一种微调机构结构及参数的确定
常喜庆，张力存
（1.泰安航天特种车有限公司，山东 泰安 271000；
2.火箭军装备部驻泰安地区军事代表室，山东 泰安 271000）
车桥安装需要准确定位便于推力杆及相关部件螺栓连接。专门的重型车桥安装举升车，国内许多厂家也进行了许多探索，如，中联重科股份有限公司余自朝、肖利2012 年8 月申请的专利车桥安装小车（申请号：201220410858.1，授权公告号：CN202703746U）实现了车桥的安装。从结构上看，其采用升降小车形式，升降小车可手推移动，剪式升降结构升降车桥，但车桥与悬架连接孔需要准确定位，小车仅通过转向移动实现定位，定位准确度较低。江苏松源机械制造有限公司高桂松2018 年1 月申请的车桥安装小车（申请号：201820081862.5，授权公告号：CN207932974U）实现车桥的安装。从结构上看，仍采用升降小车形式，小车可手推移动，该小车有微调机构，万向球支撑方便旋转微调车桥，定位准确度较高，可满足悬架连接孔准确定位需要。
研究某车桥定位安装设备将运载车桥至车架装配工位下，车桥与车架通过推力杆进行连接，推力杆及相关部件连接螺栓需对齐螺栓孔[1]，设备依靠车轮驱动无法一步准确到位，需要设置进行调节的微调机构，确定该微调机构结构及参数。
某车桥定位安装设备的三维模型如图1 所示。
图1 重型车桥定位与安装设备结构
设备运载车桥到车架下部后，车桥与车架通过推力杆进行连接，推力杆及相关部件连接螺栓需对齐螺栓孔，设备依靠车轮驱动无法一步准确到位，需设置微调机构进行调节。微调机构旋转调节进行旋转轴方向自由度调节，设备行驶系统前后移动可继续进行设备前进方向自由度调节，这样纵横向调节综合作用可实现水平面内全方位调节，高度方向可继续使用电动液压剪式升降机构进行调节，这样实现三维空间安装位置全覆盖，因此微调机构可满足使用要求。微调机构结构如图2 所示，该微调机构位于图1 设备举升机构上平板上平面，微调机构包括：微调平台板、举升机构上平板、微调平台旋转套、导向槽、旋杆及手柄。
图2 螺纹调节结构
旋转手柄，微调平台螺转套与旋杆相对运动，平台沿导向槽运动。导向槽采用燕尾槽结构，该结构通常作为机械相对运动导向机构，运动精度高，稳定性好，此外燕尾槽和导轨配合使用起支撑作用。具体结构如图3 所示。
图3 燕尾槽结构
旋杆两侧通过轴承支撑固定于底板焊合，结构如图4 所示。
图4 旋杆结构
2.1 梯形螺纹副参数确定
旋转旋调手柄，微调平台螺转套与旋杆相对运动，平台沿导向槽运动[2]。螺旋套与旋杆螺纹副选用梯形螺纹副。滑动摩擦力：
式中：f为滑动摩擦力，μ为滑动摩擦系数，燕尾槽部两构件为钢材且定期润滑，取0.13～ 0.17，启动时f取大值，运转中取小值。本次取0.17，N为压力，根据车桥质量，本次载荷选取2.5 t，微调平台板重63 kg，本次压力取25117.4 N。
带入式（1）得
螺纹传动选取梯形螺纹，旋杆材质选用45#钢，按耐磨性计算螺纹中径为：
式中：F为轴向载荷，本次为摩擦力的反向力取值4270 N；
Pp为螺纹副需用压强，本结构移动为低速移动，螺纹副材料为钢对钢，值为7.5～ 13，当ψ＜2.5或人力驱动时，Pp可提高20%，本次取12，手动设计时ψ值可根据螺母的形式选定，整体式螺母1.2～2.5，本次取2。
带入式（2）得
由GB/T5796.3-2005 梯形螺纹基本尺寸和两侧配合轴承孔尺寸限制可选公称直径d＝18，螺距P＝2 mm，中径d2＝17mm，大径D4＝18.5 mm，小径d3＝15.5 mm，小径D1＝16 mm 的梯形螺纹，中等精度，螺旋副标记为Tr18×2-8H/8e。
2.2 梯形螺纹副参数校核
自锁性验算：
式中：S为导程，本次取2 mm，d2为外螺纹中径，本次为d2＝17 mm，代入式（2-3）得：
式中：ρ′为当量摩擦角，f为摩擦因数，本次取0.16，a-螺纹牙型角，本次取常见30°，代入式（4）得：
因此自锁可靠。旋杆强度验算：
螺纹摩擦力矩
式中：Mt1为螺纹摩擦力矩；
d2为外螺纹中径，本次为17 mm；
F为螺旋传动的轴向载荷，本次为4270 N；
λ为螺纹升角，本次取2°8′；
ρ′为当量摩擦角，本次取9°24′，代入式（5）得：
式中：σca为当量应力，根据前计算值代入式（2-6）得：
式中：σp为旋杆的许用应力；
σs为旋杆的屈服强度，旋杆为45#号钢，本次取355 MPa，3～ 5 取5，代入式（7）得：
旋杆强度满足要求。螺纹强度校核：
本梯形螺纹副旋杆和螺母材料都为45#钢，只需校核旋杆螺纹强度。
式中：τ为剪切强度，F为螺旋传动的轴向载荷为4270 N，d3为外螺纹小径本次为15.5 mm，b为螺纹牙根部的宽度，梯形螺纹为0.65P，本次取1.3，旋杆的转速，本次取10 r/min。代入式（8）得
式中：τp为许用切应力，σp为旋杆的许用应力，本次取71 N/mm2，代入式（9）得：
因此螺纹剪切强度满足要求。
式中：σb为弯曲强度；
F为螺旋传动的轴向载荷，本次为4270N；
H1为基本牙型高度，梯形螺纹为0.5P，即为1 mm；
d3为外螺纹小径，本次为15.5 mm；
b为螺纹牙根部的宽度，梯形螺纹为0.65P，本次取1.3，n为旋杆的转速，本次取10 r/min。代入式（10）得：
式中：σbp为许用弯曲应力，σp为旋杆的许用应力，本次取71 N/mm2，1～1.2 取1，代入式（11）得：
螺纹弯曲强度满足要求。
经校核该Tr18×2-8H/8e 满足强度要求。
梯形螺旋副参数表如表1 所示。
表1 梯形螺纹副结构参数
3.1 旋杆支撑轴承参数确定
螺纹副手轮端支撑轴承承受较大双向轴向载荷因此手轮端轴承采用一对圆锥滚子轴承背对，梯形螺纹副轴较长，因此另一端轴承选用调心球轴承[2]，如图5 所示。
图5 轴承配置结构示意图
根据手轮端轴承需承受轴向载荷和径向载荷且轴向力较大的特点，根据国标GB/T297-2015[3]选择成对安装圆锥滚子轴承，初步选定两32004 型背对和调心球轴承2300，轴承参数如表2、表3 所示。
表2 圆锥滚子轴承32004 型参数
表3 调心球轴承2300 型参数
3.2 旋杆支撑轴承参数的校核
圆锥滚子轴承校核计算[5]：
式中：Fa1为为轴承所受轴向力，f为微调平台移动的滑动摩擦力，本次为4270 N，代入式（12）中得
旋转轴竖直受力如图6 所示，旋转轴重力G为20.58 N，质心为C点，调心球轴承对旋转轴的支撑力为F1，受力支撑点为A点，圆锥滚子轴承对旋转轴支撑力F2，受力支撑点为B点[4]。
图6 旋转轴轴承支撑受力
旋转轴竖直方向受力平衡[4]：
旋转轴竖直方向力矩平衡：
式中：LAC为AC点距离430 mm，LBC为BC点距离50 mm，旋转轴重力G为20.58 N。
由式（13）和式（14）可求得
则圆锥滚子轴承所受径向力大小
式中：查表得圆锥滚子轴承32004 的e值为0.37。
式中：Pr1为径向当量动载荷；
Fr1为圆锥滚子轴承所受径向力，本次为11.64 N；
Fa1为为圆锥滚子轴承所受轴向力，本次为4270 N；
Y为圆锥滚子轴承32004 的计算系数，本次取1.6[2]，代入式（16）
基本额定动载荷计算
式中：C为基本额定动载荷计算值；
P为当量动载荷，本次为6836.656N，fh为寿命因数，本次取2.3，fm为力矩载荷因数，本次取1.5，fd为冲击载荷因数，本次取1，fn为速度因数，本次取1.435，fT为温度因数，本次取1[2]，代入式（17）得：
查表圆锥滚子轴承32004 的Cr-径向基本额定动载荷为25000 N，有：
故初选圆锥滚子轴承32004 型号是准确的。
调心球轴承的校核计算[5]：
式中：Fa2为轴承所受轴向力。
式中：Fr2为轴承所受径向力，大小与F1相等2.7 N。
式中：查表得调心球轴承2300 的e值为0.66。
式中：Pr2为径向当量动载荷；
Fr2为调心球轴承所受径向力，本次为2.7 N；
Fa2为调心球轴承所受轴向力，本次取0 N；
Y1为圆锥滚子轴承2300 的计算系数，本次取0.95[2]，代入式（21）得：
基本额定动载荷计算
式中：C为基本额定动载荷计算值；
P为当量动载荷，本次为2.7 N；
fh为寿命因数，本次取2.52；
fm为力矩载荷因数，本次取1.5；
fd为冲击载荷因数，本次取1；
fn为速度因数，本次取1.494；
fT为温度因数，本次取1[2]，代入式（22）得：
查表调心球轴承2300 的Cr为径向基本额定动载荷为11000 N。
故初选调心球轴承2300 型号是准确的。
根据设备功能确定了微调机构的结构及参数，试制安装设备（如图7 所示）并进行静动态试验。设备空满载行驶速度在17～ 133 mm/s 时，满足8 m/min 即133 mm/s 内速度可调行驶的要求，设备空满载举升速度在20 mm/s～150 mm/s 时，满足9 m/min 即150 mm/s内速度可调举升的要求，微调旋杆调节范围300 mm内可调。设备试制后实现了车桥微调机构旋转轴轴向位置的微调，微调机构和设备车轮及举升机构共同实现了车桥三维空间安装位置全覆盖。
图7 车桥定位安装设备
以某车桥定位安装设备将运载车桥至车架装配工位下，车桥与车架通过推力杆进行连接，推力杆及相关部件连接螺栓需对齐螺栓孔，设备依靠车轮驱动无法一步准确到位，需要设置进行调节的微调机构为研究对象，根据设备使用工况和国内外相关设备研制现状，由设备功能确定微调机构的结构，微调机构通过梯形螺纹副的旋转实现微调平台旋杆方向的位置覆盖。对梯形螺纹副参数和旋杆支撑轴承参数进行计算确定，梯形螺纹副确定为Tr18×2-8H/8e，旋杆支撑轴承选定两32004 型背对和调心球轴承2300。对设备进行试制和动静态试验，设备在微调旋杆调节范围300mm 内可调，能够实现车桥微调机构旋转轴轴向位置的微调，微调机构和设备车轮及举升机构可以共同实现车桥三维空间安装位置全覆盖。
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