一種便攜式的液力變矩器內(nèi)孔裝配尺寸測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

陳炎俊，孫衛(wèi)紅

(中國計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

液力變矩器是以液體為介質(zhì)，利用液體的相互作用實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與液體動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)換，通過液體動(dòng)量矩的變化改變傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)裝置。與動(dòng)力機(jī)的輸出軸相匹配，可以起到傳遞轉(zhuǎn)矩和離合的作用，確保動(dòng)力機(jī)起步、變速和變載時(shí)的瞬態(tài)沖擊力不會(huì)反作用到動(dòng)力機(jī)上，使動(dòng)力機(jī)具有自適應(yīng)、無級(jí)變速、低速穩(wěn)定、過載保護(hù)以及減振隔振等性能，不僅能改善牽引特性，充分利用動(dòng)力機(jī)的輸出功率，還可以延長動(dòng)力機(jī)的壽命，提高安全性［1－2］。因此，在液力傳動(dòng)系統(tǒng)中，液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的裝配是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配精度取決于液力變矩器內(nèi)孔裝配尺寸。

現(xiàn)今對(duì)于深孔測(cè)量的方法主要有天津大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用了電容法［3］對(duì)盲孔深度的測(cè)量以及華中科技大學(xué)采用了激光三角內(nèi)孔測(cè)距［4］對(duì)深孔零件的孔深測(cè)量。電容方法測(cè)量盲孔深度是利用了以精密電容測(cè)微儀為核心所設(shè)計(jì)的非接觸式多傳感器組合測(cè)量法，利用多傳感器信息，利用不同時(shí)間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源描述被測(cè)對(duì)象。三角內(nèi)孔測(cè)量是利用激光三角測(cè)量和梯形棱鏡發(fā)生全反射能夠改變光路的特點(diǎn)。還有一種方法是采用深度游標(biāo)卡尺進(jìn)行人工手動(dòng)測(cè)量，然后用調(diào)整法進(jìn)行誤差補(bǔ)償。3種測(cè)量方法忽略了液力變矩器內(nèi)部零部件的裝配間隙以及內(nèi)部卡簧的平整度，而使用人工手動(dòng)測(cè)量具有盲目性，測(cè)量精度低，誤差較大，影響了液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的裝配精度，最終影響動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。

1 技術(shù)要求與基本工作原理

1.1 技術(shù)要求

從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出發(fā)，以液力變矩器與動(dòng)力機(jī)輸出軸的優(yōu)化匹配為研究對(duì)象，以精確檢測(cè)液力變矩器裝配體內(nèi)孔裝配尺寸(即液力變矩器上口平面至卡簧的距離，見圖1中的S值)為目標(biāo)，開發(fā)一種能夠現(xiàn)場(chǎng)精確檢測(cè)、工序簡單、使用方便、自動(dòng)化程度高的裝配體內(nèi)孔尺寸的便攜式測(cè)量裝置。該便攜式液力變矩器內(nèi)孔裝配尺寸測(cè)量裝置在測(cè)量裝配尺寸S的過程中，為了避免軸向定位的卡簧B位移發(fā)生變化，并消除在變矩器裝配過程中產(chǎn)生的累積誤差，在測(cè)量過程中應(yīng)對(duì)卡簧施加一定的壓力，然后再測(cè)量出裝配尺寸S。

圖1 液力變矩器裝配圖

1.2 基本工作原理

在實(shí)際的生產(chǎn)中，一般采用深度游標(biāo)卡尺進(jìn)行人工手動(dòng)測(cè)量，即通過深度游標(biāo)卡尺的底端接觸至卡簧，然后量出至液力變矩器上端口的距離。如前所述，用這種方法測(cè)量裝配尺寸，有3個(gè)影響因素:(1)測(cè)量過程中會(huì)引起讀取數(shù)據(jù)的誤差;(2)深度游標(biāo)卡尺的下端面接觸到卡簧，卡簧不平整導(dǎo)致誤差;(3)液力變矩器在與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸裝配的過程中給予了卡簧一定的壓力，在實(shí)際人工測(cè)量時(shí)沒有對(duì)卡簧施加壓力，忽略了液力變矩器的裝配累積誤差。用深度游標(biāo)卡尺進(jìn)行人工測(cè)量是很不科學(xué)的。

為此，設(shè)計(jì)一種便攜式液力變矩器裝配尺寸測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置由固定架、便攜式壓力機(jī)、激光頭組成。先把固定架安裝在液力變矩器上，手持便攜式壓力機(jī)，開啟電源開關(guān)，通過標(biāo)準(zhǔn)量棒A對(duì)卡簧施加一定的壓力，開啟激光頭，用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，得到激光頭到液力變矩器上端口的距離M。已知量棒的長度為L，測(cè)量位移為M，則液力變矩器的裝配尺寸S=L－M。

2 便攜式液力變矩器裝配尺寸測(cè)量裝置的工作原理

如圖2所示，先將固定架1通過圓桿和螺母固定在液力變矩器的端面上，然后把電動(dòng)壓力裝置通過圓孔裝在壓力固定架上。

圖2 測(cè)量裝置的整體外觀圖

如圖3所示，開啟便攜式壓力機(jī)2的電源后，壓力機(jī)中的直流電機(jī)17使蝸桿15轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)蝸輪4按照一定的傳動(dòng)比做減速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩增大。蝸輪通過鍵16帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上的螺紋與螺母座10上的螺紋發(fā)生嚙合，按照一定的傳動(dòng)比使螺母座發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由于螺母座受到導(dǎo)軌外殼9的自由度約束，只能進(jìn)行軸向的直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓桿端蓋12給予量棒A壓力后，用于起軸向定位的卡簧B受到量棒的壓力后正確定位，并消除一定的裝配累積誤差。此時(shí)關(guān)閉電源，由于在螺旋傳動(dòng)中螺紋升角小于螺旋副當(dāng)量摩擦角，當(dāng)電源關(guān)閉后壓桿11靜止不動(dòng)。開啟激光位移傳感器，由激光頭外殼13中的激光頭C測(cè)量出激光頭到液力變矩器上端口的距離M。液力變矩器的內(nèi)孔裝配尺寸可由量棒的長度L減去激光位移傳感器的測(cè)量值M得到。

圖3 便攜式壓力機(jī)工作原理圖

3 便攜式液力變矩器裝配尺寸測(cè)量裝置三維設(shè)計(jì)

3.1 零部件的三維造型設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)和實(shí)體模型設(shè)計(jì)方法，只要繪制出零件的基本特征，就能生成所要求的零件圖，其空間感、活動(dòng)感和實(shí)體感明顯直觀，且操作容易、修改方便，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。在設(shè)計(jì)過程中可以對(duì)零件任意放大、縮小、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，以便設(shè)計(jì)者從不同的位置、方向、角度進(jìn)行觀察。在轉(zhuǎn)變成二維工程圖時(shí)，可以自動(dòng)生成三視圖、截面圖、局部放大視圖等。若圖形不理想，可以回到零件模塊修改參數(shù)。零件設(shè)計(jì)修改完成，二維工程圖自動(dòng)精確生成，快速簡潔，使繪圖工作量大幅度減少，對(duì)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義［5］。在此測(cè)量裝置中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件三維設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)裝置零部件造型設(shè)計(jì)

3.2 測(cè)量裝置的三維裝配設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真

在零部件的三維造型完成后，對(duì)零部件進(jìn)行三維裝配設(shè)計(jì)。根據(jù)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)思路，給各個(gè)零部件添加約束，按從上到下、從外到內(nèi)的裝配原則進(jìn)行裝配，完成裝配體的設(shè)計(jì)后對(duì)裝配體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真［6］，模擬測(cè)量裝置在實(shí)際測(cè)量過程中可能出現(xiàn)的干涉等問題。完成的裝配設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 測(cè)量裝置的三維裝配設(shè)計(jì)

4 測(cè)量裝置轉(zhuǎn)軸的有限元分析

4.1 測(cè)量裝置轉(zhuǎn)軸有限元建模

該便攜式測(cè)量裝置中的轉(zhuǎn)軸是對(duì)量棒施加壓力的重要部件。電機(jī)啟動(dòng)后，蝸輪通過鍵傳遞給轉(zhuǎn)軸一個(gè)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)軸上帶有螺旋結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)螺母座在給定約束方向上進(jìn)行軸向直線運(yùn)動(dòng)，套在螺母座上的壓桿對(duì)量棒施加一定的壓力。通過初步校核螺紋牙的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，還須對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行整體性的力學(xué)分析。轉(zhuǎn)軸在運(yùn)動(dòng)過程中既承受了扭矩，還承受了彎矩的作用。考慮到轉(zhuǎn)軸上還帶有螺旋結(jié)構(gòu)，用傳統(tǒng)的力學(xué)分析必須經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)驗(yàn)證，對(duì)于不同的材料選擇，計(jì)算過程更加繁瑣［7－9］。因此，可以基于SolidWorks Simulation對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行靜力學(xué)分析。在仿真前需計(jì)算轉(zhuǎn)軸工作面的擠壓應(yīng)力和轉(zhuǎn)軸端部收到的軸向壓力。

轉(zhuǎn)軸承受的扭矩T

T=Fa×tan(φ+ρ')×d2/2=6 000×tan(7.08+5.19)×10.5/2=6 850.84 N·mm

(1)鍵槽工作面的擠壓應(yīng)力

式中:σc為工作面的擠壓應(yīng)力(MPa);

d為軸的直徑;

l為鍵的工作長度，圓頭平鍵l=L－b;

k為鍵與輪的接觸高度。

(2)軸向壓力

取F=5 000 N。

如圖4(a)所示的模型信息圖，在分析時(shí)可簡化為同等材料的整體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)軸采用密度為7 700 kg/m3，彈性模量為2.1×1111N/m2，屈服強(qiáng)度為6.204 22×108N/m2，泊松比為0.28的合金鋼材料。為提高分析精度，網(wǎng)格劃分時(shí)采用了雅可比點(diǎn)為4點(diǎn)、單元大小為2.662 74 mm、公差為0.133 137 mm、節(jié)點(diǎn)總數(shù)為26 914、單元總數(shù)為15 987的高品質(zhì)網(wǎng)格。

考慮到轉(zhuǎn)軸為靜止的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可在轉(zhuǎn)軸的底部施加一個(gè)5 000 N的力，轉(zhuǎn)軸與鍵接觸的端面處壓力為1.612×107N/m2，轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)接頭定義為軸承支撐，使用夾具對(duì)其中一個(gè)端面進(jìn)行固定。如圖6所示為轉(zhuǎn)軸的有限元建模，對(duì)其施加約束、載荷和單元格劃分預(yù)處理。

圖6 有限元建模模型

4.2 測(cè)量裝置轉(zhuǎn)軸有限元求解分析

開啟電源，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，壓桿對(duì)量棒施加壓力，轉(zhuǎn)軸受力變形產(chǎn)生的有限元分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力分析圖

圖8 轉(zhuǎn)軸的合位移分析圖

直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)蝸桿、渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪通過鍵與轉(zhuǎn)軸相連，因此，長時(shí)間的工作后，鍵與轉(zhuǎn)軸的工作面間最容易發(fā)生破壞。由圖7可得:轉(zhuǎn)軸接觸面上的最大應(yīng)力為4.61×107N/m2，而該材料的屈服應(yīng)力為6.2×108N/m2，工作接觸面的工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力;轉(zhuǎn)軸帶有螺紋的應(yīng)力較大處主要在螺紋的齒根附近處，該部分的最大應(yīng)力值為1.84×108N/m2，遠(yuǎn)小于材料的屈服力;圖中最大應(yīng)力為5.526×108N/m2，可知轉(zhuǎn)軸即使變形也是發(fā)生在彈性變化范圍內(nèi)。圖8是變形量為原來的34倍情況下的合位移分析圖，可以看到:轉(zhuǎn)軸的螺紋前端處紅色區(qū)域處的變形量最大，轉(zhuǎn)軸的最大變形量為4.958×10－2mm，最小變形量為1.000×10－30mm。以測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)軸為仿真模型，采用有限元法對(duì)轉(zhuǎn)軸在不同材料、載荷情況下的靜力特性進(jìn)行了分析，最后求出了轉(zhuǎn)軸最薄弱處的最大應(yīng)力值和最大合位移值。得出轉(zhuǎn)軸的最大合位移在屈服力的范圍內(nèi)，而最大變形量很小，對(duì)實(shí)際測(cè)量不會(huì)造成影響。開啟電源后，推桿給予量棒前端處一定的壓力固定不動(dòng)后，可對(duì)液力變矩器裝配尺寸進(jìn)行正常測(cè)量。

5 結(jié)論

在研究液力變矩器裝配尺寸測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型的便攜式液力變矩器測(cè)量裝置［10］。對(duì)該便攜式液力變矩器裝配尺寸測(cè)量裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征研究，利用SolidWorks對(duì)其所有的零部件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，對(duì)該便攜式測(cè)量裝置進(jìn)行裝配，并用Solid-Works Simulation對(duì)測(cè)量裝置中的重要零部件的三維模型進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了該便攜式測(cè)量裝置在測(cè)量過程中的可行性與穩(wěn)定性。通過對(duì)液力變矩器裝配尺寸的精確測(cè)量，獲得精確的測(cè)量尺寸，利用分組裝配法將對(duì)應(yīng)測(cè)量尺寸進(jìn)行分組裝配，消除了裝配誤差。文中對(duì)于液力變矩器裝配尺寸的測(cè)量及便攜式液力變矩器裝配尺寸測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)具有研究價(jià)值，對(duì)維修液力變矩器、生產(chǎn)便攜式液力變矩器裝配尺寸測(cè)量裝置具有指導(dǎo)意義。

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