一種骨架油封壓裝機構的設計分析

周改梅，李 蕊，白 妮

（陜西渭河工模具有限公司，陜西 西安 710021）

1 引言

眾多資料［1-2］和實踐表明，諧波減速器中零件的裝配同軸性超差、標準件損壞是引起產品失效的重要原因。機器人用諧波減速器中的一個重要零件就是交叉滾子軸承，HD型號的機器人用諧波減速器，其交叉滾子軸承中的骨架油封需要將剛輪裝配好以后才能裝入，所以，在生產裝配過程中面臨著如何實現骨架油封快捷有效的安裝。骨架油封是一種橡膠制品，安裝不正確會導致骨架油封的唇口有傷痕、唇口向外翻轉、彈簧松脫等現象，發生這些現象時，骨架油封均需更換，致使骨架油封的利用率下降。專利ZL201520131044.8［3］公開了一種骨架油封安裝工具，利用左細右粗的圓柱狀結構，借助尼龍棒擊打，達到安裝骨架油封的作用，雖然比手動安裝方便，但用尼龍棒擊打還是無法保證受力均勻。專利ZL201520210076.7［4］描述了一種骨架油封用安裝工具，其主要結構是與骨架油封外形尺寸相同的胎具體，利用緊固件將胎具體和手柄相連，可以實現骨架油封的快捷安裝，節省了時間，但骨架油封的損壞率還是很高。目前，骨架油封的裝配多是靠裝配師傅的經驗保證的，據觀察和統計，骨架油封的平均利用率為83%，平均每1min可以裝配一個骨架油封。

為提高骨架油封的利用率，在此，設計一種骨架油封的壓裝機構，避免發生骨架油封在下壓的過程中出現外翻的現象，同時保證骨架油封和交叉滾子軸承內圈的同軸度，使骨架油封很好的實現密封作用。通過CAXA CAE有限元分析和樣機試驗驗證兩種方法進行研究，為降低生產成本做出一定的貢獻。

2 骨架油封壓裝機構的設計

2.1 骨架油封的介紹

油封是封油用的機械元件，主要由唇部、配合部、金屬骨架、彈簧組成。骨架油封材料是丁腈橡膠A727。油封中的彈簧一般用高碳鋼絲，可以提高密封唇在軸上的壓緊力，金屬骨架一般用冷軋鋼板及鋼帶，其作用是保持油封與腔體孔間的配合力，保持密封唇在確定的位置上。

2.2 壓裝原理分析

分析相關樣本資料和機械裝配過程［5-8］，骨架油封的外圈和交叉滾子軸承上的槽之間是過盈配合，單邊大概有（0.05～0.08）的過盈量，其安裝也必須保證其與安裝的軸的同軸度在0.01mm內，且骨架油封上的每個位置需均勻平衡的受力壓入正確位置，否則會導致骨架油封的唇口有傷痕、唇口向外翻轉、彈簧松脫等現象，造成骨架油封的利用率低。根據這一情況，設計一種骨架油封的壓裝機構，保證其需要的同軸度和均勻受力，并且對骨架油封無損傷。

2.3 總體方案設計

專利ZL201821914557.6［9］，一種骨架油封的壓裝機構，包括手輪驅動裝置、平滑移動裝置、定位壓緊裝置，如圖1所示。轉動手輪1使絲杠3旋轉時，由于絲杠螺母4通過螺栓固定在上面板5上，絲杠螺母固定不動，驅使絲杠3平滑下移，絲杠3下移的同時帶動中間板7平滑下移。平滑移動裝置中兩側的導柱10通過螺母9固定在上面板5和下面板8之間，中間板7通過直線軸承6與兩側的導柱10滑動連接。

定位壓緊的過程是骨架油封12 先套入定位導向塊13 的上部，定位導向塊13上開有導向孔16，下壓塊11上有與導向孔16配合的導向部分，再將定位導向塊13通過其上的尺寸c與交叉滾子軸承14實現同軸，將下壓塊11和定位導向塊13通過導向孔配合安裝，此時的位置，如圖1（a）所示。中間板7平滑下移的過程中，當中間板7和下壓塊11的上表面接觸后，下壓塊11也將平滑下移，帶動骨架油封12沿著定位導向塊13的外表面下移，使骨架油封12裝入交叉滾子軸承14上的正確位置，此時的位置，如圖1（b）所示。

2.4 關鍵零件的設計分析

2.4.1 滾珠絲杠螺母副設計

機構設計過程中，滾珠絲杠螺母副機構的主要作用是實現一個直線運動過程，其最大軸向負載按100N設計，選擇滾珠絲杠的型號為SFI01606-4，最大行程為100mm，計算最大計算靜載荷Foc(N)［10］。

式中：fd—動載荷系數；

—硬度影響系數，取1.4；

Fmax—最大軸向負載；

Coa—滾珠絲杠螺母副的額定靜負荷（N）。

根據式（1）對滾珠絲杠螺母進行靜強度計算，滾珠絲杠承受的動靜載荷滿足要求。

2.4.2 定位壓緊裝置設計

如圖1所示，定位導向塊13上的尺寸c和交叉滾子軸承上的對應尺寸之間采用小間隙配合，定位導向塊13上的尺寸c采用h6公差，保證骨架油封安裝時，油封和軸的配合需要同軸，如果偏心過大，其密封作用會變差，尤其是交叉滾子軸承內圈高速旋轉時，滲漏現象會更嚴重。

下壓塊11上的尺寸d比骨架油封的寬度e小0.3mm，尺寸a要大于定位導向塊13上的尺寸b。下壓塊11的上表面和中間板7的下表面要進行平磨，達到Ra0.8μm，其和零件軸線的垂直度要小于0.005mm。

下壓塊11 上的導向部分尺寸n和定位導向塊13 上的導向孔16 的尺寸m之間采用間隙配合H7/h6。下壓塊11上的泄壓孔17是直徑為2mm的通孔，泄壓孔17的作用是避免下壓塊11在移動的過程中由于內部氣流不流暢，形成氣腔，使下壓塊11與定位導向塊13 上的導向孔16 的同軸度變差，影響骨架油封的壓裝正確性。

3 有限元分析骨架油封壓入過程

3.1 CAXA CAE介紹

有限元是把復雜的系統，離散化成有限個容易分析的單元，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件（連續固體變形后仍為連續體）綜合求解，求解完成后，將各點結果組合，使用CAE技術可以觀察零件表面、內部各處的情況。

CAE分析中一個重要的步驟是劃分網格，一階元素求解快但誤差大，二階元素誤差小但求解慢，且有時無法自動生成，不適宜在CAD/CAE工具中使用。CAXA CAE獨有的Sefea（富應變有限元分析）元素結合一階元素、二階元素特點，使用全新Sefea四面體/三角形元素，Sefea 技術，是最適合CAD 中使用的CAE 技術。所以，在此選擇CAXA CAE軟件對該機構中骨架油封壓入過程的受力情況進行分析。

3.2 有限元分析骨架油封壓裝過程

為了分析骨架油封壓入過程中壓力大小對骨架油封的影響，選擇合適的壓力，故采用CAXA CAE分析骨架油封壓入過程，查看壓力作用下，骨架油封各受力點的應力狀態。根據壓裝機構實際使用條件確定仿真工況條件，交叉滾子軸承的下表面固定，在下壓塊的上表面施加壓力。

查相關資料［11］可知，丁腈橡膠的密度為0.98g.m-3，彈性模量為6.1N/mm2，泊松比為0.49，拉伸強度為（15～30）MPa，抗剪模量GXY為2.9MPa［11］，合金鋼和橡膠的摩擦因數為0.8，下壓塊11上表面的面積大約為4700mm2，按滾珠絲杠的最大軸向負載為100N計算，向下壓塊11上表面施加壓力約為0.0212MPa，壓裝過程中骨架油封發生的變形屬于大變形，所以在分析過程中使用大變形命令，利用多步功能將骨架油封壓裝過程簡化為靜力學分析，以骨架油封橫截面為YZ平面，定位壓緊裝置各應力云圖，如圖2所示。提取骨架油封壓入部分的節點12513，此節點處的等效應力顯示為紅色，繪制其各應力時變圖，如圖3所示。

圖3 應力時變圖Fig.3 Time-Varying Diagram of Stress

由圖2可得骨架油封的最大切應力為0.308496MPa，小于其抗剪模量GXY 2.9MPa，最大等效應力為0.867274MPa，最大接觸壓強為0.411490MPa，小于其拉伸強度（15～30）MPa。由圖3得節點處的各應力時變圖均為非線性圖，時間步為0.264時，骨架油封此節點處被迅速擠壓變形，和交叉滾子軸承之間的接觸從sliding變為sticking，其等效應力、接觸壓強和切應力迅速增大，但均未超過材料極限值。

分析可知此定位壓緊裝置并未對骨架油封造成損傷，又可以通過增加接觸面積使骨架油封受力均勻，能更好的實現骨架油封的裝配。

4 樣機的制作和試驗

為了驗證方案是否能保證骨架油封方便快捷的安裝，提高骨架油封利用率，制作樣機進行試驗。樣機示意圖，如圖4 所示。骨架油封的壓裝步驟，如圖5所示。試驗方案為找四位裝配工編號后，每人壓裝30個骨架油封，記錄安裝所需的時間以及安裝完成后無損傷的骨架油封數量。

圖4 樣機Fig.4 Model Machine

圖5 骨架油封壓裝步驟Fig.5 Step of Fressure-Fitting for Framework Oil Seal

試驗數據，如表1所示。四號裝配工有一個骨架油封出現損傷，經分析是由于裝配工在壓裝的第一步時將一個螺釘意外墊在骨架油封的下面，造成壓裝的過程中骨架油封被損傷，分析試驗數據可得，該壓裝機構可以保證骨架油封的平均利用率達到99.17%，平均安裝時間為0.655min/個。

表1 試驗數據Tab.1 Experimental Date

5 總結

（1）通過CAE分析和試驗驗證，該骨架油封壓裝機構可以有效的實現短筒禮貌型機器人諧波減速器中交叉滾子軸承的骨架油封的壓裝，提高骨架油封利用率，該壓裝機構可以保證骨架油封的平均利用率達到99.17%，平均安裝時間為0.655min/個，比前期純憑經驗裝配時利用率提高了19.48%，裝配時間縮短了0.345min/個。（2）骨架油封的裝配過程中必須重視同軸度和均勻受力這兩個因素，只要骨架油封每個位置受力均勻，安裝同軸度控制在0.01mm以內，就可以保證骨架油封有效地安裝使用，避免出現骨架油封的唇口有傷痕、唇口向外翻轉、彈簧松脫等現象。（3）該壓裝機構在機械裝配過程中可以當小型壓力機實用，為裝配工提供便利，提高裝配精度。