任夢鴻，王俊葉，權淑萍

(濟南時代試金試驗機有限公司，山東 濟南 250300)

汽車穩(wěn)定桿疲勞試驗機加載機構的運動學分析

任夢鴻，王俊葉，權淑萍

(濟南時代試金試驗機有限公司，山東 濟南 250300)

為了分析汽車穩(wěn)定桿疲勞試驗機加載機構的加載性能，對汽車穩(wěn)定桿疲勞試驗機的加載機構建立運動學方程，做出了機構的位置線圖、速度線圖和加速度線圖，得到機構在一個循環(huán)中位移、速度和加速度的變化情況及加載裝置的振幅變化情況，改進了加載裝置的結構及安裝位置，提高了加載性能。

穩(wěn)定桿；試驗機；曲柄搖桿；運動學

1 引 言

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對汽車穩(wěn)定桿的疲勞性能的檢測要求越來越嚴格。汽車穩(wěn)定桿疲勞試驗機采用曲柄連桿機構對穩(wěn)定桿試樣加載，試驗中出現(xiàn)加載位移左右不完全反對稱，導致穩(wěn)定桿左右應力結果不完全反對稱[1]的問題，該因素影響了汽車穩(wěn)定桿疲勞性能的檢測。因此，提高汽車穩(wěn)定桿疲勞試驗機的加載性能顯得尤為重要。

本文針對濟南時代試金試驗機有限公司生產的機械式汽車穩(wěn)定桿疲勞試驗機(以下簡稱試驗機)的加載機構進行運動學分析，研究其加載性能。

2 試驗機工作原理

汽車穩(wěn)定桿是用彈簧鋼制成的橫置扭桿彈簧，形狀呈“U”形。穩(wěn)定桿的中部，用橡膠襯套與車身或車架鉸接相連，兩端通過側壁端部的橡膠墊或球頭銷與懸架導向臂連接。試驗機模擬汽車穩(wěn)定桿左右車輪同時上下跳動，且兩側懸架變形大小相等、方向相反的高周疲勞循環(huán)狀態(tài)工況[2-3]，試驗機的結構簡圖見圖1，由變頻調速電動機輸出動力，通過皮帶輪、主軸帶動偏心輪做圓周運動。偏心輪通過滑塊與連桿連接，擺臂兩端各有一模擬拉桿球銷的加載裝置，該加載裝置和穩(wěn)定桿兩端連接。試驗機采用曲柄搖桿機構，通過搖桿的往復擺動實現(xiàn)對穩(wěn)定桿兩端加載反對稱位移載荷。偏心輪后面有計數(shù)裝置，通過接近開關來采集試驗頻率及試驗次數(shù)。

1.機架 2.電機 3.擺臂 4.偏心輪 5.連桿 6.加載裝置 7.固定裝置 8.穩(wěn)定桿圖1 試驗機結構簡圖

3 加載機構運動學分析

3.1 機構簡圖

試驗機設計過程中，為研究穩(wěn)定桿兩端的加載規(guī)律，需要對穩(wěn)定桿兩端加載的曲柄搖桿機構作運動學分析。試驗機的連桿在偏心輪上的位置可調，即曲柄長度可調，加載裝置在擺臂上隨穩(wěn)定桿長度可以移動。圖1為試驗機曲柄長度為零，某穩(wěn)定桿試樣的特殊情況。為分析試驗機的一般情況，繪制試驗機對穩(wěn)定桿試樣加載的曲柄搖桿機構簡圖(見圖2)。

圖2 試驗機加載機構簡圖

圖2中，A點為偏心輪和機架的鉸接點，B點為偏心輪和連桿的鉸接點，C點為連桿和擺臂的鉸接點，D點為擺臂與機架的鉸接點，E點、H點在擺臂上左右對稱，均與圖1中加載裝置的下鉸點相連接。以偏心輪圓心A為坐標原點建立直角坐標系，連接A點和D點的直線為x軸，以垂直于AD的直線為y軸。設lAB=l1，lBC=l2，lCD=l3，lAD=l4，lDF=lDI=a，lIH=lFE=b，曲柄的角速度為ω1，lAB與x軸的夾角為θ1，lBC與x軸的夾角為θ2，lCD與x軸的夾角為θ3。

3.2 機構運動學方程

試驗機的加載機構屬于平面機構，需要精確知道機構在整個運動循環(huán)過程中的運動特性，可以采用解析法并應用EXCEL軟件計算。這里采用矩陣法，在直角坐標系中建立機構的位置方程，將位置方程對時間求一階導數(shù)，得到機構的速度方程，求二階導數(shù)便得到機構的加速度方程。已知圖中各構件的尺寸和曲柄的角速度ω1，求夾角θ2、θ3、角速度ω2、ω3、角加速度α2、α3。

位置分析：各桿構成的矢量封閉方程為l1+l2=l3+l4，改寫為直角坐標的形式：

l2cosθ2-l3cosθ3=l4-l1cosθ1

l2sinθ2-l3sinθ3=-l1cosθ1

搖桿上E點坐標：

yE=asin(180°-θ3)+bsin(90°-(180°-θ3)) =asinθ3-bcosθ3

將位置方程對時間求導，得速度方程：

將速度方程對時間求導，得加速度方程：

3.3 機構運動線圖

根據(jù)以上各式，設lAB=l1=0.1m ，其余各桿長lBC=l2=0.5m，lCD=l3=0.6m，lAD=l4=0.7802m，lDF=lDI=a=0.65m，lIH=lFE=b=0.1m，lOA=0.6m，lOD=0.5m ，曲柄角速度ω1=0.5435rad/s。

將各參數(shù)代入，使用EXCEL軟件進行計算，求逆矩陣、矩陣乘積的命令為MINVERSE(array)、MMULT(array1,array2)，求得數(shù)值列于表1中。

表1 各構件的位置、速度和加速度

根據(jù)所得數(shù)據(jù)做機構的位置線圖(見圖3)、速度線圖(見圖4)和加速度線圖(見圖5)。圖3中，曲柄勻速旋轉一周，搖桿擺動兩次，極限夾角為19.19°。θ1≈50°時，θ3達到最小峰值，此時sE達到最大峰值，搖桿達到上極限位置；θ1≈ 230°時，θ3達到最大峰值，此時sE達到最小峰值，搖桿達到下極限位置。圖4中θ1≈170°時，ω3達到最大峰值，此時vE達到最小峰值。圖5中，θ1≈230°時，α3、αE同時達到最小峰值。由于當搖桿運動到極限位置時要改變運動方向，使得此瞬間搖桿的加速度較大。

圖3 機構位置線圖

圖4 機構速度線圖

圖5 機構加速度線圖

3.4 加載裝置振幅分析

加載機構通過搖桿上的加載裝置對汽車穩(wěn)定桿施加位移載荷，為得到加載裝置下鉸接點E的振動性能，在圖2中建立坐標系x1Dy1，以鉸接點D為坐標原點，過點D作平行于lOA的直線為x1軸，方向向右，過點D作垂直于x1軸的直線為y1軸，方向向上，點E的坐標方程為：

圖6 搖桿上E點位移曲線圖(坐標系x1Dy1 )

試驗機的工作臺平面和搖桿兩極位擺角的角分線平行，坐標系x1Dy1中的橫坐標Dx1在搖桿兩極位擺角的角分線上。加載機構給穩(wěn)定桿輸出的加載位移曲線(見圖6)，能夠保證對穩(wěn)定桿進行周期地反向位移加載。但圖6是在坐標系x1Dy1中得到的，fyE振幅不相對于坐標軸Dx1對稱，若建立坐標系x2Dy2，將Dx2與該E點兩極位擺角的平分線重合，通過坐標變換，將得到圖7的圖形，近似正弦波，振幅為：

可見， fyE1fxE2。

圖7 搖桿上E點位移曲線圖(坐標系x2Dy2)

經過圖6、圖7的對比，當工作臺平面和搖桿擺動極限夾角的角分線平行，若要得到較好的加載性能，需要將加載裝置的加載鉸接點(即圖2中的E點)放置在搖桿的軸線上?，F(xiàn)將加載裝置進行改進，

圖8 改進后的加載裝置

如圖8所示，加載裝置的位置還可以在擺臂上滑動調節(jié)，加載位移曲線和圖7相同，可以實現(xiàn)對穩(wěn)定桿兩側加載反對稱位移載荷。

3.5 加載機構的急回特性

4 結 論

通過解析法對試驗機曲柄搖桿機構進行運動學分析，得到了機構的運動曲線圖、加載機構輸出的位移加載曲線，通過改進加載裝置的加載點位置，得到近似正弦波的反對稱位移加載規(guī)律，提高了加載性能。

[1]李洋,柴寶明,張建濤.基于橫向穩(wěn)定桿的新的疲勞分析方法研究[J].科技創(chuàng)新與應用,2015,28:13.

[2]張曄,顧紹德．汽車穩(wěn)定桿擬動態(tài)實驗分析[J].實驗力學,2003,18(2):272.

[3]郭紹良,廖美穎,王仲宜.一種汽車穩(wěn)定桿拉桿球銷擺動角度的校核方法[J].客車技術與研究,2015,(4):47.

Kinematics Analysis of Loading Mechanism of Fatigue Testing Machine for Auto Stabilizer Bar

Ren Menghong, Wang Junye, Quan Shuping

(Jinan TIME Shijin Testing Machine Co., Ltd. Jinan 250300, Shandong, China)

In order to analyze the loading performance of loading mechanism of fatigue testing machine for auto stabilizer bar, the kinematics equation on loading mechanism of fatigue testing machine for auto stabilizer bar is established, and position diagram, velocity diagram and acceleration diagram of the mechanism are worked out. Then, the changes of displacement, velocity and acceleration of the mechanism in a cycle, the changes of the amplitude of loading device, are obtained. The structure and installation position of the loading device are improved, which improves the performance of loading.

stabilizer bar; testing machine; crank rocker; kinematics

2016-11-10

任夢鴻(1978-),男，畢業(yè)于哈爾濱工程大學，碩士，從事機械設計工作。

TH87

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.002