汽車轉向管柱蝸桿軸承偏轉角測量裝置

趙坤，戎榕

(慈興集團有限公司 技術中心，浙江 寧波 315301)

汽車轉向機在工作過程中，蝸桿會有一定傾斜角度的狀況產生，轉向管柱蝸桿軸承內外圈的實際相對傾斜角一旦超過軸承的最大允許偏轉角，內外圈將被迫處于相互扭曲狀態，鋼球與溝道之間將產生過大載荷，造成軸承運轉噪聲及阻力增大，發生咬粘或早期疲勞破壞，從而影響軸承及轉向管柱的使用性能和使用壽命[1-2]。

目前，國內企業對軸承偏轉角的測量大多采用手動或半自動方式，將外圈固定在檢測平臺上，憑借有經驗的測量人員手動推拉軸承內圈進行偏轉角的測量。由于不同測量人員的操作方法及儀器的穩定性存在差異，這種方法的測量誤差較大，且重復性較差。為準確測量蝸桿軸承的偏轉角，結合客戶應用需求，設計研制了一種測量軸承自由偏轉角的專用裝置。

1 軸承偏轉角的測量原理

1.1 計算方法

在無載荷條件下，徑向游隙能使軸承產生輕微的偏轉。自由偏轉角被定義為軸承零件在受力之前，內圈軸線相對于外圈軸線轉動的最大角度。Harris對自由偏轉角作了精確的計算，其自由偏轉角與軸承各零件主要功能尺寸間的關系為

(1)

式中：θ為自由偏轉角；Gr為徑向游隙；Dpw為球組節圓直徑；fi為內圈溝曲率系數;fe為外圈溝曲率系數；Dw為鋼球直徑。一般情況下，采用近似計算方法，即

(2)

1.2 測量原理

為實現軸承偏轉角的測量，設計了一種簡單、可靠的機械裝置，通過測量由偏轉角產生的垂直軸承軸線方向的總移動量，再換算得到軸承實際偏轉角。

將軸承裝入測量軸并水平固定外圈，在軸承上方距離軸承中心為L處，通過測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個推力，測量內圈相對于外圈的總移動量d，由圖1所示的幾何關系可得

(3)

式中：L為推力施加處距軸承中心的距離；d為外力驅動下測量軸在垂直軸承軸線方向的總移動量。

圖1 偏轉角的測量原理圖

2 偏轉角測量裝置

根據客戶要求及蝸桿軸承的實際工況，所設計的測量裝置可以對轉向管柱蝸桿用深溝球軸承及四點接觸球軸承的偏轉角進行測量。另外，根據直線位移傳感器的量程，測量范圍為內徑10～25 mm，偏轉角不超過2.5°的軸承。

2.1 測量裝置的結構

如圖2所示，軸承偏轉角測量裝置主要由軸承固定裝置、伺服驅動系統、線性傳動軸和數據處理系統組成。軸承安裝于測量軸上，在保持外圈固定的前提下，從2個相反的方向移動軸端，并通過移動的位移值計算偏轉角。

2.2 測量過程

具體測量過程為：1)測試前將力傳感器和位移傳感器清零；2)伺服系統控制線性傳動軸向左移動，左、右夾板在線性傳動軸的帶動下向左運動且右夾板的內側面擠壓測量軸的上端，在右夾板對測量軸擠壓的力到達測試所需要的力時通過直線位移傳感器獲取此時的位移量X1；3)線性傳動軸回原位，伺服系統控制線性傳動軸往右移動，左、右夾板在線性傳動軸的帶動下向右運動且左夾板的內側面擠壓測量軸的上端，當左夾板對測量軸擠壓的力到達測試所需要的力時通過直線位移傳感器獲取此時的位移量X2，線性傳動軸回原位；4)系統自動計算并顯示偏轉角數值。

1—軸承固定裝置；2—鎖緊螺母；3—彈性卡環；4—測試軸承；5—測量軸；6—左夾板；7—右夾板；8—壓力傳感器；9—直線位移傳感器；10—線性傳動軸；11—伺服系統；12—數據處理系統

根據軸承偏轉角測量裝置的結構，(3)式中的總移動量d為

d=X1+X2-(M-D)，

(4)

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

3 測量效果分析

3.1 測試參數

測量軸承型號為6004ZZ，客戶定義軸承內、外徑均為間隙配合，自由偏轉角不小于0.45°，徑向游隙為5～13 μm，軸承主要參數見表1。為確保內圈相對于外圈的偏轉達到最大位置，且套圈不會產生彈性變形而影響偏轉角測量結果，根據客戶要求，設定夾板對測量軸的擠壓力為1.5 N。

表1 軸承主要參數

由(2)式計算得最小和最大偏轉角如下

3.2 試驗分析

1)一位檢測員對一套6004ZZ軸承偏轉角測量50次，利用Minitab軟件，對該測量裝置的檢具能力指數Cgk進行評價，結果如圖3所示，其Cgk值為1.78(>1.67)，表明該測量裝置具有穩定的測試能力。

2)3位檢測員對10套6004ZZ軸承分別檢測3次，利用Minitab軟件對該測量裝置的重復性和再現性(GR&R)進行評價，結果如圖4所示。從圖中可以看出，GR&R分析結果為9.05%，滿足測量系統GR&R≤10%的標準。表明該測量裝置的重復性、再現性符合要求。

圖3 測量裝置測量能力指數Cgk

圖4 測量裝置的GR&R分析

采用該測量裝置對10套軸承分別測量3次的實際測量結果見表2，由表可知，軸承偏轉角的測試值在理論設計要求范圍(0.46°～0.76°)內，且符合不小于0.45°的客戶要求。軸承裝機后的噪聲、偏轉角指標均滿足客戶要求。

表2 軸承偏轉角

4 結束語

該軸承偏轉角測量裝置設計合理，拆裝方便，可以滿足不同尺寸的轉向管柱蝸桿用球軸承的測量。對測量裝置進行Cgk和GR&R分析表明，測量裝置能力充分，重復性、再現性符合要求。測試結果符合理論計算要求，可以滿足客戶要求。

目前，該測量裝置已應用于汽車轉向管柱蝸桿軸承6004ZZ的偏轉角測試中。未來還考慮應用于其他對軸承偏轉角有要求的應用場合。