轿车轮毂轴承单元新型铆合装配机床的研究

周志雄+肖耘亚+李伟

收稿日期：20131016

基金项目：广东省教育部产学研资助项目（0712226100099）；广东省高校自然科学基金重点资助项目（05Z020）

作者简介：周志雄（1953-），男，湖南郴州人，湖南大学教授，博士

通讯联系人，Email： zhouzx8@sina.com

摘要：提出了新型的具有铆头倾角可调、铆装压力和工作台位移实时测量、自动精密调整铆装终止位置等功能的精密铆合装配专用机床，理论分析了机床的铆头倾角、进给量和铆装力等参数，试制了机床样机.试验结果表明，该机床最大轴向铆装力达30 T，工作台的定位精度小于2 μm，生产效率可达3 000件/班，铆装出的轮毂轴承单元可靠性理论上可达到30万公里以上，满足了轿车轮毂轴承单元的装配要求.

关键词：机床；轴承；铆接；游隙；自动控制

中图分类号：TH6 文献标识码：A

Study of a New Machine Tool for the Riveting and Assembly

of Automotive Hub Bearing Unit

ZHOU Zhixiong1，XIAO Yunya1，2，LI Wei1

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082；China；

2.College of Physical and Electromechanical Engineering， Shaoguan Univ， Shaoguan， Guangdong512005，China）

Abstract： A new special machine tool for the precision riveting and assembly of the automotive hub bearing unit was proposed， which could adjust the inclination angle of the rivet tail， realtime measurement of the riveting and assembly force and displacement of the stage， and automatic precision adjustment of stop position of the riveting and assembly. Its parameters， such as the inclination angle of the rivet tail， feed， riveting and assembly force， were theoretically analyzed and the prototype was manufactured. Experiment results show that it has a maximum axial riveting and assembly force of 30 T. The positioning precision of the stage is less than 2 μm and the production efficiency is up to 3 000 pieces per shift. The theoretical reliability of the hub bearing unit produced by the special machine tool is above 300 000 km. It satisfies the assembly requirement of the automotive hub bearing unit.

Key words： machine tool； bearing； riveting； clearance； automatic control

本文提出一种轿车轮毂轴承单元精密铆合装配专用机床的结构设计方案，进行了相关设计理论分析；试制出了样机，测试了其性能，为提升我国轿车轮毂轴承单元的制造水平打下了基础.

1结构设计方案的提出

轮毂轴承单元的铆合装配工艺原理如图1所示，铆头相对于工件轴线倾斜一定角度，工件轴端受到铆头的局部压力，随着铆头连续的周期摆动，工件轴端逐渐弯曲成形，从而实现轮毂轴承单元的铆合装配.

根据上述原理，本文提出的新型精密铆合装配专用机床如图2所示，采用4柱立式结构，主电机直接驱动动力头，再通过铆头倾角调节机构带动铆头作圆轨迹式回转运动，并可依工作需要调整铆头倾角；工件放置在压力传感器上，连同滑台一起装在工作台上，工作台由主油缸驱动可沿立柱导轨作轴向进给运动，当工件轴端接触到旋转的铆头后开始摆辗成形，从而实现轮毂轴承单元的铆合装配.料缸推动压力传感器连同上面的工件沿滑台在水平方向左、右移动，从而实现上、下料动作.

机床上装有步进电机并通过齿轮传动精确控制主油缸活塞杆行程.动力头壳体上装有磁力附加装置，压力传感器安装在工件与工作台之间，结合封闭光栅尺的测量和步进电机对主油缸行程的实时调整控制，可实现对铆接尺寸的实时准确测量与反馈控制，从而实现轮毂轴承单元的精密铆合装配.装配过程中，被铆工件的小内圈端面先与磁力附加装置接触，产生压力信号，并对应一光栅尺读数，当轴承轴端与铆头接触达到设定压力值时对应另一光栅尺读数，依据两次光栅尺读数的差值，并通过机床的控制策略实现机床的实时测量、自动调整、精密铆合装配等功能.

2设计理论分析

2.1铆头倾角的选择

铆头倾角γ是指倾斜的铆头轴线与工件轴线之间的夹角，如图3所示.γ角影响铆装轴向力与径向力的分布.γ角越小，铆装轴向分力越大，金属容易轴向流动，但太大的轴向分力容易使轴端发生径向胀大而导致轴承单元卡死；γ角越大，铆装径向分力越大，金属容易径向流动，但随着γ角的增大，机床的振动会加剧，从而降低机床的精度和使用寿命.综合考虑，铆头倾角取值为γ=1°～10°，且针对厚薄不同的轴端铆装时，要具备连续可调的能力.2.2每转进给量

根据铆头、工件运动几何关系，铆头转一周后工作台的上升量，即每转进给量s为：

s=60vn. （1）

式中：v为工作台的进给速度（mm/s）；n为铆头转速（r /min）.

通过在已有铆钉机床上进行轮毂轴承单元铆装试验发现，式（1）与实际情况相差较大.通过试验数据拟合得出的较为准确的每转进给量为：

s=60ΔHt n. （2）

式中：ΔH为轴端压下的高度（mm）；t为辗压时间（s）.

2.3铆装受力分析

铆装时的受力状态如图3所示.铆装总作用力F为：

F=Acp， （3）

Ac=λπ（R2-r2）. （4）

式中：Ac为接触面积（mm2）；R为轴端外径（mm）；r为轴端内径（mm）；p为平均单位压力（N/mm2），可按经验公式计算[7]：

p=cσ. （5）

式中：c为约束系数（1.0～1.1）；σ为工件的平均单位变形抗力（N/mm2）.

λ为面积接触率，按波兰马尔辛尼克教授提出的公式计算[8]：

λ=0.45s2Rtgγ. （6）

2.4摆辗力矩及电机选型

水平铆装分力Ft为：

Ft=Fsin α. （7）

式中：α为轧制咬入角（°）.摆辗所需的力矩MR为：

MR=FtRx×10-3. （8）

式中：Rx为中性面位置的半径（mm），按Rx=r+0.67（R-r） 估算. 所需的主电机功率P为：

P=MRn975η. （9）

式中：η为传动效率.

本文拟开发的专用机床主要针对DAC2F10轮毂轴承单元，其外观尺寸约为90 mm×100 mm，被铆轴端外径为28 mm，内径为16 mm，其轴向摆辗力为80～130 kN.根据上述参数及理论分析，选择主电机的型号为Y160L8，功率和转速分别为7.5 kW和720 r/min.

2.5轴向铆装力及液压系统工作压力

轴向铆装分力Fn为：

Fn=Fcos α. （10）

液压系统工作压力p′为：

p′=FnA-p″.（11）

式中：A为主油缸工作面积（m2）；p″为沿程压力损失（N/m2）.

3样机试制

试制的新型精密铆合装配专用机床样机如图4所示，其底座、动力头箱体及工作台等基础件均以焊

接件作毛坯，并进行退火处理以消除内应力，从而保证机床的工作精度；上述三大基础件与立柱相配合的4个孔位采用数控镗床来加工，以保证相互位置精度；4根立柱在调质加表面淬火处理的基础上，圆导轨部分镀硬铬并磨削，工作台与导柱相配合的部位采用直线轴承，以便减小摩擦.机床依自下而上的顺序平稳装配，避免导轨面与直线轴承的损坏.

机床配备电控系统、液压系统，并通过自主开发的专用控制软件实现工作台位移与轴向铆装力的实时精密控制及图形显示输出.

4样机性能测试及铆装试验

经过实际测试，机床最大轴向铆装力达30 T；铆头转速约720 r/min，并在0°～10°倾角范围内连续可调；工作台的定位精度小于2 μm，最大工作行程为25 mm，在0～50 mm/s进给速度内连续可调；具备手动/自动铆装功能，生产效率可达3 000件/班，达到了相关设计指标要求.本文在样机上进行了铆装试验，具体过程如下：

1）开机，料缸处于顶出状态，手工装料，时间约3～5 s（可调节），到设定时间后，料缸带动滑台自动收回；

2）料缸到位发出信号确认后，铆头旋转，工作台主油缸上升；

3）铆装过程中，被铆工件小内圈端面先接触到磁力附加装置，随着工作台继续上移，将消除轴承单元组件间的装配间隙，并在压力传感器录得设定的压力值时读取光栅位移S1；

4）工作台继续上移，磁力附加装置分离，压力读数清零，随后工件被铆轴端与铆头接触，产生压力并达到设定值时，读取光栅位移S2，系统依据S1，S2数值计算调位量，并控制步进电机精密调整终止位置；

5）铆装到位后，工作台卸荷，主油缸回退；

6）主油缸回退到位后停止，料缸将滑台顶出卸料，完成一个工作循环，整个工作在10～15 s内完成.

装配的轮毂轴承单元如图5所示，通过模拟试验机在轴向负荷±6.13 kN，径向负荷6 kN，载荷作用半径312 mm，频率5 Hz的给定条件下试验143 h，理论上相当于汽车行驶30万km，也就是说本文铆装的轮毂轴承单元可靠性理论上可达到30 万km以上，性能优异.因此，根据样机性能检测结果及铆装的轮毂轴承单元可靠性试验结果，本文所开发的新型精密铆合装配专用机床完全能够满足轿车轮毂轴承单元的装配要求.

5结论

1）本文提出并设计了轿车轮毂轴承单元精密铆合装配专用机床的结构，研究了相关设计理论，试制了机床样机.该机床具有铆头倾角可调、铆装压力和位移实时测量、自动精密调整铆装终止位置等优点.

2）检测了机床的相关性能，其最大轴向铆装力达30 T，铆头转速约720 r/min，并在0～10°倾角范围内连续可调，工作台的定位精度小于2 μm，在0～50 mm/s进给速度范围内连续可调，生产效率可达3 000件/班，达到了相关设计要求.

3）铆合装配了轮毂轴承单元产品，进行了可靠性检验，其可靠性理论上可达到30万km以上，性能优异，说明本文所开发的新型精密铆合装配专用机床完全能够满足轿车轮毂轴承单元的装配要求，非常值得推广应用.这对于推动我国轿车轮毂轴承单元铆合装配工艺研究、提升产品制造水平具有重大的意义.

参考文献

[1]NUMATA T.Latest technical trends regarding hub unit bearings[J]. KOYO Engineering Journal English Edition，2005， 168E： 8-13.

[2]宋玉春，肖耘亚.基于CMAC网络的轴承轮毂单元铆合控制算法研究[J].制造技术与机床，2011（5）：155-157.

SONG Yuchun， XIAO Yunya. Study on clinching control algorithm for hub bearing unit based on CMAC[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2011（5）：155-157.（In Chinese）

[3]王家序，赵慧，李金明. 固体润滑滚动轴承动态特性有限元分析[J].湖南大学学报：自然科学版，2013，40（3）：46-51.

WANG Jiaxu， ZHAO Hui， LI Jinming.Dynamics of solid lubrication rolling bearing based on finite element method[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（3）：46-51.（In Chinese）

[4]SAKAMOTO J S.Trends and new technologies of hub unit bearings [J]. Motion & Control， 2005（17）： 2-9.

[5]NAKAMURA Y J.Hub unit bearing with ABS sensor[J].Motion & Control， 2003（15）： 1-4.

[6]黎桂华.轴向游隙对轿车轮毂轴承性能的影响[J].轴承，2011（1）：1-3.

LI Guihua. Effect of axial clearance on performances of car hub bearings [J]. Bearing， 2011（1）： 1-3. （In Chinese）

[7]胡亚民，伍太宾，赵军华.摆动辗压工艺及模具设计[M].重庆：重庆大学出版社，2008：45.

HU Yamin， WU Taibin， ZHAO Junhua. Rotary forging process and mold design [M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2008：45. （In Chinese）

[8]张猛，胡亚民.摆辗技术[M].北京：机械工业出版社，1998：28.

ZHANG Meng， HU Yamin. Rotary forging technology [M]. Beijing： China Machine Press， 1998：28. （In Chinese）

3）铆合装配了轮毂轴承单元产品，进行了可靠性检验，其可靠性理论上可达到30万km以上，性能优异，说明本文所开发的新型精密铆合装配专用机床完全能够满足轿车轮毂轴承单元的装配要求，非常值得推广应用.这对于推动我国轿车轮毂轴承单元铆合装配工艺研究、提升产品制造水平具有重大的意义.

参考文献

[1]NUMATA T.Latest technical trends regarding hub unit bearings[J]. KOYO Engineering Journal English Edition，2005， 168E： 8-13.

[2]宋玉春，肖耘亚.基于CMAC网络的轴承轮毂单元铆合控制算法研究[J].制造技术与机床，2011（5）：155-157.

SONG Yuchun， XIAO Yunya. Study on clinching control algorithm for hub bearing unit based on CMAC[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2011（5）：155-157.（In Chinese）

[3]王家序，赵慧，李金明. 固体润滑滚动轴承动态特性有限元分析[J].湖南大学学报：自然科学版，2013，40（3）：46-51.

WANG Jiaxu， ZHAO Hui， LI Jinming.Dynamics of solid lubrication rolling bearing based on finite element method[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（3）：46-51.（In Chinese）

[4]SAKAMOTO J S.Trends and new technologies of hub unit bearings [J]. Motion & Control， 2005（17）： 2-9.

[5]NAKAMURA Y J.Hub unit bearing with ABS sensor[J].Motion & Control， 2003（15）： 1-4.

[6]黎桂华.轴向游隙对轿车轮毂轴承性能的影响[J].轴承，2011（1）：1-3.

LI Guihua. Effect of axial clearance on performances of car hub bearings [J]. Bearing， 2011（1）： 1-3. （In Chinese）

[7]胡亚民，伍太宾，赵军华.摆动辗压工艺及模具设计[M].重庆：重庆大学出版社，2008：45.

HU Yamin， WU Taibin， ZHAO Junhua. Rotary forging process and mold design [M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2008：45. （In Chinese）

[8]张猛，胡亚民.摆辗技术[M].北京：机械工业出版社，1998：28.

ZHANG Meng， HU Yamin. Rotary forging technology [M]. Beijing： China Machine Press， 1998：28. （In Chinese）

3）铆合装配了轮毂轴承单元产品，进行了可靠性检验，其可靠性理论上可达到30万km以上，性能优异，说明本文所开发的新型精密铆合装配专用机床完全能够满足轿车轮毂轴承单元的装配要求，非常值得推广应用.这对于推动我国轿车轮毂轴承单元铆合装配工艺研究、提升产品制造水平具有重大的意义.

参考文献

[1]NUMATA T.Latest technical trends regarding hub unit bearings[J]. KOYO Engineering Journal English Edition，2005， 168E： 8-13.

[2]宋玉春，肖耘亚.基于CMAC网络的轴承轮毂单元铆合控制算法研究[J].制造技术与机床，2011（5）：155-157.

SONG Yuchun， XIAO Yunya. Study on clinching control algorithm for hub bearing unit based on CMAC[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2011（5）：155-157.（In Chinese）

[3]王家序，赵慧，李金明. 固体润滑滚动轴承动态特性有限元分析[J].湖南大学学报：自然科学版，2013，40（3）：46-51.

WANG Jiaxu， ZHAO Hui， LI Jinming.Dynamics of solid lubrication rolling bearing based on finite element method[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（3）：46-51.（In Chinese）

[4]SAKAMOTO J S.Trends and new technologies of hub unit bearings [J]. Motion & Control， 2005（17）： 2-9.

[5]NAKAMURA Y J.Hub unit bearing with ABS sensor[J].Motion & Control， 2003（15）： 1-4.

[6]黎桂华.轴向游隙对轿车轮毂轴承性能的影响[J].轴承，2011（1）：1-3.

LI Guihua. Effect of axial clearance on performances of car hub bearings [J]. Bearing， 2011（1）： 1-3. （In Chinese）

[7]胡亚民，伍太宾，赵军华.摆动辗压工艺及模具设计[M].重庆：重庆大学出版社，2008：45.

HU Yamin， WU Taibin， ZHAO Junhua. Rotary forging process and mold design [M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2008：45. （In Chinese）

[8]张猛，胡亚民.摆辗技术[M].北京：机械工业出版社，1998：28.

ZHANG Meng， HU Yamin. Rotary forging technology [M]. Beijing： China Machine Press， 1998：28. （In Chinese）