周志雄，肖耘亞，李 偉

（1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

轎車輪轂軸承單元由多個(gè)零件裝配而成，經(jīng)過(guò)預(yù)先調(diào)節(jié)并一次性終身潤(rùn)滑，且由于自成一體，裝配時(shí)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(shí)間［1－2］.由此可見(jiàn)，輪轂軸承單元作為轎車的關(guān)鍵零部件之一［3］，嚴(yán)重影響著轎車的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性以及尾氣排放等重要性能，因此也成為國(guó)家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的汽車配套產(chǎn)業(yè).自從1938年瑞典SKF公司開(kāi)發(fā)出輪轂軸承單元以來(lái)，已經(jīng)歷了多次重大改進(jìn)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(dòng)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(guó)內(nèi)對(duì)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(jī)上進(jìn)行輪轂軸承單元裝配試驗(yàn)，主要通過(guò)控制鉚頭下壓的時(shí)間或行程來(lái)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(huì)很大，最大可達(dá)0.152mm，而在現(xiàn)有設(shè)備上鉚合裝配是無(wú)法消除原始游隙對(duì)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(guò)對(duì)單元組件進(jìn)行選配來(lái)解決這一問(wèn)題，又會(huì)大大降低生產(chǎn)效率.同時(shí)由于現(xiàn)有鉚釘機(jī)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(fù)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(jī)的鉚頭傾角大都是固定不變的.因此研究設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出轎車輪轂軸承單元精密鉚合裝配專用機(jī)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(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)理論分析；試制出了樣機(jī)，測(cè)試了其性能，為提升我國(guó)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(jì)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(duì)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(dòng)，工件軸端逐漸彎曲成形，從而實(shí)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(jī)床如圖2所示，采用4柱立式結(jié)構(gòu)，主電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭，再通過(guò)鉚頭傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉚頭作圓軌跡式回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(tái)一起裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)由主油缸驅(qū)動(dòng)可沿立柱導(dǎo)軌作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，當(dāng)工件軸端接觸到旋轉(zhuǎn)的鉚頭后開(kāi)始擺輾成形，從而實(shí)現(xiàn)輪轂軸承單元的鉚合裝配.料缸推動(dòng)壓力傳感器連同上面的工件沿滑臺(tái)在水平方向左、右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上、下料動(dòng)作.

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

機(jī)床上裝有步進(jìn)電機(jī)并通過(guò)齒輪傳動(dòng)精確控制主油缸活塞桿行程.動(dòng)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(tái)之間，結(jié)合封閉光柵尺的測(cè)量和步進(jìn)電機(jī)對(duì)主油缸行程的實(shí)時(shí)調(diào)整控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接尺寸的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量與反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)輪轂軸承單元的精密鉚合裝配.裝配過(guò)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(hào)，并對(duì)應(yīng)一光柵尺讀數(shù)，當(dāng)軸承軸端與鉚頭接觸達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)對(duì)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(guò)機(jī)床的控制策略實(shí)現(xiàn)機(jī)床的實(shí)時(shí)測(cè)量、自動(dòng)調(diào)整、精密鉚合裝配等功能.

2 設(shè)計(jì)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(dòng)，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(dòng)，但隨著γ角的增大，機(jī)床的振動(dòng)會(huì)加劇，從而降低機(jī)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(duì)厚薄不同的軸端鉚裝時(shí)，要具備連續(xù)可調(diào)的能力.

圖3 鉚裝時(shí)的受力圖Fig.3 Force diagram during riveting and assembly

2.2 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量

根據(jù)鉚頭、工件運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系，鉚頭轉(zhuǎn)一周后工作臺(tái)的上升量，即每轉(zhuǎn)進(jìn)給量s為：

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

通過(guò)在已有鉚釘機(jī)床上進(jìn)行輪轂軸承單元鉚裝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，式（1）與實(shí)際情況相差較大.通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的較為準(zhǔn)確的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為：

式中：ΔH 為軸端壓下的高度（mm）；t為輾壓時(shí)間（s）.

2.3 鉚裝受力分析

鉚裝時(shí)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(yàn)公式計(jì)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(jì)算［8］：

2.4 擺輾力矩及電機(jī)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(jī)功率P為：

式中：η為傳動(dòng)效率.

本文擬開(kāi)發(fā)的專用機(jī)床主要針對(duì)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(jī)的型號(hào)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(jī)試制

試制的新型精密鉚合裝配專用機(jī)床樣機(jī)如圖4所示，其底座、動(dòng)力頭箱體及工作臺(tái)等基礎(chǔ)件均以焊接件作毛坯，并進(jìn)行退火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，從而保證機(jī)床的工作精度；上述三大基礎(chǔ)件與立柱相配合的4個(gè)孔位采用數(shù)控鏜床來(lái)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(tái)與導(dǎo)柱相配合的部位采用直線軸承，以便減小摩擦.機(jī)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(jī)床Fig.4 New machine tool for precision riveting and assembly

機(jī)床配備電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，并通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的專用控制軟件實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)位移與軸向鉚裝力的實(shí)時(shí)精密控制及圖形顯示輸出.

4 樣機(jī)性能測(cè)試及鉚裝試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，機(jī)床最大軸向鉚裝力達(dá)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(tái)的定位精度小于2μm，最大工作行程為25mm，在0～50mm／s進(jìn)給速度內(nèi)連續(xù)可調(diào)；具備手動(dòng)／自動(dòng)鉚裝功能，生產(chǎn)效率可達(dá)3 000件／班，達(dá)到了相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.本文在樣機(jī)上進(jìn)行了鉚裝試驗(yàn)，具體過(guò)程如下：

1）開(kāi)機(jī)，料缸處于頂出狀態(tài)，手工裝料，時(shí)間約3～5s（可調(diào)節(jié)），到設(shè)定時(shí)間后，料缸帶動(dòng)滑臺(tái)自動(dòng)收回；

2）料缸到位發(fā)出信號(hào)確認(rèn)后，鉚頭旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)主油缸上升；

3）鉚裝過(guò)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(tái)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(shí)讀取光柵位移S1；

4）工作臺(tái)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(dá)到設(shè)定值時(shí)，讀取光柵位移S2，系統(tǒng)依據(jù)S1，S2數(shù)值計(jì)算調(diào)位量，并控制步進(jìn)電機(jī)精密調(diào)整終止位置；

5）鉚裝到位后，工作臺(tái)卸荷，主油缸回退；

6）主油缸回退到位后停止，料缸將滑臺(tái)頂出卸料，完成一個(gè)工作循環(huán)，整個(gè)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(guò)模擬試驗(yàn)機(jī)在軸向負(fù)荷±6.13kN，徑向負(fù)荷6kN，載荷作用半徑312mm，頻率5Hz的給定條件下試驗(yàn)143h，理論上相當(dāng)于汽車行駛30萬(wàn)km，也就是說(shuō)本文鉚裝的輪轂軸承單元可靠性理論上可達(dá)到30萬(wàn)km以上，性能優(yōu)異.因此，根據(jù)樣機(jī)性能檢測(cè)結(jié)果及鉚裝的輪轂軸承單元可靠性試驗(yàn)結(jié)果，本文所開(kāi)發(fā)的新型精密鉚合裝配專用機(jī)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(jì)了轎車輪轂軸承單元精密鉚合裝配專用機(jī)床的結(jié)構(gòu)，研究了相關(guān)設(shè)計(jì)理論，試制了機(jī)床樣機(jī).該機(jī)床具有鉚頭傾角可調(diào)、鉚裝壓力和位移實(shí)時(shí)測(cè)量、自動(dòng)精密調(diào)整鉚裝終止位置等優(yōu)點(diǎn).

2）檢測(cè)了機(jī)床的相關(guān)性能，其最大軸向鉚裝力達(dá)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(tái)的定位精度小于2μm，在0～50mm／s進(jìn)給速度范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，生產(chǎn)效率可達(dá)3 000件／班，達(dá)到了相關(guān)設(shè)計(jì)要求.

3）鉚合裝配了輪轂軸承單元產(chǎn)品，進(jìn)行了可靠性檢驗(yàn)，其可靠性理論上可達(dá)到30萬(wàn)km以上，性能優(yōu)異，說(shuō)明本文所開(kāi)發(fā)的新型精密鉚合裝配專用機(jī)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(duì)于推動(dòng)我國(guó)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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