柳虹亮， 張敖翔， 仲 宇， 唐 正

(1.長春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春 130012;2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

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離合器蓋總成動(dòng)平衡性能檢測機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柳虹亮1， 張敖翔2， 仲 宇2， 唐 正2

(1.長春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春 130012;2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

完成了動(dòng)平衡性能檢測設(shè)備的抓取裝置與檢測裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了離合器蓋總成動(dòng)平衡性能的自動(dòng)化檢測。實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用結(jié)果表明,動(dòng)平衡檢測誤差小于10 g·mm，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

離合器蓋總成； 動(dòng)平衡； 結(jié)構(gòu)

0 引 言

汽車離合器是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱中間的橋梁，是影響汽車整體性能和行駛安全性的重要因素。它由蓋總成和從動(dòng)盤總成組成。蓋總成作為汽車離合器的關(guān)鍵組成部分，其分離特性、分離指(桿)安裝高度偏差及分離指(桿)端面跳動(dòng)量、分離行程及分離力、負(fù)荷特性、壓盤升程、壓盤的傾斜量等都是離合器性能的重要指標(biāo)。其中，蓋總成的不平衡量決定了離合器壽命及安全可靠性。因此，平衡性能的檢測就成為了離合器產(chǎn)品檢測的重要環(huán)節(jié)[1]。文獻(xiàn)[1-2]通過分析汽車離合器的工作機(jī)理和性能，提出了汽車離合器性能的檢測方法，提升了檢測效率和精度。而隨著檢測控制系統(tǒng)的不斷改進(jìn)和完善，對(duì)現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善和優(yōu)化設(shè)計(jì)就成為提升檢測產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

相比于國外同類先進(jìn)產(chǎn)品，國內(nèi)對(duì)平衡性能檢測設(shè)備的研究起步較晚，很多技術(shù)有待成熟和完善，差距主要體現(xiàn)在控制和檢測精度低，檢測時(shí)間長，許多試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整和控制難度較大，此外還存在自動(dòng)化程度低、可靠性差、功能單一等問題。

文中結(jié)合現(xiàn)有動(dòng)平衡性能檢測設(shè)備的不足，通過分析平衡性能檢測機(jī)工作機(jī)理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種新型離合器蓋總成平衡檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)。該設(shè)備定位準(zhǔn)確、檢測迅速、工作可靠，滿足現(xiàn)有生產(chǎn)線檢測節(jié)拍要求；檢測精度也得到提升，蓋總成平衡檢測誤差小于10 g·mm。

1 平衡檢測機(jī)總體設(shè)計(jì)

平衡性能檢測機(jī)主要由兩大部分組成，即蓋總成抓取裝置與動(dòng)平衡檢測裝置，兩者配合完成蓋總成在流水線上的快速檢測。

1.1 抓取裝置設(shè)計(jì)

工件抓取裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.支撐架; 2.橫向移動(dòng)器; 3.縱向抓取器; 4.流水線平臺(tái)

圖1 工件抓取裝置結(jié)構(gòu)

1.1.1 支撐架

支撐架由架體、支架連接板、地腳組成，作為抓取裝置的移動(dòng)導(dǎo)軌，使其可以在流水線平臺(tái)與動(dòng)平衡檢測裝置之間移動(dòng)，完成零件的轉(zhuǎn)移工作，支撐架通過螺釘與地面連接。

1.1.2 橫向移動(dòng)器

橫向移動(dòng)器由拖鏈帶動(dòng)板、拖鏈板、氣缸、角鐵、氣缸安裝塊、導(dǎo)軌、橫向液壓緩沖器、橫向連接板等組成，完成抓取器的橫向移動(dòng)工作，其中拖鏈帶動(dòng)板分別與縱向移動(dòng)抓取器、拖鏈通過螺釘連接，拖鏈與拖鏈板通過螺釘連接，拖鏈板與氣缸安裝塊通過螺釘連接，氣缸角鐵分別與無桿氣缸、氣缸安裝塊通過螺釘連接，直線導(dǎo)軌與橫向連接板通過螺釘連接，橫向液壓緩沖器與橫向連接板通過螺釘連接。

1.1.3 縱向移動(dòng)抓取器

縱向移動(dòng)抓取器由伺服電機(jī)、三爪氣缸、氣爪、滾珠絲杠軸承座和直線導(dǎo)軌等組成，完成抓取器的縱向移動(dòng)工作，其中伺服電機(jī)與端部舉升氣缸焊接架通過螺釘連接，端部舉升氣缸焊接架與直線導(dǎo)軌通過螺釘連接，上層板分別與壓緊組件、直線導(dǎo)軌通過螺釘連接，壓緊組件與壓緊板通過螺釘連接，三爪氣缸分別與上層板、氣爪通過螺釘連接，助推件與端部舉升氣缸焊接架上的耳座過盈配合并與無桿氣缸通過過盈連接，另外，縱向移動(dòng)抓取器的固定座與端部氣缸焊接架通過螺釘連接，滾珠絲杠與伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器連接，直線導(dǎo)軌與端部氣缸焊接架通過螺釘連接。

抓取裝置采用步進(jìn)電機(jī)控制，通過橫向移動(dòng)器和縱向抓取器，使得抓取裝置可以沿著X,Z兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，縱向抓取器從流水線上抓取蓋總成，通過橫向移動(dòng)器運(yùn)動(dòng)到動(dòng)平衡檢測裝置進(jìn)行檢測，檢測完成后，縱向抓取器從檢測平臺(tái)抓取蓋總成，放置到流水線上，完成一輪操作，周而復(fù)始的進(jìn)行抓取作業(yè)[3-5]。

1.2 動(dòng)平衡檢測裝置

工件動(dòng)平衡檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工件動(dòng)平衡檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)平衡性能檢測裝置結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、絲杠、導(dǎo)軌、箱體、軸、聯(lián)軸器等多個(gè)部件，抓取裝置將蓋總成放置到動(dòng)平衡檢測裝置上，檢測裝置自動(dòng)加緊工件，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，獲取檢測數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)由三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)傳動(dòng)，帶輪連接轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)。

自動(dòng)加緊裝置通過步進(jìn)電機(jī)的軸與一個(gè)帶有內(nèi)花鍵的絲杠軸剛性連接，絲杠軸與機(jī)器的主軸通過花鍵進(jìn)行剛性連接螺紋固定，使主軸能隨絲杠上下移動(dòng)。對(duì)工件進(jìn)行加緊時(shí)，軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)絲杠螺母進(jìn)行聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)彈簧進(jìn)行壓縮，主軸下移，以產(chǎn)生加緊力。對(duì)工件進(jìn)行放松時(shí)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸上移，對(duì)彈簧放松，以放松工件。

2 關(guān)鍵部件的選取與校核

2.1 抓取裝置工作導(dǎo)軌選取

工作導(dǎo)軌對(duì)抓取裝置的精度有很大的影響。本設(shè)計(jì)采用燕尾形導(dǎo)軌，絲杠裝在兩導(dǎo)軌中間?；c床身之間為矩型導(dǎo)軌。工作臺(tái)與滑座之間、滑座與床身之間，以及立柱與主軸箱之間的動(dòng)導(dǎo)軌面上均有氟化乙烯導(dǎo)軌板。實(shí)驗(yàn)證明，使用氟化乙烯-鑄鐵磨擦副后，X，Z兩軸均以本機(jī)器的最低進(jìn)給速度1 mm/min運(yùn)動(dòng)時(shí)，無爬行現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 抓取裝置伺服電機(jī)選取

根據(jù)本機(jī)設(shè)計(jì)要求，采用三相交流結(jié)構(gòu)的伺服電動(dòng)機(jī)：FANUC電機(jī)。該電機(jī)加減速優(yōu)良，轉(zhuǎn)子慣量大，熱容量大，過載能力強(qiáng)；低速高轉(zhuǎn)矩，可與進(jìn)給結(jié)構(gòu)直接連接；調(diào)速范圍大，在0.1 r/min低速下仍能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)；電刷換向性能好，可靠性高；絕緣性能好，壽命長，可裝配各種反饋元件。

2.2.1 電機(jī)扭距計(jì)算

考慮傳動(dòng)效率以及機(jī)構(gòu)的磨擦，滾珠絲杠進(jìn)行機(jī)器等速運(yùn)動(dòng)所需力矩，電機(jī)扭矩的計(jì)算如下：

式中：Ml----等速運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩，N·mm；

Fao----預(yù)緊力，通常預(yù)緊力取最大軸向工作載荷Fmax的1/3，即Fao=Fmax/3，大約為300 N；

Lsp----絲杠導(dǎo)程，10 mm；

P----滾珠絲杠軸向外部載荷，1 000 N；

F----作用于絲杠的軸向的切削力，大約為200 N；

W----法向載荷；

μ----導(dǎo)軌磨擦系數(shù)，0.003～0.004；

η1----滾珠絲杠的效率，0.90～0.95；

MB----支承軸承的磨擦力矩，大約為2.5 N·m;

Z1----齒輪1的齒數(shù)40；

Z2----齒輪2的齒數(shù)80。

代入上式得：

伺服電動(dòng)機(jī)依據(jù)下面原則選取。

M1≤MS

式中：MS----伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

2.2.2 慣量匹配計(jì)算

為使伺服進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給部件有快速的響應(yīng)能力，必須選用加速能力大的電動(dòng)機(jī)，亦即能快速響應(yīng)的電機(jī)，但又不能盲目的追求大慣量，否則由于不能充分發(fā)揮其加速能力，而且增加成本。因此,必須使電機(jī)慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量相匹配。

通常在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM與總慣量Jt之間，有下列匹配關(guān)系：

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量JM可以從產(chǎn)品的目錄中找到。

2.2.3 定位加速時(shí)最大扭矩的計(jì)算

定位時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算：

式中：nm----快速移動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，取1 000 r/min；

ta----加速、減速時(shí)間，取5 s；

Jm----電機(jī)慣量；

Jl----負(fù)載慣量；

ML----負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

如果M小于伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Mmax，則電機(jī)能以所取的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行加速和減速。

2.2.4 熱時(shí)間常數(shù)

電機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)越大，允許的超載運(yùn)行的時(shí)間也越長，大慣量的電機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)可達(dá)到120 min左右，電機(jī)可以在自然的冷卻狀態(tài)下長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，通常可以在3倍額定轉(zhuǎn)矩條件下工作30 min，溫升不超過150 ℃。因?yàn)樗捎昧四透邷氐慕^緣材料，繞組允許溫升可以達(dá)到155 ℃。

通過上述條件的計(jì)算，文中選擇電機(jī)的型號(hào)是FANUC的交流變頻調(diào)速電機(jī),其基本參數(shù)如下：

輸出功率：1.4 kW；

額定轉(zhuǎn)矩：17.6 N·m；

最大轉(zhuǎn)矩：17.6 N·m；

最高轉(zhuǎn)速：1 500 r/min。

2.3 抓取裝置滾珠絲杠螺母傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.3.1 滾珠絲杠螺母副的間隙消除和預(yù)加載

滾珠絲杠螺母在安裝時(shí)還要進(jìn)行消除間隙和預(yù)加載荷，當(dāng)兩個(gè)滾珠絲杠螺母相對(duì)于套筒方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則其軸向位移量S=hsp/z1。如果兩齒輪沿同一方向各轉(zhuǎn)過一個(gè)齒時(shí)，其軸向位移量為:

當(dāng)z1=99，z2=100，hsp=10時(shí)，則

即兩個(gè)螺母在軸向上產(chǎn)生1 μm的位移。這種方案盡管工藝上難度大，但具有較高的精確度，在平衡性能檢驗(yàn)設(shè)備中得到了普遍應(yīng)用。

2.3.2 滾珠絲杠螺母副的參數(shù)

根據(jù)機(jī)械原理公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：

式中：γ----螺紋的螺旋升角，大約為3.31°;

φ----磨擦角。

滾珠絲杠副的滾動(dòng)磨擦系數(shù)f=0.003～0.004，其磨擦角可計(jì)算為:

φ=arctgf=0.171 8

計(jì)算得：

2.4 動(dòng)平衡檢測裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取

根據(jù)機(jī)器的特性，考慮整機(jī)的工藝，機(jī)械效率的費(fèi)用等綜合指標(biāo)，合理對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇；根據(jù)整機(jī)的負(fù)載，對(duì)機(jī)器的過載能力、電機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩、電機(jī)的工作情況合理選擇電動(dòng)機(jī)的功率。

電機(jī)的選取原則是滿足精度要求，滿足輸出功率要求，即轉(zhuǎn)矩問題。由于旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)轉(zhuǎn)盤部分需要機(jī)構(gòu)進(jìn)行間歇運(yùn)動(dòng)，需要停歇，因此，文中選擇步進(jìn)電機(jī)。

綜合整機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)功率，對(duì)電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速選取，轉(zhuǎn)盤部分選取100型的步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為ERURD7/LHA。

電機(jī)參數(shù)見表1。

表1 電機(jī)參數(shù)表

2.5 動(dòng)平衡檢測裝置驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

根據(jù)動(dòng)平衡性能檢測工作機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)布置，考慮實(shí)際生產(chǎn)加工工藝以及最后的裝配工藝。初步計(jì)算時(shí)由齒輪、平衡性能檢測工作機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸的檔位的工作位置和齒輪的厚度等的尺寸初步確定軸的長度。軸的直徑根據(jù)下列的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步計(jì)算：

驅(qū)動(dòng)軸初選軸徑

式中：K----經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，K=4～4.6；

Temax----發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，N·m。

代入數(shù)值可得d=11.8 mm。

驅(qū)動(dòng)軸的軸頸強(qiáng)度計(jì)算和校核如下：

軸的長度初步定158 mm，安裝軸承所占長度，軸上受力點(diǎn)間的間距大致為40 mm，根據(jù)平衡性能檢測工作機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸的工況可知，一檔時(shí)，軸和齒輪所受載荷力最大，則以一檔進(jìn)行校核，由此可滿足整個(gè)平衡性能檢測工作機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸的軸強(qiáng)度需要。根據(jù)平衡性能檢測工作機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的齒輪寬度、內(nèi)嚙合的斜齒輪和平衡性能檢測工作機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸箱體壁的距離分布，可得出一檔齒輪的受力情況，如圖3所示。

圖3 一檔齒輪受力圖

2.6 圓錐滾子軸承壽命校核

該圓錐滾子軸承其主要參數(shù)為:

d=28 mm

D=45 mm

B=12 mm

Cr=16.8 kN

式中:L10 h----以小時(shí)數(shù)(h)表示軸承的基本額定壽命(可靠度為90%)；

n----軸承工作轉(zhuǎn)速，r/min；

C----基本額定動(dòng)載荷，N；

P----當(dāng)量動(dòng)載荷，N；

ε----壽命指數(shù)，對(duì)滾子軸承ε=10/3。

由于該軸承徑向受力可忽略不計(jì)，只受軸向載荷，所以:

查表得：

x=0.4y=1.40

fp=1.5

P=1.5×1.40×100=210 N

n=n電機(jī)=1 460 r/min

Cr=16.8 kN

可得[6-7]：

25.2×106h

L10 h>Lh′=55 000 h

3 結(jié) 語

針對(duì)現(xiàn)有離合器蓋總成動(dòng)平衡機(jī)檢測設(shè)備檢測效率低的問題，通過分析工作機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種新型動(dòng)平衡檢測設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種離合器蓋總成的快速檢測、定位準(zhǔn)確、工作可靠。經(jīng)試驗(yàn)測試結(jié)果表明，蓋總成平衡檢測誤差小于10 g·mm，滿足離合器蓋總成生產(chǎn)線檢測節(jié)拍要求。

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Structure design of dynamic balance testing machine for clutch cover assembly

LIU Hongliang1， ZHANG Aoxiang2， ZHONG Yu2， TANG Zheng2

(1.School of Applied Technology, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China; 2.School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The mechanical gripping and dynamic balance detection structures are designed for the dynamic balance testing equipment. The automatic balance capability detection for the clutch cover assembly is realized. Experiments indicate that the measurement error of dynamic balance testing is less than 10g.mm which meets the needs of design indexes.

clutch cover assembly； dynamic balancing； structure.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.1.04

2016-10-21

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20150203017GX)； 吉林省省級(jí)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整引導(dǎo)資金專項(xiàng)項(xiàng)目(2015Y063)

柳虹亮(1983-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)講師，碩士，主要從事機(jī)電一體化方向研究,E-mail:liuhongliang@ccut.edu.cn.

U 467.3

A

1674-1374(2017)01-0021-05