鎖緊機(jī)構(gòu)防脫落保持架設(shè)計(jì)與分析*

郭 志， 王 飛， 王曉卿， 任夢(mèng)晴

(中船九江精達(dá)科技股份有限公司，江西 九江 332000)

0 引 言

鎖緊機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用在某型雙軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)上，用以實(shí)現(xiàn)慣性測量組件與機(jī)箱箱體之間的機(jī)械鎖緊。雙軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)工作環(huán)惡劣，承受各種極端天氣、運(yùn)輸環(huán)境與振動(dòng)環(huán)境，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊與解鎖失敗會(huì)造成雙軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)部分功能失效，甚至?xí)斐蓱T組標(biāo)定失敗燈嚴(yán)重后果。鎖緊機(jī)構(gòu)保持架主要位于升降導(dǎo)向部位上，主要起到鋼球保持作用。保持架在復(fù)雜惡劣環(huán)境下容易出現(xiàn)軸向滑移，使得保持架上鋼球外露，而常規(guī)形式的保持架，鋼球及其容易脫落，造成多余物。

保持架運(yùn)動(dòng)形式與轉(zhuǎn)臺(tái)密珠軸承[1]類似，轉(zhuǎn)臺(tái)密珠軸承主要減小主軸軸向和徑向尺寸，從而提高轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)精度，其中密珠軸承保持架同樣起到鋼球保持作用，在轉(zhuǎn)臺(tái)上保持架隨齒盤進(jìn)行升降與旋轉(zhuǎn)工作，而鎖緊機(jī)構(gòu)僅需進(jìn)行升降工作，無旋轉(zhuǎn)要求。鎖緊機(jī)構(gòu)導(dǎo)向主軸為開放式主軸，其上的保持架可以隨著升降主件升起而升起，甚至能從導(dǎo)向主軸上脫落。筆者主要從保持架的設(shè)計(jì)出發(fā)，以某型雙軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)上的鎖緊機(jī)構(gòu)為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)保持架結(jié)構(gòu)形式，分析保持架在鎖緊機(jī)構(gòu)上的工作形式，并通過對(duì)保持架進(jìn)行熱力學(xué)分析及模態(tài)分析，驗(yàn)證保持架在復(fù)雜工作環(huán)境下能夠正常工作。

1 保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 保持架結(jié)構(gòu)簡介

鎖緊機(jī)構(gòu)導(dǎo)向部位主要由導(dǎo)向主軸、升降主件、保持架、鋼球、基座組成，如圖1所示為導(dǎo)向部位結(jié)構(gòu)圖，其中保持架在導(dǎo)向主軸與升降主件的兩個(gè)圓柱面之間，鋼球密集的分布在保持架上，由于密集的鋼球具有平均效應(yīng)，能夠有效的提高導(dǎo)向主軸的精度，從而保證升降主件鎖緊重復(fù)定位精度。原則上，鋼球數(shù)量越多，其平均效應(yīng)越好；但對(duì)于保持架而言，其內(nèi)外直徑尺寸受限，鋼球孔越多加工越繁瑣，裝配越復(fù)雜，不符合生產(chǎn)實(shí)際。

圖1 鎖緊機(jī)構(gòu)導(dǎo)向部位結(jié)構(gòu)圖 圖2 常規(guī)保持架結(jié)構(gòu)圖

目前，所有轉(zhuǎn)臺(tái)或其他直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用保持架的結(jié)構(gòu)形式均為通直孔，如圖2所示，保持架上鋼球孔均為通直孔，生產(chǎn)時(shí)采用金屬切削加工即可。本型號(hào)鎖緊機(jī)構(gòu)保持架設(shè)計(jì)保持架鋼球孔3排，每排放置10鋼球，每排鋼球均錯(cuò)位排列，使得每個(gè)鋼球位置不同，鋼球軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡不重合。但該形式保持架存在缺陷，由于保持架上下無限位機(jī)構(gòu)，存在保持架最外側(cè)一排孔裸露在升降主件可能，孔中鋼球容易掉落，造成多余物風(fēng)險(xiǎn)。為規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)，在原鎖緊機(jī)構(gòu)不變動(dòng)情況下，對(duì)保持架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

在滑動(dòng)軸承中采用保持架形式多種，使用材料主要有鋼材、黃銅、鋁合金、聚合材料等等[2]，其中雙列軸承使用的保持架結(jié)構(gòu)形式主要為半包型，如圖3所示為雙列軸承采用的保持架結(jié)構(gòu)形式，保持架半包結(jié)構(gòu)處為圓弧狀包絡(luò)住鋼球，由于保持架兩側(cè)開放，未封閉，在滾動(dòng)軸承中存在密封圈封閉，在本型號(hào)產(chǎn)品中不改動(dòng)其他情況下不可用。

圖3 雙列軸承保持架結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 第一種優(yōu)化方式

1.2 保持架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

保持架優(yōu)化思路為避免外露的鋼球掉落，則將保持架設(shè)計(jì)為外側(cè)孔比鋼球直徑小即可，存在2種優(yōu)化方法：①將鋼球孔加工為錐孔形式；②將保持架分為三部分，一部分為減薄的保持架，另兩部份為孔小的半分保持架。

其中方法1中，如果將鋼球孔加工成錐孔形式，如圖4所示，在金屬切削加工中由于刀具限制需要從一側(cè)孔中加工對(duì)面孔的錐形，會(huì)導(dǎo)致有效的錐孔形式減半，即可安裝鋼球數(shù)量減半，相應(yīng)的導(dǎo)向部位平均效應(yīng)會(huì)變差，如圖4所示。

方法2中保持架分為三部分，其中外側(cè)兩部分將鋼球及內(nèi)部保持架包絡(luò)在內(nèi)，有效保證鋼球不會(huì)從外側(cè)掉落，但由于分為三部分會(huì)使得外側(cè)兩個(gè)保持架的運(yùn)動(dòng)速度不一致造成零件高低差，甚至?xí)沟娩撉蜻\(yùn)動(dòng)卡滯，如圖5所示。

圖5 第二種優(yōu)化方式 圖6 金屬3D打印形式保持架

以上兩種常規(guī)形式優(yōu)化結(jié)構(gòu)存在缺陷，采用非常規(guī)形式對(duì)保持架進(jìn)行加工，采用金屬3D打印成型方式將保持架的孔制作成內(nèi)大外小的形式，如圖6所示，既保證保持架整體性，又避免了鋼球外露時(shí)不掉落的可能。

2 保持架運(yùn)動(dòng)形式分析

在鎖緊機(jī)構(gòu)工作時(shí)，鋼球會(huì)一直隨著升降主件進(jìn)行上下方向的滾動(dòng)，保持架由鋼球推動(dòng)隨升降主件一同上下運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于導(dǎo)向主軸而言，升降主件的升降速度約等于鋼球外徑邊緣的線速度V0，而保持架的運(yùn)動(dòng)速度為鋼球中心的線速度V1。當(dāng)鋼球純滾動(dòng)時(shí)，兩者之間的關(guān)系為：V0=2V1。

由于導(dǎo)向主軸粗糙度和形狀誤差的存在，部分粗糙度與形狀誤差相對(duì)差的導(dǎo)向主軸外圓上可能存在微小的高低點(diǎn)，對(duì)于鋼球而言，鋼球?yàn)辄c(diǎn)接觸，能夠運(yùn)行到低點(diǎn)位置。當(dāng)導(dǎo)向主軸表面存在微小高低點(diǎn)時(shí)，鋼球運(yùn)動(dòng)會(huì)存在一個(gè)微小的俯沖與卡頓，導(dǎo)致鋼球運(yùn)行速度不一致。

如圖7(a)所示，理想狀態(tài)下，保持架是懸浮在導(dǎo)向主軸和孔中間，而且保持架兩側(cè)間隙是均勻的，其正常工作時(shí)鋼球運(yùn)行速度與保持架一致。

圖7 保持架鋼球位置示意圖

如圖7(b)所示，當(dāng)鋼球運(yùn)行速度相對(duì)滯后時(shí)，鋼球落后于保持架，與保持架孔底部接觸，此時(shí)鋼球會(huì)與保持架碰撞，鋼球被保持架帶動(dòng)置位。如圖7(c)所示，非理想狀態(tài)下，鋼球可能卡著某個(gè)邊頂著保持架，使得保持架略微傾斜，此時(shí)保持架不是懸浮在中間，與兩側(cè)間隙不一致，這個(gè)時(shí)候運(yùn)動(dòng)相對(duì)不順暢，保持架同樣會(huì)置位，恢復(fù)到最佳狀態(tài)(即保持架懸浮處于中間的時(shí)候)。如圖7(d)所示，當(dāng)在非理想狀態(tài)下，鋼球存在運(yùn)動(dòng)速度滯后的，此時(shí)運(yùn)動(dòng)不僅鋼球會(huì)重新置位，保持架也會(huì)置位。

為減少出現(xiàn)保持架運(yùn)行過程中置位情況，可以通過控制鋼球數(shù)量及增大鋼球直徑形式，達(dá)到減小鋼球?qū)τ趯?dǎo)向主軸、升降主件粗糙度與形位公差的敏感度，本文中新型保持架上鋼球孔每排10個(gè)，共3排，鋼球直徑Φ2.5 mm。

3 保持架熱力學(xué)分析

保持架在鎖緊機(jī)構(gòu)中處于浮空狀態(tài)，無法直接對(duì)保持架進(jìn)行約束，因此將導(dǎo)向主軸與鋼球加入模型中形成裝配體。為便于分析，進(jìn)行如下處理：

(1) 簡化模型，去除模型中所有倒角；

(2) 鋼球與保持架、導(dǎo)向主軸之間裝配配合關(guān)系均為相切。

將模型導(dǎo)入至ANSYS中，定義材料屬性，其中鋼球與導(dǎo)向主軸材料均GCr15，保持架材料為鋁合金，密度2.5 g/cm3，抗拉強(qiáng)度280 MPa。將導(dǎo)向主軸網(wǎng)格劃分為六面體網(wǎng)格，鋼球與保持架均為四面體網(wǎng)格，設(shè)置鋼球與保持架網(wǎng)格尺寸為0.5 m，劃分結(jié)束后網(wǎng)格單元數(shù)達(dá)到74 665個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)122 203個(gè)。

導(dǎo)向主軸安裝在基座上，故設(shè)置導(dǎo)向主軸底面為Fixed Support(固定約束)，各個(gè)鋼球上分別添加Remote Force(遠(yuǎn)點(diǎn)力)，遠(yuǎn)點(diǎn)力方向垂直導(dǎo)向主軸方向，由于鎖緊力為150 N，根據(jù)平均效應(yīng)，則各個(gè)鋼球上受到的力為5 N。

通過分析計(jì)算，保持架所受的最大應(yīng)力為鋼球與保持架階梯孔的接觸位置上，最大應(yīng)力為7.654 MPa，遠(yuǎn)大于其屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)變?yōu)?.9e-4 mm，因此保持架滿足其強(qiáng)度要求。

圖8 保持架靜態(tài)應(yīng)力云圖與應(yīng)變?cè)茍D

由于產(chǎn)品經(jīng)歷高低溫環(huán)境(-40 ℃～+80 ℃)，產(chǎn)品從常溫(+20 ℃)降至-40 ℃，再升溫至+80 ℃，分別進(jìn)行熱力學(xué)分析，查看受力及變形情況。保持架從常溫降至低溫后，保持架發(fā)生形變，如圖9所示最大應(yīng)變7.56e-3mm。再從低溫升至高溫后，保持架最大應(yīng)變7.13e-3mm，如圖10所示。高低溫環(huán)境下，保持架最大應(yīng)力均在鋼球與保持架階梯孔接觸點(diǎn)。

圖9 低溫-40 ℃應(yīng)變?cè)茍D 圖10 高溫+80 ℃應(yīng)變?cè)茍D

4 模態(tài)分析

對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，固定導(dǎo)向主軸底面，分析其六階模態(tài)，如表1所列為前六階固有頻率結(jié)果。

表1 前六階固有頻率 /Hz

按照產(chǎn)品實(shí)際振動(dòng)環(huán)境對(duì)導(dǎo)向組件施加隨機(jī)振動(dòng)條件，條件如表2所列。

表2 隨機(jī)振動(dòng)條件

在保持架頂部添加響應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測到的頂點(diǎn)位移如圖11所示，圖中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為位移，其中最大位移為3.856 6e-3mm。

圖11 保持架頂點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)曲線

5 結(jié) 語

針對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)工作模式，設(shè)計(jì)一種新型保持架，

采用金屬3D打印形式加工成型，加工簡便，且在振動(dòng)復(fù)雜情況下，滿足鋼球不會(huì)從保持架外側(cè)孔掉落要求。分析了保持架在鎖緊機(jī)構(gòu)上的運(yùn)動(dòng)形式，從分析結(jié)果中可以看出，保持架在鋼球運(yùn)行存在速度不一致時(shí)容易出現(xiàn)置位情況，在保持架強(qiáng)度允許范圍下，選擇大直徑鋼球能夠減小對(duì)于導(dǎo)向主軸與升降主件的表面粗糙度及形位公差的敏感度，進(jìn)而減少隔套置位情況發(fā)生。

對(duì)導(dǎo)向組件進(jìn)行熱力學(xué)分析與隨機(jī)振動(dòng)分析，從熱力學(xué)分析可以看出保持架在高低溫環(huán)境下變形?。粡碾S機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)可以看出，保持架在均方根值6.06 g的振動(dòng)條件下，頂點(diǎn)處最大位移3.856 6e-3mm。

文中未對(duì)保持架鋼球過盈量考慮分析，在實(shí)際生產(chǎn)過程中保持架鋼球存在一定的過盈量。