王遠亮

摘要：為了使汽車橡塑件滿足強度要求并增加其安全性，在出廠前需要對橡塑件進行疲勞試驗，以確定試件是否合格。本研究針對汽車橡塑件疲勞試驗設(shè)計了試驗機，該試驗機采用鉸接四桿機構(gòu)，以伺服電機為驅(qū)動力，配合所設(shè)計的控制系統(tǒng)，能夠很好地完成試驗工作，且與液壓試驗機相比，成本得到了大幅的降低。

關(guān)鍵詞：汽車橡塑件；試驗機；機構(gòu)模型；控制系統(tǒng)

橡塑件作為汽車制造過程中的重要組成部分，對減輕汽車重量、減緩汽車振動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行抽樣疲勞的試驗，這項工作既費時又費力。在汽車行駛的過程中，這些橡塑件會受到重力和振動力的作用。為使驗收標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，制定試驗規(guī)范，對試件的振幅、頻率、交變力、常壓力的大小及變化的試驗次序都進行統(tǒng)一規(guī)定。在進行疲勞試驗時，試件的試驗力幅需要保持恒定，由于在疲勞試驗時橡塑件本身存在“松弛”的現(xiàn)象，故振幅保持恒定的情況下，其力幅與試驗成反比關(guān)系，此時，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對疲勞試驗機的振動幅度和振動頻率均提出了一定要求，才可實現(xiàn)試驗?zāi)繕?biāo)。

液壓試驗機具備調(diào)頻調(diào)幅功能，非常符合這一試驗的要求，但是液壓試驗機的造價和運行成本高；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的通用性等優(yōu)點，故大多數(shù)的疲勞試驗選擇通過電液伺服系統(tǒng)的疲勞試驗機上進行。但是電液伺服系統(tǒng)維修復(fù)雜、價格昂貴、能源消耗大，對于復(fù)雜工況的模擬不易實現(xiàn)；而機械式的疲勞試驗機具有更強的專用性，能夠針對特定產(chǎn)品完成較復(fù)雜試驗，且制造簡便、工作可靠、磨損輕，在對精度要求較低的產(chǎn)品試驗中應(yīng)用廣泛。

1 機械式疲勞試驗機機構(gòu)模型

本研究所構(gòu)建的機械式疲勞試驗機，執(zhí)行機構(gòu)為鉸接四桿機構(gòu)里用處最多的曲柄搖桿機構(gòu)，此機構(gòu)可以使用正弦波加載，加載幅值與頻率均可調(diào)，能夠進行位移控制的產(chǎn)品疲勞實驗。因為曲柄作的是整周勻速運動，其上各點在垂直方向運動軌跡與正弦曲線類似，所以搖桿上各個點在垂直方向軌跡也類似正弦曲線。曲柄每進行一周旋轉(zhuǎn)，搖桿可上下擺動一次。因此對曲柄的長度和轉(zhuǎn)動頻率進行調(diào)整，搖桿的擺動幅值和頻率就會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。此模型還能夠?qū)[桿長度進行調(diào)整，即對擺動中心進行調(diào)整，以滿足各種型號和類別的試件疲勞試驗條件。對于使用上述機構(gòu)的試驗機，當(dāng)搖桿末端外接試樣時，試驗機上所施加得載荷為正弦波；曲柄長度改變，可使加載波的幅值發(fā)生變化；利用變頻器對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，繼而調(diào)整加載頻率；上述過程即為機械式試驗機的工作機理。試驗過程中，需要對橡塑件是否已到疲勞極限進行判斷，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，二是通過傳感器測量橡塑件的動剛度是否超出規(guī)定數(shù)值，通常規(guī)定為正常情況的15%。其中動剛度的含義為試件受力與其振幅的比值。若試驗是力幅恒定的試驗，此時試件所受力為常數(shù)，則從試驗時振幅變化情況便可得到動剛度的變化情況。假如規(guī)定動剛度變化為15%，如果在試驗過程中振幅增加超過15%，便能夠認為該試件已經(jīng)發(fā)生疲勞失效。若試驗的次數(shù)還沒有達到預(yù)先設(shè)定好的次數(shù)（通常要求上百萬次），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，可定時的對振幅進行采集記錄并繪制振幅隨著時間變化的曲線。通過曲線的斜率變化，即可對試件疲勞程度進行判斷，尤其試件在失效前曲線斜率會顯著增大。當(dāng)曲線振幅的變化值超過15%時，系統(tǒng)自動停機。

2 橡塑件疲勞試驗的控制系統(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荷，橡塑件的質(zhì)量相對于負荷很小，可以省略。將橡塑件化簡成剛度是K、阻尼系數(shù)為R的簡化物理模型，靜止時橡塑件受負荷m，產(chǎn)生一定位移為l，并在新的位置平衡，此時的橡塑件受力即為：

F0=mg=Kl

在汽車行駛中，汽車振動造成負荷m產(chǎn)生上下運動，從而導(dǎo)致橡塑件在平衡點也作往復(fù)運動，設(shè)負荷m造成的位移為y，此時橡塑件受力可寫成：

F=mg+my″=Kl+Ky+Ry'

汽車在平穩(wěn)移動時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)運動次數(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。其中試驗機與橡塑件的接觸面安裝有力傳感器，用于實時反饋被測橡塑件的受力變化；試驗臺安裝位移傳感器，用于對試驗機的振幅進行測量。試驗過程中，分別通過位移、壓力等傳感器采集被測橡塑件的壓力和位移，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳入計算機，經(jīng)計算機分析處理將結(jié)果進行存儲和顯示，再將相關(guān)的曲線和圖表打印出來。在計算機上建立控制系統(tǒng)人機交互界面，實現(xiàn)對試驗項目的可視化操作，以及試驗數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出，方便用戶的操作。

3 結(jié)語

汽車橡塑件的質(zhì)量決定著汽車整車的質(zhì)量與安全，故對汽車橡塑件進行疲勞試驗有重大意義。一臺好的試驗機可以高質(zhì)量高可靠性的完成橡塑件的疲勞試驗，對于橡塑件的質(zhì)量提升和把控非常重要。本文所設(shè)計的汽車橡塑件試驗機，結(jié)構(gòu)簡單可靠，易于維護和使用，能夠長期穩(wěn)定的工作，對于提升汽車橡塑件的質(zhì)量有一定的現(xiàn)實意義。

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