張 武 景素芳 王軻平 屈 博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

某產(chǎn)品轉(zhuǎn)臺(tái)在交驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加載后正、反轉(zhuǎn)力矩不均勻問(wèn)題，導(dǎo)致方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整返修，調(diào)整后轉(zhuǎn)臺(tái)的正、反轉(zhuǎn)力矩基本一致，但還是順轉(zhuǎn)力矩稍大一點(diǎn)。影響蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力矩不均勻性的因素有殼體的孔系加工精度和蝸輪、蝸桿的加工精度，隨著數(shù)控技術(shù)及測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，殼體的加工精度是有保證的，7級(jí)精度蝸輪的加工不應(yīng)存在問(wèn)題，由于采用阿基米德蝸桿，一般其型面用車刀車成，如果用正前角的車刀或用零前角的車刀裝夾找正不好將帶來(lái)原理性的型面誤差，造成正、反轉(zhuǎn)力矩的微小差別。由于蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率低，本機(jī)構(gòu)嚴(yán)重的力矩不均勻性是由于蝸桿軸向間隙調(diào)整不好導(dǎo)致一邊圓錐滾子軸承“壓死”所致，通過(guò)軸向間隙的合理調(diào)整，使得該機(jī)構(gòu)的正、反轉(zhuǎn)力矩基本一致。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載力矩計(jì)算

轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)關(guān)系如圖1所示，方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水平裝在轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)部，電機(jī)經(jīng)過(guò)一級(jí)齒輪副和蝸輪蝸桿副減速，方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出齒輪5與轉(zhuǎn)臺(tái)的方位齒輪6嚙合，通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制組合使得轉(zhuǎn)臺(tái)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)加載840kg，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)順轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電流是逆轉(zhuǎn)電流的1.7～2倍，電機(jī)的力矩M∝I(電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流)，反映順轉(zhuǎn)的力矩較逆轉(zhuǎn)大。由于蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率低，轉(zhuǎn)臺(tái)順轉(zhuǎn)力矩的加大，在蝸桿軸消耗更大的力矩。為此根據(jù)載荷計(jì)算蝸桿軸的受力情況。方位轉(zhuǎn)臺(tái)由方位齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，其軸向負(fù)荷由方位轉(zhuǎn)臺(tái)的止推式塑料導(dǎo)軌軸承承載，止推式塑料導(dǎo)軌軸承的下導(dǎo)軌(固定導(dǎo)軌為鋼件)，上導(dǎo)軌(活動(dòng)導(dǎo)軌)為填充聚四氟乙烯軟帶，根據(jù)止推式塑料導(dǎo)軌軸承的載荷可求出止推軸承的摩擦力矩即轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載力矩M。

式中T為轉(zhuǎn)臺(tái)的摩擦力矩(kg·m);FQ為轉(zhuǎn)臺(tái)的試驗(yàn)載荷，840kg;μ為鋼與聚四氟乙烯材料摩擦副的動(dòng)摩擦系數(shù) μ=0.04[1];D為軸承的外徑，D=940mm;d為軸承的內(nèi)徑，d=822mm。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)示意圖

計(jì)算得T=14.823kg·m，既方位齒輪所承受的扭矩，為此可計(jì)算出蝸輪承受的切向分力Ft2。按照?qǐng)D1轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)示意圖，F(xiàn)t2按下式計(jì)算:

計(jì)算得Ft2=20.031kg，蝸輪蝸桿的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，按照蝸輪蝸桿嚙合傳動(dòng)的受力分析[2]可知蝸桿嚙合力的軸向分力:

蝸桿嚙合力的徑向分力:

式中:Fr2為蝸輪嚙合力的徑向分力;α為蝸桿在軸向截面的齒廓角(α =20°)。

蝸桿嚙合力的切向力:

式中:q為胃絳鮮q=12;φν為當(dāng)量摩擦角，按照蝸輪蝸桿的材料配對(duì)和齒面的相對(duì)滑動(dòng)速度νs選取。

圖2 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

按圖1計(jì)算出蝸桿軸的轉(zhuǎn)速為:

按照蝸輪蝸桿的配對(duì)材料及齒面的相對(duì)滑動(dòng)速度，查有關(guān)文獻(xiàn)[2]φν為2°35″。經(jīng)計(jì)算有關(guān)參數(shù)如下:

則蝸桿的傳動(dòng)扭矩為:

T1=Ft1×蝸桿半徑=0.039(kg·m)。

3 蝸桿軸受力計(jì)算

我們按照?qǐng)D1分析轉(zhuǎn)臺(tái)在順時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)蝸桿軸的受力情況如圖3所示，為了簡(jiǎn)化計(jì)算不計(jì)其余兩個(gè)齒輪的載荷對(duì)軸系的受力影響，圓錐滾子軸承的徑向負(fù)荷及軸負(fù)荷計(jì)算如下。需要說(shuō)明的是下面計(jì)算為蝸桿軸在轉(zhuǎn)臺(tái)順轉(zhuǎn)時(shí)的蝸桿軸受力計(jì)算，當(dāng)蝸桿軸逆轉(zhuǎn)時(shí)受力方向相反，大小相等。

圖3 蝸桿軸受力分析示意圖

同理可得出:Fz2=－5.175kg

圓錐滾子軸承正排列時(shí)，圓錐滾子軸承(角接觸軸承)，在計(jì)算軸向負(fù)荷時(shí)要同時(shí)考慮由徑向力引起的內(nèi)部軸向負(fù)荷S和作用軸上的工作負(fù)荷。

4 圓錐滾子軸承內(nèi)圈檔邊的受力分析

圓錐滾子軸承在內(nèi)圈上有固定擋邊，內(nèi)圈大檔邊不僅直接影響軸承的轉(zhuǎn)速、軸承合套后的運(yùn)動(dòng)精度以及使用壽命，軸承在無(wú)間隙或過(guò)盈狀態(tài)下工作，將導(dǎo)致軸承過(guò)熱或“抱死”，擋邊對(duì)滾子的作用負(fù)荷如圖4所示。該蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的軸承配置采取面對(duì)面排列，這種排列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便。但當(dāng)軸系受力，軸承游隙減小時(shí)，容易造成軸承卡死，文獻(xiàn)[3]介紹了圓錐滾子軸承在受軸向力時(shí)(如圖4所示)內(nèi)圈擋邊作用負(fù)荷的求法，在軸向載荷Qia作用下，圓錐滾子軸承內(nèi)圈檔邊與圓錐滾子大端面的作用載荷Qf的關(guān)系式如下。

式中:αi為內(nèi)滾道 －滾子接觸角，αi=1/2(內(nèi)圈包容角);αo為外滾道－滾子接觸角，αo=1/2(外圈包容角);αf為滾子大端 －擋板接觸角，αf=1/2(內(nèi)圈后端面擋板角)。

圖4 圓錐滾子軸承的檔邊負(fù)荷

5 圓錐滾子軸承的摩擦力矩估算

任何摩擦都會(huì)造成能量損失，并阻礙運(yùn)動(dòng)。因此，工作中滾動(dòng)軸承的摩擦引起溫度上升，并可用阻力矩來(lái)度量，關(guān)于圓錐滾子軸承摩擦力矩的計(jì)算方法較多[3～6]，Witte研究了圓錐滾子軸承承受徑向載荷和軸向載荷的摩擦力矩，NSK軸承公司等也給出了圓錐滾子軸承摩擦力矩的計(jì)算公式，公式均在規(guī)定的潤(rùn)滑條件下得出的，都認(rèn)為在工作過(guò)程中滾子的大端面與內(nèi)擋圈處的滑動(dòng)是產(chǎn)生摩擦的主要原因，因此我們嘗試用受壓滑動(dòng)面摩擦力矩公式估算其摩擦力矩，文獻(xiàn)[5]介紹NSK樣本推薦摩擦系數(shù)可取0.2，這樣(1)式估算滾子的滾子大端面與內(nèi)擋圈的摩擦力矩可能是計(jì)算的最大值。該機(jī)構(gòu)用軸承型號(hào)為D7303E，經(jīng)測(cè)軸承內(nèi)圈固定擋邊的外徑為Φ31，內(nèi)徑為Φ27，則軸承1在沒(méi)有軸向間隙的情況下軸承1內(nèi)圈固定擋邊的最大摩擦力矩值是:

6 故障分析與對(duì)策

該蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的軸承配置采取面對(duì)面排列，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后在圖2的端蓋1處增加了墊片，按照蝸桿軸兩端軸承分別預(yù)留0.07～0.10mm的間隙，保證了轉(zhuǎn)臺(tái)正、反轉(zhuǎn)力矩的基本一致。文獻(xiàn)[7]通過(guò)試驗(yàn)定圓錐滾子軸承安裝間隙的方法，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證面對(duì)面排列圓錐滾子軸承安裝時(shí)分別預(yù)留0.05～0.08mm的軸向間隙為最佳，與實(shí)際基本相同。

7 結(jié)束語(yǔ)

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)是常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸桿軸承受著較大的軸向力，若蝸桿軸上的軸承配置采取面對(duì)面排列圓錐滾子軸承時(shí)，其軸向力使得一側(cè)圓錐滾子軸承軸向間隙減小或消失，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇軸承、蝸輪蝸桿副的嚙合側(cè)隙及軸承的軸向間隙，圖紙技術(shù)條件應(yīng)明確成對(duì)安裝圓錐滾子軸承應(yīng)在成對(duì)軸承的端面分別預(yù)留適當(dāng)安裝游隙(軸向間隙)，裝配工人在裝配調(diào)整中采用規(guī)定的工藝方法，保證裝配精度和軸向間隙，通過(guò)跑和、調(diào)整滿足機(jī)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)力矩基本一致。

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