濮海明 田 楊 彭 輝

(上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海，201805)

0 引言

后橋襯套是連接扭力梁后橋與車(chē)身的彈性元件，其主要作用是傳遞載荷、減小路面不平或發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)、隔絕噪聲等。后橋襯套與套筒之間通常是過(guò)盈配合[1-2]，目的是確保在客戶的各種使用工況下，襯套都始終保持在后橋套筒內(nèi)。從工程的角度出發(fā)，即：后橋襯套的壓出力必須滿足一定的數(shù)值要求[3]。

目前，后橋襯套的壓出力測(cè)量方法主要有兩種[4]。一種是通過(guò)裝配生產(chǎn)線上的壓機(jī)進(jìn)行測(cè)量，該方法需將樣件運(yùn)送至工廠的生產(chǎn)線，不僅產(chǎn)線要停產(chǎn)，而且會(huì)增加額外的運(yùn)輸成本，十分不便；另一種是將后橋割開(kāi)，使其能夠在拉壓力機(jī)上進(jìn)行后橋襯套的壓出操作，如圖1所示，該方法破壞了后橋零件，容易產(chǎn)生壓出力測(cè)量不準(zhǔn)確等問(wèn)題。

圖1 拉壓力機(jī)測(cè)量后橋襯套壓出力Fig.1 Measuring press-out force by press machine

針對(duì)現(xiàn)有方法的不足及企業(yè)的實(shí)際需求，根據(jù)應(yīng)變?cè)砼c惠斯通橋電路，在充分利用扭力梁后橋結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)便、不破壞零件的后橋襯套壓出力測(cè)量方法與裝置。

1 裝置設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的后橋襯套結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般包含了三層結(jié)構(gòu)。外殼通常使用塑料或金屬材質(zhì)；中間是橡膠，某些高端車(chē)型中使用液壓襯套結(jié)構(gòu)，滿足更高的性能需求；內(nèi)芯多為鋁制或鐵制，用以支持螺栓連接。

圖2 后橋襯套典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical structural of rear axle bushing

結(jié)合扭力梁后橋的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了如圖3所示的后橋襯套壓出機(jī)械裝置，圖3表示將右側(cè)襯套壓出的結(jié)構(gòu)示意(由于左右兩側(cè)屬于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故不在此重復(fù)展示)。該裝置除了實(shí)驗(yàn)對(duì)象后橋襯套、后橋外，還包括壓盤(pán)、固定桿、螺紋桿、測(cè)力桿及止推軸承等零部件。

1.壓盤(pán)；2.固定桿；3.螺紋桿；4.止推軸承；5.測(cè)力桿；6.后橋襯套；7.扭力梁后橋圖3 后橋襯套壓出的結(jié)構(gòu)裝置Fig.3 Rear axle bushing press-out device

為進(jìn)一步說(shuō)明該襯套壓出機(jī)械裝置，將圖3中后橋左、右兩側(cè)套筒部分做局部放大剖視圖，得到了如圖4、圖5所示的細(xì)節(jié)信息(圖4、圖5中所標(biāo)序號(hào)與圖3含義一致)。

圖4 后橋右側(cè)套筒局部放大圖Fig.4 Partial enlarged view of right side of rear axle sleeve

圖5 后橋左側(cè)套筒局部放大圖Fig.5 Partial enlarged view of left side of rear axle sleeve

(1)如圖4所示，螺紋桿右側(cè)端依次穿入止推軸承、測(cè)力桿，然后從后橋襯套的內(nèi)芯孔穿出；螺紋桿左側(cè)端加工合適規(guī)格的螺紋，旋入固定桿中一定長(zhǎng)度。測(cè)力桿與固定桿的一端均加工了相應(yīng)規(guī)格的沉頭孔，使其能夠容納后橋襯套的尾部凸起。

(2)如圖5所示，螺栓穿過(guò)壓盤(pán)、后橋襯套的內(nèi)芯孔后旋入固定桿內(nèi)并擰緊。應(yīng)當(dāng)注意：壓盤(pán)的端面(圖5中的藍(lán)色線)必須緊貼在后橋襯套的臺(tái)階面上(圖5中的紅色線)，固定桿的端面也必須緊貼后橋套筒的端面。如果兩者沒(méi)有貼緊，在右側(cè)襯套壓出的過(guò)程中，左側(cè)襯套中的橡膠可能會(huì)受力變形，使得固定桿位置產(chǎn)生變動(dòng)，進(jìn)而影響壓出力的測(cè)量效果。

(3)上述零部件緊固后，利用電動(dòng)扳手或其他便攜式的電驅(qū)動(dòng)工具，驅(qū)動(dòng)螺紋桿從固定桿內(nèi)旋出。

(4)螺紋桿旋出過(guò)程中，螺紋桿上的階梯軸推動(dòng)測(cè)力桿向前運(yùn)動(dòng)，將后橋襯套從套筒中壓出。止推軸承的主要作用：將階梯軸與測(cè)力桿之間的徑向滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。

有關(guān)后橋襯套壓出力的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中指出：襯套在壓出過(guò)程中，需要在一定的速率下進(jìn)行。同時(shí)，電驅(qū)動(dòng)工具只有滿足一定的功率要求，才能實(shí)現(xiàn)襯套的壓出。電驅(qū)動(dòng)工具的功率與速度根據(jù)公式(1)、公式(2)進(jìn)行選擇。

P=F·v

(1)

v=n·p

(2)

注：P指電驅(qū)動(dòng)工具需要的功率；F指后橋襯套的最大壓出力(經(jīng)驗(yàn)值)；v指后橋襯套的壓出速度(標(biāo)準(zhǔn)要求值)；n指電驅(qū)動(dòng)工具的轉(zhuǎn)速；p指固定桿上螺紋的螺距。

圖6給出了本文所設(shè)計(jì)的后橋襯套壓出裝置的實(shí)物圖，已成功運(yùn)用該裝置進(jìn)行了后橋襯套壓出力測(cè)量實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目。該裝置具有造價(jià)成本低、操作簡(jiǎn)便、易攜帶等優(yōu)勢(shì)。

圖6 后橋襯套壓出裝置的實(shí)物圖Fig.6 Physical map of rear axle bushing press-out device

2 測(cè)量方法

根據(jù)前文設(shè)計(jì)的后橋襯套壓出裝置，容易發(fā)現(xiàn)：在襯套壓出過(guò)程中，測(cè)力桿所受的軸向力即為后橋襯套的壓出力。受力后的測(cè)力桿會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)變，如果在測(cè)力桿上貼上應(yīng)變片，使應(yīng)變片隨著測(cè)力桿一起伸縮[5]，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片的阻值變化便能測(cè)定測(cè)力桿產(chǎn)生的應(yīng)變量，進(jìn)而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變之間的線性關(guān)系得知后橋襯套的壓出力大小。

由于測(cè)力桿的主應(yīng)力方向已知，且僅是測(cè)量拉壓方向上的應(yīng)變。因此選擇了如圖7所示的高靈敏度T型應(yīng)變片[6]。

圖7 T型應(yīng)變片F(xiàn)ig.7 T-shaped strain gauge

由于應(yīng)變是相當(dāng)微小的變化，所以產(chǎn)生的電阻變化是難以被一般的電阻計(jì)精確測(cè)量的[7]。因此采用了如圖8所示的惠斯通全橋電路，為了補(bǔ)償后橋襯套壓出過(guò)程中可能使測(cè)力桿產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變[8]，保證壓出力測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖8 惠斯通全橋電路Fig.8 Wheatstone full bridge circuit

橋電路中輸出電壓與應(yīng)變之間的關(guān)系如公式(3)：

(3)

其中：e指輸出電壓；E指輸入電壓；R1、R2、R3、R4指橋電路中四個(gè)應(yīng)變片的阻值；ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4指應(yīng)變片的阻值變化量；K指比例常數(shù)；ε1、ε2、ε3、ε4指橋電路中四個(gè)應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變。

由T型應(yīng)變片組成全橋電路的等效原理圖如圖9所示。與1/4橋電路相比，其靈敏度增大了2(1+γ)倍(γ表示測(cè)力桿材料的泊松比)，提高了壓出力測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖9 全橋電路等效圖Fig.9 Equivalent map of full bridge circuit

將圖10所示的T型片全橋電路接入圖11所示的數(shù)采系統(tǒng)(HBM 公司的SoMat eDAQ)中，系統(tǒng)設(shè)置為應(yīng)變位移數(shù)據(jù)采集。在后橋襯套壓出過(guò)程中，數(shù)采系統(tǒng)便能夠?qū)崟r(shí)記錄并顯示測(cè)力桿的應(yīng)變值。

圖10 測(cè)力桿實(shí)物圖Fig.10 Physical map of force measuring rod

圖11 SoMat eDAQ數(shù)采系統(tǒng)Fig.11 SoMat eDAQ data collection system

根據(jù)測(cè)量得到的應(yīng)變值，結(jié)合公式(4)便可以得到后橋襯套的壓出力大小。

σ=Et·ε

(4)

其中：σ指測(cè)力桿的應(yīng)力，即后橋襯套的壓出力；Et指測(cè)力桿的彈性系數(shù)，一般通過(guò)標(biāo)定求取；ε指數(shù)采系統(tǒng)測(cè)量所得的測(cè)力桿應(yīng)變量。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

對(duì)測(cè)力桿上的應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定以求得彈性系數(shù)Et。標(biāo)定力加載至10 kN得到的標(biāo)定曲線如圖12所示。

圖12 測(cè)力桿標(biāo)定曲線Fig.12 Calibration curve of force measuring rod

如圖12所示，應(yīng)力應(yīng)變曲線基本滿足線性關(guān)系，說(shuō)明測(cè)力桿上的應(yīng)變電路能夠被可靠使用。根據(jù)公式(4)求得彈性系數(shù)Et為-0.083 1。

對(duì)大眾某車(chē)型的扭力梁后橋左、右兩側(cè)后橋襯套進(jìn)行壓出力實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了如圖13、圖14所示的應(yīng)變曲線圖。

根據(jù)圖13、圖14中的應(yīng)變最大值求得該車(chē)型左、右兩側(cè)后橋襯套的壓出力大小分別為8.091 6 kN、8.297 6 kN。

圖13 左側(cè)襯套的應(yīng)變曲線Fig.13 Strain curve of the left bushing

圖14 右側(cè)襯套的應(yīng)變曲線Fig.14 Strain curve of the right bushing

4 后橋襯套壓入的實(shí)現(xiàn)方法——擴(kuò)展應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的后橋襯套壓出裝置，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)襯套的壓入。當(dāng)用戶車(chē)輛的后橋襯套達(dá)到使用壽命后，售后維修站可利用此裝置快速完成襯套換裝，無(wú)需返廠修理。具體實(shí)現(xiàn)辦法如圖15、圖16(圖中所標(biāo)序號(hào)與15一致)所示。

如圖16所示，螺紋桿左側(cè)端依次穿入止推軸承、測(cè)力桿、后橋襯套，然后從后橋套筒中穿出，并旋入固定桿內(nèi)。利用電動(dòng)扳手或其他便攜式的電驅(qū)動(dòng)工具，驅(qū)動(dòng)螺紋桿不斷旋入固定桿內(nèi)。螺紋桿旋入過(guò)程中，螺紋桿上的階梯軸推動(dòng)測(cè)力桿向前運(yùn)動(dòng)，將后橋襯套壓入套筒內(nèi)。應(yīng)當(dāng)注意：在后橋襯套壓入過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保持固定桿的端面與后橋套筒的端面充分緊貼。

1.固定桿；2.后橋襯套；3.測(cè)力桿；4.止推軸承；5.螺紋桿；6.扭力梁后橋圖15 后橋襯套壓入的實(shí)現(xiàn)方法Fig.15 Implementation of rear axle bushing press-in

圖16 實(shí)現(xiàn)壓入的局部放大圖Fig.16 Partial enlarged view

在襯套壓入的過(guò)程中，同樣可利用測(cè)力桿上的T型片全橋電路測(cè)量并記錄壓入力的大小。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有后橋襯套壓出力測(cè)量方法與裝置存在成本高、破壞零件、操作繁瑣等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)便、易攜帶的后橋襯套壓出裝置與壓出力測(cè)量方法，并初步投入使用，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。歸納起來(lái)，主要取得以下研究成果：

(1)利用扭力梁后橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)便、易攜帶、造價(jià)成本低的后橋襯套壓出裝置；

(2)在壓出裝置的測(cè)力桿上，利用高靈敏度的T型片搭建全橋電路，實(shí)現(xiàn)了后橋襯套壓出力的測(cè)量與紀(jì)錄；

(3)壓出裝置的變形設(shè)計(jì)還可實(shí)現(xiàn)后橋襯套的壓入操作，在需要換裝襯套的維修站等場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。