李慶華,曲漠陶

(長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

飛輪是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)較簡單的零件之一，但是它對發(fā)動(dòng)機(jī)有著十分重要的作用[1]，飛輪輪廓的制造精度對其使用功能和裝配性能有很大的影響。如果飛輪在制造生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)超差并未能被檢測出來，那么飛輪工作時(shí)就會失效，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作，使得使用飛輪的機(jī)械設(shè)備整體安全系數(shù)降低，危及生命財(cái)產(chǎn)安全。

自上世紀(jì)七十年代初以來，我國就開始引進(jìn)和研發(fā)三坐標(biāo)測量機(jī)對飛輪精度進(jìn)行檢測。自此之后，國內(nèi)在測量技術(shù)方面也有十分大的進(jìn)步，但與國外相比，在非接觸式檢測設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)方面，我國進(jìn)步還是非常緩慢的。三坐標(biāo)測量機(jī)雖然具有較高的測量精度，但由于其特定的測量方式，不能滿足現(xiàn)場實(shí)時(shí)的測量要求，同時(shí)，由于三坐標(biāo)測量機(jī)的價(jià)格昂貴和嚴(yán)格的使用環(huán)境條件要求，使其很難被廣泛推廣應(yīng)用。因而無法滿足現(xiàn)代加工檢測精度的要求。傳統(tǒng)的對飛輪各部分參數(shù)檢測方法基本上是由專業(yè)檢測人員用抽檢法人工進(jìn)行，工作效率低且檢測精度低，對檢測人員精力的消耗也很大，人工檢測也難以同時(shí)對多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測，這種傳統(tǒng)方法已不能滿足飛輪參數(shù)檢測，特別是對撓性飛輪參數(shù)高精度、高效率檢測生產(chǎn)的需求。因此，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場全自動(dòng)在線檢測的快速檢測單一零件多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的儀器設(shè)備及系統(tǒng)，對撓性飛輪高效率生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益提高乃至汽車安全性能提高有很大幫助[2]。本文利用CAE技術(shù)，結(jié)合撓性飛輪的生產(chǎn)制造特點(diǎn)，以及撓性飛輪相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的檢測方法，研究自動(dòng)在線檢測撓性飛輪儀器設(shè)備中的飛輪裝夾系統(tǒng)。

1 撓性飛輪檢測裝夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.1 裝夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高設(shè)備檢測效率，保證零件的檢測精度，滿足在線檢測的生產(chǎn)要求，需要設(shè)計(jì)專用裝夾系統(tǒng)。設(shè)計(jì)裝夾系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：(1)應(yīng)盡可能選擇經(jīng)過精加工后的平面為基準(zhǔn)定位，這樣可以最大程度的保證位置精度；(2)夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)布置在零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性較好的位置，防止零件裝夾過程中的變形；(3)裝夾后應(yīng)保證基準(zhǔn)面的位置精度。

針對以上要求，設(shè)計(jì)分析的裝夾系統(tǒng)采用脹套方式進(jìn)行定位，動(dòng)力源選用氣動(dòng)夾緊如圖1、圖2所示[3-4]。裝夾系統(tǒng)工作流程為：初始時(shí)脹緊氣缸4為伸出狀態(tài)，脹套11處于自由狀態(tài)下，伺服電機(jī)2處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)待檢測飛輪的內(nèi)孔進(jìn)入脹套后，3個(gè)接近傳感器感測到飛輪底部，氣缸4的氣缸桿縮回，帶動(dòng)脹套向下壓，脹套富有一定的彈性，并且沿錐面膨脹接觸到被檢測飛輪的內(nèi)孔，使飛輪脹緊固定，然后伺服電機(jī)啟動(dòng)，通過同步帶帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，設(shè)備開始進(jìn)行公差檢測。

圖1 裝夾系統(tǒng)

圖2 裝夾系統(tǒng)三維圖及裝配圖(局部)

1.2 夾緊力計(jì)算

在裝夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需對夾緊機(jī)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行校核。通過對夾具的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)中心孔內(nèi)緣所受的力與夾緊機(jī)構(gòu)在徑向所提供的力有密切關(guān)系，是飛輪是否夾緊的關(guān)鍵，因而需計(jì)算出飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)開始時(shí)所受驅(qū)動(dòng)力[5]。

飛輪繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I=0.04198kg·m2，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角加速度為β=6.67πrad/s2,所以得飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受最大外力矩為：

MN=I·β=0.04198×6.67=0.280066Nm，

(1)

中心孔直徑為D=50mm，得飛輪受驅(qū)動(dòng)力為：

(2)

根據(jù)檢測時(shí)兩接觸材料，選擇摩擦系數(shù)f=0.4；由所選氣缸得氣缸推出力F=2009.6N；根據(jù)幾何尺寸計(jì)算，氣缸所提供的摩擦力為：

F′N=F×cos80°×cos10°×f=137.46N，

(3)

所以F′N?FN，即裝夾力足夠保證飛輪穩(wěn)固裝夾，該裝夾系統(tǒng)夾緊可靠[6]。

2 撓性飛輪變形有限元分析

由于撓性飛輪為薄壁零件，裝夾時(shí)施加到飛輪上的脹緊力會使飛輪產(chǎn)生變形。而對飛輪外緣的部分的圓跳動(dòng)、端面的位置度、跳動(dòng)等公差的檢測精度要求較高，所以對飛輪裝夾時(shí)的變形狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，研究這種裝夾方式對檢測結(jié)果的影響。

有限元分析主要分為3個(gè)階段：前處理階段、加載求解階段、后處理階段。

2.1 前處理階段

(1)定義材料屬性：飛輪驅(qū)動(dòng)盤部分材料定義為45號鋼；齒圈部分定義材料為45號鋼，高頻淬火處理。密度7.85g/cm3，彈性模量210GPa，泊松比0.269。

(2)數(shù)字模型建立及處理：飛輪零件圖如圖3所示，建立3D模型如圖4所示。為控制計(jì)算時(shí)間，結(jié)合飛輪的零件特點(diǎn)，對模型進(jìn)行如下處理：①去除了6個(gè)加強(qiáng)突起；②去除了外緣6個(gè)長條工藝凸臺。

(3)網(wǎng)格劃分：采用有限元分析軟件中CTETRA(4)類型的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分參數(shù)按表1所示定義。網(wǎng)格生成結(jié)果如圖5所示，共有192649個(gè)單元，62326個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 網(wǎng)格劃分參數(shù)

2.2 加載求解階段

(1)約束：裝夾系統(tǒng)以脹套對飛輪中心孔內(nèi)緣的支撐，及芯軸對飛輪底部的支撐為主要支撐，對飛輪底部施加滑動(dòng)約束，對飛輪中心孔內(nèi)緣施加圓柱形約束，對位置孔施加圓柱形約束。

(2)載荷：飛輪盤厚度為h=2.25mm，中心孔直徑D=50mm，得飛輪軸向載荷為：

(4)

載荷及約束加載位置情況如圖6所示，飛輪自重將在后處理過程中施加。

2.3 后處理階段

根據(jù)前處理及加載求解階段的設(shè)定，得到仿真結(jié)果如圖7、圖8所示，從仿真的結(jié)果可知，飛輪的最大應(yīng)力σc=28.229MPa，在飛輪中心孔與定位孔中間，位置如圖7。45號鋼的屈服極限為σs=355MPa?？芍襝?σs，即裝夾后飛輪最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服極限。

飛輪整體變形量最大為0.046mm，最大變形量位置處于飛輪定位孔對面一側(cè)，方向沿中心孔軸線豎直向上，如圖8所示。

由文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[7]可知，使用檢測設(shè)備檢測產(chǎn)品精度，要求檢測設(shè)備影響檢測精度理論值一般不超過產(chǎn)品公差1/10精度。從仿真結(jié)果得飛輪外緣由于裝夾產(chǎn)生的軸向變形使得飛輪端面變形之差達(dá)到0.044mm，而設(shè)備對端面平行度公差檢測要求為0.15mm。系統(tǒng)誤差已經(jīng)接近公差允許范圍的1/3，按此方法裝夾的設(shè)備已經(jīng)不適用檢測端面平行度，需要進(jìn)行優(yōu)化以減少系統(tǒng)誤差。

3 撓性飛輪裝夾系統(tǒng)優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化方案研究

由載荷及約束，結(jié)合圖7、圖8的分析可得，造成飛輪外緣變形的應(yīng)力主要是源于脹套對飛輪中心孔的徑向壓力，變形經(jīng)由飛輪盤腹由內(nèi)而外逐漸增大，在飛輪外緣端面達(dá)到最大值[10]。應(yīng)力最大處為飛輪中心孔與定位孔之間，最大應(yīng)力為28.229MPa，與之對應(yīng)沿飛輪徑向最外緣的變形量為0.002mm；而最大變形量位置處于飛輪最外緣背向定位孔一側(cè)，變形量最大為lmax=0.046mm，這是由于飛輪裝夾時(shí)定位銷對飛輪的約束，使得飛輪外緣的變形量減小[11]，根據(jù)飛輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬定在飛輪中心孔周圍的10個(gè)連接孔加入定位銷的方式來研究減小飛輪變形量方法。

3.2 裝夾系統(tǒng)的優(yōu)化

飛輪上10個(gè)連接孔繞中心孔均勻分布，與飛輪中軸的軸距為40.5625mm，孔徑為11.55mm，按對稱的方式有加入10根、5根、4根、2根定位銷4種排布方式進(jìn)行研究。分別對4種方式建模、加載載荷及約束進(jìn)行仿真分析，得到不同的排布方式下飛輪應(yīng)力、變形的仿真結(jié)果如表2所示，表中最小變形量lmin前的負(fù)號代表與最大變形量lmax方向相反。從表2中可以看到4種方案都能夠滿足系統(tǒng)誤差不超過端面平行度公差的1/10即0.015mm的要求，且最大應(yīng)力都小于屈服極限σs，因此選用系統(tǒng)誤差最小的夾緊優(yōu)化結(jié)構(gòu)，即插入5根限位銷的方式如圖9所示，作為優(yōu)化后的裝夾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其仿真結(jié)果如圖10所示。

表2 優(yōu)化后仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文對撓性飛輪脹緊裝夾狀態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)研究，運(yùn)用有限元分析軟件建立了三維分析模型，并進(jìn)行了部件仿真計(jì)算分析，分析了飛輪圓盤的應(yīng)力和變形大小，結(jié)果表明，在僅依靠中心孔約束下，飛輪因變形產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差超過了檢測設(shè)備的精度要求。結(jié)合飛輪本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對飛輪變形進(jìn)行了特性分析，優(yōu)化了檢測裝置的飛輪脹緊裝夾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用飛輪中間的連接孔進(jìn)行限位夾緊，并采用類比分析法進(jìn)行研究，結(jié)果表明采用5根限位銷的方式，有效降低了檢測裝夾時(shí)的變形，這為生產(chǎn)實(shí)際提供了技術(shù)支持。