球籠式等速萬向節鐘形殼溝道中心位置檢測儀

包衛平,朱偉蔚

(1.杭州科技職業技術學院，杭州 311402；2.上海長銳汽車零部件有限公司，上海 201399)

1 鐘形殼結構

球籠式等速萬向節由星形套、保持架、鋼球、鐘形殼組成(圖1)，鐘形殼內球面與保持架外球面以及星形套外球面與保持架內球面組成2個球面副，鐘形殼內球面球心所在的中心平面C-C和星形套外球面球心所在平面C1-C1與兩軸線相交于O點，是萬向節裝配的唯一基準，從而保證萬向節做等角速度轉動。

圖1 球籠式等速萬向節Fig.1 Rzeppa constant velocity universal joint

鐘形殼內腔工作面由6條溝道和1個內球面組成，溝曲率中心與內球面球心的軸向距離為鐘形殼的偏心距ez(圖2)。鋼球沿溝道滾動，保持架沿內球面轉動，保證6個鋼球所在平面與軸線相交于O點。

圖2 鐘形殼的結構Fig.2 Structure of bell-shaped shell

鐘形殼的偏心距ez是其重要結構參數，影響著球籠式等速萬向節的工作性能，鐘形殼的偏心距ez與星形套的偏心距ew相等時才能保證球籠式等速萬向節轉動時鋼球只有一種線速度，從而使得保持架兩邊不受鋼球的作用力。所以，在加工過程中必須嚴格控制兩者偏心距e的偏差。

2 測量分析

鐘形殼毛坯為筒形殼體精鍛件，其內球面球心位置與溝曲率中心位置均為虛擬尺寸，加工后難以檢測，一般需要通過三坐標進行檢測，為滿足鐘形殼大批量生產檢測需求，設計了一種鐘形殼溝曲率中心位置及內球面球心中心位置的在線快速檢測儀器。

該檢測儀器能在線快速檢測鐘形殼溝曲率中心位置以及內球面球心位置，從而確定偏心距e的加工精度是否符合技術要求(圖3)。由于I值為鐘形殼軸向值，活動測頭顯示的b值為鐘形殼徑向值，該示值不能真實、準確地表達鐘形殼的I值。只有找到I與b變化的一般規律，根據I的尺寸公差才能準確地計算出檢測儀相應的示值公差[1]。

圖3 溝道與內球面曲率中心位置測量Fig.3 Measurement of raceway and currature center position of internal spherical surface

2.1 溝曲率中心位置

如圖3所示，O2為鐘形殼溝曲率中心與軸線的交點，設兩測頭中心間距為H，固定測頭中心與溝曲率中心O2的軸向距離為x2、內端與軸線距離為a2，活動測頭內端與軸線距離為b2，測頭直徑為d，則有

即鐘形殼溝曲率中心位置[2]為

(1)

2.2 內球面球心位置

同理，O1為鐘形殼內球面球心平面與軸線的交點，設固定測頭中心與內球面球心軸向距離為x1，內端與軸線距離為a1，活動測頭內端與軸線距離為b1，則

即鐘形殼內球面球心位置為

(2)

2.3 鐘形殼偏心距

由圖3可知，鐘形殼的偏心距為

ez=I2-I1，

將(1)式和(2)式帶入得到

ez=[(b2+a2+d)(b2-a2)-

(b1+a1+d)(b1-a1)]/2H。

(3)

2.4 測量誤差分析

2.4.1 溝曲率中心及內球面球心位置誤差分析

由(1)式和(2)式可知，I為b的函數，對其進行求導得

(4)

(5)

(4)式和(5)式即為溝曲率中心和內球面球心位置變化值dI與檢測儀器示值db之間的函數關系，若值db>0，則dI>0；若db<0，則溝曲率中心及內球面球心位置變化值dI<0。因此，可通過上述函數式將溝曲率中心位置或內球面球心位置的極限偏差(設計值)轉換為相應的檢測儀器示值極限偏差，只要待檢零件的檢測示值偏差在此范圍內，就可以判斷該零件的溝曲率中心位置或內球面球心位置加工精度符合要求。

2.4.2 鐘形殼偏心距誤差分析

鐘形殼偏心距ez需要分別測量溝曲率中心位置I2和內球面球心位置I1才能得出，(3)式反映的是鐘形殼偏心距ez與檢測儀器示值之間的二元函數關系；當2個變量(b1,b2)都取得增量(Δb1，Δb2)時，函數ez取得全增量Δe，分別對2個變量求偏導，得

由于2個變量的偏導數連續，故其全微分方程為

(6)

(6)式即為鐘形殼偏心距ez的偏差與檢測儀器示值偏差的關系，由于b2>b1,故當db2>0，db1>0時，dez>0；當db1<0，db2<0時，dez<0。

偏心距ez是檢測儀器示值b的二元函數，因而必須同時滿足溝道曲率中心位置和內球面球心位置的檢測儀器示值偏差，才能保證待檢零件偏心距ez的精度。

3 檢測儀器結構及測量原理

3.1 檢測儀器結構

檢測儀器如圖4所示，底座上方裝有支架，測量支架和測座則安裝在支架的同側，直角杠桿臂和可調式固定測量球安裝在測量支架上，活動測量球和百分表接觸塊安裝在直角杠桿臂上，百分表安裝在百分表夾頭上。測量時，將鐘形殼放置在測座上，通過杠桿臂將活動測量球的水平位移轉換成百分表測頭的垂直位移，從而判斷溝道曲率中心位置以及內球面球心位置。

圖4 檢測儀器結構Fig.4 Structure of detecting device

3.2 測量原理

該檢測儀器采用比較測量法，其鐘形殼內球面球心位置檢測原理如圖5所示(以內球面球心檢測為例)，圖中A為墊塊尺寸；B為鐘形殼基準端面。

圖5 內球面球心位置測量原理Fig.5 Measuring principle of sphere center position of internal spherical surface

測量前，需要根據標準零件尺寸及工藝要求進行檢測儀器調校，先在測座上放一厚度為A的墊塊，該墊塊上平面為鐘形殼的基準平面B，在墊塊上分別放入符合技術要求的內球面球心位置最小極限值樣件和最大極限值樣件，水平方向推動樣件直到所測球面碰觸到固定測頭，調整可調固定測頭直至百分表讀數與標準件內球面球心位置極限偏差值為1∶1。轉動標準件60°重復測量、調校，最后確定百分表指針的示值范圍[3]。

測量時，將鐘形殼放置在墊塊上，推動至其內球面與固定測頭相接觸，此時活動測頭的示值通過杠桿在百分表上顯示。假如內球面中心高I1發生變化(dI1>0)，說明其I1變大，這樣內球面也隨之上升，由于固定測頭不能移動，鐘形殼只能向左移動，活動測頭(彈簧力作用)也向左移動，活動測頭的變化量db1通過杠桿反映在百分表測座的變化量為dl1，百分表指針相對零位逆時針轉動(說明是正偏差)，符合(5)式函數關系。同理，當dI1<0時，I1值變小，百分表指針相對零位順時針轉動(負偏差)。

根據上述原理，先用標準件進行儀器調校，然后再進行實物檢測，通過對比百分表的讀數變化判斷在檢零件與標準件的偏差[4]。如果每次測量百分表的讀數都在設定的偏差之內(標準件檢測示值)，說明待測零件內球面球心位置符合技術要求。鐘形殼溝曲率中心位置測量原理同上。

4 結束語

通過鐘形殼結構特征推導出溝曲率中心位置以及內球面球心位置的計算公式，分析了實際偏差與檢測儀器示值偏差的函數關系，并根據此原理設計了鐘形殼溝道中心位置檢測儀。該儀器采用比較測量法，具有結構簡單、操作簡便的特點，檢測精度及可靠性滿足使用要求。