計端

(柳州職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程系， 廣西 柳州 545005)

Liuzhou, Guangxi 545005，China)

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某汽車減振器疲勞壽命試驗臺設(shè)計

計端

(柳州職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程系， 廣西 柳州 545005)

以偏心輪機構(gòu)為基礎(chǔ)，建立一個汽車減振器疲勞壽命試驗臺虛擬樣機模型，并對該試驗臺的系統(tǒng)組成及基本結(jié)構(gòu)作了較為詳盡的闡述。此外，利用ANSYS軟件對該試驗臺關(guān)鍵位置進行結(jié)構(gòu)分析，驗證其可靠性。同時，也在試驗臺上進行實際試驗，同樣驗證了該試驗臺的可靠性。

減振器；疲勞壽命試驗臺；可靠性

0 引言

減振器疲勞壽命試驗臺是減振器設(shè)計研究的關(guān)鍵裝備[1]，目前國內(nèi)針對減振器疲勞壽命測試的試驗設(shè)備相對落后，制約了國產(chǎn)減振器性能的提升[2]。針對這種情況，本文設(shè)計了某款汽車減振器的疲勞壽命試驗臺試驗設(shè)備，以空氣減振器為例，減振器各部分的零件強度使用壽命都能通過它體現(xiàn)出來，以期更好的研制出技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

1 減振器疲勞壽命試驗臺設(shè)計

1.1 臺架運動模型

圖1 運動機構(gòu)簡圖

本試驗臺架的運動模型為偏心輪機構(gòu)，圖1為運動機構(gòu)簡圖[3]。此模型在D處輸出正弦激勵波，模擬汽車行駛中地面對四分之一懸架模型正弦波的激勵。

1.2 減振器疲勞壽命試驗臺的系統(tǒng)組成及基本機構(gòu)

某汽車減振器疲勞壽命試驗臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。某汽車減振器疲勞壽命試驗臺系統(tǒng)主要由機械傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及氣壓檢測系統(tǒng)組成。

(1)機械傳動系統(tǒng)[4]。機械傳動系統(tǒng)主要由電機、減速器、聯(lián)軸器、軸承座、擺輪、連桿、滑塊、行程安裝架、行程安裝底板、底座等組成。該系統(tǒng)是試驗臺總體系統(tǒng)的主要組成部分，其中電機與減速器相連，并通過聯(lián)軸器與軸連接，再通過軸承座將軸的另一端和軸擋板相連，軸擋板連接連桿，連桿下端與通過滑塊安裝板安裝的滑塊相連，滑塊下端連接減振器上端。其運動形式的轉(zhuǎn)換過程是電機動力經(jīng)減速器減速增扭后傳遞給偏心輪機構(gòu)，以驅(qū)動偏心輪機構(gòu)做旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，在導軌的約束下滑塊將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為垂直方向的往返運動，以此達到正弦激勵的輸出。

圖2 雙工位疲勞壽命試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

注：1為控制系統(tǒng)、2為底座、3為電機、4為減速器、5為滑塊、6為聯(lián)軸器、7為軸、8為擺輪、9為螺桿、10為軸擋板、15為螺母擋板、16為行程安裝架、18為行程安裝底板、19為螺母、20為偏心輪、21為擺桿、22為擺桿擋板。

偏心輪機構(gòu)分為七個部分，分別為連桿、螺母擋板、軸擋板、擺桿擋板、螺母、擺輪、絲桿。軸通過螺桿和軸擋板將擺輪中心固定，擺輪下端由擺桿、絲桿等組合固定，在實際測試過程中通過對絲桿的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)減振器的行程，調(diào)節(jié)范圍100～200 mm，這就滿足了各種不同行程的減振器的測試工作需要。

(2)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由變頻器、電源控制開關(guān)、計數(shù)顯示器、磁性接近開關(guān)等組成。為了保證試驗效果，減振器試驗頻率應(yīng)方便可調(diào)。本試驗系統(tǒng)中，采用了調(diào)速電機和MM440變頻器，通過變頻器自帶面板操作模式簡單方便的實現(xiàn)振動頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)。

根據(jù)《QC/T545-1999汽車筒式減振器臺架試驗方法》規(guī)定，減振器疲勞壽命實驗工作循環(huán)次數(shù)至少為十萬次。在實際測試過程中加大測試力度，測試次數(shù)大概在一百一十萬次左右。選擇型號為ZN48JR單設(shè)定可逆數(shù)顯計數(shù)器，計數(shù)范圍：0～99 999 999，滿足實驗要求。

(3)冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)主要由電泵、水管、出水口接頭、水箱等組成。水管為常見的塑料管，水管出水口采用兩種方式混合以期加大水與減振器的接觸面積，且出水口對減振器的相對位置可調(diào)，在減振器外壁周圍360°冷卻，以達到更好的冷卻效果。水箱位于減振器疲勞壽命試驗臺底部，冷卻減振器的冷卻水可以直接落入水箱，然后電泵將水抽起形成一個水冷循環(huán)系統(tǒng)。

(4)氣壓檢測系統(tǒng)。由于空氣減振器內(nèi)部工作介質(zhì)為氣體，因此對于減振器工作過程中內(nèi)部氣壓的檢測是必不可少的。按要求確定測試氣壓表的測量范圍為:0～3 MPa。氣壓表與減振器之間的連接采用銅導管固定連接,導管連接端口兩端焊接銅旋轉(zhuǎn)接頭,連接時將銅導管和氣壓減振器的氣樁旋轉(zhuǎn)連接。

2 試驗臺關(guān)鍵位置的強度校核

2.1 疲勞壽命分析理論

作用在零件上的載荷可以是一次或多次作用的靜載荷，其相應(yīng)的強度為靜強度。但在極大多數(shù)情況下，汽車零件所受到的是間斷或連續(xù)作用的變載荷以及隨機變化的不穩(wěn)定載荷，它們都是隨機變量時間的函數(shù)；零件及材料的疲勞強度和疲勞壽命就與這些載荷狀況有著密切的關(guān)系。一般說來，隨著時間的增加，強度分布的平均值就不斷下降，其離散范圍也有所擴大。在一定范圍內(nèi)可以近似地用直線來表示，我們常稱它為s—N曲線，這里s表示強度的應(yīng)力幅值，N表示在相應(yīng)的等幅載荷作用下發(fā)生破壞的期望循環(huán)次數(shù)。

當零件或材料承受不穩(wěn)定變應(yīng)力時，在設(shè)計中一般采用邁納的疲勞損傷累積理論來估計零件或材料的疲勞壽命。這一理論假定：在試件經(jīng)受載荷歷程中，每一載荷量都消耗掉試件一定的有效壽命分量；又假定疲勞損傷與試件中所吸收的功成正比；而且還認為這個功與應(yīng)力的作用循環(huán)次數(shù)和在該應(yīng)力值下達到破壞的循環(huán)次數(shù)之比成比例。此外，還假定試件達到破壞時的總損傷量(總功)是一個常量，它是載荷的簡單函數(shù)，并且損傷與載荷的作用次序無關(guān)。最后，假定各循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的所有損傷分量之和等于1時，試件就發(fā)生破壞。因此，歸納起來可得出如下的基本關(guān)系式：

(1)

(2)

式中：D為總損傷量，di為損傷分量或消耗掉的疲勞壽命分量，ni為試件在應(yīng)力級si作用下的工作循環(huán)次數(shù)，Ni為在材料s—N曲線上對應(yīng)應(yīng)力級si的破壞循環(huán)次數(shù)。

(3)

2.2 輸出軸的強度校核

根據(jù)軸所受的扭矩來計算軸的強度，實心軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為[5]：

(4)

(5)

式中：τT為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa；T為軸所受的扭矩，單位為N·mm；WT為軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3；n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；P為軸傳遞的功率，單位為kW；d為計算截面處軸的直徑，單位為mm；[τT]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。

軸材料采用45號鋼，A值取118～107之間，P=2.2 kW,P1=1.804 kW，n=1450 r/min(理論上),減速比11∶1,n1=131.8 r/min，功率因數(shù)取0.82。

(6)

由計算得d≥30mm。在實際設(shè)計過程中，軸的設(shè)計最小直徑為40mm，達到要求。

2.3 關(guān)鍵位置的有限元分析

2.3.1 減振器底板安裝板有限元分析

底板材料物理屬性參數(shù)：45號鋼,屈服強度355MPa.將軸承三維模型導入ANSYS軟件中并加載力后如圖3所示。

圖3 底板安裝板有限元分析模型

經(jīng)網(wǎng)格劃分后，得到網(wǎng)格圖和網(wǎng)格質(zhì)量圖如圖4所示。網(wǎng)格的畸變度極大部分都在0.7以內(nèi)，所以網(wǎng)格質(zhì)量滿足工程要求。

減振器底板安裝板最大應(yīng)力云圖如圖5所示，受力最大時減振器底板安裝板最大應(yīng)力為5.214 8 MPa，最大應(yīng)力小于材料的屈服強度。綜上所述，該減振器底板安裝板滿足強度要求。

圖5 減振器底板安裝板最大應(yīng)力云圖

圖6 安裝底板網(wǎng)格質(zhì)量圖

2.3.2 減振器安裝底板有限元分析

減振器安裝底板材料物理屬性參數(shù)：45號鋼,屈服強度355 MPa。將安裝底板三維模型導入ANSYS軟件中并加載力，經(jīng)網(wǎng)格劃分后，得到網(wǎng)格圖和網(wǎng)格質(zhì)量圖如圖6所示，以及總形變云圖(見圖7)和最大等效應(yīng)力云圖(見圖8)。

圖7 安裝底板總形變云圖

圖8 安裝底板最大等效應(yīng)力云圖

由以上各圖可見，在受力最大時候，底板最大形變非常小僅為0.370 73 mm，最大應(yīng)力為218.6 MPa，小于材料的屈服強度355 MPa。綜上所述，該底板滿足強度和剛度要求。

2.3.3 試驗臺偏心輪機構(gòu)有限元分析

將偏心輪機構(gòu)三維模型導入ANSYS軟件中并加載力，經(jīng)網(wǎng)格劃分后，得到網(wǎng)格圖(見圖9)和網(wǎng)格質(zhì)量圖(見圖10)。網(wǎng)格的畸變度極大部分都在0.7以內(nèi)，所以網(wǎng)格質(zhì)量滿足工程要求。

圖9 試驗臺偏心機構(gòu)網(wǎng)格圖

圖10 試驗臺偏心機構(gòu)網(wǎng)格質(zhì)量圖

圖11 偏心機構(gòu)總形變云圖

圖12 偏心機構(gòu)最大等效應(yīng)力云圖

由圖9～12可見，在受力最大時最大應(yīng)力為329.76 MPa，小于材料的屈服強度355 Mpa。綜上所述，該機構(gòu)滿足強度和剛度要求。

3 試驗

3.1 試驗準備

(1)試驗?zāi)康模簻y定試件的臺架疲勞壽命。

(2)試驗設(shè)備：減振器疲勞壽命試驗臺。

(3)試驗條件：

試件溫度：以強制冷卻方式，將試件外壁上端溫度保持在70±10 ℃范圍內(nèi)，并進行監(jiān)測。

運動方式：上、下兩端同時沿鉛垂方向運動。

上端加振：行程為100 mm，頻率為100 Hz。

下端加振：行程為14～20 mm，頻率為500～720 Hz，速度為0.52 m/s；工作循環(huán)次數(shù)：以下端循環(huán)次數(shù)計1×106次試件上下裝接位置應(yīng)對中，并沿鉛垂方向安裝。

位置：大致在減振器行程的中間部分。

(4)試驗操作：

在試驗開始與結(jié)束時記錄示功圖，并記錄復(fù)原阻力和壓縮阻力，計算阻力變化率

(7)

式中，p0，p100分別表示在試驗前和試驗后試件的阻力。

3.2 試驗

(1)試驗內(nèi)容:

①在側(cè)向力150N上加振S(mm)×n(Hz)=100×100，下加振S(mm)×n(Hz)=16.5×600，在將試件溫度控制在70±10 ℃的條件下，給定型號的充氣減振器激振1.0×106次，測量充氣減振器的示功特性曲線及壓縮阻尼力和復(fù)原阻尼力。

②在與①相同條件下對相同型號未充氣的減振器，激振1.0×106次，測量其示功特性曲線及壓縮阻尼力和復(fù)原阻尼力。

③進行對比分析。

(2)試驗設(shè)備:

某汽車減振器疲勞壽命試驗臺。

(3)試驗過程:

①在試驗臺上進行壽命試驗。

②按照示功特性試驗方法進行示功試驗，得到兩種減振器示功特性，計算阻尼力衰退率，并對兩者進行對比分析。

3.3 試驗結(jié)果

分別對兩種減振器進行疲勞壽命試驗。激振1.0×106次后，進行行程為75mm，最大速度為0.52m/s的示功試驗?？梢缘玫剑?/p>

(1)兩種情況下，阻尼力均會產(chǎn)生不同程度衰退。

(2)充氣減振器的衰退率大于未充氣減振器的衰退率。由于前者減振器在進行疲勞壽命試驗時，在70 ℃左右溫度下運行，溫度高會導致氣體膨脹使壓力進一步加大；加上該減振器在反復(fù)運行的過程中，會導致閥系及油封的磨損，兩者的共同原因?qū)е赂邏簹怏w的泄露，使阻尼力衰退率增大。

4 結(jié)論

無論是從滿足國家關(guān)于減振器試驗臺架的標準,還是在其標準之上結(jié)合實際對試驗臺添加的附加設(shè)備都能夠很好的滿足工況要求，同時試驗臺結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于后期維護，從節(jié)能和環(huán)境保護角度來說也是比較出色的。偏心輪機構(gòu)的行程調(diào)節(jié)更加廣，這樣在實際疲勞壽命試驗過程中可以加大對減振器的測試力度，這是設(shè)計上的一次突破。對試驗臺重點受力部位進行的受力分析和有限元分析表明，某汽車減振器疲勞壽命試驗臺完全能滿足試驗要求。而且從電機減速器的位置放置到輸出軸的安裝方式，以及行程調(diào)節(jié)機構(gòu)(偏心輪)的設(shè)計都是一個不斷探索進步的過程，可為以后的設(shè)計積累一定經(jīng)驗。

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Liuzhou,Guangxi545005，China)

[責任編輯 劉景平]

TheDesignofFatigueLifeTestPlatformforaCertainVehicleShockAbsorber

JIDuan

(DepartmentofAutomotiveEngineering,LiuzhouVocationalandTechnicalCollege,

SolidWorks is used to establish a virtual prototype model of test bench on the basis of eccentric movement mechanism, and the system composition and the basic structure of the test bench are described in detail in this paper. ANSYS Workbench is used to make the test rig structure analysis on the key position, to verify its reliability. It is tested on the test platform to get the reliability of the test bench.

shock absorber; fatigue life test platform; reliability

TH87;U463.33+5.1

A

1672-9021(2016)05-0091-07

計端(1974-)，男，廣西柳州人，柳州職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系講師，主要研究方向：汽車檢測與控制技術(shù)。

2016-06-20