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来源：《科学中国人》2012年第15期
[摘要] 本文分析了汽车球头销球面副粘性剪切摩擦力矩非线性特性;结合径向铆接过程特点,采用模糊控制方法,控制铆接进给速度和球头销摆动力矩,给出了实验结果。结果表明,模糊控制方法能有效控制铆接过程,有助于球头销铆接生产成本、质量的稳定控制。
关键词:汽车球头销,径向铆接过程,粘性摩擦力矩,模糊控制
1 前言
球头销是汽车转向器中的关键零件,由球笼、球头销、端盖、高分子球头销座等组成,其功能是使汽车转向器保持良好的摩擦性能和稳定的转动/摆动力矩。球头销与销座构成球面摩擦副,其间加入的润滑油脂将相对运动物体摩擦转化成脂膜分子间的粘性摩擦。这种粘性摩擦对球头销的耐用性、运动平稳性、使用寿命影响甚大。球头销的摩擦力矩与其机械设计、相关材料特性、机加工精度、铆接工艺密切相关[1]。
转动力矩/摆动力矩是球头销产品出厂前的必检项目。为控制该项指标,国内专业生产厂家除控制相关零件尺寸外,一般采用人工全检方法,对每只产品进行检测、分类,对不合格的产品进行二次铆接或报废处理,铆接过程造成的产品不合格率在20%左右。究其原因,除相关零件尺寸偏差大外,铆接过程控制方法应是主因。国内大多数球头销生产厂采用冲铆工艺,少数厂家采用径向滚压铆接[2,3],其过程控制参数均为铆接头行程,而对被铆工件的转动或摆动力矩不予控制。
为降低生产成本、切实控制产品质量,国内相关厂家急需对铆接设备进行升级换代。基于此,本文在分析球头销摩擦力矩非线性特征的基础上,利用研制的数控铆接系统,采用模糊控制方法[4-9],实时控制进给速度、球销摆动力矩,以期以较快的铆接速度获得力矩参数的一致性,切实改善成本、质量控制。
2 球面副粘性摩擦力矩非线性分析
由图1,假定球面副间隙 内均匀地充满润滑油脂、二球面光滑且无储油槽,当球销以转速ω绕x轴摆动时,取微球带dA如图示,根据牛顿剪切定理,球销微球带面上的剪切应力 的方向相切于微球带面且与其上点的运动方向一致[10],其表达式为:
微球带dA上各点的粘性摩擦力对x轴取矩,记为dm :
完整球面上的粘性摩擦力矩为
当球冠高度为r-h时,球冠面上粘性摩擦力矩为
由上列各式,可得到摆动力矩:
其中: 润滑油脂动力粘度;
r:球头销球面半径。
当球销以转速 绕y轴转动时,可导出球头球面粘性摩擦力矩:
由式(4)、(5)、(6)可以看出,摩擦力矩与球面副间隙d之间存在本质非线性关系,铆接后段d的微小变化将引起摩擦力矩的剧烈变化。因球头销相关零件尺寸公差、油脂涂布均匀性、配合面的表面光洁度等影响因素的存在,特别是热塑弹性球头销座尺寸控制精度、不同几何尺寸下其弹塑特性一致性难以保证,铆接时仅通过控制铆接头行程难以控制产品的力矩。
球头销摩擦力矩影响因素复杂,呈现本质非线性特征,其铆接过程具有不可逆性。在图2所示系统中,随着滚头向下旋压,热塑弹性球销座逐渐向下收缩,球面副间隙越来越小,导致球销摩擦力矩逐渐增大。铆接形变量与球面副间隙呈非线性关系,仅控制铆接行程不能保证球销力矩的一致。径向铆接加工时,若单纯使用慢速铆接和实时检测反馈方法,可以保证球销力矩的一致性,但效率太低。综合考虑力矩的一致性和加工效率,采用模糊理论对径向铆接过程进行控制,是有效手段之一。
3 实验铆接系统原理
图2是实验铆接系统原理框图。图示系统采用径向滚压铆接工艺(其铆接过程具有安静、无冲击、材料形变平顺、外观好等特点)过程:采用电机、花键等驱动主轴,从而实现其上滚铆头的旋转(滚铆头含二只或三只滚轮,滚轮可绕其轴转动,其表面形状及相关尺寸需特殊设计);采用滚珠丝杆、导轨、步进电机等驱动主轴箱垂直方向运动;利用检测单元检测球头销轴摆动力,采用模糊控制方法,控制第一工进、变速工进速度,从而实现摆动力/力矩和铆接周期的综合控制。通过人机界面,可设定铆接周期T(主轴启动下行-旋铆-复位时间为铆接周期)、期望的力矩值M等参数。
图3是铆接速度分布示意图,其中,v1对应空行程快进,可设置、改变;v2与图2中的l1段对应;v3为变速工进速度,对应铆接行程结束段。
4 控制系统输入、输出变量及模糊控制表设计
系统控制控制目标可表述为:以尽可能短的时间和较好的力矩一致性完成铆接过程。
图4是铆接模糊控制系统原理图。图中,系统输入变量:周期T 、期望摆动力矩 M、力矩控制偏差 M,其中,实测力值与 l2之积为实测摆动力矩值,l2与被铆工件尺寸有关。模糊控制器输出变量为:第一工进速度v2、变速工进速度v3,以控制滚铆头旋压。
根据设定的周期T 、期望摆动力矩M值,结合反复调试结果,得到三张控制表[11]:工作周期控制表、力矩控制表-1和力矩控制表-2,简要说明如下。
工作周期控制表:该表针对不同的T ,设计相应的第一工进速度v2,控制图2所示l1段的变形时间,因该段形变对球销力矩贡献小,较快的铆接速度对周期的控制有帮助。表1示了4-12秒周期范围内第一工进速度,其中,速度以步进电机每秒脉冲数表示。系统运行时,先行判断所属区间,而后按区间端点大值取相应的v2进行控制。
力矩控制表-1和力矩控制表-2:二张表联合输出v3,该速度对应为变频脉冲序列。正常情况下,v3不断递减,控制滚铆头以合适的速度旋压,使摆动力矩逼近所期望的值,以适应铆接过程的不可逆性。以反复试验数据为基础,力矩控制表-1的设定根据期望的值而定,若 值大,则铆接过程第二工进速度的最大值v3max取相对小值,反之,v3max取相对大值。力矩控制表-2的输出为v3max的百分比,其输入为 ,其中,测量为实时力矩测量值。不同规格球头销在铆接过程中的力矩变化规律各异,在设计控制表时未考虑力矩偏差变化率,其代价则是实际铆接周期存在一定偏差。
5 实验结果
针对球头直径分别为
的三种规格球头销进行了实验,采用120DB3-N-S型扭力扳手测量成品转动力矩,结果如表4、5、6所示,M1为即时测量值,M2为48小时后的测量值。(见表4)
关生产厂家图纸注明转动或摆动测量均可,故仅进行转动力矩实测。(见表5)
由表4, 规格铆接后及时测量力矩,与设定值比较,其最大偏差为0.8N.m;偏差小于0.5.N.m
的工件约占86%。由表5, 规格及时测量,其最大偏差为0.6N.m,偏差小于0.5N.m的工件比例约为93%。由表6, 规格测量力矩最大偏差为1.4N.m,偏差小于0.5N.m的工件比例约为73%。工件铆接48小时后其力矩值将基本稳定,由表可见,三种规格零件力矩合格率分别为100%、73%、100%。力矩下降现象的原因,可能是热塑弹性球头销座存在蠕变效应,此现象机理尚待深入研究。由表5实测结果和鉴于热塑弹性体蠕变规律的不可控因素的存在,进行大批量铆接前,应进行针对性试验,获得合适的力矩设定值;按力矩合格范围上限值设定期望的 值,是一种可行的选择。
此外,设定的控制表参数主要考虑力矩控制的一致性,同时兼顾铆接周期的控制。实际铆接试验时,铆接周期控制较弱,均存在1~3秒不等的偏差。
从实验结果看,采用相对简单的模糊控制表可有效控制铆接过程;因力矩影响因素非常复杂,在铆接效率、力矩一致性之间进行合理的折衷,产品的力矩合格率可达到很高水平。
6 结论
结合汽车球头销结构特点,分析了球头销球面副粘性摩擦力矩的非线性特征;根据球头销
铆接工艺过程改进的实际需要,在特性分析的基础上,采用模糊控制方法控制铆接动态过程,其实验结果表明:球头销力矩一致性好,铆接周期可控;相关方法适合于铆接工艺过程控制,有助于大批量生产质量、成本控制。
参考文献:
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