变速鼓挡位角度检测及不确定度评定

郭莹莹 芦秀红 沈甜甜 刘景玉

(1.洛阳北方企业集团有限公司，洛阳 471031；2.四川东方电气集团东方汽轮机有限公司，德阳 618000)



变速鼓挡位角度检测及不确定度评定

郭莹莹1芦秀红1沈甜甜1刘景玉2

(1.洛阳北方企业集团有限公司，洛阳 471031；2.四川东方电气集团东方汽轮机有限公司，德阳 618000)

摩托车发动机变速鼓各挡位槽中心平面位置(角度)直接影响挂挡流畅性能，本文简述了使用万能工具显微镜配合光学灵敏杠杆，通过对X、Y坐标的检测控制，从而快速检测、计算变速鼓各挡位中心线和变速鼓轴线所成平面与基准槽中心平面夹角的方法，并通过不确定度评定证明了测量方案的可行性。

变速鼓；角度；万能工具显微镜；不确定度

0 引言

万能工具显微镜(以下简称万工显)是几何量测量中常用的精密仪器，能快速准确测量各种形状复杂的工件。摩托车变速鼓各换挡槽换挡处中心线与变速鼓轴线所成平面(以下简称换挡面)相对变速鼓端部凸台上基准槽中心面的夹角精度，直接影响发动机挂挡、换挡的准确性、灵活性。挡位槽狭长弯曲，宽度、深度仅约4mm，可利用万工显附件光学灵敏杠杆探入挡位槽内进行采点，并借助于分度头读出各换挡面相对于基准槽中心面的角度，最后计算出各换挡中心面相对基准槽中心面的角度。目前相对其他测量设备，此方法速度快、精度高、操作方便且检测成本低，适合于企业批量检测。

图1 变速鼓基准槽及部分挡位槽立体示意图

1 变速鼓挡位角度结构

变速鼓基准槽及部分挡位槽立体示意图如图1所示；图2仅给出了包含一挡换挡中心面和基准槽的端面方位平面示意图，即右视图；图3是光学灵敏杠杆在一挡槽上采点立体示意图。

图2 变速鼓右视示意图

图3 光学灵敏杠杆在一挡槽上采点立体示意图

图2中，变速鼓径向截面投影圆心为O，OH是万工显铅垂方向基准面，OA是基准槽中心线，OB、OC、OD分别为一挡、二挡、三挡槽换挡处中心线；a基为基准槽中心面与铅垂方向基准面的夹角，a1为一挡换挡面与铅垂向基准面的夹角；β1为一挡换挡面与基准槽中心面的夹角。

2 设备的调试准备

1)变速鼓基准槽是位于端面凸台的一个盲槽，凸台直径Φ13，槽宽2.1mm，槽深4.5mm。自制一个金属镶块(以下简称镶块)，长宽厚尺寸10×4.5×2.1(单位:mm)，镶块厚度两侧工作面平行度不大于0.01mm。将镶块嵌入变速鼓端部上方基准槽中，镶块工作面与基准槽两侧平面紧密配合，靠近中心处留出顶尖孔的位置，便于变速鼓在万工显上的安装。镶块靠外圆方向保持有部分工作面显露在凸台外圆表面以外，便于灵敏杠杆测头的采点。根据实践，镶块长度L1=凸台半径+测球半径+安全距离=6.5+1.5+2=10mm比较合适。

2)万工显数显装置中设X向是纵向滑板移动方向，Y向是横向滑板移动方向。在物镜上安装光学灵敏杠杆，调整灵敏杠杆测头(以下简称测头)竖直向下，转动测头上部滚花圈，使双刻线成像清晰。

3)将万工显光学分度头附件和一个顶针座安装在纵向滑板导轨上。

3 确定基准槽中心面位置

3.1 安装变速鼓

在两顶尖间安装被测变速鼓。转动分度头，使变速鼓基准槽中心平面大致位于万工显的铅垂方向附近，并将两顶尖的中心线的Y坐标清零。

3.2 移动灵敏杠杆采点

移动灵敏杠杆测头，改变测力方向，在同一X坐标下，使测头中心处的外径分别与变速鼓基准槽中的镶块两侧平面接触，测头接触点距变速鼓轴心线(顶尖中心线)约9mm。测头双刻线套住米字横线(以下简称达定位状态)，参见图1中“基准槽面右”和“基准槽面左”，分别记下Y向坐标值Y基右和Y基左，要注意Y基右和Y基左是带有正负号的值。

3.3 计算Y基

Y基=(Y基左+Y基右)/2

(1)

3.4 判定和微调措施

调整采点位置

(2)

(3)

注意，反复采点和计算使Y≤0.01mm的目的是确保两侧采点相对于铅垂基准面对称，精度满足测量要求。在分度头读取此时角度值a基。

4 确定各换挡面位置

确定一挡换挡面位置a1同确定基准槽位置a基的方法相似。先将测头退出，将被测挡的中心平面大致位于万工显的铅垂方向附近，将测头移至换挡槽内，测头在换挡槽内的高度应与变速鼓工作时的高度一致，变速鼓半径17mm，测头与变速鼓接触时工作半径约为17-1=16mm。

4.1 移动灵敏杠杆采点

移动Y向滑板至变速鼓上一挡型面右侧，使测头达定位状态，记下此时Y向坐标值Y1右，见图3上Y1右。移动测头，使其接触变速鼓一挡型面左侧(另一侧)，保持X向坐标值不变，移动Y向滑板，至测头达定位状态，记下Y向坐标值Y1左，参见图3上Y1左。

4.2 计算Y基

与公式(1)类似有Y1=(Y1左+Y1右)/2

(4)

余下步骤同3.4，在分度头读取窗读取此时角度值a1。

5 换挡面相对变速鼓基准槽中心平面的夹角计算

一挡换挡面与基准槽中心平面的夹角由图2可看出：

β1=a1-a基

(5)

其余挡位角度计算和一挡相同。

6 测量不确定度评定

6.1 被测对象

变速鼓各换挡面与基准槽中心平面夹角a1，允差±1°

6.2 使用的测量设备

万能工具显微镜示值误差Δ1≤±(1+L/100)μm；灵敏杠杆允差Δ2≤0.001mm；分度头允差Δ3≤30″；自制测量辅具镶块：平行度允差Δ4≤0.01mm。

6.3 测量模型

β=a -a基

灵敏系数Ca=1；Ca 基=-1

6.4 标准不确定度分量分析

测量模型是β=a -a基，β是一个小于360°的角度，a 和a基分别是这个角度在两个位置的读数。为了确定这两个位置使用了万工显读数装置及灵敏杠杆定位，因此其误差源由分度头在β范围内的测量误差、确定基准槽中心平面位置的误差以及确定各换挡槽中心平面位置的误差三部分组成。

6.4.1 分度头在β范围内的测量误差引入的标准不确定度分量uβ

6.4.2 确定基准槽中心平面位置的误差引入的标准不确定度分量ua 基

以上4项合成的标准不确定度

6.4.3 由确定被测挡的中心平面位置的误差引入的标准不确定度分量ua

4项分量合成后的标准不确定度分量

6.5 合成标准不确定度分量uc

6.6 扩展不确定度U

取包含因子k=2，则U=2×111″=3.7′

7 结束语

此变速鼓各换挡面与基准槽中心平面夹角β的角度公差±1°。经不确定度评定分析，得测量结果的扩展不确定度U=3.7′，远小于产品公差。本测量方案完全满足摩托车变速鼓各换挡面相对基准槽中心平面的夹角质量检验要求。

方案利用万工显附件分度头和顶针座装夹、旋转轴类工件，使用了平行度得到保障的镶块插入基准槽，模拟基准槽中心面。方案用灵敏杠杆来对镶块和挡位槽曲面采点，巧妙地通过X、Y坐标来确定采点的对称性，从而分别精准确定基准槽和各换挡处对称中心平面的位置，方便地在分度头中读取定位后该位置的角度。本测量方案准确、可靠、经济性好，可供同行参考。

[1] 新天JX11万能工具显微镜说明书

[2] 李庆忠，李宇红.计量不确定度评估要点.计量技术.2003(1)：46-49

[3] 张成悌.测量不确定度评定中的若干问题.中国测试技术.2007(5)：80-84

[4] 应国强.万能工具显微镜的使用.光仪通讯.1993(3)：19-39

[5] 李雪，宋秀敏.用万能工具显微镜测量的原则及原理分析.测试测量技术与设备.2012(205)：48-53

更 正

由于编辑的疏忽，2015年2期《机械零件测绘与型线拟合》一文的第一作者应为：白锋军。特此更正。

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.10