；具備手動／自動鉚裝功能，生產(chǎn)效率可達3 000件／班，達到了相關(guān)設(shè)計指標要求.本文在樣機上進行了鉚裝試驗，具體過程如下：

1）開機，料缸處于頂出狀態(tài)，手工裝料，時間約3～5s（可調(diào)節(jié)），到設(shè)定時間后，料缸帶動滑臺自動收回；

2）料缸到位發(fā)出信號確認后，鉚頭旋轉(zhuǎn)，工作臺主油缸上升；

3）鉚裝過程中，被鉚工件小內(nèi)圈端面先接觸到磁力附加裝置，隨著工作臺繼續(xù)上移，將消除軸承單元組件間的裝配間隙，并在壓力傳感器錄得設(shè)定的壓力值時讀取光柵位移S1；

4）工作臺繼續(xù)上移，磁力附加裝置分離，壓力讀數(shù)清零，隨后工件被鉚軸端與鉚頭接觸，產(chǎn)生壓力并達到設(shè)定值時，讀取光柵位移S2，系統(tǒng)依據(jù)S1，S2數(shù)值計算調(diào)位量，并控制步進電機精密調(diào)整終止位置；

5）鉚裝到位后，工作臺卸荷，主油缸回退；

6）主油缸回退到位后停止，料缸將滑臺頂出卸料，完成一個工作循環(huán)，整個工作在10～15s內(nèi)完成.

圖5 鉚合裝配的輪轂軸承單元Fig.5 Hub bearing units by riveting and assembly

裝配的輪轂軸承單元如圖5所示，通過模擬試驗機在軸向負荷±6.13kN，徑向負荷6kN，載荷作用半徑312mm，頻率5Hz的給定條件下試驗143h，理論上相當于汽車行駛30萬km，也就是說本文鉚裝的輪轂軸承單元可靠性理論上可達到30萬km以上，性能優(yōu)異.因此，根據(jù)樣機性能檢測結(jié)果及鉚裝的輪轂軸承單元可靠性試驗結(jié)果，本文所開發(fā)的新型精密鉚合裝配專用機床完全能夠滿足轎車輪轂軸承單元的裝配要求.

5 結(jié) 論

1）本文提出并設(shè)計了轎車輪轂軸承單元精密鉚合裝配專用機床的結(jié)構(gòu)，研究了相關(guān)設(shè)計理論，試制了機床樣機.該機床具有鉚頭傾角可調(diào)、鉚裝壓力和位移實時測量、自動精密調(diào)整鉚裝終止位置等優(yōu)點.

2）檢測了機床的相關(guān)性能，其最大軸向鉚裝力達30T，鉚頭轉(zhuǎn)速約720r／min，并在0～10°傾角范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，工作臺的定位精度小于2μm，在0～50mm／s進給速度范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，生產(chǎn)效率可達3 000件／班，達到了相關(guān)設(shè)計要求.

3）鉚合裝配了輪轂軸承單元產(chǎn)品，進行了可靠性檢驗，其可靠性理論上可達到30萬km以上，性能優(yōu)異，說明本文所開發(fā)的新型精密鉚合裝配專用機床完全能夠滿足轎車輪轂軸承單元的裝配要求，非常值得推廣應(yīng)用.這對于推動我國轎車輪轂軸承單元鉚合裝配工藝研究、提升產(chǎn)品制造水平具有重大的意義.

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