轴孔配合间隙受温度影响的研究

引言

平台稳定系统是精密的控制系统,本文研究的稳定平台齿轮传动机构中采用常见的双齿轮消隙方式消除系统传动空回。

由于消隙齿轮与其相配合轴的材料不一致,因材料的热胀冷缩现象,在高温下外环轴与消隙齿轮孔间隙减小,双齿轮消隙作用消失,传动机构回差变化,出现了稳定平台振荡现象。

1温度变化对轴孔尺寸影响

温度变化AT时轴孔的尺寸变化规律如下:

1.1外环轴直径d轴的膨胀(收缩)量Ad轴

轴随温度变化时外径尺寸变化的理论值为:

式中,a轴为铝制外环轴的线膨胀系数,约为2.2×10-5/℃。

计算得小30的铝制外环轴从20℃到40℃膨胀量为0.0132mm,从20℃到60℃膨胀量为0.0264mm。

对4只小30的轴在20℃、40℃和60℃温度下小30外径尺寸进行测量,结果如表1所示。

试验中,小30的轴从20℃升高到40℃时,尺寸变化量平均为0.013mm:从20℃升高到60℃时,尺寸变化量平均为0.028mm。与理论轴膨胀量相符。

1.2齿轮孔直径d孔的膨胀(收缩)量Ad孔理论值:

式中,a孔为钢制齿轮孔的线膨胀系数,约为1.05×10-5/℃:D为钢制齿轮外径。

计算得小30的钢制大齿轮孔从20c到40c膨胀量为0.003mm,从20c到60c膨胀量为0.006mm。

对5只小30的大齿轮孔在20c、40c和60c温度下小30内径尺寸进行测量,结果如表2所示。

试验中,小30的大齿轮孔从20c升高到40℃时,尺寸变化量平均为0.003mm:从20℃升高到60℃时,尺寸变化量平均为0.008mm。与理论孔膨胀量基本相符。

2配合间隙对稳定系统的影响

外环轴规定尺寸为小300EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0.013mm,齿轮内环孔规定尺寸为小30EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(.012mm,属于小30H7/h6的小间隙配合(该配合的最大间隙为0.034mm,最小间隙为0),轴孔表面轻微损伤或内壁附着物等不良因素都会影响到齿轮消隙功能。

由以上试验结果可见,从20℃常温到60℃高温下齿轮内环小30孔与外环小30轴尺寸变化均值分别为0.008mm和0.028mm,配合间隙减少0.02mm:从20℃常温到40℃高温下大齿轮小30孔与外环组合件小30轴尺寸变化均值分别为0.003mm和0.013mm,配合间隙减少0.01mm。与理论计算相符。

对29只已装配的轴孔尺寸进行测量统计,配合间隙如图1所示。

如图1所示,原装配方式轴孔的配合间隙主要集中在0.012~0.017mm,但是存在个别配合间隙较小的情况。

常温下轴孔配合间隙较小时,在温度升高过程中,配合间隙逐渐减小为0mm,齿轮和轴无法相对运动,此时温度进一步升高,由于减速机构中各个齿轮组合中心距变大,形成了齿隙。对于平台稳定系统,只要有传动空回,就必然产生自持振荡。

当振荡幅值对应的角度不超过规定的自振静态误差的指标要求时,自持振荡是伺服系统允许的,但长时间大幅度的振荡会造成机械磨损,增加控制误差,因此必须对稳定系统的自持振荡进行控制。

3改进措施

为了防止稳定系统在高温下产生自持振荡现象,对大齿轮孔和轴外环配合面进行控制,防止由于间隙较小、表面损伤或多余物的引入导致配合面在高温下不能正常相对运动而卡滞:(1)装配前用20倍以上显微镜检查零件外观,确保表面无明显缺陷:(2)配前用600#或800#金相砂纸打磨配合面,进一步剔除表面缺陷:(3)根据轴孔尺寸实行选配,保证常温下配合间隙在0.015mm以上。

根据后续大量的装配试验结果验证,改进措施实施后尚未出现类似问题。

4结语

平台稳定系统出现的振荡现象主要受轴孔配合间隙的影响,当配合面间隙较小或存在缺陷时,易导致消隙齿轮与轴无法相对运动而无法正常消隙,主要原因在于轴孔材料不一致,随着温度变化,配合间隙减小。通过严格控制配合面装配过程,根据计算和试验结果制定配合间隙范围,对装配件进行选配,打磨并在显微镜下检查装配面,该振荡问题得到了有效控制。