彈性預(yù)緊軸承組件預(yù)緊力測(cè)試臺(tái)的研制及試驗(yàn)*

李 榮，陳文敏

(1.黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱 150050;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001;3.奇瑞汽車有限公司試驗(yàn)中心，蕪湖 241006)

0 引言

軸承組件是許多裝備的關(guān)鍵部件，是確保裝備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心。如何保證軸承組件在大溫差等惡劣的工作環(huán)境中正常工作是許多科技工作者共同關(guān)心的問題。軸承組件的預(yù)緊方式主要有兩種，即定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊，工作在大溫差環(huán)境且承載能力要求不是很高的情況下，為了確保軸承組件能夠安全可靠的工作，設(shè)計(jì)者多采用定壓預(yù)緊方式來實(shí)現(xiàn)，也就是我們常說的彈性預(yù)緊方式，并且彈性元件的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸承的剛度［1］。一般設(shè)計(jì)者認(rèn)為設(shè)計(jì)中采用了彈性預(yù)緊方式，就可以確保設(shè)備能夠安全可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，往往會(huì)忽視設(shè)備實(shí)際的裝調(diào)結(jié)果。因此需要有一種檢測(cè)裝置能夠?qū)椥灶A(yù)緊軸承組件的實(shí)際預(yù)緊力進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 彈性預(yù)緊軸承組件的設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承的預(yù)緊，是指軸承在裝配好后，使用某種方式在軸承內(nèi)圈或外圈上沿其軸線方向施加一恒定的力，并保持這種力使內(nèi)、外圈沿軸向產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，一方面可消除軸承內(nèi)部的游隙，另一方面又同時(shí)可迫使?jié)L動(dòng)體和內(nèi)、外圈緊密接觸，并在接觸處產(chǎn)生一定的變形。由于這種變形不是軸承承受載荷產(chǎn)生的，所以稱之為預(yù)變形［1］。通過對(duì)軸承施加預(yù)緊力，提高軸承滾珠負(fù)載的均勻性，提高旋轉(zhuǎn)精度，減小振動(dòng)和噪聲，在高速輕載球軸承中可以防止鋼球發(fā)生公轉(zhuǎn)打滑，減小鋼球自旋滑動(dòng)，從而減小摩擦和發(fā)熱，最終使機(jī)構(gòu)達(dá)到長壽命的要求［2-3］。

1.1 定壓預(yù)緊

利用彈簧等彈性零件使軸承承受一定的軸向載荷并產(chǎn)生預(yù)變形的方法稱為定壓預(yù)緊。定壓預(yù)緊不易出現(xiàn)卸載狀態(tài)，并且預(yù)緊量不受溫度變化的影響，但對(duì)軸系剛度的提高不利。定壓預(yù)緊通常用在機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速較高，對(duì)精度又有一定要求的機(jī)構(gòu)中。預(yù)緊彈簧的剛性一般要比軸承的剛性小得多，所以定壓預(yù)緊的軸承相對(duì)位置在使用中會(huì)有變化，但預(yù)緊量卻大致不變［4］。但在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮在地面測(cè)試時(shí)，機(jī)構(gòu)不能產(chǎn)生脫載的現(xiàn)象。

如圖1～圖3所示，用于預(yù)緊的彈性元件，可以采用螺旋彈簧、波形墊圈［5-7］、膜片彈簧［7-8］等。雖然定壓預(yù)緊方式具有對(duì)溫度不敏感的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著承載能力不高、容易由于振動(dòng)引起彈性元件疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。所以在軸系的設(shè)計(jì)過程中，通常都設(shè)計(jì)有軸向限位機(jī)構(gòu)，避免軸向位移較大。

圖1 采用波形墊圈預(yù)緊的某飛輪機(jī)構(gòu)

圖2 采用螺旋彈簧預(yù)緊的某軸系

圖3 采用膜片彈簧預(yù)緊的某軸系

1.2 彈性預(yù)緊電機(jī)組件的設(shè)計(jì)

為了減小電機(jī)軸系組件的尺寸，彈性預(yù)緊元件選用了碟簧，材料為不銹鋼X10CrNi18-8。由于電機(jī)組件的轉(zhuǎn)速最高為133RPM，轉(zhuǎn)速較低，碟簧及其限位環(huán)對(duì)電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加較小，因此將碟簧安裝在電機(jī)軸上，碟簧的作用力作用在軸承的內(nèi)環(huán)上而不是作用在外環(huán)上(如圖4所示)。軸承的內(nèi)環(huán)與電機(jī)軸一端為小間隙配合，使得軸承1的內(nèi)環(huán)在碟簧的作用下可以在電機(jī)軸上產(chǎn)生滑動(dòng)以適應(yīng)電機(jī)軸系組件殼體與電機(jī)軸由于溫差而產(chǎn)生的軸向長度變化。為了確保軸承內(nèi)環(huán)與電機(jī)軸之間可以滑動(dòng)，電機(jī)軸采用了與軸承相同的材料，可以確保在不同工作溫度下配合間隙不發(fā)生變化。為了保證滑動(dòng)的效果，避免冷焊的發(fā)生，在電機(jī)軸上濺射有MoS2固體潤滑膜。圖5為彈性預(yù)緊電機(jī)軸系組件的實(shí)物照片。

圖4 彈性預(yù)緊電機(jī)軸系組件

圖5 彈性預(yù)緊電機(jī)軸系組件實(shí)物照片

2 預(yù)緊力測(cè)試原理及其誤差分析

剛度是彈性體的一種力學(xué)特性，它由加在物體上的力和物體在此力的作用方向上產(chǎn)生的位移的比值表示。對(duì)于軸承或軸承組件而言就不簡單是一個(gè)彈性體了，單個(gè)軸承的軸向剛度就是當(dāng)軸承外圈/內(nèi)圈固定，沿軸承內(nèi)圈/外圈軸線方向加載時(shí)，加載載荷與內(nèi)圈/外圈端面在此載荷作用方向上的位移的比值稱為軸承的軸向剛度，這一剛度包括軸承內(nèi)外座圈和所有滾珠的接觸剛度。角接觸球軸承其工作面是復(fù)雜曲面，其剛度非線性極其明顯，幾何參數(shù)多，影響復(fù)雜，計(jì)算精度差，因此為了提高機(jī)構(gòu)的可靠性，國內(nèi)外空間機(jī)構(gòu)應(yīng)用的高精度軸承、軸承組件都進(jìn)行精確的剛度測(cè)試。軸承組件的剛度曲線，是軸承加載的依據(jù)。

利用預(yù)緊力測(cè)試裝置對(duì)軸承組件在軸向施加一定的載荷，同時(shí)測(cè)得在該載荷下的位移，將加載載荷與相應(yīng)的位移值繪制成曲線，就可以得到軸承組件的軸向剛度曲線。對(duì)于定位預(yù)緊即剛性預(yù)緊的軸承組件根據(jù)加載的要求確定預(yù)緊點(diǎn)，經(jīng)過此點(diǎn)之后，軸承剛度不再起其主要作用，軸承隔環(huán)的剛度將起到主要作用，剛度曲線經(jīng)過此點(diǎn)突然變平，表明預(yù)緊點(diǎn)就在此點(diǎn)［9-10］。而對(duì)于彈性預(yù)緊軸承組件的預(yù)緊力的確定與此相似。

圖6是軸承加載載荷與位移關(guān)系變化曲線圖，其中F1、F2為加載載荷，V1和V2是剛度曲線的拐點(diǎn)。軸向剛度曲線由a、b和c三段組成，a段為某一個(gè)軸承的卸載過程曲線，b段為彈簧壓縮過程曲線，c段為限位機(jī)構(gòu)起作用后對(duì)另一個(gè)軸承的加載過程曲線。

圖6 加載剛度曲線

3 預(yù)緊力測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)

軸承軸向剛度測(cè)試平臺(tái)主要由基座、加載裝置、導(dǎo)向裝置、軸承安裝工裝、壓力傳感器、位移傳感器等幾部分組成。加載裝置采用彈簧加載、力傳感器檢測(cè)的方式。與砝碼加載方式相比，采用彈簧加載的方式可以使加載載荷連續(xù)變化，并且通過采用彈簧可以對(duì)加載載荷進(jìn)行細(xì)分，提高載荷的分辨率;與氣動(dòng)加載方式相比，彈簧加載方式更加平穩(wěn)，見表1。

表1 測(cè)試方法對(duì)比

3.1 載荷加載單元

為了提高加載載荷的分辨率，在力傳感器組件與加載螺母之間設(shè)計(jì)有壓縮彈簧，由于壓縮彈簧剛度相對(duì)較低，其可以將加載螺母的加載行程進(jìn)行放大，從而提高加載載荷的分辨率。另外，直線軸承支架和跑合平臺(tái)上支承板之間裝有4根拉簧，用于平衡直線軸承支架和力傳感器組件的自重。在保證最大載荷的前提下，加載彈簧的剛度應(yīng)該盡量小，以提高加載時(shí)的靈敏度。此處選擇的加載彈簧剛度為14.32N/mm，拉簧的剛度為0.51N/mm。直線軸承和直線導(dǎo)軌保證了載荷方向與直線導(dǎo)軌軸向平行，且加載時(shí)，加載壓頭與軸承工裝為點(diǎn)接觸，加載螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起壓力傳感器的側(cè)向位移，避免了側(cè)向力導(dǎo)致的加載不準(zhǔn)確。剪切S梁型壓力傳感器抗側(cè)向力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，精度較好，故采用該傳感器來測(cè)量加載力。選用了BK-2F測(cè)力傳感器，該傳感器具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。該力傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表2所示，Mark-10測(cè)力傳感器見圖7。

表2 BK-2F測(cè)力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

圖7 Mark-10測(cè)力傳感器

3.2 位移檢測(cè)單元

位移檢測(cè)單元采用旁向電感測(cè)頭實(shí)現(xiàn)，之所以采用旁向電感測(cè)頭一是因?yàn)榭臻g的原因，軸向測(cè)頭無法安裝，二是因?yàn)榕韵驕y(cè)頭精度比軸向測(cè)頭高。以往電感量儀的電表是指針式儀表，指針擺動(dòng)易受干擾，短時(shí)間內(nèi)有時(shí)難以穩(wěn)定，測(cè)量需要的穩(wěn)定時(shí)間長。本裝置的旁向電感測(cè)頭采用了Mahr1318，該電感測(cè)頭精度高，性能穩(wěn)定。數(shù)顯裝置采用了Mahr C 1216。

3.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

加載力加到軸承組件及其工裝上，加載力的方向應(yīng)該是不變的，沿著軸承旋轉(zhuǎn)軸線的方向，不允許偏斜，偏斜就會(huì)帶來側(cè)向力，造成剛度測(cè)試不準(zhǔn)確。本裝置的加載導(dǎo)向系統(tǒng)將加載螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可能帶來的干擾力矩抵消，不會(huì)引起力傳感器所傳遞的加載力產(chǎn)生側(cè)向位移，因?yàn)閴毫鞲衅鞯霓D(zhuǎn)動(dòng)受到直線軸承和兩根直線導(dǎo)軌的約束。壓力傳感器只能按導(dǎo)軌的導(dǎo)向方向運(yùn)動(dòng)，這樣將大大提高力傳感器位移的穩(wěn)定度和系統(tǒng)加載的穩(wěn)定度。

彈性預(yù)緊力測(cè)試臺(tái)上設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)的安裝接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同軸承組件的預(yù)緊力的測(cè)試。

4 軸承彈性預(yù)緊力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

采用上述方案研制的彈性預(yù)緊軸承組件預(yù)緊力測(cè)試臺(tái)如圖8所示。

圖8 預(yù)緊力測(cè)試臺(tái)實(shí)物照片

利用所研制的軸承預(yù)緊力測(cè)試臺(tái)對(duì)采用碟形彈簧預(yù)緊的某電機(jī)軸承組件的預(yù)緊力進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，被測(cè)軸承組件的軸向剛度曲線在55N和70N兩點(diǎn)附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)，兩個(gè)拐點(diǎn)之間的距離為23.4μm，則可以判斷軸承的預(yù)緊力為55N，碟簧的彈性變化行程為23.4μm。

圖9 預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)某電機(jī)軸承組件的研制需求，采用采用精密力傳感器研制了彈性預(yù)緊軸承組件預(yù)緊力測(cè)試臺(tái)。該測(cè)試臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一定預(yù)緊力范圍內(nèi)不同彈性預(yù)緊軸承組件預(yù)緊力的檢測(cè)和彈性預(yù)緊限位行程的檢測(cè)。

最后利用所研制的彈性預(yù)緊軸承組件預(yù)緊力測(cè)試臺(tái)對(duì)某電機(jī)軸承組件的預(yù)緊力了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，表明該測(cè)試臺(tái)可滿足被測(cè)軸承組件的研制需求。

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