专利名称：基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及装载机主锥总成装配过程中的主锥预紧力测量装置和方法。
背景技术：
图1所示为装载机主减速器中的主锥总成。主锥总成中的轴承是一对反装的圆锥滚子轴 承，当装载机前进时，主锥所受的轴向力由下轴承5承受，上轴承3的滚子与内外圈之间有 脱离接触的趋势；后退时，主锥所受的轴向力由上轴承3承受，下轴承5的滚子与内外圈之 间有脱离接触的趋势。
为了提高主锥总成的旋转精度，应对主锥轴承施加一定的预紧载荷。但若预紧载荷过大， 轴承内部的摩擦力矩增大，使轴承增加发热，轴承出现热咬合和烧伤等失效形式，降低轴承 的疲劳寿命和影响主锥的旋转速度；若是过小，轴承滚动体相对于内、外圈滚道会产生滑动， 使轴承产生振动和噪声，主锥也会产生轴向和径向窜动。
预紧力和预紧量的测量比较困难，而且测量的精度受到仪器系统误差、轴承精度等多种 因素的影响。轴承的启动摩擦力矩测量比较容易，而且测量精度也较高， 一般利用启动摩擦 力矩来判断轴承内部的预紧力是否在所要求的范围内。启动摩擦力矩一般称之为预紧力矩。
目前，检测预紧力矩的方法有三种
1、 靠装配工人手工拨转主减速器的轴承座，靠手感和经验来判断预紧力矩的大小是否 在合格的范围内，这种检测受到工人的操作熟练程度、身体状况和情绪的影响；
2、 人工使用弹簧秤来拉轴承座，使轴承座旋转，然后观察由弹簧秤所测得的力的大小， 再使用力乘以力臂得到预紧力矩，这一测量过程中，手工拉动弹簧秤不能保证轴承座作匀速 转动，弹簧秤的力的作用线不能保证与旋转平面在一个面上，再有就是力的作用线不能在作 用点处与旋转半径垂直，显然，这种粗略测量预紧力矩的方式不能满足高精度装配的要求；
3、 用力矩扳手来测，同样不能使主锥匀速旋转，而且受到轴承的旋转精度的影响，同 样不能准确的测量轴承预紧力矩。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于差速拧紧的装载机主锥 预紧力测量装置和方法，以使装载机的主锥轴承预紧力矩在一定生产节拍及产品质量要求下 达到合格，提高主锥总成的装配质量和装配质量、降低工人劳动强度提出的一种新型装配设 备和测量方法。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案本发明基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量装置的结构特点是具有 一工作台面，作为主锥和轴承座的预装台及轴承预紧力矩的测量台； 一套筒，与锁紧螺母开口配合，用于旋紧锁紧螺母； 一内花键，与主锥尾部的外花键相配，用于带动主锥旋转；
传动路线I，以伺服电机I为驱动件，依次通过两级行星齿轮、 一对外啮合齿轮I和动 态扭矩传感器，以所述动态扭矩传感器的轴与内花键相连；
传动路线II，以伺服电机I为驱动件，依次通过三级行星齿轮和一对外啮合齿轮II， 其输出齿轮与套筒相连；
一预紧力矩测量机构，包括在轴承座的通孔中，呈悬置设置可跟随轴承座旋转的拨爪， 工作台面的相应位置上设置带有径向测杆的静态力矩传感器，所述径向测杆处在阻挡拨爪随 轴承座旋转的位置上。
本发明基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量装置的结构特点也在于
在所述锁紧螺母与套筒相配合的端面上，锁紧螺母以其端面凹槽与套筒的端面凸筋相嵌合。
本发明基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量方法的特点是采用差速拧紧的方式，所述 差速拧紧是使主锥与锁紧螺母按螺母锁紧的方向作同向匀速转动，保持锁紧螺母的转速较之 主锥的转速略快，形成一个转速差；在所述差速转动的过程中，通过动态扭矩传感器和静态 扭矩传感器分别实时检测锁紧螺母的拧紧力矩和启动摩擦力矩，由拧紧力矩通过计算获得理 论预紧力，基于启动摩擦力矩和预紧力的一一对应关系，由摩擦力矩计算得出实际预紧力； 当理论预紧力和实际预紧力二者之差在一个允许的误差范围，则预紧力是合适的。
本发明测量方法的特点也在于调整拧紧力矩和启动摩擦力矩都处在允差范围内的方法
是
若是由静态力矩传感器测得的启动摩擦力矩首先进入允差范围，而由动态力矩传感器测 得的拧紧力矩尚未达到，则继续增大拧紧力矩，使拧紧力矩进入允差范围，此时，启动摩擦 力矩仍能保持在允差范围，则装配合格；若拧紧力矩进入允差范围时，启动摩擦力矩已经超 出允差范围，则装配不合格，判定为弹性隔套的高度过小；
若是由动态力矩传感器测得的拧紧力矩首先进入允差范围，而启动摩擦力矩尚未进入， 则继续增大拧紧力矩，使启动摩擦力矩进入允差范围，若此时拧紧力矩没有出允差范围，则 装配合格；若启动摩擦力矩进入允差范围时，拧紧力矩已经出允差范围，则装配不合格，判 定为弹性隔套的高度过大。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在
1、 若不采用差速拧紧，只拧紧锁紧螺母，主锥固定不转动，则在没有机构拨动轴承座 旋转的情况下，无法测得轴承的启动摩擦力矩；只转动主锥，而不转动锁紧螺母，则当轴承 间的摩擦力矩达到一定数值时，主锥的缓慢旋转会带动轴承座旋转，在测量拨爪碰到测量杆 后，主锥继续非常缓慢的旋转，待传感器测量的轴承的摩擦力矩到达合格值范围后，这时所 得测得的数值是轴承的静摩擦力矩，而不是轴承预紧后的启动摩擦力矩，这一数值小于启动 摩擦力矩。本发明采用差速拧紧的方式很好地实现了启动摩擦力矩的检测。
2、 本发明可以对锁紧螺母的拧紧控制方式采用力矩+角度的方法，拧紧力矩的测量采 用实时的闭环控制方式进行的检测，测量的元件采用动态力矩传感器，使得锁紧螺母的拧紧 力矩测量较为准确。
3、 本发明对于主锥轴承的启动摩擦力矩的测量采用闭环控制、实时测量，元件上采用 小量程、高精度静态力矩传感器，使测量的数据较准确。
4、 本发明可以通过设定轴承预紧力合适程度的评价标准，使主锥的预紧可由实测和理 论相比较，得到合适的预紧力。
5、 本发明的实际测试工作稳定，检测过程工作节拍小于5分钟，锁紧螺母拧紧扭矩3 %，启动摩擦力矩误差小于1%，主锥轴承的装配一次成功率达到90%左右，成功地解决了 主锥轴承装配上的一个技术难点，使主减速器的装配质量和效率得到了很大的提高。
图1为装载机主锥总成示意图。
图2为本发明主锥预紧力测量装置结构示意图。
图3为本发明主锥预紧力测量装传动结构示意图。
图中标号l主锥、2锁紧螺母、3上轴承、4弹性隔套、5下轴承、6轴承座、7工作 台面、8套筒、9内花健、ll拨爪、12径向测杆、13静态力矩传感器、14伺服电机I、 15 两级行星齿轮、16—对外啮合齿轮I、 17动态扭矩传感器、18伺服电机I1、 19三级行星齿 轮、20安装框架、21—对外啮合齿轮n。
以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施例方式
参见图l、图2和图3，本实施例中装载机主锥预紧力测量装置具有如下各组成部分-
一工作台面7，作为主锥1和轴承座6的预装台及轴承预紧力矩的测量台；
一套筒8，与锁紧螺母2螺纹配合，用于旋紧锁紧螺母2;套筒8设置为可快速更换的结构形式，以适应不同规格的锁紧螺母8的切换。具体实施是在锁紧螺母2与套筒8相配合
的端面上，锁紧螺母2以其端面凹槽与套筒8的端面凸筋相嵌合； 一内花键9，与主锥l尾部的外花键相配，用于带动主锥l旋转；
传动路线I，以伺服电机I为驱动件，依次通过两级行星齿轮15、 一对外啮合齿轮16 和动态扭矩传感器17，以动态扭矩传感器17的轴与内花键9相连；
具体采用量程为0 800Nm、测量精度为O. 5%的动态力矩传感器17。
内花键9齿数仅设置为3 4齿，且齿宽较小，使得在配合后内花键与外花键的齿侧有 0.5mm左右的间隙，以保证在操作时内花健与外花键之间容易配合；具体实施中，内花键9 设置为可快速更换构件，以适应多种不同形式的主锥品种。
传动路线II，以伺服电机为驱动件，依次通过三级行星齿轮19和另一对外啮合齿轮21， 其输出齿轮与套筒8相连；
在两条传动路线中，两级行星齿轮15、三级行星齿轮19和外啮合齿轮的传动是为降低转 速增加力矩。伺服电机I 14和伺服电机I1 18用于提供动力，采用小惯量电机，额定功率为 3KW，转速设置为3000 5000rpm，额定输出力矩7. 94Nm。
一预紧力矩测量机构，包括在轴承座6的通孔中，呈悬置设置可跟随轴承座6旋转的拨 爪ll，工作台面7的相应位置上设置带有径向测杆的静态力矩传感器13，径向测杆处在阻 挡拨爪11随轴承座6旋转的位置上。
工作过程
1、 人工在工作台面7上将图1所示的各个零件进行组装，手工将锁紧螺母2旋装在主 锥1上，以免零件滑落；
2、 将图1所示的主锥总成尾部向下，并使其尾部外花键与内花键9对正，此时，锁紧 螺母2尚未与套筒8相结合；
3、 安装拨爪11在轴承座6的上端面；
4、 按下启动按钮，伺服电机I和伺服电机II同时启动，分别带动主锥1和套筒8低速 同向旋转，起始状态下，锁紧螺母2在主锥1上是处于空行程位置，并随主锥l一道旋转， 锁紧螺母2的端面在套筒8上打滑。当锁紧螺母8上的凹槽对正套筒8上的凸筋时，整个主 锥1和轴承座6下落，使套筒8和锁紧螺母2在端面上以凹凸嵌合，完成认帽过程；
5、 采用差速拧紧的方式，使主锥与锁紧螺母按螺母锁紧的方向作同向匀速转动，保持 锁紧螺母的转速较之主锥的转速略快，形成一个转速差；
6、 以动态力矩传感器17实时测量锁紧螺母2的拧紧力矩；对于锁紧螺母拧紧力矩的测量采用闭环控制方式，由伺服电机18经过传动路线II对锁 紧螺母2施加一力矩，按照主锥1匀速旋转的要求，伺服电机14需要通过传动路线I、以 大小相同，方向相反的力矩平衡主锥1，以动态力矩传感器17的实时输出锁紧螺母2的拧 紧力矩；
7、 在轴承座6带动拨爪11转动碰到测量杆12时，高精度静态力矩传感器13开始实时 测量启动摩擦力矩；
8、 当锁紧螺母2的拧紧力矩与上轴承3、下轴承5的启动摩擦力矩同时进入允差的范 围内，此时主锥总成的预紧力就是比较合理的值，主锥总成装配合格。具体可分为下面四种 情况，两种装配合格，两种不合格-
若是由静态力矩传感器13测得的启动摩擦力矩首先进入允差范围，而由动态力矩传感 器17测得的拧紧力矩尚未达到，则继续增大拧紧力矩，使拧紧力矩进入允差范围，此时， 启动摩擦力矩仍能保持在允差范围，则装配合格；若拧紧力矩进入允差范围时，启动摩擦力 矩已经超出允差范围，则装配不合格，说明弹性隔套4的高度过小。
若是由动态力矩传感器17测得的拧紧力矩首先进入允差范围，而启动摩擦力矩尚未进 入，则继续增大拧紧力矩，使启动摩擦力矩进入允差范围，若此时拧紧力矩没有出允差范围， 则装配合格；若启动摩擦力矩进入允差范围时，拧紧力矩已经出允差范围，则装配不合格， 说明弹性隔套4的高度过大。
9、 按停止键，手工将拨爪ll拿下，从工作台面上取下轴承座6下，贴上注明有拧紧力 矩和启动摩擦力矩的相关标签。
测量过程中，当锁紧螺母逐渐被旋紧，弹性隔套4被压縮，上轴承3和下轴承5逐渐被 预紧。由于轴承座6和上轴承3和下轴承5的外圈之间不旋转，主锥1与上轴承3和下轴承 5的内圈之间也不旋转，当轴承内外圈之间的摩擦力矩大到主锥和内圈可以带动外圈和轴承 座转动时，安装在轴承座上的拨爪ll即被带动旋转。
当旋转的拨爪11碰到径向测杆12后停止转动，轴承座和轴承外圈也停转。拨爪11使 径向测杆绕静态扭矩传感器13的中心转过一个微小的角度，静态力矩传感器13中的轴也就 产生了扭转，以此测得轴承的摩擦力矩。由于主锥一直旋转，使得测量拨爪11 一直碰触在 径向测杆12上，因此，静态扭矩传感器13即测得启动摩擦力矩。
在测量拨爪11碰到径向测杆开始测量启动摩擦力矩后，使转速差减小，锁紧螺母更加 缓慢地在主锥上旋紧，径向测杆转过的角度也非常缓慢地增加，静态扭矩传感器测得的摩擦 力矩数值随之缓慢地波动式上升。在启动摩擦力矩到达合格范围后，立即调整锁紧螺母的转速和主锥的转速相同，相当于 锁紧螺母停止旋紧。但主锥仍以原来速度旋转，等约20s后，观测静态扭矩传感器中的启动 摩擦力矩是否仍在合格的范围内。因为轴承的加工和装配的原因，使得滚子的受力不均衡， 测得的启动摩擦力矩波动较大。旋转主锥使内圈相对于外圈低速转20s后，可部分消除滚子
受力不均，使启动摩擦力矩波动会变小，启动摩擦力矩数值也会变小，此时测量的启动摩擦
力矩比较准确。如果此时的启动摩擦力矩小于合格范围的下限，使锁紧螺母再旋紧3。 5° ， 再使锁紧螺母的转速和主锥的转速相同，等约20s后，看传感器的数值是否仍在合格的范围 内。
当轴承的启动摩擦力矩为M,时，静态扭矩传感器上所受到的扭矩为M，则有关系式
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，丄为扭矩传感器中心与主减回转中心的距离；i 为测量拨爪11的圆棒中心到主减回转中心的距离； ^与《为测量拨爪与测量杆处的一对作用力与反左右力，方向相反。
那么有
<formula>formula see original document page 9</formula>
由此可得到主减速器主锥的轴承启动摩擦力矩。
可以设定轴承预紧力合适程度的评价标准由合格的拧紧力矩计算出的轴承内外圈的相 对位移是理论预紧量，而由合格轴承的启动摩擦力矩算出相对位移是实测预紧量，设定一个
允许误差A，当二者的差值的绝对值小于A时，认为此时的预紧力是合适的。
权利要求
1、基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量装置，其特征是具有一工作台面(7)，作为主锥(1)和轴承座(6)的预装台及轴承预紧力矩的测量台；一套筒(8)，与锁紧螺母(2)开口配合，用于旋紧锁紧螺母(2)；一内花键(9)，与主锥(1)尾部的外花键相配，用于带动主锥(1)旋转；传动路线I，以伺服电机I(14)为驱动件，依次通过两级行星齿轮(15)、一对外啮合齿轮I(16)和动态扭矩传感器(17)，以所述动态扭矩传感器(17)的轴与内花键(9)相连；传动路线II，以伺服电机I(18)为驱动件，依次通过三级行星齿轮(19)和一对外啮合齿轮II(21)，其输出齿轮与套筒(8)相连；一预紧力矩测量机构，包括在轴承座(6)的通孔中，呈悬置设置可跟随轴承座(6)旋转的拨爪(11)，工作台面(7)的相应位置上设置带有径向测杆(12)的静态力矩传感器(13)，所述径向测杆(12)处在阻挡拨爪(11)随轴承座(6)旋转的位置上。
2、 根据权利要求1所述的基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量装置，其特征是在所 述锁紧螺母(2)与套筒(8)相配合的端面上，锁紧螺母(2)以其端面凹槽与套筒(8)的 端面凸筋相嵌合。
3、 基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量方法，其特征是采用差速拧紧的方式，所述 差速拧紧是使主锥与锁紧螺母按螺母锁紧的方向作同向匀速转动，保持锁紧螺母的转速较之 主锥的转速略快，形成一个转速差；在所述差速转动的过程中，通过动态扭矩传感器(17) 和静态扭矩传感器(13)分别实时检测锁紧螺母(2)的拧紧力矩和启动摩擦力矩，由拧紧 力矩通过计算获得理论预紧力，基于启动摩擦力矩和预紧力的一一对应关系，由摩擦力矩计 算得出实际预紧力；当理论预紧力和实际预紧力二者之差在一个允许的误差范围，则预紧力 是合适的。
4、 根据权利要求1所述的基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量方法，其特征是调整 拧紧力矩和启动摩擦力矩都处在允差范围内的方法是若是由静态力矩传感器(13)测得的启动摩擦力矩首先进入允差范围，而由动态力矩传 感器(17)测得的拧紧力矩尚未达到，则继续增大拧紧力矩，使拧紧力矩进入允差范围，此 时，启动摩擦力矩仍能保持在允差范围，则装配合格；若拧紧力矩进入允差范围时，启动摩 擦力矩已经超出允差范围，则装配不合格，判定为弹性隔套(4)的高度过小；若是由动态力矩传感器(17)测得的拧紧力矩首先进入允差范围，而启动摩擦力矩尚未进入，则继续增大拧紧力矩，使启动摩擦力矩进入允差范围，若此时拧紧力矩没有出允差范 围，则装配合格；若启动摩擦力矩进入允差范围时，拧紧力矩已经出允差范围，则装配不合 格，判定为弹性隔套(4)的高度过大。
全文摘要
基于差速拧紧的装载机主锥预紧力测量装置和方法，其特征是测量装置具有作为主锥和轴承座的预装台及轴承预紧力矩测量台的工作台面；与锁紧螺母开口配合、用于旋紧锁紧螺母的套筒；与主锥尾部的外花键相配、用于带动主锥旋转的内花键；以伺服电机为驱动件，以内花键为被动件的传动路线I；以伺服电机为驱动件，以套筒为被动件的传动路线II，以及预紧力矩测量机构。本发明采用差速拧紧的方式很好地实现了启动摩擦力矩的检测。
文档编号G01L5/24GK101419106SQ20081024375
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者卫道柱, 沁 杨, 雷 高 申请人:合肥工业大学