□ 黄佳男 □ 朱约瑟 □ 范零峰 □ 王建航 □ 童成鹏 □ 雷良育,3

1.浙江农林大学 光机电工程学院 杭州 311300 2.杭州百乡缘农业开发有限公司 杭州 311200 3.浙江兆丰机电股份有限公司 杭州 311232

近年来,由于国家基础设施建设的大范围增加,以及网络购物和快递行业的发展,重型卡车的需求迎来了较快增长。华经产业研究院发布的2021至2026年我国重型卡车行业发展监测及投资战略规划研究报告显示,2019年我国重型卡车产量已达119.3万辆,同比增长7.2%;2020年我国重型卡车产量达到165.5万辆,同比增长38.7%。根据现有数据及对未来趋势的研究,重型卡车的产销量仍将维持高水平,我国重型卡车的需求量很大。

重型卡车轮毂轴承是重型卡车动力传动系的一部分,重型卡车轮毂轴承摩擦力矩可以综合反映摩擦性能。轮毂轴承内外圈球面或锥面的贴合度、预紧状况等是轮毂轴承的重要技术参数[1]。笔者设计了重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统。

1 重型卡车轮毂轴承组成

重型卡车在匀速直行时,轮毂轴承主要承受径向载荷。转弯时,又要承受巨大的轴向载荷。如此的工作特性要求轴承需要承受较大的径向和轴向联合载荷。笔者研究的重型卡车轮毂轴承由双列圆锥滚子轴承嵌套在轮毂球壳内,主要由车桥、车桥主轴、轴承内圈、轴承外圈、滚动体、保持架、球壳、制动鼓等组成[2]。重型卡车轮毂轴承装配形式如图1所示,结构爆炸图如图2所示,主要参数见表1。

图1 重型卡车轮毂轴承装配形式

图2 重型卡车轮毂轴承结构爆炸图

表1 重型卡车轮毂轴承主要参数

2 摩擦力矩检测原理

重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统采用平衡法原理来检测摩擦力矩。轮毂轴承内圈以给定转速转动时,轮毂轴承外圈因为摩擦力矩的作用会随着轮毂轴承内圈运动,此时在轮毂轴承外圈上施加一个外力矩,使所施加的外力矩与被测摩擦力矩大小相等、方向相反,从而使轮毂轴承外圈处于受力平衡状态,所施加的外力矩大小即为被测摩擦力矩的大小[3-4]。平衡法原理如图3所示。

图3 平衡法原理

3 检测系统结构

笔者设计的重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统用于检测浙江某公司开发的13 t重型卡车轮毂轴承。根据平衡法原理及总体设计要求,设计重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统的结构。重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统主要由机架、试验工装、顶升装置、下压检测装置、测控系统等组成,结构如图4所示。

图4 在线检测系统结构

4 检测系统技术参数

重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统主要技术参数见表2。

表2 在线检测系统主要参数

5 检测系统设计

5.1 输送线

机架与输送线相配合,输送线的水平直线距离为190 mm[5]。当载有轮毂轴承的托盘从上一工序进入重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统的指定位置后,前挡料气缸抬起,用于托盘预挡料。到达射频识别模块和红外传感器模块后,后挡料气缸抬起,实现托盘顶升前的粗定位。止回器组件可以防止托盘回弹。重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统输送线结构如图5所示。

图5 在线检测系统输送线结构

5.2 顶升装置

顶升装置主要包括顶头、顶升气缸、顶升挡块、下滑台横移气缸、限位横移挡块、伺服电机[6]。当载有轮毂轴承的托盘到达指定检测位置时,顶升气缸顶起顶头,卡进被测轮毂轴承内圈,由此顶升轮毂轴承脱离托盘至检测高度,与上压头配合。工作时,顶升气缸先粗略顶升60 mm,之后两个下滑台横移气缸各推动限位横移挡块30 mm,使限位横移挡块到达顶升挡块下。限位横移挡块高57 mm,到达指定位置后,顶升气缸推动顶头下降,使顶升挡块刚好卡在限位横移挡块高度上,确保顶升装置的顶升高度[7],为进入下一步检测工序做好准备。重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统顶升装置结构如图6所示。

图6 在线检测系统顶升装置结构

5.3 下压检测装置

下压检测装置由上压头、扭矩传感器、驱动电机等组成。上压头内部通过机架顶端的气液增压缸压入被测轮毂轴承内圈,与顶头形成配合,卡住被测轮毂轴承内圈,抑制被测轮毂轴承内圈在带动被测轮毂轴承外圈时的转动。驱动电机用于上压头上方的外圈带动机构模拟扭力扳手动作,带动被测轮毂轴承实现匀脂,开始进行摩擦力矩的自动检测。整个检测步骤分为两步。第一步为检测启动摩擦力矩,外圈带动机构带动试验工装,使被测轮毂轴承外圈以1 rad/s的转速转动,且每转动1 s停转0.5 s,持续五次,以此模仿被测轮毂轴承启动状态,得到被测轮毂轴承的启动摩擦力矩[8]。第二步为检测转动摩擦力矩,外圈带动机构带动试验工装,使被测轮毂轴承外圈以600 r/min的转速转动,持续5 s,整个过程中扭矩传感器同步进行检测,并且向计算机监控系统输入摩擦力矩数据。计算机监控系统记录摩擦力矩数据时,若有一项不符合设定标准,则会被判定为不合格。重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统下压检测装置结构如图7所示。

图7 在线检测系统下压检测装置结构

5.4 测控装置

重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统的测控装置主要由可编程序控制器和人机界面组成。可编程序控制器通过接触器的电磁阀来控制顶升装置顶升、顶头下伺服电机旋转、下压检测装置气液增压缸下压、上压头上方外圈带动旋转。检测的摩擦力矩数据不在合格范围内时,计算机及时报警,可编程序控制器控制气缸将不合格品推出[9]。

6 样机研制

根据设计研制的重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统样机如图8所示。

图8 重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统样机

伺服电机驱动下压检测装置的定位部件上升到系统设定位置,测控装置发出信号,使用于摩擦力矩检测的上压头恰好在被测轮毂轴承正上方。红外传感器确认位置无误后,顶头和上压头芯轴同时压入被测轮毂轴承内圈,顶头用于驱动被测轮毂轴承内圈旋转,上压头芯轴用于检测摩擦力矩。用于摩擦力矩检测的上压头的外部材料为橡胶材质,球壳上有与上压头外部橡胶宽度相等的圆环凹槽。在检测摩擦力矩时,上压头外部卡入球壳上环形凹槽,并将球壳固定,进而将被测轮毂轴承外圈固定住,不存在旋转位移。

被测轮毂轴承定位后,顶升装置的伺服电机开始旋转,通过带传动带动顶升装置的顶头旋转。由于被测轮毂轴承内圈与上压头芯轴、顶头一同旋转,上压头外部施加一个和摩擦力矩同等大小、方向相反的力矩,才能使被测轮毂轴承外圈保持静止。被测轮毂轴承从静止到旋转的过程中,上压头内部的扭矩传感器同步进行检测,并且向人机界面输入摩擦力矩数据。人机界面根据摩擦力矩数据显示启动摩擦力矩和转动摩擦力矩[10]。

重型卡车轮毂轴承摩擦力矩的检测流程如图9所示。

图9 摩擦力矩检测流程

7 试验分析

重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统样机每次的检测时长控制在30 s以内。检测完成后,能够将合格品自动推送至下一工序,将不合格品自动推出至不合格品区。根据商用车轮毂轴承单元浙江制造团体标准,重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统对13 t重型卡车轮毂轴承检测的合格标准为启动摩擦力矩10～15 N·m、转动摩擦力矩4～8 N·m。

重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统样机检测完摩擦力矩后,结果可以通过人机界面查询,计算机记录每次检测的启动摩擦力矩和转动摩擦力矩。由于重型卡车轮毂轴承特殊的使用场合,出于轮毂轴承免维护寿命考虑,一般轮毂轴承的装配为负游隙装配,因此摩擦力矩不能小于设定的下限值,否则视为负游隙失效。由此,在人机界面中,设定启动摩擦力矩上限为15 N·m,下限为10 N·m,转动摩擦力矩上限为8 N·m,下限为4 N·m。取100次试验合格的重型卡车轮毂轴承数据并导出,导出的重型卡车轮毂轴承摩擦力矩试验数据曲线如图10所示,人机界面摩擦力矩检测界面如图11所示。由图10可以得到,启动摩擦力矩的平均值为11.81 N·m,转动摩擦力矩的平均值为7.43 N·m,均满足重型卡车轮毂轴承摩擦力矩合格标准。这一重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统投入应用后,可以实现自动化、高效率检测,效果良好。

图10 摩擦力矩试验数据曲线

图11 人机界面摩擦力矩检测界面

8 结束语

笔者设计的重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统能够准确、快速地对轮毂轴承进行摩擦力矩检测,并输出数据实时显示。通过大量轮毂轴承检测试验得到的数据与实际生产标准相吻合,验证了这一在线检测系统的可行性。重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统样机试验证明,重型卡车轮毂轴承的启动摩擦力矩可以控制在10～13 N·m之间,转动摩擦力矩可以控制在6～8 N·m之间。重型卡车轮毂轴承摩擦力矩在线检测系统的检测结果真实可靠,可以应用于实际工程中。