重型汽車輪轂軸承啟動力矩在線檢測裝置的設計*

□ 王國輝 □ 雷良育,2 □ 孫崇昆 □ 荊家寶 □ 胡 峰

1.浙江農林大學 工程學院 杭州 311314 2.浙江兆豐機電股份有限公司 杭州 311232

1 設計背景

隨著國家經濟實力的不斷提升,汽車行業正在蓬勃發展。在汽車零部件中,輪轂軸承安裝位置特殊,結構精密,需要進行深入研究。

汽車輪轂軸承的啟動力矩指汽車在不承受載荷啟動時,輪轂軸承的內外圈從靜止狀態到開始相對轉動的瞬間所需要克服的摩擦阻力矩。啟動力矩可以綜合反映摩擦性能,包括輪轂軸承內外圈球面或錐面的貼合度、預緊狀況等,是輪轂軸承的一項重要技術參數[1-2]。目前,國內外研究人員對自潤滑關節軸承啟動力矩的研究較多。林晶等[3]基于自潤滑關節軸承,分析了濕熱對軸承無載旋轉啟動力矩影響的原理,以及國內外軸承存在的差異與產生的原因。柏德恩等[4]設計了減速器啟動力矩測試系統,方便對減速器啟動力矩進行檢測。李寶福等[5]對自潤滑關節軸承無載啟動力矩的測量方法進行了深入研究和分析。張令、鄭茂江等[6-7]對自潤滑關節軸承無載旋轉啟動力矩的測量標準進行了深入探討。

大多數研究人員主要對自潤滑關節軸承的啟動力矩進行重點深入研究,而在廣泛使用的汽車輪轂軸承啟動力矩方面則缺少相關的深入研究。筆者根據研究現狀及制造企業對重型汽車輪轂軸承啟動力矩研究的迫切需求,基于重型汽車輪轂軸承結構比一般汽車輪轂軸承結構大的特點,設計了重型汽車輪轂軸承啟動力矩在線檢測裝置。通過這一檢測裝置采集現場在線數據進行分析,可以為重型汽車輪轂軸承啟動力矩領域提供參考。

2 結構

重型汽車輪轂軸承啟動力矩在線檢測裝置的結構如圖1所示。

圖1 檢測裝置結構

3 檢測工藝流程

根據重型汽車輪轂軸承啟動力矩測試的基本原理,確定檢測工藝流程。待檢輪轂軸承從上一檢測工位移動到啟動力矩檢測工位,檢測裝置自動將輪轂軸承定位。下方的內圈壓緊機構上升,移動到輪轂軸承內圈位置壓緊內圈。此時,上方的外圈撥動機構模擬扭力扳手動作,撥動輪轂軸承進行勻脂,開始進行啟動力矩的自動檢測。檢測完成后,上下壓頭縮回原點,輪轂軸承進入下一檢測工位。重型汽車輪轂軸承啟動力矩檢測工藝流程如圖2所示。

圖2 檢測工藝流程

4 檢測技術要求

(1)對于重型汽車輪轂軸承標準件,啟動力矩為4～8 N·m。

(2)啟動力矩檢測精度為0.1 N·m,檢測誤差不大于±0.1 N·m。

(3)檢測方式為旋轉檢測。

(4)上下壓頭最大壓力可調節,液壓缸應壓緊。

(5)具有手動、自動切換功能,不會影響整條檢測線的運行。

5 設計方案

重型汽車輪轂軸承啟動力矩在線檢測裝置的主要組成部分包括工件運輸軌道、內圈壓緊機構、外圈撥動機構、可編程序控制器控制系統等。

5.1 工件運輸軌道

工件運輸軌道的作用是將待檢測輪轂軸承由上一檢測工位傳送至啟動力矩檢測工位。由于重型汽車輪轂軸承相比一般汽車輪轂軸承結構更大,質量更重,因此借用傳統自動化生產線工位輸送軌道已不能滿足需求。設計長方形滾球輸送軌道,水平直線排列的相鄰滾球距離為170 mm,豎直方向距離為388.4 mm。滾球上方設置輪轂軸承的輸送托盤,保證滿足檢測的要求。工件運輸軌道的結構如圖3所示。

圖3 工作運輸軌道結構

5.2 內圈壓緊機構

根據重型汽車輪轂軸承啟動力矩測試的原理,需要設計一個內圈壓緊工作臺,來放置待檢輪轂軸承及壓緊待檢輪轂軸承的內圈,從而保證啟動力矩的有效檢測。為更好地配合工件運輸軌道,內圈壓緊工作臺位于兩個長方形滾球輸送軌道之間,并且內圈壓緊工作臺的原始狀態必須低于長方形滾球輸送軌道。在內圈壓緊工作臺下方設計兩個液壓推進機構墊高內圈壓緊工作臺,從而達到壓緊待檢輪轂軸承內圈的要求。在內圈壓緊工作臺上設計紅外定位孔,使輸送托盤到達指定位置時準確停下,進行相應的自動壓緊操作。內圈壓緊機構的結構如圖4所示。

圖4 內圈壓緊機構結構

5.3 外圈撥動機構

為更好地配合內圈壓緊機構,在內圈壓緊機構機架的后方設計延伸機架,方便安裝外圈撥動機構。外圈撥動機構的外圈撥動頭必須設計為與內圈壓緊頭的中心在同一直線上。延伸機架的寬度與下方部件相同。在延伸機架上設計外圈撥動機構的水平移動滑軌,外圈撥動機構的水平移動由水平控制液壓缸完成。在延伸機架上設計上下移動滑軌,用于實現外圈撥動機構的上下移動。外圈撥動機構的結構如圖5所示。

圖5 外圈撥動機構結構

5.4 可編程序控制器控制系統設計

重型汽車輪轂軸承啟動力矩在線檢測裝置的電氣控制系統主要采用可編程序控制器與人機交互觸摸屏。可編程序控制器采用歐姆龍CP1W系列,可以實現內圈壓緊機構上下動作壓緊和松開、外圈撥動機構上下左右移動自動校準、內圈壓緊機構和外圈撥動機構配合動作檢測輪轂軸承啟動力矩,主要的執行機構是步進電機、氣缸和液壓缸[8-9]。可編程序控制器控制系統部分接線如圖6所示。

圖6 可編程序控制器控制系統部分接線

6 檢測實例分析

重型汽車輪轂軸承啟動力矩在線檢測裝置實物如圖7所示。

圖7 檢測裝置實物

為驗證檢測裝置的可行性和準確性,對檢測裝置進行在線實時預調試檢測[10],主要設置界面如圖8所示。根據《商用車輪轂軸承單元》企業標準,某款重型汽車輪轂軸承啟動力矩的合格標準為4～8 N·m。

圖8 檢測裝置設置界面

從理論上而言,啟動力矩越小,啟動時克服的摩擦阻力就越小,但是在保證下限值的前提下,也要保證輪轂軸承的游隙。根據技術專家的評估,將啟動力矩下限值設置為5 N·m,可以保證該款重型汽車輪轂軸承的游隙符合要求。

將標準參數設置完成后,點擊“自動畫面”按鈕,然后點擊主屏幕上的“復位”按鈕,使系統復位,之后點擊“開始”按鈕使檢測裝置自動運行。模擬調試在線檢測15組待檢輪轂軸承,系統自動生成啟動力矩實時在線曲線,如圖9所示。

圖9 啟動力矩實時在線曲線

對所生成的啟動力矩實時在線曲線進行分析,確認所設計的檢測裝置可以對重型汽車輪轂軸承啟動力矩進行在線檢測,驗證了檢測裝置的可行性。9號和12號輪轂軸承超出了啟動力矩的上下限標準,為不合格件。該批輪轂軸承共15件,整體不合格率為13.333%。

7 結束語

筆者設計了重型汽車輪轂軸承啟動力矩在線檢測裝置,通過案例驗證了檢測裝置的可行性。當然,這一檢測裝置還存在一些缺點,如在實時顯示檢測數據曲線時,不合格品不能直觀顯示,需要操作人員手動查看。后續將進一步改進控制程序,為重型汽車輪轂軸承啟動力矩的在線檢測提供更好的平臺,同時也為軸承行業提供更多的工程參考。