□ 黃佳男 □ 朱約瑟 □ 范零峰 □ 王建航 □ 童成鵬 □ 雷良育,3

1.浙江農(nóng)林大學(xué) 光機(jī)電工程學(xué)院 杭州 311300 2.杭州百鄉(xiāng)緣農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司 杭州 311200 3.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司 杭州 311232

近年來(lái),由于國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大范圍增加,以及網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物和快遞行業(yè)的發(fā)展,重型卡車(chē)的需求迎來(lái)了較快增長(zhǎng)。華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的2021至2026年我國(guó)重型卡車(chē)行業(yè)發(fā)展監(jiān)測(cè)及投資戰(zhàn)略規(guī)劃研究報(bào)告顯示,2019年我國(guó)重型卡車(chē)產(chǎn)量已達(dá)119.3萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)7.2%;2020年我國(guó)重型卡車(chē)產(chǎn)量達(dá)到165.5萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)38.7%。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)及對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的研究,重型卡車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量仍將維持高水平,我國(guó)重型卡車(chē)的需求量很大。

重型卡車(chē)輪轂軸承是重型卡車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系的一部分,重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩可以綜合反映摩擦性能。輪轂軸承內(nèi)外圈球面或錐面的貼合度、預(yù)緊狀況等是輪轂軸承的重要技術(shù)參數(shù)[1]。筆者設(shè)計(jì)了重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)。

1 重型卡車(chē)輪轂軸承組成

重型卡車(chē)在勻速直行時(shí),輪轂軸承主要承受徑向載荷。轉(zhuǎn)彎時(shí),又要承受巨大的軸向載荷。如此的工作特性要求軸承需要承受較大的徑向和軸向聯(lián)合載荷。筆者研究的重型卡車(chē)輪轂軸承由雙列圓錐滾子軸承嵌套在輪轂球殼內(nèi),主要由車(chē)橋、車(chē)橋主軸、軸承內(nèi)圈、軸承外圈、滾動(dòng)體、保持架、球殼、制動(dòng)鼓等組成[2]。重型卡車(chē)輪轂軸承裝配形式如圖1所示,結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖2所示,主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 重型卡車(chē)輪轂軸承裝配形式

圖2 重型卡車(chē)輪轂軸承結(jié)構(gòu)爆炸圖

表1 重型卡車(chē)輪轂軸承主要參數(shù)

2 摩擦力矩檢測(cè)原理

重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)采用平衡法原理來(lái)檢測(cè)摩擦力矩。輪轂軸承內(nèi)圈以給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),輪轂軸承外圈因?yàn)槟Σ亮氐淖饔脮?huì)隨著輪轂軸承內(nèi)圈運(yùn)動(dòng),此時(shí)在輪轂軸承外圈上施加一個(gè)外力矩,使所施加的外力矩與被測(cè)摩擦力矩大小相等、方向相反,從而使輪轂軸承外圈處于受力平衡狀態(tài),所施加的外力矩大小即為被測(cè)摩擦力矩的大小[3-4]。平衡法原理如圖3所示。

圖3 平衡法原理

3 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計(jì)的重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)浙江某公司開(kāi)發(fā)的13 t重型卡車(chē)輪轂軸承。根據(jù)平衡法原理及總體設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由機(jī)架、試驗(yàn)工裝、頂升裝置、下壓檢測(cè)裝置、測(cè)控系統(tǒng)等組成,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 在線檢測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)

5 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 輸送線

機(jī)架與輸送線相配合,輸送線的水平直線距離為190 mm[5]。當(dāng)載有輪轂軸承的托盤(pán)從上一工序進(jìn)入重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)的指定位置后,前擋料氣缸抬起,用于托盤(pán)預(yù)擋料。到達(dá)射頻識(shí)別模塊和紅外傳感器模塊后,后擋料氣缸抬起,實(shí)現(xiàn)托盤(pán)頂升前的粗定位。止回器組件可以防止托盤(pán)回彈。重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)輸送線結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 在線檢測(cè)系統(tǒng)輸送線結(jié)構(gòu)

5.2 頂升裝置

頂升裝置主要包括頂頭、頂升氣缸、頂升擋塊、下滑臺(tái)橫移氣缸、限位橫移擋塊、伺服電機(jī)[6]。當(dāng)載有輪轂軸承的托盤(pán)到達(dá)指定檢測(cè)位置時(shí),頂升氣缸頂起頂頭,卡進(jìn)被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈,由此頂升輪轂軸承脫離托盤(pán)至檢測(cè)高度,與上壓頭配合。工作時(shí),頂升氣缸先粗略頂升60 mm,之后兩個(gè)下滑臺(tái)橫移氣缸各推動(dòng)限位橫移擋塊30 mm,使限位橫移擋塊到達(dá)頂升擋塊下。限位橫移擋塊高57 mm,到達(dá)指定位置后,頂升氣缸推動(dòng)頂頭下降,使頂升擋塊剛好卡在限位橫移擋塊高度上,確保頂升裝置的頂升高度[7],為進(jìn)入下一步檢測(cè)工序做好準(zhǔn)備。重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)頂升裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 在線檢測(cè)系統(tǒng)頂升裝置結(jié)構(gòu)

5.3 下壓檢測(cè)裝置

下壓檢測(cè)裝置由上壓頭、扭矩傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。上壓頭內(nèi)部通過(guò)機(jī)架頂端的氣液增壓缸壓入被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈,與頂頭形成配合,卡住被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈,抑制被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈在帶動(dòng)被測(cè)輪轂軸承外圈時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于上壓頭上方的外圈帶動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬扭力扳手動(dòng)作,帶動(dòng)被測(cè)輪轂軸承實(shí)現(xiàn)勻脂,開(kāi)始進(jìn)行摩擦力矩的自動(dòng)檢測(cè)。整個(gè)檢測(cè)步驟分為兩步。第一步為檢測(cè)啟動(dòng)摩擦力矩,外圈帶動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)試驗(yàn)工裝,使被測(cè)輪轂軸承外圈以1 rad/s的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),且每轉(zhuǎn)動(dòng)1 s停轉(zhuǎn)0.5 s,持續(xù)五次,以此模仿被測(cè)輪轂軸承啟動(dòng)狀態(tài),得到被測(cè)輪轂軸承的啟動(dòng)摩擦力矩[8]。第二步為檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩,外圈帶動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)試驗(yàn)工裝,使被測(cè)輪轂軸承外圈以600 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),持續(xù)5 s,整個(gè)過(guò)程中扭矩傳感器同步進(jìn)行檢測(cè),并且向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)輸入摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)記錄摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)時(shí),若有一項(xiàng)不符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),則會(huì)被判定為不合格。重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)下壓檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 在線檢測(cè)系統(tǒng)下壓檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

5.4 測(cè)控裝置

重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控裝置主要由可編程序控制器和人機(jī)界面組成?？删幊绦蚩刂破魍ㄟ^(guò)接觸器的電磁閥來(lái)控制頂升裝置頂升、頂頭下伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)、下壓檢測(cè)裝置氣液增壓缸下壓、上壓頭上方外圈帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。檢測(cè)的摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)不在合格范圍內(nèi)時(shí),計(jì)算機(jī)及時(shí)報(bào)警,可編程序控制器控制氣缸將不合格品推出[9]。

6 樣機(jī)研制

根據(jù)設(shè)計(jì)研制的重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)如圖8所示。

圖8 重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下壓檢測(cè)裝置的定位部件上升到系統(tǒng)設(shè)定位置,測(cè)控裝置發(fā)出信號(hào),使用于摩擦力矩檢測(cè)的上壓頭恰好在被測(cè)輪轂軸承正上方。紅外傳感器確認(rèn)位置無(wú)誤后,頂頭和上壓頭芯軸同時(shí)壓入被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈,頂頭用于驅(qū)動(dòng)被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),上壓頭芯軸用于檢測(cè)摩擦力矩。用于摩擦力矩檢測(cè)的上壓頭的外部材料為橡膠材質(zhì),球殼上有與上壓頭外部橡膠寬度相等的圓環(huán)凹槽。在檢測(cè)摩擦力矩時(shí),上壓頭外部卡入球殼上環(huán)形凹槽,并將球殼固定,進(jìn)而將被測(cè)輪轂軸承外圈固定住,不存在旋轉(zhuǎn)位移。

被測(cè)輪轂軸承定位后,頂升裝置的伺服電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn),通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)頂升裝置的頂頭旋轉(zhuǎn)。由于被測(cè)輪轂軸承內(nèi)圈與上壓頭芯軸、頂頭一同旋轉(zhuǎn),上壓頭外部施加一個(gè)和摩擦力矩同等大小、方向相反的力矩,才能使被測(cè)輪轂軸承外圈保持靜止。被測(cè)輪轂軸承從靜止到旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中,上壓頭內(nèi)部的扭矩傳感器同步進(jìn)行檢測(cè),并且向人機(jī)界面輸入摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)。人機(jī)界面根據(jù)摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)顯示啟動(dòng)摩擦力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩[10]。

重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩的檢測(cè)流程如圖9所示。

圖9 摩擦力矩檢測(cè)流程

7 試驗(yàn)分析

重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)每次的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)控制在30 s以內(nèi)。檢測(cè)完成后,能夠?qū)⒑细衿纷詣?dòng)推送至下一工序,將不合格品自動(dòng)推出至不合格品區(qū)。根據(jù)商用車(chē)輪轂軸承單元浙江制造團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)13 t重型卡車(chē)輪轂軸承檢測(cè)的合格標(biāo)準(zhǔn)為啟動(dòng)摩擦力矩10～15 N·m、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩4～8 N·m。

重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)檢測(cè)完摩擦力矩后,結(jié)果可以通過(guò)人機(jī)界面查詢,計(jì)算機(jī)記錄每次檢測(cè)的啟動(dòng)摩擦力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩。由于重型卡車(chē)輪轂軸承特殊的使用場(chǎng)合,出于輪轂軸承免維護(hù)壽命考慮,一般輪轂軸承的裝配為負(fù)游隙裝配,因此摩擦力矩不能小于設(shè)定的下限值,否則視為負(fù)游隙失效。由此,在人機(jī)界面中,設(shè)定啟動(dòng)摩擦力矩上限為15 N·m,下限為10 N·m,轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩上限為8 N·m,下限為4 N·m。取100次試驗(yàn)合格的重型卡車(chē)輪轂軸承數(shù)據(jù)并導(dǎo)出,導(dǎo)出的重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖10所示,人機(jī)界面摩擦力矩檢測(cè)界面如圖11所示。由圖10可以得到,啟動(dòng)摩擦力矩的平均值為11.81 N·m,轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩的平均值為7.43 N·m,均滿足重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩合格標(biāo)準(zhǔn)。這一重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)投入應(yīng)用后,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高效率檢測(cè),效果良好。

圖10 摩擦力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖11 人機(jī)界面摩擦力矩檢測(cè)界面

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)輪轂軸承進(jìn)行摩擦力矩檢測(cè),并輸出數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)大量輪轂軸承檢測(cè)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相吻合,驗(yàn)證了這一在線檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)證明,重型卡車(chē)輪轂軸承的啟動(dòng)摩擦力矩可以控制在10～13 N·m之間,轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩可以控制在6～8 N·m之間。重型卡車(chē)輪轂軸承摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠,可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。