苑慶澤, 徐鳳翔, 王禹林, 張軼
(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京210094)
梯形螺紋牙型為等腰梯形,牙型角為30°,具有牙根強(qiáng)度高、對中性好、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、自鎖性能好等優(yōu)點,廣泛用于傳力或傳導(dǎo)螺旋,如螺旋舉重器、機(jī)床的傳動絲杠等。在梯形螺紋的檢測中,目前應(yīng)用較多的是使用螺紋量規(guī)、螺紋千分尺并配合三針量規(guī)來檢測螺紋中徑、導(dǎo)程、牙型角等幾何參數(shù),并在非接觸式以及內(nèi)螺紋的檢測方面取得一定研究成果[1-4]。
圖1 梯形絲杠副扭矩-軸向力產(chǎn)生原理示意圖
梯形絲杠與梯形螺母間是配合零件,其有一重要功能是將扭矩轉(zhuǎn)換成軸向作用力。以右旋梯形絲杠副為例,如圖1 所示,當(dāng)梯形絲杠軸向固定不動時,按圖示方向旋轉(zhuǎn)梯形絲杠,螺母將右移并產(chǎn)生軸向作用力。在產(chǎn)品的實際使用中,很多場合需利用上述扭矩與軸向力的關(guān)系,如梯形絲杠副壓力機(jī)、升降機(jī)等[5,6],但是目前工廠在此方面缺乏有效的檢測設(shè)備,而現(xiàn)有測量裝置如空載扭矩測量儀[7]、摩擦力矩測量系統(tǒng)等均無法進(jìn)行此項測量,這給使用者實際選型帶來困難。本文在大量實踐的基礎(chǔ)上,總結(jié)設(shè)計出一套直接測量梯形絲杠副扭矩-軸向力的測量裝置,該裝置測量精度高、裝配快捷、性能穩(wěn)定可靠。
對于梯形絲杠,當(dāng)施加扭矩時,螺母所產(chǎn)生的軸向力可用下式計算:
式中,F(xiàn)-產(chǎn)生的軸向力,N;η-扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向力的效率;M-輸入扭矩,N·m;P-導(dǎo)程,mm。
其中扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向力的效率可用下式計算:
式中,μ-摩擦系數(shù);α-導(dǎo)程角。
式中,d2-螺紋中徑,mm。
計算法是在已知導(dǎo)程、螺紋中徑、摩擦系數(shù)等參數(shù)的情況下,通過式(1)~式(3)來建立輸入扭矩與產(chǎn)生軸向力的對應(yīng)關(guān)系。實際使用時,導(dǎo)程與螺紋中徑依產(chǎn)品型號而定,根據(jù)梯形絲杠材料以及潤滑情況估算摩擦系數(shù)。但是計算法忽略了實際加工、測量、安裝、摩擦系數(shù)估算等一系列誤差,最后得出的扭矩-軸向力關(guān)系存在一定誤差,實際選型時的可信度不如實驗法高。
針對梯形絲杠副扭矩-軸向力計算法精度不足的缺點,本文通過大量實踐,設(shè)計出一種直接測量梯形絲杠副扭矩-軸向力的裝置,精度好、裝配快、性能穩(wěn)定、實用性強(qiáng)。
如圖1 所示,當(dāng)梯形絲杠軸向固定不動時,驅(qū)動裝置驅(qū)動梯形絲杠旋轉(zhuǎn),帶動螺母軸向移動產(chǎn)生軸向力,同時通過扭矩傳感器采集絲杠扭矩,壓力傳感器采集螺母軸向力,從而實現(xiàn)扭矩和軸向力的對應(yīng)關(guān)系。測量時由于梯形絲杠無需一直連續(xù)轉(zhuǎn)動,故可采用扭矩扳手代替驅(qū)動裝置,并充當(dāng)扭矩傳感器,實現(xiàn)扭矩測量功能,具有精度高、使用方便的優(yōu)點。壓力傳感器無特殊要求,只需安裝時沿梯形絲杠軸線對稱布置,保證軸向力測量的準(zhǔn)確性。
依據(jù)測量裝置設(shè)計原理,設(shè)計出如圖2 所示測量裝置。
該測量裝置主要由支架、壓力傳感器、傳感器壓板、滾動軸承、扭矩扳手過渡件組成。其中,支架固定在測量臺上,主要起整個測量裝置的支撐作用;選用S 型壓力傳感器,分別與支架和傳感器壓板連接,并沿梯形絲杠軸線對稱布置兩個壓力傳感器,以保證軸向力對稱測量,無偏心;傳感器壓板中心開有圓孔,梯形絲杠穿于其中,傳感器壓板下部與支架間沿梯形絲杠軸線對稱安裝兩個滾動軸承,用以支撐傳感器壓板,并減小傳感器壓板沿梯形絲杠軸線水平移動時與支架間的摩擦;扭矩扳手過渡件固定在梯形絲杠上,用于將扭矩傳遞給梯形絲杠。
實際測量步驟如下:(1)測量裝置安裝。將支架固定于測量臺上,并依次連接壓力傳感器與裝有滾動軸承的傳感器壓板;(2)梯形絲杠副安裝。以絲杠螺母法蘭朝右的方向,將梯形絲杠從傳感器壓板左側(cè)穿入,通過端面軸承安裝到支架上,并用螺母鎖緊,限制梯形絲杠軸向移動,旋轉(zhuǎn)螺母使螺母法蘭貼緊傳感器壓板;(3)扭矩扳手過渡件安裝。扭矩扳手過渡件通過鍵與梯形絲杠連接,末端用螺母鎖死;(4)加載與數(shù)據(jù)采集。用扭矩扳手順時針轉(zhuǎn)動扭矩扳手過渡件,梯形絲杠轉(zhuǎn)動并且軸向無移動,帶動絲杠螺母右移,推動傳感器壓板依托滾動軸承做水平運動,從而壓縮壓力傳感器,得出梯形絲杠副扭矩-軸向力的對應(yīng)關(guān)系。
圖2 梯形絲杠副扭矩-軸向力測量裝置示意圖
(1)本測量裝置能夠直接測量梯形絲杠副扭矩-軸向力對應(yīng)關(guān)系,精度高、安裝快捷、穩(wěn)定可靠,在梯形絲杠副產(chǎn)品的檢測中可推廣使用。
(2)本測量裝置通過選擇配套的端面軸承與扭矩扳手過渡件,可實現(xiàn)不同型號梯形絲杠副扭矩-軸向力的測量。
[1] 嚴(yán)雅君.公制梯形螺紋塞規(guī)中徑測量斜率誤差分析[J].上海計量測試,2009(4):12-14.
[2] 劉力巖,郎巖梅,劉琦,等.基于輪廓掃描法的螺紋測量功能的實現(xiàn)[J].機(jī)械工程師,2009(8):142-143.
[3] 胡大超,陳建國.基于“三線法”原理測量內(nèi)螺紋裝置的設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計,2009(5):31-36.
[4] TANG Q B,et al. The Research of Screw Thread Parameter Measurement Based on Position Sensitive Detector and Laser[J].Journal of Physics,2006(48):561-565.
[5] 張武,高啟坤,楊曉苞.絲杠螺母副升降機(jī)構(gòu)動力學(xué)穩(wěn)定性分析[J].火控雷達(dá)技術(shù),2011(6):76-81.
[6] 翟志恒,葛正浩,張凱凱,等.絲杠螺母驅(qū)動平行四桿升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報,2012(1):36-39.
[7] 黃師,劉寧,張強(qiáng),等.用華中數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動裝置測量絲杠扭矩[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2011(12):265-266.