锁紧机构防脱落保持架设计与分析*

郭 志， 王 飞， 王晓卿， 任梦晴

(中船九江精达科技股份有限公司，江西 九江 332000)

0 引 言

锁紧机构主要应用在某型双轴转位机构上，用以实现惯性测量组件与机箱箱体之间的机械锁紧。双轴转位机构工作环恶劣，承受各种极端天气、运输环境与振动环境，锁紧机构锁紧与解锁失败会造成双轴转位机构部分功能失效，甚至会造成惯组标定失败灯严重后果。锁紧机构保持架主要位于升降导向部位上，主要起到钢球保持作用。保持架在复杂恶劣环境下容易出现轴向滑移，使得保持架上钢球外露，而常规形式的保持架，钢球及其容易脱落，造成多余物。

保持架运动形式与转台密珠轴承[1]类似，转台密珠轴承主要减小主轴轴向和径向尺寸，从而提高转台转动精度，其中密珠轴承保持架同样起到钢球保持作用，在转台上保持架随齿盘进行升降与旋转工作，而锁紧机构仅需进行升降工作，无旋转要求。锁紧机构导向主轴为开放式主轴，其上的保持架可以随着升降主件升起而升起，甚至能从导向主轴上脱落。笔者主要从保持架的设计出发，以某型双轴转位机构上的锁紧机构为例，优化设计保持架结构形式，分析保持架在锁紧机构上的工作形式，并通过对保持架进行热力学分析及模态分析，验证保持架在复杂工作环境下能够正常工作。

1 保持架结构设计

1.1 保持架结构简介

锁紧机构导向部位主要由导向主轴、升降主件、保持架、钢球、基座组成，如图1所示为导向部位结构图，其中保持架在导向主轴与升降主件的两个圆柱面之间，钢球密集的分布在保持架上，由于密集的钢球具有平均效应，能够有效的提高导向主轴的精度，从而保证升降主件锁紧重复定位精度。原则上，钢球数量越多，其平均效应越好；但对于保持架而言，其内外直径尺寸受限，钢球孔越多加工越繁琐，装配越复杂，不符合生产实际。

图1 锁紧机构导向部位结构图 图2 常规保持架结构图

目前，所有转台或其他直线运动机构采用保持架的结构形式均为通直孔，如图2所示，保持架上钢球孔均为通直孔，生产时采用金属切削加工即可。本型号锁紧机构保持架设计保持架钢球孔3排，每排放置10钢球，每排钢球均错位排列，使得每个钢球位置不同，钢球轴向运动时的轨迹不重合。但该形式保持架存在缺陷，由于保持架上下无限位机构，存在保持架最外侧一排孔裸露在升降主件可能，孔中钢球容易掉落，造成多余物风险。为规避该风险，在原锁紧机构不变动情况下，对保持架进行结构优化。

在滑动轴承中采用保持架形式多种，使用材料主要有钢材、黄铜、铝合金、聚合材料等等[2]，其中双列轴承使用的保持架结构形式主要为半包型，如图3所示为双列轴承采用的保持架结构形式，保持架半包结构处为圆弧状包络住钢球，由于保持架两侧开放，未封闭，在滚动轴承中存在密封圈封闭，在本型号产品中不改动其他情况下不可用。

图3 双列轴承保持架结构示意图 图4 第一种优化方式

1.2 保持架结构优化

保持架优化思路为避免外露的钢球掉落，则将保持架设计为外侧孔比钢球直径小即可，存在2种优化方法：①将钢球孔加工为锥孔形式；②将保持架分为三部分，一部分为减薄的保持架，另两部份为孔小的半分保持架。

其中方法1中，如果将钢球孔加工成锥孔形式，如图4所示，在金属切削加工中由于刀具限制需要从一侧孔中加工对面孔的锥形，会导致有效的锥孔形式减半，即可安装钢球数量减半，相应的导向部位平均效应会变差，如图4所示。

方法2中保持架分为三部分，其中外侧两部分将钢球及内部保持架包络在内，有效保证钢球不会从外侧掉落，但由于分为三部分会使得外侧两个保持架的运动速度不一致造成零件高低差，甚至会使得钢球运动卡滞，如图5所示。

图5 第二种优化方式 图6 金属3D打印形式保持架

以上两种常规形式优化结构存在缺陷，采用非常规形式对保持架进行加工，采用金属3D打印成型方式将保持架的孔制作成内大外小的形式，如图6所示，既保证保持架整体性，又避免了钢球外露时不掉落的可能。

2 保持架运动形式分析

在锁紧机构工作时，钢球会一直随着升降主件进行上下方向的滚动，保持架由钢球推动随升降主件一同上下运动，相对于导向主轴而言，升降主件的升降速度约等于钢球外径边缘的线速度V0，而保持架的运动速度为钢球中心的线速度V1。当钢球纯滚动时，两者之间的关系为：V0=2V1。

由于导向主轴粗糙度和形状误差的存在，部分粗糙度与形状误差相对差的导向主轴外圆上可能存在微小的高低点，对于钢球而言，钢球为点接触，能够运行到低点位置。当导向主轴表面存在微小高低点时，钢球运动会存在一个微小的俯冲与卡顿，导致钢球运行速度不一致。

如图7(a)所示，理想状态下，保持架是悬浮在导向主轴和孔中间，而且保持架两侧间隙是均匀的，其正常工作时钢球运行速度与保持架一致。

图7 保持架钢球位置示意图

如图7(b)所示，当钢球运行速度相对滞后时，钢球落后于保持架，与保持架孔底部接触，此时钢球会与保持架碰撞，钢球被保持架带动置位。如图7(c)所示，非理想状态下，钢球可能卡着某个边顶着保持架，使得保持架略微倾斜，此时保持架不是悬浮在中间，与两侧间隙不一致，这个时候运动相对不顺畅，保持架同样会置位，恢复到最佳状态(即保持架悬浮处于中间的时候)。如图7(d)所示，当在非理想状态下，钢球存在运动速度滞后的，此时运动不仅钢球会重新置位，保持架也会置位。

为减少出现保持架运行过程中置位情况，可以通过控制钢球数量及增大钢球直径形式，达到减小钢球对于导向主轴、升降主件粗糙度与形位公差的敏感度，本文中新型保持架上钢球孔每排10个，共3排，钢球直径Φ2.5 mm。

3 保持架热力学分析

保持架在锁紧机构中处于浮空状态，无法直接对保持架进行约束，因此将导向主轴与钢球加入模型中形成装配体。为便于分析，进行如下处理：

(1) 简化模型，去除模型中所有倒角；

(2) 钢球与保持架、导向主轴之间装配配合关系均为相切。

将模型导入至ANSYS中，定义材料属性，其中钢球与导向主轴材料均GCr15，保持架材料为铝合金，密度2.5 g/cm3，抗拉强度280 MPa。将导向主轴网格划分为六面体网格，钢球与保持架均为四面体网格，设置钢球与保持架网格尺寸为0.5 m，划分结束后网格单元数达到74 665个，节点数122 203个。

导向主轴安装在基座上，故设置导向主轴底面为Fixed Support(固定约束)，各个钢球上分别添加Remote Force(远点力)，远点力方向垂直导向主轴方向，由于锁紧力为150 N，根据平均效应，则各个钢球上受到的力为5 N。

通过分析计算，保持架所受的最大应力为钢球与保持架阶梯孔的接触位置上，最大应力为7.654 MPa，远大于其屈服强度，最大应变为1.9e-4 mm，因此保持架满足其强度要求。

图8 保持架静态应力云图与应变云图

由于产品经历高低温环境(-40 ℃～+80 ℃)，产品从常温(+20 ℃)降至-40 ℃，再升温至+80 ℃，分别进行热力学分析，查看受力及变形情况。保持架从常温降至低温后，保持架发生形变，如图9所示最大应变7.56e-3mm。再从低温升至高温后，保持架最大应变7.13e-3mm，如图10所示。高低温环境下，保持架最大应力均在钢球与保持架阶梯孔接触点。

图9 低温-40 ℃应变云图 图10 高温+80 ℃应变云图

4 模态分析

对模型进行模态分析，固定导向主轴底面，分析其六阶模态，如表1所列为前六阶固有频率结果。

表1 前六阶固有频率 /Hz

按照产品实际振动环境对导向组件施加随机振动条件，条件如表2所列。

表2 随机振动条件

在保持架顶部添加响应监测点，监测到的顶点位移如图11所示，图中横坐标为频率，纵坐标为位移，其中最大位移为3.856 6e-3mm。

图11 保持架顶点随机振动响应曲线

5 结 语

针对锁紧机构工作模式，设计一种新型保持架，

采用金属3D打印形式加工成型，加工简便，且在振动复杂情况下，满足钢球不会从保持架外侧孔掉落要求。分析了保持架在锁紧机构上的运动形式，从分析结果中可以看出，保持架在钢球运行存在速度不一致时容易出现置位情况，在保持架强度允许范围下，选择大直径钢球能够减小对于导向主轴与升降主件的表面粗糙度及形位公差的敏感度，进而减少隔套置位情况发生。

对导向组件进行热力学分析与随机振动分析，从热力学分析可以看出保持架在高低温环境下变形小；从随机振动结构可以看出，保持架在均方根值6.06 g的振动条件下，顶点处最大位移3.856 6e-3mm。

文中未对保持架钢球过盈量考虑分析，在实际生产过程中保持架钢球存在一定的过盈量。