基于鉚壓工藝的轉(zhuǎn)向機螺圈緊固方法研究

郭 良 彭學(xué)超

（博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司，上海 201800）

循環(huán)球式電助力轉(zhuǎn)向機目前廣泛應(yīng)用于中高端家用車和商用車，主要零部件包括滾珠絲杠、電機、傳感器和連接件系統(tǒng)[1]。滾珠絲杠是一種將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的零部件，在轉(zhuǎn)向機中具有助力傳動的功能。移動力的大小和波動是評判轉(zhuǎn)向機性能的指標(biāo)之一。滾珠絲杠的轉(zhuǎn)向螺母小總成中螺圈鉚壓的變形量，不僅會引起轉(zhuǎn)向機移動力的波動變大，而且嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向異響并發(fā)生無助力情況。因此，設(shè)計一種可靠的鉚壓過程和機械結(jié)構(gòu)來評估其形變量穩(wěn)定性的測量系統(tǒng)至關(guān)重要。

常見的滾珠絲杠副按其鋼珠循環(huán)方式可以分為內(nèi)循環(huán)、插管式外循環(huán)和端蓋式外循環(huán)3 種類型[2]。文章重點研究的是內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副。高延翔采用赫茲點接觸理論建立了螺母組件的力學(xué)模型，討論了滾珠在軸向載荷下的彈性變形[3]。曾石薔在考慮滾動體精度和滾道誤差的情況下提出了滾珠載荷分布模型，并完成了絲杠螺母滾刀參數(shù)的自動化檢測方案[4]。鄭紅通過分析滾珠絲杠的支撐結(jié)構(gòu)，給出了機床進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠副的選用方法[5]。這些學(xué)者的立意主要是從滾珠絲杠安裝后分析滾珠螺母與滾珠齒條的剛性和彈性變形情況，從而提升滾珠絲杠運行精度。文章研究的內(nèi)容為滾珠絲杠本身，即轉(zhuǎn)向螺母裝配過程中螺圈的鉚壓工藝過程，通過設(shè)計鉚壓過程和設(shè)定鉚點位置與深度參數(shù)，達(dá)到提升轉(zhuǎn)向機穩(wěn)定性的目的。

本研究采用多次鉚壓的方式對螺圈進(jìn)行緊固，滿足裝配過程中對節(jié)拍與成本控制的要求。通過對鉚點深度、鉚點高度和鉚點位置的控制，在螺圈擰緊后多次測量鉚點深度，并以測試剩余彈簧行程為測量手段，最終通過以轉(zhuǎn)向機移動力大小和波動為評價指標(biāo)，得到3 種變量的最優(yōu)參數(shù)。最優(yōu)鉚壓方式，即先旋緊進(jìn)行鉚三點，再打開一定角度鉚三點，控制鉚頭形狀與氣缸位移，使用35 ～40 kN 氣缸力，得到剩余彈簧行程穩(wěn)定且轉(zhuǎn)向機移動力與波動都較小的方式。

1 循環(huán)球式電動轉(zhuǎn)向機

1.1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)

常見的電助力轉(zhuǎn)向機按結(jié)構(gòu)可以劃分為雙小齒輪式轉(zhuǎn)向機、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機和線控轉(zhuǎn)向機。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由殼體、端蓋、阻尼環(huán)、滾珠絲杠、電機、皮帶、傳感器、壓塊、調(diào)整螺母、橫拉桿、防塵罩以及球頭等零件組成。當(dāng)駕駛員施加一個力在方向盤上時，轉(zhuǎn)向機輸入軸端通過監(jiān)控輸入軸處的扭矩，并提供給電機電信號，電機小帶輪旋轉(zhuǎn)帶動滾珠絲杠上螺母旋轉(zhuǎn)，使齒條在軸線方向上運動，最終達(dá)到助力的效果。相較于雙小齒輪式轉(zhuǎn)向機，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機具有助力大、噪聲低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

圖1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機

1.2 轉(zhuǎn)向機內(nèi)滾珠絲杠機構(gòu)

內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠作為轉(zhuǎn)向機內(nèi)部重要的傳動機構(gòu)，實現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的功能。低成本、過程能力穩(wěn)定的滾珠絲杠自動化裝配流程，已成為各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)公司研究的重要項目。安裝在轉(zhuǎn)向機內(nèi)部的滾珠絲杠不僅要克服車輛運動過程中的振動，而且要克服自身旋轉(zhuǎn)過程中的振動?？梢姡D(zhuǎn)向螺母上的鉚壓過程至關(guān)重要。

如圖2 所示，轉(zhuǎn)向絲杠機構(gòu)由螺圈、球軸承、墊片、波形彈簧、鋼珠、導(dǎo)向套、卡簧和絲杠組成。在轉(zhuǎn)向螺母裝配過程中，過大的鉚壓力和鉚壓深度將直接導(dǎo)致螺圈開裂。當(dāng)鉚壓深度不夠時，轉(zhuǎn)向機內(nèi)部將產(chǎn)生噪聲，輸出的移動力波動嚴(yán)重，手感變差，極端工況下將導(dǎo)致螺圈松脫，整個轉(zhuǎn)向機失效。

圖2 轉(zhuǎn)向絲杠機構(gòu)

新車在發(fā)布前都會進(jìn)行轉(zhuǎn)向機的裝車試驗，在不同地形、不同地區(qū)測試轉(zhuǎn)向機的實際表現(xiàn)。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機在裝配完成后會進(jìn)行功能測試。圖3 為轉(zhuǎn)向機未助力狀態(tài)下的移動力表現(xiàn)，可利用齒條行程-移動力曲線來判斷轉(zhuǎn)向絲杠裝配完成后螺圈的鉚壓狀態(tài)。圖4 為鉚壓存在異常狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向機移動力曲線。對比兩個曲線發(fā)現(xiàn)，異常鉚壓狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向絲杠移動力波動較大。當(dāng)波動超過一定范圍時，將影響轉(zhuǎn)向機的手感。

圖3 移動力波動異常曲線

圖4 移動力波動正常曲線

轉(zhuǎn)向螺母的固定方式是通過螺圈鉚壓在螺母上。設(shè)計一種適用于自動化裝配線的鉚點機構(gòu)能夠極大地提高生產(chǎn)效率。以轉(zhuǎn)向絲杠中常用的M50X1-6H 型螺圈為研究對象，采用多次擰緊鉚壓的方式，研究鉚點深度、鉚點高度和鉚壓力對移動力波動的影響。

2 螺圈沖鉚方法研究

2.1 螺圈的裝配要求

轉(zhuǎn)向螺母由螺母、帶輪、螺圈、波形彈簧、球軸承、滾珠導(dǎo)向器、卡簧、密封圈和鋼珠組成。圖5 為轉(zhuǎn)向螺母的爆炸圖。螺圈在組裝完成后需對其進(jìn)行鉚壓，緊固球軸承，并使轉(zhuǎn)向絲杠在運動過程產(chǎn)生減振能力。為使組裝后的轉(zhuǎn)向機有一個良好的移動力波動表現(xiàn)，要求轉(zhuǎn)向螺母裝配后的軸向間隙穩(wěn)定在0.006 ～0.040 mm。

圖5 轉(zhuǎn)向螺母爆炸圖

2.2 螺圈的鉚壓過程

為了提高轉(zhuǎn)向螺母生產(chǎn)效率并兼顧汽車工況下轉(zhuǎn)向螺母的可靠性，采用的鉚壓機構(gòu)如圖6 所示，包含鉚壓氣缸、鉚腳、限位塊、定位塊和底座工裝。鉚壓機構(gòu)工作時，為了消除轉(zhuǎn)向螺母在底座工裝上的位移誤差，定位塊會根據(jù)球軸承的中心位置將轉(zhuǎn)向螺母調(diào)整到和鉚壓氣缸位于同一中心，然后在氣缸力的作用下進(jìn)行螺圈的鉚壓。此時，限位塊的厚度變化可以對氣缸前進(jìn)的行程產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響螺圈的鉚壓深度。

圖6 鉚壓機構(gòu)

圖7 為螺圈在自動裝配流程中的鉚壓流程。將組裝完成的轉(zhuǎn)向螺母小總成放入工裝底座，首先旋轉(zhuǎn)螺圈在扭矩達(dá)到8 N·m 時反轉(zhuǎn)78°，其次利用鉚壓氣缸檔位1 進(jìn)行鉚壓，再次旋轉(zhuǎn)螺圈在扭矩達(dá)到8 N·m時正轉(zhuǎn)27°，最后利用鉚壓氣缸檔位2 進(jìn)行鉚壓。

圖7 鉚壓流程圖

3 螺圈鉚壓測試方法

3.1 鉚點深度測量方法

鉚點深度測量系統(tǒng)由工裝底座、位移百分表和標(biāo)定工裝組成，如圖8 所示。在測量鉚點深度前，利用標(biāo)定件對位移百分表進(jìn)行標(biāo)零處理，然后將待測量零件放入工裝底座，調(diào)整零件的測量位置確保百分表能夠達(dá)到測量最深處，記錄鉚壓深度結(jié)果。

圖8 鉚點測量示意圖

3.2 剩余彈簧行程測量方法

轉(zhuǎn)向螺母裝配后引起了一個必然發(fā)生的問題，即球軸承在帶輪與螺圈之間存在一定位移量的軸向方向竄動即剩余彈簧行程。剩余彈簧行程可以通過在螺母與球軸承之間施加一個反向的力測量。當(dāng)固定完轉(zhuǎn)向螺母后，查看壓力表以1 000 N 正方向的力施加在球軸承上時測量螺母的位移值并取零點，再以1 000 N負(fù)方向的力施加在球軸承上時表顯的數(shù)值即為剩余彈簧行程，測量系統(tǒng)如圖9 所示。

圖9 剩余彈簧行程測量系統(tǒng)

4 螺圈鉚壓試驗及結(jié)論

試驗研究鉚點深度、鉚點高度和鉚壓力3 個變量對剩余彈簧行程的影響。將鉚壓力的公差分為3 組，分別為25 ～30 kN、30 ～35 kN、35 ～40 kN；將鉚壓深度的公差分為3 組，分別為0.2 ～0.5 mm、0.5 ～0.8 mm、0.8 ～1.2 mm；將鉚點高度的公差分為3 組，分別為2.0 ～2.5 mm、3.0 ～3.5 mm、3.5 ～4.0 mm。根據(jù)單一變量原則產(chǎn)生了27 種組合，對應(yīng)參照表如表1 所示。

表1 試驗參數(shù)表格

根據(jù)表1 的參數(shù)，采用所提的鉚壓方法和流程，對每一種變量組合方式測量了8 組剩余彈簧行程變量，結(jié)果曲線如圖10 所示。當(dāng)鉚壓深度低于3.5 mm 時，測量結(jié)果中出現(xiàn)剩余彈簧行程高于0.04 mm，會造成螺圈松脫、移動力波動大的情況。當(dāng)鉚點高度大于0.8 mm 時，剩余彈簧行程跳動較大，會導(dǎo)致同批次轉(zhuǎn)向機移動力表現(xiàn)差異大，無法有效控制過程。因此，序號為24 的變量組合方式為三點雙次鉚壓螺圈方式的最優(yōu)參數(shù)值，即鉚壓力控制在35 ～40 kN，鉚壓深度為0.50 ～0.85 mm，鉚壓高度為3.5 ～4.0 mm。

圖10 鉚壓深度與剩余彈簧行程關(guān)系折線

5 結(jié)語

以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機內(nèi)部轉(zhuǎn)向螺母的鉚壓過程為研究對象，明確鉚壓過程中對轉(zhuǎn)向機移動力波動的影響因素，得到了一種自動化裝配過程中的鉚壓方式，并提出了一種測試轉(zhuǎn)向螺母軸向間隙的方法。研究表明，鉚壓力控制在35 ～40 kN，鉚壓深度為0.50 ～0.85 mm，鉚壓高度為3.5 ～4.0 mm，三點雙次鉚壓方式時，能夠?qū)⑤S向間隙的波動和公差控制在一定范圍內(nèi)，并使轉(zhuǎn)向機的移動力波動控制在100 N 以內(nèi)。