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        汽車傳動軸無損探傷方案研究

        2010-09-14 09:13:20張洪飛姚艷春李向楠杜克鋒
        天中學(xué)刊 2010年5期
        關(guān)鍵詞:傳動軸超聲波裂紋

        張洪飛,姚艷春,李向楠,杜克鋒

        (黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系,河南 駐馬店 463000)

        汽車傳動軸無損探傷方案研究

        張洪飛,姚艷春,李向楠,杜克鋒

        (黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系,河南 駐馬店 463000)

        汽車傳動軸的金屬疲勞問題是高速行駛汽車的一個安全隱患.文章提出了一種汽車傳動軸金屬疲勞度動態(tài)無損探傷方案,即將超聲波傳感器安裝于汽車傳動軸上,利用電控單元ECU對超聲波傳感器輸出的信息進(jìn)行實時處理,當(dāng)傳動軸出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷時,ECU發(fā)出指令使報警裝置發(fā)出報警信號.超聲波傳感器的安裝位置是這一方案的難點.

        無損探傷;超聲波傳感器;汽車傳動軸;報警裝置;動態(tài)監(jiān)測

        汽車上的一些重要構(gòu)件如傳動軸、半軸、曲軸等,在實際工作中不斷受到交變載荷的作用,金屬疲勞程度逐漸加大,容易發(fā)生突然斷裂,這是高速行駛汽車的一個安全隱患.車輛的定期安全檢測雖然能夠有效地防止這類事故,但對于某些大型汽車來講仍不能從根本上解決問題.

        隨著微機技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用,無損檢測的新方法和新技術(shù)不斷出現(xiàn).本文在綜合分析汽車傳動軸、超聲波傳感器、報警裝置特點的基礎(chǔ)上,提出一種利用超聲波傳感器實時探測汽車傳動軸疲勞程度的方案.

        1 車用傳動軸材料的斷裂情況及金屬疲勞特性

        傳動軸是由薄鋼板卷焊而成的,工作過程中它不斷受到扭轉(zhuǎn)、振動,容易在縱向產(chǎn)生疲勞裂紋,甚至發(fā)生斷裂.傳動軸受到的交變載荷的強度不易準(zhǔn)確預(yù)測,因此只有通過檢測才能判斷它是否已經(jīng)達(dá)到疲勞極限.

        裂紋的擴展速率da/dV與應(yīng)力強度因子ΔK的關(guān)系是如圖1所示的S型曲線.在圖1中,I區(qū)稱為不擴展區(qū),即當(dāng)結(jié)構(gòu)缺陷部位的應(yīng)力強度因子低于該值時,疲勞裂紋不會擴展,此時的裂紋稱為安全裂紋;II區(qū)稱為裂紋擴展區(qū),即將萌生裂紋擴展;III區(qū)稱為快速擴展區(qū),此區(qū)域中的裂紋擴展速度極快,常常不計算其壽命值(已達(dá)到了疲勞極限).

        圖1 da/dV與lg(ΔK)的關(guān)系

        2 超聲波探傷技術(shù)及汽車電控單元簡介

        2.1 超聲波探傷技術(shù)簡介

        超聲波傳感器主要有穿透型和反射型2種.穿透型探傷的主要特點是探傷靈敏度低,不能發(fā)現(xiàn)小缺陷,不能定位缺陷的位置,但指示簡單.與穿透型探傷相比,反射法探傷能準(zhǔn)確地確定缺陷的位置和深度,可用不同波形進(jìn)行探測,應(yīng)用范圍較廣.

        本研究中只需判斷汽車傳動軸是否達(dá)到了疲勞極限,而不需定位缺陷的位置,因此宜采用穿透型超聲波傳感器.

        目前,超聲波傳感器在測距、探傷方面都與微機技術(shù)緊密結(jié)合,朝著智能化方向發(fā)展.例如:NM超聲儀能夠?qū)z測到的缺陷信息通過微機系統(tǒng)傳輸?shù)诫娍貑卧狤CU,并對檢測的信號進(jìn)行分析處理(包括報警),主要用于混凝土的無損檢測;DUD930數(shù)字傳感器具有優(yōu)良的探測特點,近場盲區(qū)小,能滿足較近和較遠(yuǎn)距離探傷的要求(探傷范圍在0~1000 mm),無極調(diào)節(jié),且可自由輸入并存儲各種探傷標(biāo)準(zhǔn),其不足是價格較高.

        2.2 汽車電控單元簡介

        汽車電控單元ECU由微處理器MCU、輸入電路、輸出電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、接口I/O等組成,其中的MCU又由CPU、RAM數(shù)據(jù)存儲器、ROM程序存儲器、地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等構(gòu)成.來自傳感器的信號經(jīng)輸入電路處理后,再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給CPU.CPU將輸入信號與參考數(shù)據(jù)對比后發(fā)出指令信號,指令信號經(jīng)功率放大(有時需轉(zhuǎn)換為模擬信號)后控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)伺服元件.

        3 汽車傳動軸無損探傷模型的建立及分析

        3.1 模型的建立

        所建立模型的框圖如圖2所示.

        圖2 汽車傳動軸無損探傷模型

        超聲波傳感器(可采用車軸用超聲波探傷用組合探頭)安裝于傳動軸的兩側(cè),檢測傳動軸內(nèi)部的疲勞裂紋狀況.ECU將傳感器的輸出信號處理后與ROM中存儲的參考數(shù)據(jù)(反映金屬內(nèi)部組織變化的S型曲線的數(shù)據(jù))進(jìn)行對比,并產(chǎn)生控制指令.若ECU判斷出傳動軸內(nèi)部出現(xiàn)了嚴(yán)重的疲勞裂紋,即金屬裂紋進(jìn)入快速擴展區(qū),ECU將通過指令驅(qū)動聲光報警器報警;若ECU判斷出傳動軸內(nèi)部沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞裂紋,聲光報警器不發(fā)生報警,但系統(tǒng)將自動保存檢測信息以供駕駛員參考.

        3.2 超聲波傳感器的安裝方案

        汽車傳動軸連接在變速器與驅(qū)動橋的萬向裝置中,由傳動軸及兩端焊接的花鍵軸和萬向節(jié)叉組成.由于傳動軸在汽車運行時會發(fā)生劇烈振動,所以在安裝超聲波傳感器時會遇到許多難題.

        對于空心結(jié)構(gòu)的傳動軸,將超聲波傳感器內(nèi)置于傳動軸中可在一定程度上防止灰塵和異物對其造成危害,但引出線問題很難得到解決.如果將超聲波傳感器置于傳動軸外部,則必須考慮防水、防塵、減振和耦合介質(zhì)問題.超聲波在金屬中傳播時的衰減系數(shù)非常小,常常忽略不計,但在空氣中傳播時的衰減系數(shù)卻很大,因此必須在探頭與傳動軸之間加入耦合介質(zhì),可以選擇黃油或者化學(xué)漿糊.化學(xué)漿糊由羥甲基纖維素與適量水調(diào)制而成,有較高的粘性,且溫度變化時不會導(dǎo)致凝膠現(xiàn)象.

        超聲波傳感器在傳動軸上的安裝位置有以下3種方案:(1)將超聲波傳感器安裝在傳動軸的載荷最集中處(可由傳動軸的幾何參數(shù)及受力特點,利用有限元分析法求得);(2)在與傳動軸正對著的車架上焊上一個固定的導(dǎo)軌,利用電機拖動,使超聲波傳感器能在導(dǎo)軌上往復(fù)運動,以便檢測整根傳動軸;(3)將超聲波傳感器安裝在傳動軸外側(cè),并通過電機控制傳感器在傳動軸上的位置.方案一可達(dá)到實時監(jiān)測汽車傳動軸載荷最集中處的目的,在三種方案中可行性較大,其缺點是只能對傳動軸的某一部位進(jìn)行實時監(jiān)測;方案二從理論上講能實現(xiàn)對整根傳動軸的動態(tài)檢測,但不易實現(xiàn)且空氣衰減太大;方案三也能實現(xiàn)全軸的動態(tài)監(jiān)測,但難度更大,可行性較?。?/p>

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        〔責(zé)任編輯 張繼金〕

        U472.9

        A

        1006-5261(2010)05-0040-02

        2010-01-21

        張洪飛(1967―),男,河南新蔡人,高級實驗師,碩士.

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