【正文】 earing Unit； spinning； Hydraulic system。輪轂軸承既承受徑向載荷又承受軸向載荷 ，因此 對汽車輪轂軸承的性能要求是結構緊湊、重量輕和可靠性高。重量變輕了，可以減小零件的加工質量和汽車的重量使得燃油量減少，經濟 效益提高，環(huán)保方面也符合現(xiàn)代的社會要求。在社會的不斷發(fā)展和對輪轂軸承的要求中，輪轂軸承有了很大程度的變化和發(fā)展 。 a 第一代輪轂軸承 b 第二代輪轂軸承 c 第三代輪轂軸承 圖 11 輪轂軸承單元示意圖 第一代 輪轂軸承組件 （如圖 ） 是由 SKF 在 1938 開始生產，這是用于轎車車輪的雙列角接觸球軸承 。其設計針對轎車車輪的特殊運行特征進行優(yōu)化，尤其是對拐彎過程 中施加在軸承上的力矩載荷提供支持。軸承的接觸角根據車輪載荷狀態(tài)的特征進行優(yōu)化。選用的滑脂可保證最長的工作壽命和最小的假硬化風險。其外圈含有一個 整 體式凸緣，以取代分離輪轂的功能。外圈的滾道經過感應淬硬處理，以提高軸承性能。其他設計細節(jié)與第一代輪轂軸承單元相似?？稍谘b置中配置一個 ABS 傳感器。在這種應用配置中，外圈用螺釘固定到懸掛系統(tǒng)架上，而內圈旋轉。 第三代輪轂軸承單元系以雙列角接觸球軸承為基礎設計，是一種全面合成的車輪軸承系統(tǒng)。軸承的動態(tài)載荷承載能力得到充分加強，這是因為軸承中 有一道容納內向球組的獨立內圈。外圈的凸緣 6 用螺釘固定到懸掛系統(tǒng)架上。在主動車輪應用中，扭矩通過一個漸開線花鍵傳遞到內圈。型輪轂軸承單元采用終身潤滑和密封，對主動和非主動車輪均適用。 第四代輪轂軸承單元 HBU4（如圖 ） ：第四代是把等速萬向節(jié)與軸承做成整體化，這種形式廢除輪轂 花鍵軸，更加小型化，安裝更加合理。 a HBU4 b HBU5 c HBU6 圖 12 正在設計開發(fā)的新一代轎車輪轂軸承示意圖 隨著現(xiàn)代社會的需求，除了第一到第四代輪轂軸承單元以外還出現(xiàn)了第五代（ Integrated brake drum， 制動轉子一體化 ， 1997）；第六代（ Integrated brake disk制動盤安裝組合 ） 。 當 前 代汽車輪轂軸承單元的裝配形式 輪轂軸承單元是一個 由多個零件 合成的組件，經過預先調節(jié)并一次性終身潤滑。 目前，國內外大多數的汽車企業(yè)大多都應用第三代的輪轂軸承單元，輪轂軸承單元的裝配一直是一個值得深入著重深入研究的一個問題。 當代國內外輪轂軸承的裝配形式只有有兩種：一種是鎖緊螺母連接，另一種是軸斷鉚合緊固連接。 8 圖 14 軸鉚合旋壓成形工藝示意圖 軸鉚合裝配通過軸端的旋壓成形，使帶凸緣的內圈產生塑性變形 ，從而與小內圈壓緊。這種裝配技術克服了現(xiàn) 有的螺母卡緊式的缺點，具有諸多優(yōu)勢： 省材 —— 用于非驅動輪的軸鉚合式輪轂軸承單元可比傳統(tǒng)的螺母卡緊式單元減輕重量 400g 以上； 節(jié)能 —— 軸鉚合式裝配節(jié)省單元的零件數量，簡化工藝，能減少制造環(huán)節(jié)的能量消耗；使用輕量化的軸鉚合式輪轂單元可減輕轎車車輪質量，降低燃油消耗率，節(jié)省燃油； 安全 —— 不可逆的鉚合裝配，能避免螺紋防松結構所存在的安全隱患，提高汽車使用的安全性； 高效 —— 制造一個螺母需用時 1 分鐘，車削凸緣軸上的螺紋需用時 30秒以上，再完成單元裝配及軸向卡緊力的調整需用時 2分鐘以上；而軸鉚合式裝配省去了螺母制造的螺紋車削，整個裝配過程用時在 5~7 秒以內，單是裝配效率就可提高 20 倍以上！ 環(huán)保 —— 降低整車燃油消耗的同時，減少了汽車的排放，有利于環(huán)保； 近凈成型 —— 無切削加工方法，可實現(xiàn)凈形加工。 輪轂軸承單 元旋壓鉚合技術的優(yōu)越性 傳統(tǒng)設計的輪轂單元在裝配時兩個內圈是用鎖緊螺母牢固地連接在一起的，如圖15（ a）所示。而 新的結構是通過軸端的旋壓成形，使帶凸緣的內圈產生塑性變形，從而與小內圈壓緊。采用軸鉚合裝配方式， 對非驅動輪而言（如圖15（ b）所示），可直接去掉螺母；對驅動輪而言（如圖 15（ c）所示）， 因為不再需要較大的擰緊力矩，可以使用輕型螺母將驅動軸固定在車輪法蘭中，驅動軸帶齒的軸頸也可大大縮短， 從而有助于減小輪轂單元的重量和尺寸， 降低成本，使緊固部分更加緊湊，提高燃油經濟性。 10 （ a） （ b） （ c） 圖 15 另一方面， 因為輪轂單元的最薄弱的環(huán) 節(jié)不是鎖緊位置，而是凸緣根部，而通過FEM 分析可知，小內圈在汽車行駛過程中所承受的軸向載荷不是很高， 通過對當前的輪轂單元的結構分析，我們認為其軸承組件部分還可進一步精減，只要將帶凸緣的軸在端部直接旋壓成滾道形狀，就可省略小內圈，達到軸承組件零件數目的絕對最小化，進一步精減輪轂單元的結構，提高可靠性，降低生產成本。國內的輪轂軸承的市場大部分都由國外的廠家占用。輪轂軸承單元專用鉚合設備的鉚合過程的壓力都由液壓系統(tǒng)的主油缸提供，其工作遠遠壓力高于其他的工作要求。快退時要有較快的速度進行 ，以省加工時間，使工作效率的到提高。為滿足以上的要求，本課題要對主油缸，送料缸和液壓系統(tǒng)的各組成元件的連接和型號進行選擇和設計。但是，出于各自的發(fā)展戰(zhàn)略和利益的競爭，輪 11 轂軸承的軸鉚裝工藝技術對中國是保密的，而軸承則只以成品的形式以較高的價格提供給中國的中高檔汽車市場，就連掌握了其核心技術的外國公司在我國興建的轎車輪轂軸承合資企業(yè)，所提供的技術也是傳統(tǒng)的“ 螺帽卡緊式”裝配技術。 中國的擺輾研究開始于 70 年代初期。但由于缺乏資金，缺少機械設備專業(yè)制造廠的參與，由使用單位將國外主要用于冷擺輾的擺輾機結構簡化或者照搬而制造出擺輾機用于熱擺輾，結果不合理，制造水平低等原因使得軸承易壞、導軌易損。因此， 80 年代中期以來，中國擺輾設備的研制開發(fā)處于停止狀態(tài)，而只是進 口瑞士和波蘭的擺輾機。 轎車輪轂軸承的形狀和工藝分析 轎車輪轂軸承的形狀 如圖 16 所示 ,汽車輪轂軸承單元軸鉚合裝配工藝主要是將圖 A中的法蘭盤內圈 1鉚合成圖 B 所示的的形狀。 對此零件的擺輾加工是軸向鉚裝，適于采用立式加工避免受自身重力的影響。 (2)幾何要素 幾何要素是機床設計的主要依據，機床形式、規(guī)格、精度等都要由它來決定。因此，應將零件的形狀分類，尺寸分級，把機床系列化來解決這一矛盾。 汽車輪轂軸承單元的 3D 建模與分析 對加工對像的深入了解是設計設備的第一步。我們利用 CAD 技術， 采用國際先進的 3D 設計軟件 pro/engineer 進行汽車輪轂軸承單元的 3D建模，并對產品的裝配關系結構進行必要的分析。在畫零件實體過程中，我們設計小組發(fā)現(xiàn)實體模型與實物某些細節(jié)部分不相符，經過到工廠進行實物觀察，作了修改。裝配過程中的定位都采用設計的定位基準。每個零件都是按工程圖所給的尺寸畫出來的，裝配才發(fā)現(xiàn)有的零件之間產生干涉現(xiàn)象。 軸承單元軸鉚合裝配的認識 軸承單元軸鉚合裝配的 過程 在韶關東南軸承有限公司參觀中，了解到 以普通車床改裝的簡易旋壓試驗裝置 。由于擺動旋壓具有力量大的特點，鉚接非?？?，整個純鉚接時間僅為 8秒多，而且鉚接過程未產生任何切屑。 圖 19 壓制成形的輪轂軸承 輪轂軸承單元軸鉚合裝配旋壓過程的分析 傳統(tǒng)的軸鉚裝工藝采用所謂的“回轉式鍛壓” 或“搖擺模鍛”。如鉚裝過程的示意圖（圖 19）。沖頭圍繞著 O點在輪轂軸上方作軌跡運動。 圖 110 鉚接過程示意圖 與整體表面壓鍛方法比較 。雖然由于沖頭呈 θ 傾角加工載荷減小，但鉚裝過程中對組件施加的軸向和徑向載荷會對軸承性能造成潛在的不利影響 ， 如滾動體和滾道變形或產生壓痕。在旋壓過程中輪轂軸的變形可分為三個階段 ： （ 1）第一階段，沖頭下降，與輪轂軸接觸，變形開始； （ 2）第二階段，變形進一步擴展 ,輪轂軸沿徑向擴展 ,與內圈倒角接觸； （ 3）最后是第三階段，鉚裝過程完成。進入第二階段，沖頭壓力傳遞到內圈，內圈載荷迅速增大。鉚裝結束后，甚至沖頭已抬起，內圈載荷仍未消除，仍保留某些載荷。因此， 加工大尺寸工件時，需要很大的壓力，而且當運用于軸承上時，變形往往超出中心區(qū)域。通過控制加載的壓力，這種加工用于軸承的裝配十分適合。 由于此工藝要求，所以本旋壓機床必須具有以下特點： 1）動力頭能產生足夠的徑向力、軸向力，電動機要有足夠的功率。 2）機床的床身、動力頭、工作臺等部份要有足夠的剛度，以減少在加工中主軸與工作臺的變形、偏擺。對軸承需進行良好的冷卻與潤滑。 二 擺動輾壓基本原理及工藝特點 擺動輾壓的工作原理 擺動輾壓又稱旋轉鍛造 (Rotary Fing)，是 20 世紀 60 年代發(fā)展起來的金屬壓力加工新工藝，也是鍛 件生產行業(yè)中的特種鍛造成形工藝，可用于中小型鍛件精化生 16 產。所謂擺動輾壓，是利用一個帶圓錐形的上模對毛坯局部加壓，并繞中心連續(xù)滾動的加工方法．擺動輾壓工作原理如圖 21 所示。當主軸旋轉時， OZ 繞 OM 旋轉，于是上模便產生了擺動。 擺頭運動軌跡不僅對金屬流動和填充影響很大 , 而且對電機功率及設計剛度等均有影響 , 特別是對于形狀不同的鍛件成型影響更大 。 實現(xiàn)擺頭的四種軌跡 , 可以有多種方法 , 最常用的是內、外偏心套法 , 如圖 22所示 . 采用偏心套的方法 , 就是將擺頭的一端置 于內偏心套內 , 通過內偏心套和外偏心套不同的相對轉動 ,合成出四種不同的擺頭軌跡 。 擺動輾壓的特點 （ 1）省力。實踐證明，加工相同鍛件，其輾壓力僅是常規(guī)鍛造方法變形力的1/5～ 1/20； （ 2）產品質量高，節(jié)省原材料，可實現(xiàn)少無切削加工。 （ 3） 擺動輾壓適合加工薄 而形狀復雜的餅盤類鍛件。 （ 4）勞動環(huán)境好，勞動強度低。 （ 5）設備投資少，制造周期短，見效快，占地面積小。 18 因 S的大小與工件半徑相比很小（ / 1/40sR? ），可以把工件的這個端面近似為平面。在滾壓過程中，忽略工件和模具的彈性變形，也忽略工件在徑向的塑性變形，則 AOB 是過圓心的直線。而立式機床又可分單立柱式和多立柱式，下圖為立式方案的簡 圖： 圖 確定方案：四柱立式結構 單柱式方案：一根立柱既要承受拉伸力，又要承受切應力，立柱彎曲變形情度較大。 多立柱式方案：機床對中性好，剛度強，鋼性特佳，結構永不變形，使用壽命長。一種液壓機工作臺四柱支撐結構，在液壓機下梁頂 出缸接觸面上至少設置有四組支撐柱，各組支撐柱分為上支撐柱和下支撐柱，上支撐柱與液壓機移動工作臺連接固定，下支撐柱連接固定在下梁與下梁頂出缸接觸面上，在上支撐柱和下支撐柱之間設置有一定的間隙，與下梁頂出缸連接的液壓墊上開有大于上支撐柱和下支撐柱直徑的導向孔。綜合考慮，選擇四柱式液壓機床結構。 運動功能分析 本機床主運動為電動機主軸帶動鉚頭旋轉，進給運動設計為液壓缸驅動工作臺進行鉚接，同時考慮到縮短鉚接工作行程，設計工作臺升降機構形式，調節(jié)工作臺與動力的距離，減少鉚接過程的空行程。整個過程的運動置于動力頭內。 機床總體結構布局設計 機床的總體 布局設計需要根據工作的要求，充分考慮到操作方便，加工效率高，性能穩(wěn)定、安全，加工質量好等因素；對 于 立式鉚接擺輾機包括主傳動部分、進給傳動部分、床身本體、電控與液壓系統(tǒng)，液壓站和電控箱，開關等。進給傳動系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)進行驅動。對于液壓站其包括了 液壓系統(tǒng)的供油裝置、控制調節(jié)裝置等，將其獨立于機床之外，可以使安裝維修方便，液壓裝置的振動、發(fā)熱都與機床隔開。 根據運動系統(tǒng)組合的不同，擬定以下布局方案。這種立案讓動力頭只負責旋轉軌跡運動，而縱向往復運動則由工作臺來完成。 與傳統(tǒng)鉚合機床相比，這種設計結構更加簡單，把兩個運動分開，省去了原來復雜的結構。工作臺把原先四柱或單柱支持改成液壓升降機構實現(xiàn)上下位移，實現(xiàn)起來很簡單，液壓系統(tǒng)不復雜，更加有利于現(xiàn)代化生產?？蚣苁浇Y 構剛性好、精度高、搞偏載能力強。 25 圖 機床總體方案設計 圖 1. 主 電機 YL160 3. 床身立柱 四 液壓系統(tǒng)設計計算 從這里開始就開始進入到本文最著重介紹部分。 設計要求 主機應用兩個液壓油缸，分別是主油缸、送料油缸。各油缸都要求有防塵裝置，對爆，寒，噪聲等無特殊要求，效率要求在 80%以上，成本要求相對低廉。 以下是各油缸的參數要求：根據鉚裝要求主油缸載荷為 150KN，送料 油缸載荷計算如下： 送料軌道是鑄鐵對鑄鐵，且沒有滾珠滾柱滑動， 鑄鐵一鑄鐵的動滑摩擦系數實驗值 0． 07～ 0． 15， 運動速度 ，起動時有加速過程， 取最大值 摩擦系數 ?? 。即： faF F F?? G—— 工件及壓力傳感器的重力，約為 G=500N NtvgGGF 0 05 0 ????????? ? 兩個油缸所受的載荷都是軸向載荷。主油缸行程 S根據工作情況，工作要求，空間局限以及節(jié)能環(huán)保等因素的要求嚴格安裝油缸標準行程系列，選取 S=50mm（參照《機械設計手冊》第四部分第 23173 頁表 ）；送料缸上下料勻速，均要求 為 200mm/s。為方便加工過程中的上下料，工件必須背送到離開鉚頭密封箱體以為的位置，設計過程中發(fā)現(xiàn)鉚頭軸線到箱體邊緣的距離大概為 360mm，考慮到