一種微調機構結構及參數的確定

常喜慶，張力存

（1.泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000；2.火箭軍裝備部駐泰安地區軍事代表室，山東 泰安 271000）

車橋安裝需要準確定位便于推力桿及相關部件螺栓連接。專門的重型車橋安裝舉升車，國內許多廠家也進行了許多探索，如，中聯重科股份有限公司余自朝、肖利2012 年8 月申請的專利車橋安裝小車（申請號：201220410858.1，授權公告號：CN202703746U）實現了車橋的安裝。從結構上看，其采用升降小車形式，升降小車可手推移動，剪式升降結構升降車橋，但車橋與懸架連接孔需要準確定位，小車僅通過轉向移動實現定位，定位準確度較低。江蘇松源機械制造有限公司高桂松2018 年1 月申請的車橋安裝小車（申請號：201820081862.5，授權公告號：CN207932974U）實現車橋的安裝。從結構上看，仍采用升降小車形式，小車可手推移動，該小車有微調機構，萬向球支撐方便旋轉微調車橋，定位準確度較高，可滿足懸架連接孔準確定位需要。

研究某車橋定位安裝設備將運載車橋至車架裝配工位下，車橋與車架通過推力桿進行連接，推力桿及相關部件連接螺栓需對齊螺栓孔[1]，設備依靠車輪驅動無法一步準確到位，需要設置進行調節的微調機構，確定該微調機構結構及參數。

1 微調機構結構確定

某車橋定位安裝設備的三維模型如圖1 所示。

圖1 重型車橋定位與安裝設備結構

設備運載車橋到車架下部后，車橋與車架通過推力桿進行連接，推力桿及相關部件連接螺栓需對齊螺栓孔，設備依靠車輪驅動無法一步準確到位，需設置微調機構進行調節。微調機構旋轉調節進行旋轉軸方向自由度調節，設備行駛系統前后移動可繼續進行設備前進方向自由度調節，這樣縱橫向調節綜合作用可實現水平面內全方位調節，高度方向可繼續使用電動液壓剪式升降機構進行調節，這樣實現三維空間安裝位置全覆蓋，因此微調機構可滿足使用要求。微調機構結構如圖2 所示，該微調機構位于圖1 設備舉升機構上平板上平面，微調機構包括：微調平臺板、舉升機構上平板、微調平臺旋轉套、導向槽、旋桿及手柄。

圖2 螺紋調節結構

旋轉手柄，微調平臺螺轉套與旋桿相對運動，平臺沿導向槽運動。導向槽采用燕尾槽結構，該結構通常作為機械相對運動導向機構，運動精度高，穩定性好，此外燕尾槽和導軌配合使用起支撐作用。具體結構如圖3 所示。

圖3 燕尾槽結構

旋桿兩側通過軸承支撐固定于底板焊合，結構如圖4 所示。

圖4 旋桿結構

2 梯形螺紋副參數確定

2.1 梯形螺紋副參數確定

旋轉旋調手柄，微調平臺螺轉套與旋桿相對運動，平臺沿導向槽運動[2]。螺旋套與旋桿螺紋副選用梯形螺紋副?；瑒幽Σ亮Γ?/p>

式中：f為滑動摩擦力，μ為滑動摩擦系數，燕尾槽部兩構件為鋼材且定期潤滑，取0.13～ 0.17，啟動時f取大值，運轉中取小值。本次取0.17，N為壓力，根據車橋質量，本次載荷選取2.5 t，微調平臺板重63 kg，本次壓力取25117.4 N。

帶入式（1）得

螺紋傳動選取梯形螺紋，旋桿材質選用45#鋼，按耐磨性計算螺紋中徑為：

式中：F為軸向載荷，本次為摩擦力的反向力取值4270 N；Pp為螺紋副需用壓強，本結構移動為低速移動，螺紋副材料為鋼對鋼，值為7.5～ 13，當ψ＜2.5或人力驅動時，Pp可提高20%，本次取12，手動設計時ψ值可根據螺母的形式選定，整體式螺母1.2～2.5，本次取2。

帶入式（2）得

由GB/T5796.3-2005 梯形螺紋基本尺寸和兩側配合軸承孔尺寸限制可選公稱直徑d＝18，螺距P＝2 mm，中徑d2＝17mm，大徑D4＝18.5 mm，小徑d3＝15.5 mm，小徑D1＝16 mm 的梯形螺紋，中等精度，螺旋副標記為Tr18×2-8H/8e。

2.2 梯形螺紋副參數校核

自鎖性驗算：

式中：S為導程，本次取2 mm，d2為外螺紋中徑，本次為d2＝17 mm，代入式（2-3）得：

式中：ρ′為當量摩擦角，f為摩擦因數，本次取0.16，a-螺紋牙型角，本次取常見30°，代入式（4）得：

因此自鎖可靠。旋桿強度驗算：

螺紋摩擦力矩

式中：Mt1為螺紋摩擦力矩；d2為外螺紋中徑，本次為17 mm；F為螺旋傳動的軸向載荷，本次為4270 N；λ為螺紋升角，本次取2°8′；ρ′為當量摩擦角，本次取9°24′，代入式（5）得：

式中：σca為當量應力，根據前計算值代入式（2-6）得：

式中：σp為旋桿的許用應力；σs為旋桿的屈服強度，旋桿為45#號鋼，本次取355 MPa，3～ 5 取5，代入式（7）得：

旋桿強度滿足要求。螺紋強度校核：

本梯形螺紋副旋桿和螺母材料都為45#鋼，只需校核旋桿螺紋強度。

式中：τ為剪切強度，F為螺旋傳動的軸向載荷為4270 N，d3為外螺紋小徑本次為15.5 mm，b為螺紋牙根部的寬度，梯形螺紋為0.65P，本次取1.3，旋桿的轉速，本次取10 r/min。代入式（8）得

式中：τp為許用切應力，σp為旋桿的許用應力，本次取71 N/mm2，代入式（9）得：

因此螺紋剪切強度滿足要求。

式中：σb為彎曲強度；F為螺旋傳動的軸向載荷，本次為4270N；H1為基本牙型高度，梯形螺紋為0.5P，即為1 mm；d3為外螺紋小徑，本次為15.5 mm；b為螺紋牙根部的寬度，梯形螺紋為0.65P，本次取1.3，n為旋桿的轉速，本次取10 r/min。代入式（10）得：

式中：σbp為許用彎曲應力，σp為旋桿的許用應力，本次取71 N/mm2，1～1.2 取1，代入式（11）得：

螺紋彎曲強度滿足要求。

經校核該Tr18×2-8H/8e 滿足強度要求。

梯形螺旋副參數表如表1 所示。

表1 梯形螺紋副結構參數

3 旋桿支撐軸承參數確定

3.1 旋桿支撐軸承參數確定

螺紋副手輪端支撐軸承承受較大雙向軸向載荷因此手輪端軸承采用一對圓錐滾子軸承背對，梯形螺紋副軸較長，因此另一端軸承選用調心球軸承[2]，如圖5 所示。

圖5 軸承配置結構示意圖

根據手輪端軸承需承受軸向載荷和徑向載荷且軸向力較大的特點，根據國標GB/T297-2015[3]選擇成對安裝圓錐滾子軸承，初步選定兩32004 型背對和調心球軸承2300，軸承參數如表2、表3 所示。

表2 圓錐滾子軸承32004 型參數

表3 調心球軸承2300 型參數

3.2 旋桿支撐軸承參數的校核

圓錐滾子軸承校核計算[5]：

式中：Fa1為為軸承所受軸向力，f為微調平臺移動的滑動摩擦力，本次為4270 N，代入式（12）中得

旋轉軸豎直受力如圖6 所示，旋轉軸重力G為20.58 N，質心為C點，調心球軸承對旋轉軸的支撐力為F1，受力支撐點為A點，圓錐滾子軸承對旋轉軸支撐力F2，受力支撐點為B點[4]。

圖6 旋轉軸軸承支撐受力

旋轉軸豎直方向受力平衡[4]：

旋轉軸豎直方向力矩平衡：

式中：LAC為AC點距離430 mm，LBC為BC點距離50 mm，旋轉軸重力G為20.58 N。

由式（13）和式（14）可求得

則圓錐滾子軸承所受徑向力大小

式中：查表得圓錐滾子軸承32004 的e值為0.37。

式中：Pr1為徑向當量動載荷；Fr1為圓錐滾子軸承所受徑向力，本次為11.64 N；Fa1為為圓錐滾子軸承所受軸向力，本次為4270 N；Y為圓錐滾子軸承32004 的計算系數，本次取1.6[2]，代入式（16）

基本額定動載荷計算

式中：C為基本額定動載荷計算值；P為當量動載荷，本次為6836.656N，fh為壽命因數，本次取2.3，fm為力矩載荷因數，本次取1.5，fd為沖擊載荷因數，本次取1，fn為速度因數，本次取1.435，fT為溫度因數，本次取1[2]，代入式（17）得：

查表圓錐滾子軸承32004 的Cr-徑向基本額定動載荷為25000 N，有：

故初選圓錐滾子軸承32004 型號是準確的。

調心球軸承的校核計算[5]：

式中：Fa2為軸承所受軸向力。

式中：Fr2為軸承所受徑向力，大小與F1相等2.7 N。

式中：查表得調心球軸承2300 的e值為0.66。

式中：Pr2為徑向當量動載荷；Fr2為調心球軸承所受徑向力，本次為2.7 N；Fa2為調心球軸承所受軸向力，本次取0 N；Y1為圓錐滾子軸承2300 的計算系數，本次取0.95[2]，代入式（21）得：

基本額定動載荷計算

式中：C為基本額定動載荷計算值；P為當量動載荷，本次為2.7 N；fh為壽命因數，本次取2.52；fm為力矩載荷因數，本次取1.5；fd為沖擊載荷因數，本次取1；fn為速度因數，本次取1.494；fT為溫度因數，本次取1[2]，代入式（22）得：

查表調心球軸承2300 的Cr為徑向基本額定動載荷為11000 N。

故初選調心球軸承2300 型號是準確的。

4 試驗測試

根據設備功能確定了微調機構的結構及參數，試制安裝設備（如圖7 所示）并進行靜動態試驗。設備空滿載行駛速度在17～ 133 mm/s 時，滿足8 m/min 即133 mm/s 內速度可調行駛的要求，設備空滿載舉升速度在20 mm/s～150 mm/s 時，滿足9 m/min 即150 mm/s內速度可調舉升的要求，微調旋桿調節范圍300 mm內可調。設備試制后實現了車橋微調機構旋轉軸軸向位置的微調，微調機構和設備車輪及舉升機構共同實現了車橋三維空間安裝位置全覆蓋。

圖7 車橋定位安裝設備

5 結語

以某車橋定位安裝設備將運載車橋至車架裝配工位下，車橋與車架通過推力桿進行連接，推力桿及相關部件連接螺栓需對齊螺栓孔，設備依靠車輪驅動無法一步準確到位，需要設置進行調節的微調機構為研究對象，根據設備使用工況和國內外相關設備研制現狀，由設備功能確定微調機構的結構，微調機構通過梯形螺紋副的旋轉實現微調平臺旋桿方向的位置覆蓋。對梯形螺紋副參數和旋桿支撐軸承參數進行計算確定，梯形螺紋副確定為Tr18×2-8H/8e，旋桿支撐軸承選定兩32004 型背對和調心球軸承2300。對設備進行試制和動靜態試驗，設備在微調旋桿調節范圍300mm 內可調，能夠實現車橋微調機構旋轉軸軸向位置的微調，微調機構和設備車輪及舉升機構可以共同實現車橋三維空間安裝位置全覆蓋。