重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)*

□ 黃佳男 □ 朱約瑟 □ 范零峰 □ 王建航 □ 童成鵬 □ 雷良育,3

1.浙江農(nóng)林大學(xué) 光機(jī)電工程學(xué)院 杭州 311300 2.杭州百鄉(xiāng)緣農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司 杭州 311200 3.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司 杭州 311232

近年來(lái),由于國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大范圍增加,以及網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物和快遞行業(yè)的發(fā)展,重型卡車的需求迎來(lái)了較快增長(zhǎng)。華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的2021至2026年我國(guó)重型卡車行業(yè)發(fā)展監(jiān)測(cè)及投資戰(zhàn)略規(guī)劃研究報(bào)告顯示,2019年我國(guó)重型卡車產(chǎn)量已達(dá)119.3萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)7.2%;2020年我國(guó)重型卡車產(chǎn)量達(dá)到165.5萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)38.7%。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)及對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的研究,重型卡車的產(chǎn)銷量仍將維持高水平,我國(guó)重型卡車的需求量很大。

重型卡車輪轂軸承是重型卡車動(dòng)力傳動(dòng)系的一部分,重型卡車輪轂軸承摩擦力矩可以綜合反映摩擦性能。輪轂軸承內(nèi)外圈球面或錐面的貼合度、預(yù)緊狀況等是輪轂軸承的重要技術(shù)參數(shù)[1]。筆者設(shè)計(jì)了重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)。

1 重型卡車輪轂軸承組成

重型卡車在勻速直行時(shí),輪轂軸承主要承受徑向載荷。轉(zhuǎn)彎時(shí),又要承受巨大的軸向載荷。如此的工作特性要求軸承需要承受較大的徑向和軸向聯(lián)合載荷。筆者研究的重型卡車輪轂軸承由雙列圓錐滾子軸承嵌套在輪轂球殼內(nèi),主要由車橋、車橋主軸、軸承內(nèi)圈、軸承外圈、滾動(dòng)體、保持架、球殼、制動(dòng)鼓等組成[2]。重型卡車輪轂軸承裝配形式如圖1所示,結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖2所示,主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 重型卡車輪轂軸承裝配形式

圖2 重型卡車輪轂軸承結(jié)構(gòu)爆炸圖

表1 重型卡車輪轂軸承主要參數(shù)

2 摩擦力矩檢測(cè)原理

重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)采用平衡法原理來(lái)檢測(cè)摩擦力矩。輪轂軸承內(nèi)圈以給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),輪轂軸承外圈因?yàn)槟Σ亮氐淖饔脮?huì)隨著輪轂軸承內(nèi)圈運(yùn)動(dòng),此時(shí)在輪轂軸承外圈上施加一個(gè)外力矩,使所施加的外力矩與被測(cè)摩擦力矩大小相等、方向相反,從而使輪轂軸承外圈處于受力平衡狀態(tài),所施加的外力矩大小即為被測(cè)摩擦力矩的大小[3-4]。平衡法原理如圖3所示。

圖3 平衡法原理

3 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計(jì)的重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)浙江某公司開發(fā)的13 t重型卡車輪轂軸承。根據(jù)平衡法原理及總體設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由機(jī)架、試驗(yàn)工裝、頂升裝置、下壓檢測(cè)裝置、測(cè)控系統(tǒng)等組成,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 在線檢測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)

5 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 輸送線

機(jī)架與輸送線相配合,輸送線的水平直線距離為190 mm[5]。當(dāng)載有輪轂軸承的托盤從上一工序進(jìn)入重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)的指定位置后,前擋料氣缸抬起,用于托盤預(yù)擋料。到達(dá)射頻識(shí)別模塊和紅外傳感器模塊后,后擋料氣缸抬起,實(shí)現(xiàn)托盤頂升前的粗定位。止回器組件可以防止托盤回彈。重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)輸送線結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 在線檢測(cè)系統(tǒng)輸送線結(jié)構(gòu)

5.2 頂升裝置

頂升裝置主要包括頂頭、頂升氣缸、頂升擋塊、下滑臺(tái)橫移氣缸、限位橫移擋塊、伺服電機(jī)[6]。當(dāng)載有輪轂軸承的托盤到達(dá)指定檢測(cè)位置時(shí),頂升氣缸頂起頂頭,卡進(jìn)被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈,由此頂升輪轂軸承脫離托盤至檢測(cè)高度,與上壓頭配合。工作時(shí),頂升氣缸先粗略頂升60 mm,之后兩個(gè)下滑臺(tái)橫移氣缸各推動(dòng)限位橫移擋塊30 mm,使限位橫移擋塊到達(dá)頂升擋塊下。限位橫移擋塊高57 mm,到達(dá)指定位置后,頂升氣缸推動(dòng)頂頭下降,使頂升擋塊剛好卡在限位橫移擋塊高度上,確保頂升裝置的頂升高度[7],為進(jìn)入下一步檢測(cè)工序做好準(zhǔn)備。重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)頂升裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 在線檢測(cè)系統(tǒng)頂升裝置結(jié)構(gòu)

5.3 下壓檢測(cè)裝置

下壓檢測(cè)裝置由上壓頭、扭矩傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。上壓頭內(nèi)部通過(guò)機(jī)架頂端的氣液增壓缸壓入被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈,與頂頭形成配合,卡住被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈,抑制被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈在帶動(dòng)被測(cè)輪轂軸承外圈時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于上壓頭上方的外圈帶動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬扭力扳手動(dòng)作,帶動(dòng)被測(cè)輪轂軸承實(shí)現(xiàn)勻脂,開始進(jìn)行摩擦力矩的自動(dòng)檢測(cè)。整個(gè)檢測(cè)步驟分為兩步。第一步為檢測(cè)啟動(dòng)摩擦力矩,外圈帶動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)試驗(yàn)工裝,使被測(cè)輪轂軸承外圈以1 rad/s的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),且每轉(zhuǎn)動(dòng)1 s停轉(zhuǎn)0.5 s,持續(xù)五次,以此模仿被測(cè)輪轂軸承啟動(dòng)狀態(tài),得到被測(cè)輪轂軸承的啟動(dòng)摩擦力矩[8]。第二步為檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩,外圈帶動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)試驗(yàn)工裝,使被測(cè)輪轂軸承外圈以600 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),持續(xù)5 s,整個(gè)過(guò)程中扭矩傳感器同步進(jìn)行檢測(cè),并且向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)輸入摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)記錄摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)時(shí),若有一項(xiàng)不符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),則會(huì)被判定為不合格。重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)下壓檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 在線檢測(cè)系統(tǒng)下壓檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

5.4 測(cè)控裝置

重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控裝置主要由可編程序控制器和人機(jī)界面組成。可編程序控制器通過(guò)接觸器的電磁閥來(lái)控制頂升裝置頂升、頂頭下伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)、下壓檢測(cè)裝置氣液增壓缸下壓、上壓頭上方外圈帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。檢測(cè)的摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)不在合格范圍內(nèi)時(shí),計(jì)算機(jī)及時(shí)報(bào)警,可編程序控制器控制氣缸將不合格品推出[9]。

6 樣機(jī)研制

根據(jù)設(shè)計(jì)研制的重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)如圖8所示。

圖8 重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下壓檢測(cè)裝置的定位部件上升到系統(tǒng)設(shè)定位置,測(cè)控裝置發(fā)出信號(hào),使用于摩擦力矩檢測(cè)的上壓頭恰好在被測(cè)輪轂軸承正上方。紅外傳感器確認(rèn)位置無(wú)誤后,頂頭和上壓頭芯軸同時(shí)壓入被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈,頂頭用于驅(qū)動(dòng)被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),上壓頭芯軸用于檢測(cè)摩擦力矩。用于摩擦力矩檢測(cè)的上壓頭的外部材料為橡膠材質(zhì),球殼上有與上壓頭外部橡膠寬度相等的圓環(huán)凹槽。在檢測(cè)摩擦力矩時(shí),上壓頭外部卡入球殼上環(huán)形凹槽,并將球殼固定,進(jìn)而將被測(cè)輪轂軸承外圈固定住,不存在旋轉(zhuǎn)位移。

被測(cè)輪轂軸承定位后,頂升裝置的伺服電機(jī)開始旋轉(zhuǎn),通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)頂升裝置的頂頭旋轉(zhuǎn)。由于被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈與上壓頭芯軸、頂頭一同旋轉(zhuǎn),上壓頭外部施加一個(gè)和摩擦力矩同等大小、方向相反的力矩,才能使被測(cè)輪轂軸承外圈保持靜止。被測(cè)輪轂軸承從靜止到旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中,上壓頭內(nèi)部的扭矩傳感器同步進(jìn)行檢測(cè),并且向人機(jī)界面輸入摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)。人機(jī)界面根據(jù)摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)顯示啟動(dòng)摩擦力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩[10]。

重型卡車輪轂軸承摩擦力矩的檢測(cè)流程如圖9所示。

圖9 摩擦力矩檢測(cè)流程

7 試驗(yàn)分析

重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)每次的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)控制在30 s以內(nèi)。檢測(cè)完成后,能夠?qū)⒑细衿纷詣?dòng)推送至下一工序,將不合格品自動(dòng)推出至不合格品區(qū)。根據(jù)商用車輪轂軸承單元浙江制造團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)13 t重型卡車輪轂軸承檢測(cè)的合格標(biāo)準(zhǔn)為啟動(dòng)摩擦力矩10～15 N·m、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩4～8 N·m。

重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)檢測(cè)完摩擦力矩后,結(jié)果可以通過(guò)人機(jī)界面查詢,計(jì)算機(jī)記錄每次檢測(cè)的啟動(dòng)摩擦力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩。由于重型卡車輪轂軸承特殊的使用場(chǎng)合,出于輪轂軸承免維護(hù)壽命考慮,一般輪轂軸承的裝配為負(fù)游隙裝配,因此摩擦力矩不能小于設(shè)定的下限值,否則視為負(fù)游隙失效。由此,在人機(jī)界面中,設(shè)定啟動(dòng)摩擦力矩上限為15 N·m,下限為10 N·m,轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩上限為8 N·m,下限為4 N·m。取100次試驗(yàn)合格的重型卡車輪轂軸承數(shù)據(jù)并導(dǎo)出,導(dǎo)出的重型卡車輪轂軸承摩擦力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖10所示,人機(jī)界面摩擦力矩檢測(cè)界面如圖11所示。由圖10可以得到,啟動(dòng)摩擦力矩的平均值為11.81 N·m,轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩的平均值為7.43 N·m,均滿足重型卡車輪轂軸承摩擦力矩合格標(biāo)準(zhǔn)。這一重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)投入應(yīng)用后,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高效率檢測(cè),效果良好。

圖10 摩擦力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖11 人機(jī)界面摩擦力矩檢測(cè)界面

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)輪轂軸承進(jìn)行摩擦力矩檢測(cè),并輸出數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)大量輪轂軸承檢測(cè)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相吻合,驗(yàn)證了這一在線檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)證明,重型卡車輪轂軸承的啟動(dòng)摩擦力矩可以控制在10～13 N·m之間,轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩可以控制在6～8 N·m之間。重型卡車輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠,可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。