汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱蝸桿軸承偏轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置

趙坤，戎榕

(慈興集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，浙江 寧波 315301)

汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)在工作過(guò)程中，蝸桿會(huì)有一定傾斜角度的狀況產(chǎn)生，轉(zhuǎn)向管柱蝸桿軸承內(nèi)外圈的實(shí)際相對(duì)傾斜角一旦超過(guò)軸承的最大允許偏轉(zhuǎn)角，內(nèi)外圈將被迫處于相互扭曲狀態(tài)，鋼球與溝道之間將產(chǎn)生過(guò)大載荷，造成軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及阻力增大，發(fā)生咬粘或早期疲勞破壞，從而影響軸承及轉(zhuǎn)向管柱的使用性能和使用壽命[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)軸承偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量大多采用手動(dòng)或半自動(dòng)方式，將外圈固定在檢測(cè)平臺(tái)上，憑借有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)量人員手動(dòng)推拉軸承內(nèi)圈進(jìn)行偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量。由于不同測(cè)量人員的操作方法及儀器的穩(wěn)定性存在差異，這種方法的測(cè)量誤差較大，且重復(fù)性較差。為準(zhǔn)確測(cè)量蝸桿軸承的偏轉(zhuǎn)角，結(jié)合客戶應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)研制了一種測(cè)量軸承自由偏轉(zhuǎn)角的專用裝置。

1 軸承偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量原理

1.1 計(jì)算方法

在無(wú)載荷條件下，徑向游隙能使軸承產(chǎn)生輕微的偏轉(zhuǎn)。自由偏轉(zhuǎn)角被定義為軸承零件在受力之前，內(nèi)圈軸線相對(duì)于外圈軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度。Harris對(duì)自由偏轉(zhuǎn)角作了精確的計(jì)算，其自由偏轉(zhuǎn)角與軸承各零件主要功能尺寸間的關(guān)系為

(1)

式中：θ為自由偏轉(zhuǎn)角；Gr為徑向游隙；Dpw為球組節(jié)圓直徑；fi為內(nèi)圈溝曲率系數(shù);fe為外圈溝曲率系數(shù)；Dw為鋼球直徑。一般情況下，采用近似計(jì)算方法，即

(2)

1.2 測(cè)量原理

為實(shí)現(xiàn)軸承偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、可靠的機(jī)械裝置，通過(guò)測(cè)量由偏轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的垂直軸承軸線方向的總移動(dòng)量，再換算得到軸承實(shí)際偏轉(zhuǎn)角。

將軸承裝入測(cè)量軸并水平固定外圈，在軸承上方距離軸承中心為L(zhǎng)處，通過(guò)測(cè)量軸分別施加垂直于軸承軸線方向，且大小相等、方向相反的2個(gè)推力，測(cè)量?jī)?nèi)圈相對(duì)于外圈的總移動(dòng)量d，由圖1所示的幾何關(guān)系可得

(3)

式中：L為推力施加處距軸承中心的距離；d為外力驅(qū)動(dòng)下測(cè)量軸在垂直軸承軸線方向的總移動(dòng)量。

圖1 偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量原理圖

2 偏轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置

根據(jù)客戶要求及蝸桿軸承的實(shí)際工況，所設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置可以對(duì)轉(zhuǎn)向管柱蝸桿用深溝球軸承及四點(diǎn)接觸球軸承的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量。另外，根據(jù)直線位移傳感器的量程，測(cè)量范圍為內(nèi)徑10～25 mm，偏轉(zhuǎn)角不超過(guò)2.5°的軸承。

2.1 測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，軸承偏轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置主要由軸承固定裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、線性傳動(dòng)軸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。軸承安裝于測(cè)量軸上，在保持外圈固定的前提下，從2個(gè)相反的方向移動(dòng)軸端，并通過(guò)移動(dòng)的位移值計(jì)算偏轉(zhuǎn)角。

2.2 測(cè)量過(guò)程

具體測(cè)量過(guò)程為：1)測(cè)試前將力傳感器和位移傳感器清零；2)伺服系統(tǒng)控制線性傳動(dòng)軸向左移動(dòng)，左、右?jiàn)A板在線性傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)且右?jiàn)A板的內(nèi)側(cè)面擠壓測(cè)量軸的上端，在右?jiàn)A板對(duì)測(cè)量軸擠壓的力到達(dá)測(cè)試所需要的力時(shí)通過(guò)直線位移傳感器獲取此時(shí)的位移量X1；3)線性傳動(dòng)軸回原位，伺服系統(tǒng)控制線性傳動(dòng)軸往右移動(dòng)，左、右?jiàn)A板在線性傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)且左夾板的內(nèi)側(cè)面擠壓測(cè)量軸的上端，當(dāng)左夾板對(duì)測(cè)量軸擠壓的力到達(dá)測(cè)試所需要的力時(shí)通過(guò)直線位移傳感器獲取此時(shí)的位移量X2，線性傳動(dòng)軸回原位；4)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算并顯示偏轉(zhuǎn)角數(shù)值。

1—軸承固定裝置；2—鎖緊螺母；3—彈性卡環(huán)；4—測(cè)試軸承；5—測(cè)量軸；6—左夾板；7—右?jiàn)A板；8—壓力傳感器；9—直線位移傳感器；10—線性傳動(dòng)軸；11—伺服系統(tǒng)；12—數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

根據(jù)軸承偏轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)，(3)式中的總移動(dòng)量d為

d=X1+X2-(M-D)，

(4)

式中：X1和X2為被測(cè)軸承的軸向位移量；M為兩夾板之間的距離；D為測(cè)量軸的前端球形的直徑。

3 測(cè)量效果分析

3.1 測(cè)試參數(shù)

測(cè)量軸承型號(hào)為6004ZZ，客戶定義軸承內(nèi)、外徑均為間隙配合，自由偏轉(zhuǎn)角不小于0.45°，徑向游隙為5～13 μm，軸承主要參數(shù)見(jiàn)表1。為確保內(nèi)圈相對(duì)于外圈的偏轉(zhuǎn)達(dá)到最大位置，且套圈不會(huì)產(chǎn)生彈性變形而影響偏轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果，根據(jù)客戶要求，設(shè)定夾板對(duì)測(cè)量軸的擠壓力為1.5 N。

表1 軸承主要參數(shù)

由(2)式計(jì)算得最小和最大偏轉(zhuǎn)角如下

3.2 試驗(yàn)分析

1)一位檢測(cè)員對(duì)一套6004ZZ軸承偏轉(zhuǎn)角測(cè)量50次，利用Minitab軟件，對(duì)該測(cè)量裝置的檢具能力指數(shù)Cgk進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖3所示，其Cgk值為1.78(>1.67)，表明該測(cè)量裝置具有穩(wěn)定的測(cè)試能力。

2)3位檢測(cè)員對(duì)10套6004ZZ軸承分別檢測(cè)3次，利用Minitab軟件對(duì)該測(cè)量裝置的重復(fù)性和再現(xiàn)性(GR&R)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，GR&R分析結(jié)果為9.05%，滿足測(cè)量系統(tǒng)GR&R≤10%的標(biāo)準(zhǔn)。表明該測(cè)量裝置的重復(fù)性、再現(xiàn)性符合要求。

圖3 測(cè)量裝置測(cè)量能力指數(shù)Cgk

圖4 測(cè)量裝置的GR&R分析

采用該測(cè)量裝置對(duì)10套軸承分別測(cè)量3次的實(shí)際測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，由表可知，軸承偏轉(zhuǎn)角的測(cè)試值在理論設(shè)計(jì)要求范圍(0.46°～0.76°)內(nèi)，且符合不小于0.45°的客戶要求。軸承裝機(jī)后的噪聲、偏轉(zhuǎn)角指標(biāo)均滿足客戶要求。

表2 軸承偏轉(zhuǎn)角

4 結(jié)束語(yǔ)

該軸承偏轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置設(shè)計(jì)合理，拆裝方便，可以滿足不同尺寸的轉(zhuǎn)向管柱蝸桿用球軸承的測(cè)量。對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行Cgk和GR&R分析表明，測(cè)量裝置能力充分，重復(fù)性、再現(xiàn)性符合要求。測(cè)試結(jié)果符合理論計(jì)算要求，可以滿足客戶要求。

目前，該測(cè)量裝置已應(yīng)用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱蝸桿軸承6004ZZ的偏轉(zhuǎn)角測(cè)試中。未來(lái)還考慮應(yīng)用于其他對(duì)軸承偏轉(zhuǎn)角有要求的應(yīng)用場(chǎng)合。