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TIMKEN圓錐滾子軸承遊隙免調技術——Set-Right

  

圓錐滾子軸承由於具有承載複合載荷(既有徑向力又有軸向力)的顯著優點而在工業領域得到廣泛應用。圓錐滾子軸承軸向遊隙的設定正確與否直接決定了軸承的運行壽命,而遊隙的調整是一項精密、技術含量較高的工程,往往需要專業人員和專用設備實施,特別是在大批量生產領域,如汽車行業,靠人工對每個軸承係統進行遊隙調整將付出巨大的人工成本,而且效率低下。而如果用專用設備進行遊隙檢測和調整,則需要一定的固定資產投入和相應的設備維護成本。針對這種情況,鐵姆肯公司采用Set-Right(TM)技術,利用產品公差控製法來預設圓錐滾子軸承的遊隙,避免了裝配期間的調整過程,不僅極大的提高了裝配效率,降低了客戶生產成本,而且保證了遊隙調整的精度。
   

傳統的圓錐滾子軸承遊隙調整方法主要采用人工或專業裝備測量間隙或扭矩來進行,一個專業的調整過程的確可以達到與Set-Right(TM)相當的精度,但存在一定的幹擾因素和限製條件。如通過間隙測量法和扭矩測量法來調整遊隙時,則在測量裝備的精度、人員技能、設備結構設計和計算非軸承零件轉動扭矩的影響等方麵有著較高的要求。
   

鐵姆肯公司Set-Right(TM)技術的定義為:通過控製各裝配組件公差變量值並運用概率論和統計學原理,使99.73%的圓錐滾子軸承遊隙在裝配後達到所要求的遊隙值,避免了額外的調整遊隙過程。這其中涵蓋了概率論、統計學原理、尺寸鏈計算和六西格瑪精益生產的理念。該技術幾十年來已經為眾多客戶所采用,在汽車輪端、工業齒輪箱、工程機械取力器等領域得到廣泛應用。與上述傳統的遊隙調整方法相比,其優點概括如下:
   

1. 降低生產線人力成本支出和技術能力要求
2. 所有裝配組件無需選配,可實現快速、準確組裝,最適於大批量生產

3. 避免裝配現場數據測量和調整步驟

4. 無需遊隙調整用的專用設備和工裝夾具

5. 取消了遊隙調整常規用的墊片等零件

6. 售後市場的維護更容易、快速和準確
   

 以下詳細介紹Set-Right(TM)技術的原理和應用方法。
   

一、Set-Right(TM)原理

組成軸承係統的軸承、軸、軸承座、隔圈等組件有各自的設計公差,在製作過程中又會由於設備、材料、人員和環境等因素產生製造加工誤差,合格產品的製造誤差在設計公差最小和最大值範圍內進行波動。有些零件的最終尺寸會接近公差允許邊界,但大部分零件加工後的尺寸會符合統計概率中的正態分布,如圖一所示。橫坐標為公差值,縱坐標為出現某個公差值的頻率,而且統計的零件數量越多,曲線越趨於光滑和更符合中間尺寸多、兩頭尺寸少的特點。
 

  

按正態分布特點,大約99.73%的值將落在平均值處±3σ區間內(見圖二)、西格瑪(σ)指的是標準偏差,反映了數據的離散程度,即實際加工尺寸的波動範圍的大小。如果在實際生產中,再加以推行六西格瑪精益生產管理方式,那麽將會進一步提高零件合格率和質量穩定性。圖紙上要求的零件尺寸公差範圍反映的是設計要求,也可以理解為客戶要求。在實際生產過程中,零件的實際加工尺寸在規定公差範圍內的波動情況和均值分布位置反映了加工精度和製程質量管理能力的好壞。在六西格瑪精益生產管理中,由於加強了零件加工過程的質量控製,使σ值和均值分布位置(圖一中的μ)均可以按量終產品要求進行及時調整,提高了加工精度,減少了尺寸波動性。結合正態分布特點,當零件尺寸在設計公差範圍內有部分尺寸段無法滿足最終產品要求時,運用6σ生產管理,在不提高設計要求的情況下,可使99.73%的零件加工尺寸符合最終使用要求。基於此理論,鐵姆肯公司的Set-Right(TM)技術也要求所有軸承安裝係統的零件都要進行6σ生產控製,使最終裝配後99.73%的軸承係統內零件尺寸累積公差(軸承係統安裝遊隙)在6σ的範圍之內,並且符合正態分布,使大部分軸承係統遊隙圍繞要求範圍的中間值波動。如果σ(標準偏差)值越小,說明生產過程越穩定,產品尺寸變化越小,最終遊隙變化範圍也越小,更有利於大多數軸承在疲勞壽命高的遊隙範圍內運行。如圖二所示。
   

二,確定影響軸承遊隙的獨立變量
在計算分析軸承係統中各零件尺寸公差之前,需要確定影響軸承遊隙的獨立變量,這些變量是相應零件上的某些尺寸。通常來講,一個標準的軸承係統中,會影響軸承遊隙的獨立變量有:內圈內徑、內圈座高、外圈外徑、外圍座高、軸的外徑、軸承座內徑、軸或軸承座軸肩寬度、隔圈寬度等。這些變量都獨立存在,但會共同作用於軸承遊隙值的設定。值得注意的是,由於圓錐滾子軸承的遊隙指的是軸向遊隙,其中一些變量如軸的外徑,外圍外徑等徑向變量必須進行轉換成軸向值,方能進行隨後的計算。下圖三為一個簡單軸承係統內獨立變量的定義,黃色圓點為某個獨立變量。而對於不同的軸承應用係統,其獨立變量的數量和定義需要區別對待。
   

 

三、分析數據,按步驟計算

1. 完成各獨立變量公差數據采集
2. 將所有徑向變量轉換為軸向變量值
3. 計算出每一個獨立變量的σ(標準偏差)值
4. 將各個獨立變量運用公式,算得到裝配後的係統σ (標準偏差)值和6σ值
5. 將得到的係統6σ值與軸承應用所要求的遊隙值進行比較,檢查6σ值的範圍是否在所要求的遊隙範圍內,如果大於要求範圍,則必須通過調整各獨立變量的公差來減小σ值,從而縮小6σ值的範圍,即進一步縮小零件的某個尺寸的設計和製造公差。
6.完成所有軸承係統內零件的名義尺寸公差計算後,待生產廠家對零件的尺寸公差要求確認後,即可組織生產,實現遊隙的無選配和免調整設定。
   

 

四、Set-Right(TM)應用舉例
1. 以汽車非驅動輪應用為例。輪端係統結構如圖四,
2. 確定獨立變量
由於此應用為非驅動輪,軸承為外圍旋轉,內圈靜止,故外圈與輪轂配合為緊配,而內圈與軸為鬆配。由此可以確定影響軸承軸向遊隙10個獨立變量。(表一)
3. 分別計算10個獨立變量的σ值。在計算過程必須考慮軸承、車軸,輪轂的材料,特別是輪轂材料,因為有許多車輪已使用了輕型材料、鋁如合金材料。此例輪轂材料考慮為常用的鑄鐵。另外所有徑向獨立變量必須轉換成軸向變量值,此轉換應考慮軸承與輪轂和軸的配合、各部件材料、軸承內部結構等因素,在此暫不作進一步闡述。計算結果輸入上表。
4. 運用公式得到整個車輪軸承係統安裝後的σ值=0.0258mm,6σ= 0. 1548mm
5. 根據汽車非驅動車輪端應用,如采用軸承正安裝遊隙範圍為O.02mm-0.20mm,則6σ= 0.1548mm<0. 18mm(O.20mm-O.02mm),說明上述各獨立變量的公差範圍設計符合應用要求,無須提高各零件加工精度。
6. 其他應用如齒輪箱,也可以針對每一根軸的軸承係統進行單獨分析,僅需注意內外圈配合的不同選用、各部件的材料、不同軸承的內部結構 (影響徑向獨立變量轉換成軸向變量值)、不同軸承安裝遊隙範圍要求(此值在軸承選型分析時根據不同應用確定)等因素,即可實現Set-Right(TM)技術在不同行業的應用。
   

Set-Right(TM)遊隙免調技術通常適合大批量生產,但對於小批量如小於100件的生產,Set-Right(TM)有時也可以得到很好的應用。其中的關鍵是要根據實際生產情況,確定各獨立變量的公差的準確分布形態。由於產量小,生產周期短,會造成某個時段內產品公差的分布偏向公差範圍一邊,此時就需要針對這種公差分布形態來具體運用Set-Right(TM)技術。
   

Set-Right(TM)技術的確對產品的製造精度提高了要求,但隨著加工設備能力和企業質量管理水平的不斷提高,不但解決了該問題,而且促進了企業裝備和管理水平的更新和提升。TIMKEN®高精度軸承不僅為Set-Right(TM)技術的成功應用提供了可靠基礎,更重要的是為客戶帶來了更大的經濟利益。

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