黃繼剛，李琳

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京 211156)

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汽車液壓油管拉力測試機(jī)設(shè)計(jì)

黃繼剛，李琳

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京 211156)

拉力測試機(jī)是根據(jù)某用戶實(shí)際生產(chǎn)需要，為其量身定做的非標(biāo)設(shè)備，其機(jī)械結(jié)構(gòu)精巧、操作方便。根據(jù)要求對汽車用液壓油管接頭是否焊接進(jìn)行100%檢測；同時(shí)被測接頭不得有變形及損傷；為了滿足不同型號的產(chǎn)品，要求可快速換型；該拉力計(jì)具有上限設(shè)定功能，溢出狀況下進(jìn)行聲音報(bào)警。

拉力測試機(jī)；非標(biāo)設(shè)備；有限元分析

0　引言

客戶為汽車液壓油管線制造商，生產(chǎn)的油管在裝配組完成了激光焊接工藝，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，對當(dāng)下工藝的完成情況做良率檢測?？蛻粢笕缦拢?/p>

(1)100%檢測油管接頭是否經(jīng)過焊接。

(2)油管及接頭外表面不得有任何壓痕、彎曲、變形。

(3)接頭工裝需能接4種不同的接頭，盡量減少接頭工裝換型。

應(yīng)客戶要求，為其量身定做拉力測試設(shè)備，確保其功能實(shí)現(xiàn)。

1　設(shè)計(jì)技術(shù)路線確認(rèn)

1.1客戶需求以及產(chǎn)品特點(diǎn)分析

首先客戶要的是一臺拉力測試設(shè)備，客戶提出檢測力為100 N，要求被測產(chǎn)品不得有損傷；其次被測產(chǎn)品有4種，要求可以快速換型。

于客戶處取得被測產(chǎn)品的3D數(shù)模如圖1所示，對被測產(chǎn)品的外形尺寸進(jìn)行分析。

雖然這4種產(chǎn)品的外形有所差異，但與油管接頭處的直徑以及內(nèi)徑大小是一樣的，組合方式共計(jì)8種(長度150～1 500 mm)。

圖1　產(chǎn)品數(shù)模

1.2設(shè)計(jì)方案的確認(rèn)

拉力測試設(shè)備必定要有產(chǎn)生拉力的動力源，并且對拉力的大小有一定的控制；被測產(chǎn)品多樣，并要求被測產(chǎn)品不可以被損傷，意味著夾具為可調(diào)且材質(zhì)有強(qiáng)度但硬度弱一些；可將產(chǎn)品的一端接頭利用夾具進(jìn)行固定，作為拉力施力端，另一端接頭放置于可調(diào)節(jié)夾具上，以滿足不同長度的產(chǎn)品檢測需求。

如圖2所示，利用氣缸來產(chǎn)生拉力，同時(shí)數(shù)顯拉力計(jì)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前拉力值；將拉力計(jì)置于滑軌上，可起到承載以達(dá)到減少阻力的作用；固定產(chǎn)品的夾具一端與拉力計(jì)連接，一端根據(jù)被測產(chǎn)品長度固定于可調(diào)軌道上；通過手搬閥來控制氣缸的拉伸和推進(jìn)動作；用歐標(biāo)型材搭建支架，并用可調(diào)高度地腳進(jìn)行固定，客戶可根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)人員身高自行調(diào)節(jié)，以滿足人體工程學(xué)要求。

圖2　總體布置方案

2　細(xì)化設(shè)計(jì)

2.1氣缸選型

(1)缸徑選擇。根據(jù)氣缸回行出力來確定氣缸直徑：

式中：Fn為回行實(shí)際出力；A為活塞有效面積；p為操作壓力(通常0.5～0.7 MPa);FRZ為氣缸摩擦阻力;D為氣缸內(nèi)徑;d為活塞桿直徑。

因?yàn)槭怯檬职衢y對氣缸進(jìn)行控制，意味著氣缸的動作較為緩慢，壓縮空氣壓力也不應(yīng)過大。由于客戶提出的檢測力為100 N的要求，所以氣缸設(shè)計(jì)拉力為在壓縮空氣壓力為0.3 MPa的情況下產(chǎn)生200 N的力。根據(jù)氣缸理論出力表，不難查出應(yīng)選缸徑為32 mm，見表1。

表1氣缸理論出力表

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(2)氣缸行程選擇。因?yàn)槭鞘謩涌刂剖┝Γ瑱z測焊接質(zhì)量，基于安全性考慮，在上限拉力情況下，產(chǎn)品接頭沒能被拉脫即為良品，所以行程選擇最小為5 mm即可。

(3)安裝方式。為L型，底座安裝，裝配操作方便。

(4)無傳感器(無電氣控制)。

(5)氣頭接頭為可調(diào)，方便調(diào)節(jié)。

(6)氣缸選擇客戶指定某品牌。

綜上，氣缸選擇基準(zhǔn)以及相關(guān)參數(shù)既定，利用某品牌氣動元件的電子選型手冊，生成該型號的3D數(shù)模，如圖3所示。

圖3　氣缸3D數(shù)模

2.2拉力計(jì)選型

拉力計(jì)量程應(yīng)為要求檢測力的兩倍，即200 N。選擇某品牌HP-200N型拉力計(jì)，其參數(shù)如表2所示，用作推拉負(fù)荷測試。

表2　拉力計(jì)參數(shù)

2.3夾具設(shè)計(jì)

夾具采用POM材料，在保證有足夠強(qiáng)度以及夾持功能的情況下，防止對產(chǎn)品有拉傷或壓痕。

施力端夾具設(shè)計(jì)如圖4所示，夾具與底座之間采用定位銷加緊固螺絲鎖定。

圖4　夾具(施力端)

調(diào)節(jié)端夾具設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　夾具(調(diào)節(jié)端)

掛鉤及支撐座設(shè)計(jì)。掛鉤及支撐座采用S45，作熱處理并表面處理，保證強(qiáng)度及剛性，開式設(shè)計(jì)又富有彈性調(diào)節(jié)，如圖6所示。

圖6　開式設(shè)計(jì)

2.4滑軌選型

根據(jù)拉力計(jì)以及各相關(guān)需要承載部件的質(zhì)量，確定滑軌的類型為L型即可，同時(shí)根據(jù)拉力計(jì)尺寸、氣缸行程等確定滑軌的長度以及滑塊的數(shù)量以及大小。綜上，設(shè)計(jì)相關(guān)底座、連接件、支撐板以及底板，確定加工工藝要求，包括加工方法、加工精度、熱處理、表面處理等。

設(shè)計(jì)出的該設(shè)備的工作原理是：氣缸通過連接器拉動數(shù)顯拉力計(jì)，并將力傳至夾具上，對固定于夾具上產(chǎn)品施以拉力(客戶提出檢測力為100 N)，若產(chǎn)品接頭不能被拉脫或拉松，則說明是良品，反之產(chǎn)品則是不良品。據(jù)此設(shè)定拉力上限報(bào)警值為105 N(可根據(jù)客戶實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)),當(dāng)拉力超過設(shè)定值時(shí)，則發(fā)出聲音報(bào)警。換言之，產(chǎn)品在報(bào)警的情況下，還沒有被拉脫則說明是良品。

3　優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1開式聯(lián)軸器底座受力分析

利用SolidWorks軟件的Simulation模塊，對如圖6示的開式聯(lián)軸器底座進(jìn)行CAE分析：材料為S45，底座連接方式為銷釘以及緊固螺栓固定，設(shè)計(jì)受力大小為300 N。分析結(jié)果如圖7所示，顯示在300 N的受力下，銷釘處并未發(fā)生過屈服力過效。而實(shí)際過程中該受力面的受力上限為200 N，當(dāng)然是符合安全設(shè)計(jì)要求的。

圖7　扣件設(shè)計(jì)受力為300 N的范氏應(yīng)力圖

3.2夾具施力端受力分析

利用SolidWorks軟件的Simulation模塊，對如圖4所示的施力端夾具進(jìn)行CAE分析：材料為POM，底座連接方式為銷釘以及緊固螺栓固定，設(shè)計(jì)受力大小為300 N。分析結(jié)果如圖8所示，顯示在300 N的受力下，整個(gè)部件并未發(fā)生過屈服力過效。而實(shí)際過程中該受力面的受力上限為200 N，當(dāng)然也是符合安全設(shè)計(jì)要求的。

圖8　施力端夾具設(shè)計(jì)受力為300 N的范氏應(yīng)力圖

4　結(jié)束語

通過對客戶的需求進(jìn)行深層次理解，對被測產(chǎn)品進(jìn)行分析，在滿足客戶功能需求的情況下，制定可靠的設(shè)計(jì)技術(shù)路線，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧、可快速換型、操作方便，減少制作周期及成本。

值得說明的是：基于非標(biāo)設(shè)備的制作特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)過程中較多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行理論計(jì)算，大多經(jīng)驗(yàn)值是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)過確實(shí)有效的，盡管如此，非常有必要對相關(guān)承力大、易變形、特殊材料部件進(jìn)行理論計(jì)算以及受力變形分析。利用相關(guān)CAD/CAE軟件，如SolidWorks對相關(guān)部件進(jìn)行有限元分析，有助于減少設(shè)計(jì)失效。雖然在此案例中，對兩部件作有限元分析后均顯示可行，但在檢查出非可靠部件時(shí)，可利用其功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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【2】劉竺英.淺析非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)制造要點(diǎn)[J].科技資訊,2009(31):177.

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ZHU L.The Application of Pneumatic Transmission to Nonstandard Device[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics,2004(2):48-50.

Design of Force Test Machinery for the Hydraulic Pipe in Vehicle

HUANG Jigang, LI Lin

(College of Jingchen, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 211156,China)

Force testing machinery was a special equipment which was based on requirement of client. It was useful to satisfy with the actual mass production activity. This machinery’s mechanical structure was compact and smart, easy to operate. According to the requirements, 100% test was done to make sure whether automotive hydraulic hose connector was welded; joint must not have deformation and damage under test; in order to satisfy with different types of products, the clamping could be quickly exchanged; the tension meter had the limit function, overflow condition for voice alarm.

Force test machinery；Special equipment；Finite element analysis

2016-05-27

黃繼剛,男，講師，主要研究方向?yàn)槠囋O(shè)計(jì)、CAE、汽車故障診斷。E-mail:595871792@qq.com。

U461.2

B

1674-1986(2016)08-048-04