關(guān)若旸，王志勝，曹國華，張大偉

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院長春 130022）

0 引言

轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要部件，隨著汽車行業(yè)國際間技術(shù)交往的加強(qiáng)，對其安全性要求越來越高。本文所設(shè)計的轉(zhuǎn)向器沖擊試驗機(jī)，由計算機(jī)結(jié)合可編程控制器控制和采集數(shù)據(jù)，由減速電機(jī)和離合器控制擺錘的起擺與下落。在實際工作中，轉(zhuǎn)向器在震蕩環(huán)境下工作不可避免，試件的抗沖擊強(qiáng)度是其最重要的性能參數(shù)之一，所以，對其抗拉、壓沖擊的檢測是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

1 工作原理

擺錘沖擊試驗機(jī)原理是利用擺錘的重力加速度沖擊方式，對轉(zhuǎn)向器試件施以拉、壓力沖擊，即實現(xiàn)擺錘的勢能轉(zhuǎn)化為動能這樣一種能量轉(zhuǎn)換。并在試件一端安裝壓力傳感器，測量試件所受能量的大小。試件的韌性強(qiáng)弱即可通過其所能接受的能量高低來衡量，以此驗證產(chǎn)品安全性。圖1 為沖擊試樣機(jī)工作原理圖。

擺錘在自由懸垂時，沖擊刀刃應(yīng)與試樣之間處于似接非接狀態(tài)。當(dāng)擺錘上升仰角到α 時為擺錘初始位置，然后自由釋放，在忽略風(fēng)阻、機(jī)械摩擦損失的條件下，為沖擊過程提供需要的能量。

2 沖擊速度與起擺角度

根據(jù)要求，為模擬轉(zhuǎn)向器實際工作狀況，需在沖擊試件與擺錘之間加緩沖設(shè)備，產(chǎn)生帶緩沖的沖擊，具體沖擊要求如圖2 所示。

擺錘沖擊是由勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程，

式中：E 為忽略其他能量損失條件下，沖擊試樣時的總能量；l0為試樣重心到擺軸軸線的距離。

根據(jù)圖2 的撞擊F—t 圖像，則此時擺錘自由下落到0°時所需達(dá)到的撞擊動量式為：

式中：m 為按設(shè)計規(guī)定中的擺錘質(zhì)量大小，F(xiàn)m為設(shè)計中所要求的最大沖擊力度，由于進(jìn)行的是帶緩沖的沖擊，t 為峰值響應(yīng)時間，根據(jù)動量定理，可得出速度v，即擺錘自由下落到撞擊點(diǎn)處的速度。

按設(shè)計要求規(guī)定，擺錘擺長、質(zhì)量已定，通過計算公式：

求得擺錘的實際起擺高度h，進(jìn)而確定擺錘的起擺角度α。

3 擺錘沖擊中心的確定

由于設(shè)計的擺錘頂端由兩軸承座支撐，即可看作簡支梁。當(dāng)擺錘打擊試件時，軸承處必受到反碰撞沖量的作用。撞擊點(diǎn)與擺錘組件的沖擊中心重合時，沖擊力不會在擺軸軸線處產(chǎn)生附加的力，這一定程度上減少了不必要的能量消耗，提高了擺錘沖擊試驗機(jī)的使用壽命和安全性。并且國家標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)塑料簡支梁沖擊試驗方法中規(guī)定，旋轉(zhuǎn)軸心到擺錘沖擊中心的距離與旋轉(zhuǎn)軸心至試樣重心距離應(yīng)一致，兩者之差不應(yīng)超過后者的±1%。根據(jù)設(shè)計要求，擺錘的質(zhì)量已定，擺桿的材料、長度也已確定。故應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計方法確定尺寸，可以減少擺錘的試制次數(shù)，較準(zhǔn)確地計算出理想的撞擊位置。

圖1 沖擊試驗機(jī)工作原理圖

圖2 F-t 圖像

當(dāng)撞擊發(fā)生時，在撞擊點(diǎn)處就成為了一個支點(diǎn)o，受到試件給擺錘的反向沖擊力。在沖擊過程中擺錘組件的角速度為ω，取o 點(diǎn)兩側(cè)各部分的質(zhì)量微元，可得出撞擊點(diǎn)上半部分的動量矩

圖3 打擊中心

由動量矩定理可知，為避免產(chǎn)生多余的力矩，在該點(diǎn)兩邊的位置所形成的動量大小應(yīng)該是相等的，根據(jù)這一特點(diǎn)可列出等式

式中：m1為擺桿的質(zhì)量；m2為擺錘的質(zhì)量；l 為擺桿長度；h為擺錘高度。計算可得出沖擊中心的位置z 與擺錘高度h和擺桿長度l 之間的的關(guān)系：

通過對沖擊中心位置的計算，可以較為方便地確定試件與擺錘的碰撞，并避免在軸承端加載較大的載荷。通過幾個參數(shù)關(guān)系的確定，可以根據(jù)實際情況要求，靈活調(diào)整設(shè)計方式，確定沖擊中心的位置。

4 結(jié)語

當(dāng)擺錘與試件碰撞時，力能垂直地作用于擺錘的撞擊中心時，在軸承處不會產(chǎn)生反碰撞沖量。通過計算優(yōu)化設(shè)計，可以減少擺桿變形導(dǎo)致試驗成本的增加，同時也可避免在軸承處的附加壓力導(dǎo)致的能量損失，對擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)的設(shè)計和制造有很大的實際意義。

［1］梁昆森.力學(xué)上冊［M］.北京：人民教育出版社，1978：286－300.

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