轻、微型汽车驱动桥主减速器波形隔套的设计与分析

聂采顺，陈海，邓祥静，李永放，何华

（四川建安工业有限责任公司，四川 雅安 625000）

轻、微型汽车驱动桥主减速器波形隔套的设计与分析

聂采顺，陈海，邓祥静，李永放，何华

（四川建安工业有限责任公司，四川 雅安 625000）

汽车后桥主减速器主齿轴承的预紧参数，对整个驱动桥的使用性能影响极大，要保持装配参数在使用过程中基本不变，这就需要利用波形隔套即弹性隔套的载荷特性曲线 P-δ作用。文章从力学上对主动齿轮轴承的预紧进行了详细的分析和计算，以及主减速器的装配性能进行详细分析，并提出了主动齿轮轴承预紧力的确定原则，同时为波形隔套的设计提供了理论依据。

预紧；波形隔套；载荷特性曲线；装配性能

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.012

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-33-03

引言

汽车从业人员都知道，波形隔套对于汽车驱动桥主减速器的装配有重大作用，可直接影响减速器轴承的预紧度和主动齿轮的支撑刚性。一般来说，主齿轴承装配形式如图1所示，不同的只是两轴承间的波形隔套有两类:一类是“刚性”隔套，主要用于轻型车（3t）以上吨位的后驱动桥上；另一类是波形隔套即弹性隔套，广泛用于（3t）以下轻、微型车的后驱动桥上。使用“刚性”隔套时，需要多组调整垫片，并且各组之间厚度差非常小，最小的为 0.03mm，经常要反复拆装试加多次垫片才能调整到合适的预紧力，导致生产效率低，劳动强度大。而且预紧力过大，会降低传动效率，导致轴承发热，影响辅承寿命，甚至烧死。若预紧力过小，会降低主动齿轮的支撑刚性，造成主齿轴承轴向窜动，影响主被齿啮合，甚至打齿。如果使用波形隔套，上述问题就会迎刃而解，甚至在装配尺寸链上的相关公差可以放宽，提高装配效率，提高零件加工的经济性。

1、主动齿轮轴承预紧力分析

目前，圆锥滚子轴承基本都是成对背向装配使用的，必须施加一定的预紧力，才能保证其旋转精度，提高轴承的支撑刚性，确保轴承正常工作。例如:五十铃 NPR59的主齿轴承预紧力为1960N-3290N，那么为什么减速器总成装配时要在主齿螺母上施加 340N.m-490N.m的扭矩呢？下面以五十铃NPR59的主齿轴承为例进行分析，见图2。

如图2所示，F0为主齿螺母在拧紧力矩T的作用下产生的轴向力，作用于内圈。主齿螺母规格为M24x2。F1为轴承所需的预紧力，即减速器壳内挡肩作用于外圈的力(1960N-3920N)。F2为波形隔套作用于内圈的轴向力。

由此可得，F0= F1+ F2

由于 F1相对于 F2较小，可以近似认为 F0≈F1,也就是说，主齿螺母产生的轴向力几乎全部施加到波形隔套上。

根据螺纹联接的拧紧力矩的计算公式：

上式中，T为主齿螺母拧紧力矩，N.m，按装配要求T=340N.m-490N.m；T1为用于克服螺纹副的螺纹阻力矩；T2为螺母与被联接件支承面间的端面摩擦力矩；d为螺纹公称直径，mm，d=24 mm；F0为预紧力，N；K 为拧紧力矩系数。

上式中，d2为螺纹中径；ψ为螺旋升角；ρv为螺纹当量摩擦角，ρv= arctgfv；f为螺母与被联接件支承面间的摩擦系数，f=0.15；fv为螺纹当量摩擦系数，fv=0.15；Dw为主齿螺母与主齿连接法兰接触面外径，Dw=50mm；d0为主齿螺母与主齿连接法兰接触面内径，d0=33mm。

根据式(1)，当T=340N.m时，F0=67460N

当T=490N.m时，F0=97222N

所以主齿螺母产生的轴向力在67460N～97222N范围内。

2、波形隔套的受力分析

波形隔套作为结构件中的一个构件，首先要保证它自身足够的强度。波形隔套形状上产生了变化，变化的目的就是减小结构的刚性，在装配载荷的作用下，在确保自身足够的强度的前提下，让波形隔套产生更大的竖向变形，这样波形隔套就更加有弹性。如下图3：

五十铃NPR59波形隔套如图3（a）所示，五十铃 NPR57和皮卡桥波形隔套如图3（b）所示。以五十铃NPR59为例，其波形隔套达到屈服极限时需要的压力为：

上式中，A为波形隔套的截面积；δs为材料的屈服极限，材料为10号钢，δs=205N/mm2；

上式中，r2为波形隔套外半径；r1为波形隔套内半径。

由此可见，主齿螺母产生的轴向力基本上用来使波形隔套屈服，波形隔套的受力与变形曲线应在图4中阴影部分范围内。

3、主动齿轮的受力分析

在汽车前进时，被动齿轮对主动齿轮的作用力所产生的轴向分力是由下向上推，即大轴承承受；而在倒挡时，被动齿轮对主动齿轮作用的轴向分力由主动齿轮传递给主齿螺母，再由主齿螺母传递给小轴承，此时主动齿轮受力见图 5。

按发动机最大扭矩，变速器为倒挡时，作用于主动齿轮的转矩为：

T＇= Memaxxt5xη=2069 N.m

取：Memax(发动机最大转矩)为294N.m；t5（变速器倒挡速比）为7.82；η（传递效率）为0.9。

计算主动齿轮齿宽中点处分度圆上的切向力Ftm1为：

Ftm1= 2000T＇/dm1= 68851N

取： dm1(主动齿轮分度圆直径)为60.1mm，计算主动齿轮齿宽中心处的轴向力 Fx1为：

Fx1= Ftm1/cosβm(tgαnsinδ1-sinβmcosδ1)=-55793 (3)

取：αn(主动齿轮凹面压力角)为 23°06＇，βm(主动齿轮平均螺旋角)为 45°03＇，δ1(主动齿轮顶锥角)为 14° 56＇。

4、波形隔套的加工成型流程

从原材料到成品的加工流程如下图：

5、波形隔套的装配

波形隔套都有一段工作区域，即按规定的主齿螺母拧紧力矩范围装配后波形隔套的受力及变形状态处于载荷特性曲线P-δ曲线的“使用区域”位置上，如图4所示。

现以某国外车型的波形隔套装配过程为例加以说明：

1.用规定的扭矩拧紧主齿螺母；

2.将连接法兰旋转 5圈以上使轴承充分贴合，然后用测矩器测量轴承规定的起动力矩，并在主动齿轮与从动齿轮的齿隙调整合格后再次测量主减的综合力矩；

3.现以图解方式说明调整起动力矩的步骤：

4.调整完毕并锁紧主齿螺母后在螺母上刻好拧紧合格标识。

若出现了过拧紧，即在图4中A点右方工作，常会导致主动齿轮初装时转动力矩合格，但数小时后明显增大，行车数百公里后会发生异响。装配工人也不易掌握，例如因主动齿轮转动力矩一直较小而稍稍拧紧螺母时却又突然增大，甚至不能用手转动。这时，可将此波形隔套再进行油淬回火，使其屈服极限略有上升，但仍具有较好塑性变形能力而作为半刚性波形隔套。此时只需2～3种厚度规格的垫片即可使用，也可加快装配速度和满足使用要求，但一般不推荐，即波形套只要出现过拧紧就报废。因波形隔套出现一次过拧紧后不管采用什么挽救手段，均达不到原技术状态。

6、波形隔套的设计步骤及主齿螺母拧紧力矩的确定

1.先计算倒挡时波形隔套的受力情况，根据公式(3)确定轴向力Fx1的大小。

2.为了保证主齿的正常工作，主齿螺母所产生的轴向力F0应大于Fx1，同时考虑安全系数F0=K1Fx1，取K1=1.3～1.5。根据公式(1)可求得主齿螺母拧紧力矩，在装配过程中按该值操作。

3.任何螺纹都有其强度极限，应使螺纹的保证载荷P>K2F0，才不至于使螺纹失效，一般取安全系数K2>2。

4.根据主动齿轮安装部位的形状设计波形隔套的外形，从形状而言，要设计出隔套薄弱点即鼓型，有利于塑性变形。如图3中的A-A剖面处。

5.根据公式(2)计算 A值和δs值，以便选取合适的型材尺寸和材料。并经过有限元分析和计算，确定波形隔套的初步结构方案。

6.通过台架试验、汽车道路试验最终确认波形隔套的定型方案。

[1] 唐自玉,邴丽荣.后桥主齿轴承预紧力的力学分析及可压缩隔套的设计[J].汽车技术,2001(10):18-20.

[2] 陈经勉.轻型汽车驱动桥主减速器轴承“可压缩”隔套设计[J].汽车与配件,1992(12):25-26.

[3] 齿轮手册编委会.齿轮手册第二版(上册)[M].北京：机械工业出版社,2004.

[4] 成大先.机械设计手册 第五版(第 1、2、3 卷) [M].北京：化学工业出版社,2008.

Light, miniature automobile drive axle of main reducer waveform design and analysis of the spacer

Nie Caishun, Chen Hai, Deng Xiangjing, Li Yongfang, He Hua
（Sichuan Jian’an Industry Co., Ltd., Sichuan Ya’an 625000）

Pre-load parameter of automobile rear axle final drive pinion bearing, has great influence for the whole drive axle using performance, if we want to keep assemble parameter almost invariant during using, we need to use waveform sleeve/elastic sleeve load character curve P-δfunction.This article analyzed and calculated pre-load of gear pinion bearing minutely, and assembly performance of final drive, presented definite principle of gear pinion bearing pre-load force, at the same time, provided theoretical foundation of design waveform sleeve.

pre-load; waveform sleeve; load character curve; assembly performance

U463.5

A

1671-7988（2015）09-33-03

聂采顺，就职于四川建安工业有限责任公司研发中心，从事轻、微型汽车底盘零部件设计和开发。