奚鋒 任浩源 黃迪青

上海機動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司 上海 201800

摘 要汽車工業(yè)發(fā)展至今，各種零件的振動和疲勞有著緊密關(guān)聯(lián)，振動疲勞試驗?zāi)壳皯?yīng)用廣泛。針對現(xiàn)有疲勞試驗機性價比及效率難以平衡的問題，基于力學(xué)理論、三維幾何建模及有限元仿真對高頻疲勞力控制共振試驗機進行研制。

關(guān)鍵詞疲勞；共振；試驗機；汽車零部件

引言

所研制的高頻疲勞力控制共振試驗機是一種專門用于汽車零部件耐久試驗的儀器?？稍?0Hz以上頻率、8mm以上幅值、采用力控制對樣件進行高效的疲勞試驗。目前市面上多采用液壓激勵[1-2]及電磁激勵[3-4]的方法進行耐久試驗。液壓激勵設(shè)備成本極高且有漏油、噪聲大、維護保養(yǎng)成本高等缺點。電磁激勵多用于共振臺，若振幅過大將超出磁場范圍，不適合疲勞耐久試驗。

因此研制機械激勵式高頻疲勞力控制共振試驗機，基于共振點能耗最小且幅值最大的原理，進行高幅值、高頻率、低能耗的力控制疲勞試驗。

1 理論分析

1.1 理論模型

高頻疲勞共振試驗機由試驗臺、平衡鐵、大小弓形環(huán)及固定端等組成，其理論模型如圖1所示，將需要加載力的樣件視為一個彈性體，彈性剛度k0激勵裝置m2產(chǎn)生的振動通過二自由度振動系統(tǒng)放大振動至加載端m1。

1.2 頻率響應(yīng)計算

對模型在受到外力作用時進行受力分析，如圖2所示。

圖2 受力分析示意圖

可列出平衡方程：

其中：m1為實驗臺質(zhì)量，單位kg；m2為平衡鐵質(zhì)量，單位kg；x1、x2為需要求解的m1及m2的振動曲線；g1、g2為施加的外載荷，單位N。

其中：k1為大弓形環(huán)的剛度系數(shù)，單位N/m；keq為試樣、螺栓和傳感器串聯(lián)的剛度系數(shù)，單位N/m；k2為小弓形環(huán)的剛度系數(shù)，單位N/m。

若系統(tǒng)施加F0的力，則：

將平衡方程變化為矩陣形式：

設(shè)穩(wěn)態(tài)解為：

聯(lián)立式6和式7得：

從而獲得幅頻函數(shù)：

令F0= 0，可以得到振動系統(tǒng)的固有頻率：

其中：w1、w2位角頻率，單位rad/s；f為頻率，單位Hz。

2 設(shè)備研制

2.1 激勵源選型

目前市面上多采用液壓激勵及電磁激勵的方法進行耐久試驗。液壓激勵多用于耐久試驗通過做動器與樣件相連的方式進行直接激勵，若要達(dá)到高頻率、大幅值的要求，設(shè)備成本極高且需液壓油源占用較大面積。同時液壓設(shè)備有漏油、噪聲大、維護保養(yǎng)成本高等缺點。電磁激勵多用于共振臺，主要用于測量樣件的固有頻率等。由電磁鐵和銜鐵組成，通過控制改變電磁鐵內(nèi)電流方向，達(dá)到改變磁極的目的，形成銜鐵的上下振動。其可以高效低耗的達(dá)到高頻振動的效果，但是電磁鐵一般在其距離2mm范圍內(nèi)才有磁場，若振幅過大將超出磁場范圍，不適合進行高幅值疲勞試驗。因此本試驗機采用機械激勵的方式，通過彈簧將兩個不平衡軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動加載至整個系統(tǒng)中?；诠舱顸c能耗最小且幅值最大的原理，在所設(shè)定的掃頻范圍內(nèi)得到激振器功率最小的點對應(yīng)的頻率，即整個系統(tǒng)的共振頻率，在該頻率下進行高幅值、高頻率、低能耗的力控制疲勞試驗。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用工控機配合NI板卡的方式。具體如圖3所示。NI板卡通過變頻器控制振動電機轉(zhuǎn)速，通過伺服驅(qū)動器控制靜態(tài)加載電機轉(zhuǎn)動。力傳感器和激光位移傳感器通過模擬量信號將數(shù)據(jù)傳回工控機。

圖3 控制系統(tǒng)

2.3 幾何建模

疲勞試驗機的幾何模型如圖4所示，由固定組件，加載組件，激振組件組成。固定組件包括工作平臺及支撐座。靜態(tài)力加載組件的上支架與工作平臺下端連接，靜態(tài)力加載組件下支架與支撐支架連接。擁有著可以使試驗機平穩(wěn)擺放的基座，是整個疲勞試驗機的基礎(chǔ)。加載組件負(fù)責(zé)施加樣件的靜態(tài)力，通過靜態(tài)加載電機驅(qū)動絲桿實現(xiàn)對樣件的靜態(tài)力加載。激振組件上端與樣件相連，中間部分通過減震彈簧與工作平臺及支撐組件連接。通過一對振動電機并列排放，抵消左右及前后方向的振動，樣品僅受到上下方向的振動。電機固定在配重塊上。

圖4 試驗機三維模型

2.4 動力學(xué)分析

采用ADMAS軟件對試驗機進行動力學(xué)仿真，如圖5所示。將固定組件及加載組件的電機等設(shè)為剛體，激振組件的減震彈簧及樣件設(shè)為彈性體，分別設(shè)置各自的參數(shù)進行仿真。在無阻尼狀態(tài)下，系統(tǒng)僅受重力作用自由振動，整個系統(tǒng)的受力情況在頻域及時域如圖6所示。在頻域可以清楚地看到系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)激振力的頻率與系統(tǒng)固有頻率相差較遠(yuǎn)時，系統(tǒng)不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，系統(tǒng)的振幅較小。在試驗機實際使用過程中，試驗前進行掃頻，找到樣件及試驗機系統(tǒng)的固有頻率點，并在該頻率附近進行疲勞試驗。

圖6 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文通過理論分析、三維建模及仿真模擬的方式研制高頻疲勞力控制共振試驗機。所設(shè)計的試驗機可在樣件固有頻率進行高效試驗。