李亞文

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西　長(zhǎng)治　046011)

0　引言

隨著電子技術(shù)的大力發(fā)展，汽車(chē)的電控系統(tǒng)不斷完善，使得行駛的安全性、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性也有了很大的改善。由于汽車(chē)的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜和緊湊，在汽車(chē)的修理過(guò)程中會(huì)遇到很多棘手的問(wèn)題，為了能夠快速、準(zhǔn)確、方便地診斷汽車(chē)的運(yùn)行故障和檢測(cè)汽車(chē)的使用性能，必須大力發(fā)展汽車(chē)檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)設(shè)備。為此，本文針對(duì)福田歐曼GTL重卡汽車(chē)設(shè)計(jì)了一套前軸激光檢驗(yàn)儀，可對(duì)汽車(chē)前軸進(jìn)行精確地檢驗(yàn)(包括前軸受損修復(fù)后的檢驗(yàn))。

1　福田歐曼GTL重卡汽車(chē)前軸結(jié)構(gòu)及受力分析

1.1　前軸結(jié)構(gòu)

福田歐曼GTL重卡汽車(chē)的前軸是軸式轉(zhuǎn)向橋的主體，其斷面形狀采用工字形，用以提高抗彎強(qiáng)度、減輕質(zhì)量。前軸兩端翹起部分?jǐn)嗝嫘螤钪饾u由工字型向方形過(guò)渡，至兩端略呈方形[1]。由于前軸中部下凹使發(fā)動(dòng)機(jī)的位置得以降低，進(jìn)而降低汽車(chē)質(zhì)心，擴(kuò)展駕駛員視野，減小傳動(dòng)軸與變速器輸出軸之間的夾角。汽車(chē)前軸兩端加粗呈拳形，其中有通孔，主銷插入孔內(nèi)與轉(zhuǎn)向節(jié)連接。為防止主銷在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，用帶有螺紋的楔形銷將其固定。前軸下沉部分的兩端各有一個(gè)加寬面，上面鉆有4個(gè)螺栓孔，用以安裝鋼板彈簧。在前軸兩端裝有限位凸塊，與轉(zhuǎn)向節(jié)上的限位螺栓相配合，以調(diào)整轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角[2]。

1.2　前軸受力分析

(1) 在垂直平面內(nèi)(對(duì)地面而言)，車(chē)輪的法向反作用力通過(guò)前軸和鋼板彈簧傳給車(chē)架，使前軸承受垂直彎曲力矩。

(2) 在水平平面內(nèi)，緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的縱向制動(dòng)力以及起步過(guò)猛產(chǎn)生的縱向慣性力都通過(guò)前軸傳給車(chē)架，使前軸承受水平彎曲力矩。

(3) 制動(dòng)時(shí)前軸在鋼板彈簧座外側(cè)的部分還承受制動(dòng)力引起的扭矩[3]。

2　汽車(chē)前軸失效形式

汽車(chē)使用條件相當(dāng)復(fù)雜，前橋承受經(jīng)常變化的載荷，前軸作為前橋的主要部件之一承受多重作用力，主要是垂直彎矩。當(dāng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，前軸負(fù)荷增大；當(dāng)汽車(chē)通過(guò)凹凸不平路面時(shí)，前軸受沖擊負(fù)荷，容易引起金屬疲勞，從而在彎曲應(yīng)力最大處產(chǎn)生裂紋。所以前軸的剛度和強(qiáng)度最為重要，影響汽車(chē)的使用壽命和安全性能，如果不能滿足其強(qiáng)度和剛度的要求，可能就會(huì)發(fā)生前軸的斷裂[4]，如圖1所示。主銷孔處最容易發(fā)生斷裂，尤其是與轉(zhuǎn)向節(jié)連接的地方。

圖1　前軸形狀及易斷裂位置

3　前橋的常見(jiàn)故障

汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系(包括前橋)故障不但決定于其本身，而且還與行駛系及底盤(pán)的其他部分密切相關(guān)。汽車(chē)前橋經(jīng)長(zhǎng)期使用后，各部件會(huì)產(chǎn)生磨損、變形甚至斷裂，這些缺陷將使汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性能、制動(dòng)性能和傳動(dòng)性能降低，影響汽車(chē)的正常行駛。因此，對(duì)前橋的故障要及時(shí)診斷與排除。

前橋的技術(shù)故障現(xiàn)象往往和轉(zhuǎn)向系聯(lián)系在一起，常見(jiàn)的故障有轉(zhuǎn)向沉重、低速擺頭、行駛跑偏、高速擺振、輪胎不正常磨損等[5]。

4　福田歐曼GTL重卡汽車(chē)前軸檢驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

4.1　前軸檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

福田歐曼GTL重卡汽車(chē)前軸的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下(本文的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以福田歐曼GTL重卡汽車(chē)維修手冊(cè)為依據(jù))：經(jīng)探傷檢查不得有任何裂紋；鋼板彈簧座上U型螺栓承孔及定位孔的磨損量不得大于1 mm ；兩鋼板彈簧座平面在其公共平面法線方向的位置度公差應(yīng)為1.0 mm；由于鋼板彈簧座平面橫向長(zhǎng)度大于160 mm，且平面度公差為0.5 mm，因此磨損修復(fù)后鋼板彈簧座厚度減少量不得大于2 mm；前軸主銷孔端面磨損修復(fù)后的厚度減少量不得大于2 mm。

4.2　前軸檢驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及主要部件的選取

前軸檢驗(yàn)系統(tǒng)主要由激光器、透鏡、角錐棱鏡等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　前軸檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.2.1激光器的選取

本前軸檢驗(yàn)系統(tǒng)的激光器選用紅寶石激光器。紅寶石激光器一般用氙氣作光泵激勵(lì)，氙燈以脈沖方式工作，脈沖持續(xù)時(shí)間為幾毫秒，單脈沖輸出能量為幾千焦耳，激光效率為25%左右。紅寶石激光器對(duì)光泵的要求為：①應(yīng)該使光泵的輸出光譜落在激光工作物質(zhì)的吸收帶內(nèi)；②應(yīng)考慮光泵光源的使用壽命。同時(shí)，為了使光泵光源發(fā)出的光均勻有效地照射到紅寶石晶體棒上，必須把光源和晶體棒放置在一個(gè)聚光腔內(nèi)，聚光腔可以是圓柱形或橢圓柱形，無(wú)論哪種形狀的聚光腔，腔體內(nèi)壁必須高度拋光，并鍍有高反射率的膜層，常用的為鋁、銀或金等反射膜[6]。

4.2.2角錐棱鏡的選取

角錐棱鏡是一種作為回射用的玻璃元件，它由3個(gè)90°角將入射光束進(jìn)行反射。這些玻璃角的誤差必須在幾秒精度以內(nèi)，入射面可以有5′以上的誤差，這樣角錐棱鏡的性能才不會(huì)受到明顯的影響[7]。角錐棱鏡材料為BK7，尺寸為Φ12.7 mm的六棱角錐，此六棱角錐棱鏡的綜合度誤差為±5′。

4.3　前軸檢驗(yàn)儀的工作原理

激光由紅寶石激光器射出，經(jīng)過(guò)透鏡1的耦合進(jìn)入到單模光纖里，激光由單模光纖傳輸，再經(jīng)過(guò)透鏡2的擴(kuò)散，然后通過(guò)角棱錐鏡反射到接收器上，最后經(jīng)信號(hào)處理器和A/D轉(zhuǎn)換器到達(dá)計(jì)算機(jī)。測(cè)量時(shí)，激光器和接收器放在前軸的一端，角錐棱鏡沿前軸移動(dòng)，激光由角錐棱鏡反射在接收裝置上，角錐棱鏡在移動(dòng)的過(guò)程中如果前軸發(fā)生變形，會(huì)使激光光束和角錐棱鏡之間產(chǎn)生相對(duì)位移，接收器上的激光由于受到前軸變形的影響，從而使激光的位移發(fā)生了偏移，接收器上輸出的電壓信號(hào)和激光在接收器上的位移量成正比，電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將這些信號(hào)進(jìn)行匯總、編譯和處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，得到較為準(zhǔn)確的偏移量，如果偏移量小于0.80∶1.00,則表明前軸彎曲較小，反之，則需要對(duì)前軸進(jìn)行校正。

在這個(gè)檢驗(yàn)系統(tǒng)中，采用了四象限探測(cè)原理，四象限探測(cè)器測(cè)量的是激光在角錐棱鏡上的光斑位置變化，用特定的計(jì)算方法來(lái)測(cè)量角錐棱鏡的激光直線度誤差[8]，如圖3所示。

圖3中，黑色區(qū)域表示光斑的位置，圖3(a)中光斑位于正中間，光線沒(méi)有偏移；圖3(b)中光斑出現(xiàn)偏離，4個(gè)象限將光斑分成4份A、B、C、D，對(duì)應(yīng)的面積分別為W1、W2、W3、W4，4個(gè)象限產(chǎn)生的阻抗電流分別為i1、i2、i3、i4。由(i1+i4) /(i2+i3)的值可以確定角錐棱鏡的直線度誤差。角錐棱鏡的位移與光束移動(dòng)的關(guān)系如圖4所示。角錐棱鏡在移動(dòng)的過(guò)程中，如果前軸有變形，則會(huì)在水平和垂直兩個(gè)方向產(chǎn)生位移偏量δ，激光在經(jīng)角錐棱鏡的反射后會(huì)產(chǎn)生2δ的偏移，所以，角錐棱鏡作為檢測(cè)的元件能夠使檢測(cè)儀靈敏度提高(提高1倍)。前軸檢驗(yàn)儀工作示意圖如圖5所示。

圖3　檢驗(yàn)系統(tǒng)探測(cè)器原理

圖4　角錐棱鏡位移與光束移動(dòng)的關(guān)系

圖5　前軸檢驗(yàn)儀工作示意圖

5　結(jié)語(yǔ)

激光檢驗(yàn)儀是汽車(chē)前軸檢驗(yàn)的重要工具，可以精確測(cè)量出汽車(chē)前軸由于受到外界沖擊力而產(chǎn)生的變形量，實(shí)現(xiàn)精確無(wú)誤的測(cè)量功能。

參考文獻(xiàn)：

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[6]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].第4版.北京：高等教育出版社，2008.

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