王遠(yuǎn)亮

摘要：為了使汽車橡塑件滿足強(qiáng)度要求并增加其安全性，在出廠前需要對(duì)橡塑件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以確定試件是否合格。本研究針對(duì)汽車橡塑件疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用鉸接四桿機(jī)構(gòu)，以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)力，配合所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，能夠很好地完成試驗(yàn)工作，且與液壓試驗(yàn)機(jī)相比，成本得到了大幅的降低。

關(guān)鍵詞：汽車橡塑件；試驗(yàn)機(jī)；機(jī)構(gòu)模型；控制系統(tǒng)

橡塑件作為汽車制造過(guò)程中的重要組成部分，對(duì)減輕汽車重量、減緩汽車振動(dòng)及增加舒適度均有重要作用，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其批量出廠之前需要進(jìn)行抽樣疲勞的試驗(yàn)，這項(xiàng)工作既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。在汽車行駛的過(guò)程中，這些橡塑件會(huì)受到重力和振動(dòng)力的作用。為使驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，制定試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)試件的振幅、頻率、交變力、常壓力的大小及變化的試驗(yàn)次序都進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，試件的試驗(yàn)力幅需要保持恒定，由于在疲勞試驗(yàn)時(shí)橡塑件本身存在“松弛”的現(xiàn)象，故振幅保持恒定的情況下，其力幅與試驗(yàn)成反比關(guān)系，此時(shí)，需要不斷地增大振幅以滿足力幅恒定的技術(shù)要求。總之，汽車橡塑件疲勞試驗(yàn)對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率均提出了一定要求，才可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

液壓試驗(yàn)機(jī)具備調(diào)頻調(diào)幅功能，非常符合這一試驗(yàn)的要求，但是液壓試驗(yàn)機(jī)的造價(jià)和運(yùn)行成本高；電液伺服系統(tǒng)滿足快速響應(yīng)、大功率輸出、高精度的控制與非常強(qiáng)的通用性等優(yōu)點(diǎn)，故大多數(shù)的疲勞試驗(yàn)選擇通過(guò)電液伺服系統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。但是電液伺服系統(tǒng)維修復(fù)雜、價(jià)格昂貴、能源消耗大，對(duì)于復(fù)雜工況的模擬不易實(shí)現(xiàn)；而機(jī)械式的疲勞試驗(yàn)機(jī)具有更強(qiáng)的專用性，能夠針對(duì)特定產(chǎn)品完成較復(fù)雜試驗(yàn)，且制造簡(jiǎn)便、工作可靠、磨損輕，在對(duì)精度要求較低的產(chǎn)品試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛。

1 機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)機(jī)構(gòu)模型

本研究所構(gòu)建的機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為鉸接四桿機(jī)構(gòu)里用處最多的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)可以使用正弦波加載，加載幅值與頻率均可調(diào)，能夠進(jìn)行位移控制的產(chǎn)品疲勞實(shí)驗(yàn)。因?yàn)榍鞯氖钦軇蛩龠\(yùn)動(dòng)，其上各點(diǎn)在垂直方向運(yùn)動(dòng)軌跡與正弦曲線類似，所以搖桿上各個(gè)點(diǎn)在垂直方向軌跡也類似正弦曲線。曲柄每進(jìn)行一周旋轉(zhuǎn)，搖桿可上下擺動(dòng)一次。因此對(duì)曲柄的長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)整，搖桿的擺動(dòng)幅值和頻率就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。此模型還能夠?qū)[桿長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，即對(duì)擺動(dòng)中心進(jìn)行調(diào)整，以滿足各種型號(hào)和類別的試件疲勞試驗(yàn)條件。對(duì)于使用上述機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)搖桿末端外接試樣時(shí)，試驗(yàn)機(jī)上所施加得載荷為正弦波；曲柄長(zhǎng)度改變，可使加載波的幅值發(fā)生變化；利用變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，繼而調(diào)整加載頻率；上述過(guò)程即為機(jī)械式試驗(yàn)機(jī)的工作機(jī)理。試驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)橡塑件是否已到疲勞極限進(jìn)行判斷，所用方法一般有兩種：一是觀察橡塑件的表面是否出現(xiàn)較為明顯的龜裂或試件已發(fā)生斷裂，二是通過(guò)傳感器測(cè)量橡塑件的動(dòng)剛度是否超出規(guī)定數(shù)值，通常規(guī)定為正常情況的15%。其中動(dòng)剛度的含義為試件受力與其振幅的比值。若試驗(yàn)是力幅恒定的試驗(yàn)，此時(shí)試件所受力為常數(shù)，則從試驗(yàn)時(shí)振幅變化情況便可得到動(dòng)剛度的變化情況。假如規(guī)定動(dòng)剛度變化為15%，如果在試驗(yàn)過(guò)程中振幅增加超過(guò)15%，便能夠認(rèn)為該試件已經(jīng)發(fā)生疲勞失效。若試驗(yàn)的次數(shù)還沒(méi)有達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的次數(shù)（通常要求上百萬(wàn)次），則可以判定此試件為不合格產(chǎn)品。為能夠直觀判定試件的疲勞狀況，可定時(shí)的對(duì)振幅進(jìn)行采集記錄并繪制振幅隨著時(shí)間變化的曲線。通過(guò)曲線的斜率變化，即可對(duì)試件疲勞程度進(jìn)行判斷，尤其試件在失效前曲線斜率會(huì)顯著增大。當(dāng)曲線振幅的變化值超過(guò)15%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。

2 橡塑件疲勞試驗(yàn)的控制系統(tǒng)

2.1 橡塑件的疲勞壽命

建立汽車橡塑減震的受力模型，其中m為作用于橡塑件上的負(fù)荷，橡塑件的質(zhì)量相對(duì)于負(fù)荷很小，可以省略。將橡塑件化簡(jiǎn)成剛度是K、阻尼系數(shù)為R的簡(jiǎn)化物理模型，靜止時(shí)橡塑件受負(fù)荷m，產(chǎn)生一定位移為l，并在新的位置平衡，此時(shí)的橡塑件受力即為：

F0=mg=Kl

在汽車行駛中，汽車振動(dòng)造成負(fù)荷m產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致橡塑件在平衡點(diǎn)也作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)負(fù)荷m造成的位移為y，此時(shí)橡塑件受力可寫成：

F=mg+my″=Kl+Ky+Ry'

汽車在平穩(wěn)移動(dòng)時(shí)y”保持恒定，橡塑件受常力mg與交變的慣性力my”影響，發(fā)生蠕變導(dǎo)致阻尼和剛度變小，造成橡塑件受到動(dòng)位移y與靜變力l變大，直到產(chǎn)生失效。橡塑件在恒力作用下發(fā)生疲勞失效的往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)稱為橡塑件的疲勞壽命。

2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)主要有主控設(shè)備和相關(guān)傳感器構(gòu)成。其中試驗(yàn)機(jī)與橡塑件的接觸面安裝有力傳感器，用于實(shí)時(shí)反饋被測(cè)橡塑件的受力變化；試驗(yàn)臺(tái)安裝位移傳感器，用于對(duì)試驗(yàn)機(jī)的振幅進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)過(guò)程中，分別通過(guò)位移、壓力等傳感器采集被測(cè)橡塑件的壓力和位移，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理將結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，再將相關(guān)的曲線和圖表打印出來(lái)。在計(jì)算機(jī)上建立控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目的可視化操作，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出，方便用戶的操作。

3 結(jié)語(yǔ)

汽車橡塑件的質(zhì)量決定著汽車整車的質(zhì)量與安全，故對(duì)汽車橡塑件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)有重大意義。一臺(tái)好的試驗(yàn)機(jī)可以高質(zhì)量高可靠性的完成橡塑件的疲勞試驗(yàn)，對(duì)于橡塑件的質(zhì)量提升和把控非常重要。本文所設(shè)計(jì)的汽車橡塑件試驗(yàn)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，易于維護(hù)和使用，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，對(duì)于提升汽車橡塑件的質(zhì)量有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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