摘要：汽車轉(zhuǎn)向控制臂是連接轉(zhuǎn)向節(jié)和副車架的關(guān)鍵零部件，其球鉸鏈關(guān)節(jié)的扭矩是影響汽車行駛安全性和舒適性的關(guān)鍵特性。球鉸鏈關(guān)節(jié)球銷的材料為40Cr，球座的材料為POM，臂體的材料為鋁、鍛鋼或者鑄鐵，每種材料的導(dǎo)熱性不同。為了使球鉸鏈關(guān)節(jié)得到合適的球鉸鏈工作扭矩，需要通過(guò)加熱使球座發(fā)生“蠕變”變形。因此，加熱溫度的控制在控制臂的制造過(guò)程中就顯得尤為重要。從感應(yīng)加熱工藝出發(fā)，研究了感應(yīng)加熱參數(shù)隨環(huán)境溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏囟瓤刂品椒?。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，環(huán)境溫度在-10～40℃變化時(shí)，使加熱目標(biāo)溫度的波動(dòng)范圍保持在±3℃以內(nèi)，提高了感應(yīng)加熱溫度的穩(wěn)定性，保證了產(chǎn)品的扭矩特性。此方法極大地提高了加熱的效率和溫度準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：控制臂；球鉸鏈；蠕變；感應(yīng)加熱；溫度補(bǔ)償；溫度控制

控制臂是汽車懸架系統(tǒng)內(nèi)的重要零部件，而球鉸鏈關(guān)節(jié)是控制臂上的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副。汽車底盤(pán)控制臂工作原理：汽車控制臂是連接車輪和副車架的一個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，對(duì)于獨(dú)立懸架，左右車輪不是用整體式車橋相連接，每側(cè)車輪可單獨(dú)上下運(yùn)動(dòng)[1]。根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不同的特點(diǎn)，控制臂可以分為上控制臂、下承載控制臂和下拉伸控制臂，如圖1所示[2]。

球鉸鏈的扭矩直接影響汽車運(yùn)動(dòng)的安全性和舒適性。球鉸鏈的旋轉(zhuǎn)扭矩過(guò)小，將導(dǎo)致控制臂早期磨損、懸架異響等結(jié)果；旋轉(zhuǎn)力矩過(guò)大將導(dǎo)致相連運(yùn)動(dòng)部件承受過(guò)大載荷，導(dǎo)致連接件結(jié)構(gòu)損壞、轉(zhuǎn)向角度和目標(biāo)值偏移、異響等事故。

因此，為了得到合適的球鉸鏈扭矩，加熱溫度的控制至關(guān)重要：溫度過(guò)低將無(wú)法使球座發(fā)生蠕變變形，導(dǎo)致球銷運(yùn)動(dòng)無(wú)法達(dá)到合適的扭矩；溫度過(guò)高，則將會(huì)使球座熔化，失去球座承受載荷的功能。因此，傳統(tǒng)的烘箱加熱方案固然可靠，但是其加熱時(shí)間長(zhǎng)，能源效率非常低。因此，高頻感應(yīng)加熱技術(shù)的開(kāi)發(fā)對(duì)于提高球鉸鏈加熱的效率提升至關(guān)重要。

以某T型車的上控制臂為例，球鉸鏈結(jié)構(gòu)：控制臂上的球鉸鏈由三部分組成，分別為球銷、球座和殼體，如下圖2所示[3]。球銷的材料為40Cr，球座的材料為聚甲醛，臂體的材料為球磨鑄鐵。球鉸鏈的關(guān)鍵特性指標(biāo)是球銷的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的力矩，對(duì)于這款產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)力矩要求為0.5～3.5N·m[4]。

為了達(dá)到其力矩要求，需要在球銷裝配完成后對(duì)整個(gè)球鉸鏈進(jìn)行加熱，消除裝配過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力。傳統(tǒng)的加熱工藝為烘箱加熱，即將需要加熱的零件放入烘箱內(nèi)，設(shè)定所需的溫度和保溫時(shí)間，通過(guò)電熱絲進(jìn)行加熱。由于臂體和球銷都是金屬材料，所以可以使用高頻電磁感應(yīng)加熱的方式對(duì)球銷和鉸鏈分別進(jìn)行加熱，從而使整個(gè)鉸鏈關(guān)節(jié)受熱，實(shí)現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力的去除，達(dá)到使用要求的扭矩的目的[5]。

為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)電磁感應(yīng)加熱的精準(zhǔn)控制產(chǎn)品溫度，并對(duì)環(huán)境溫度的補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)，本文以某T型車的U形上控制臂的為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，包括整體方案、硬件及結(jié)構(gòu)、主要機(jī)械硬件單元和控制系統(tǒng)。在不同溫度下，對(duì)零件感應(yīng)加熱后的溫度進(jìn)行驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)感應(yīng)加熱的溫度控制與補(bǔ)償，滿足實(shí)際大批量生產(chǎn)中對(duì)加熱溫度精確、加熱速度快及能源效率高的要求。

由于環(huán)境溫度的不同，被加熱工件的初始溫度不同，使用相同感應(yīng)加熱功率無(wú)法滿足被加熱物體的最終溫度一致性，故對(duì)感應(yīng)加熱的溫度補(bǔ)償方法展開(kāi)研究。工廠車間內(nèi)，夏天的環(huán)境溫度在35℃左右，冬天的環(huán)境溫度為 ，一年之中的環(huán)境溫度最大差異為30℃左右。對(duì)于產(chǎn)品的目標(biāo)溫度需要控制在±5℃內(nèi)，環(huán)境溫度的巨大波動(dòng)將給感應(yīng)加熱的目標(biāo)溫度帶來(lái)巨大影響。

因此，結(jié)合工程理論，利用溫度試驗(yàn)方法，建立感應(yīng)加熱功率對(duì)環(huán)境溫度的補(bǔ)償模型，進(jìn)行感應(yīng)加熱 的溫度補(bǔ)償?shù)难芯繉?duì)于產(chǎn)品力矩特性的穩(wěn)定有著關(guān)鍵作用。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本試驗(yàn)方案基于某T型車的U形上控制臂關(guān)節(jié)的加熱工藝，加熱的目標(biāo)溫度為120～140℃，根據(jù)實(shí)際的力矩情況選定所需要的加熱溫度。為了滿足精確、快速、高效且穩(wěn)定的加熱要求，試驗(yàn)的總體方案如下：分別使用不同的功率對(duì)零件進(jìn)行加熱，通過(guò)分析加熱功率和目標(biāo)溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到在相同環(huán)境溫度下，目標(biāo)溫度隨加熱功率的變化關(guān)系。由于環(huán)境溫度會(huì)存在差異，在測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度需要被記錄，并作為溫度差異的比較基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行功率補(bǔ)償。

在這個(gè)試驗(yàn)中，選擇使用K型熱電偶進(jìn)行測(cè)溫。K型熱電偶是由兩根不同的金屬線組成，通常由鎳鉻合金作為正極，鎳鋁合金作為負(fù)極，K型熱電偶具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能夠直接測(cè)量0～1300℃的各種溫度[6]。

熱電偶通過(guò)碰焊機(jī)焊接在球銷上，另外一側(cè)連接測(cè)溫儀，形成一個(gè)閉合回路，熱電偶在受到溫度影響后兩根導(dǎo)線直接會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)差，測(cè)溫儀通過(guò)測(cè)量其電壓差計(jì)算得到溫度。碰焊機(jī)（見(jiàn)圖3）使用是MESSI TL-WELD（S），將熱電偶焊接到被測(cè)工件上（見(jiàn)圖4和圖5）。測(cè)溫儀選用的是HOKI LR8431-30（見(jiàn)圖6），對(duì)球銷和臂體的溫度進(jìn)行測(cè)量。加熱機(jī)構(gòu)及電磁感應(yīng)加熱及控制系統(tǒng)如圖7所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.加熱線圈高度的選定

由于感應(yīng)線圈的位置直接影響加熱的效果，為了達(dá)到較好的溫度一致性，在球頭的頂部、赤道和底部三個(gè)位置分別焊接三個(gè)熱電偶，用以測(cè)量三個(gè)點(diǎn)的溫度，如圖8所示。本試驗(yàn)的要求為：在加熱完成10s后，這三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫差需要在5℃以內(nèi)。在相同加熱時(shí)間和加熱功率的工況下，通過(guò)調(diào)整線圈高度，使三個(gè)點(diǎn)的溫度達(dá)到要求。在本次試驗(yàn)中，選用的加熱時(shí)間為7s，加熱功率為5%，加熱電源的額定功率為40kW，測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)所得，線圈在伺服位置70mm和85mm的位置時(shí)，球頭上的三個(gè)點(diǎn)的溫度差均會(huì)超過(guò)5℃；在75mm的時(shí)候，三個(gè)點(diǎn)的溫度一致性最好，于是選定加熱線圈的高度為75mm。

2.加熱溫度的測(cè)定

球頭三個(gè)點(diǎn)的溫度存在一定差異，且球銷和球座的裝配是在加熱完成10s之后完成，于是選擇加熱完成10s后的球銷中間位置的溫度作為溫度研究的對(duì)象。通過(guò)圖9所示烘箱或者冰箱將球銷加熱或冷卻至一定溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同環(huán)境溫度的模擬，從而測(cè)定溫度數(shù)據(jù)，測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3.加熱補(bǔ)償模型的建立

根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到溫度差-加熱功率的關(guān)系曲線，如圖10所示。

根據(jù)線性擬合結(jié)果，得到公式

P=0.0352Δt+0.2053" " " " " " " " " （1）

取0.0352為當(dāng)前產(chǎn)品的功率因子k；由溫度傳感器測(cè)得的當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度為t；在溫度測(cè)試的序列內(nèi)，取球銷的起始溫度為t0；加熱功率作為其基礎(chǔ)功率為P0；目標(biāo)溫度為T(mén)。

通過(guò)推導(dǎo)和計(jì)算可以得到功率隨環(huán)境溫度的變化公式為

P=P0+k（t0－t）" " " " " " " " " " （2）

帶入功率因子得到實(shí)際功率P

P=P0+0.0352（t0－t）" " " " " " " "（3）

目標(biāo)溫度T

T=t+（P－0.2053）/0.0352" " " " " " " "（4）

P0和t0為設(shè)定值，在測(cè)試數(shù)據(jù)內(nèi)選定合適的目標(biāo)溫度，即加熱完成10s后的溫度作為目標(biāo)溫度。P0為在測(cè)試時(shí)加熱使用的功率，t0是在測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度。溫度傳感器將采集到環(huán)境溫度t發(fā)送給PLC，PLC可根據(jù)公式自動(dòng)計(jì)算得出實(shí)際需要的功率P，然后把功率信號(hào)發(fā)送給電源控制器，電源控制器根據(jù)獲得到的信號(hào)，進(jìn)行功率輸出，對(duì)零件進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)功率自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)境溫度的差異，準(zhǔn)確控制了目標(biāo)溫度，如圖11所示。

4.溫度驗(yàn)證

使用不同的初始溫度進(jìn)行正常加熱和補(bǔ)償加熱對(duì)比，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，溫度曲線如圖12所示。

在不同的初始溫度下，使用因子補(bǔ)償加熱后，加熱后溫度趨于穩(wěn)定。

結(jié)語(yǔ)

在控制臂的鉸鏈關(guān)節(jié)處涉及多種材料，為了能夠使POM發(fā)生穩(wěn)定的蠕變變形，必須保證關(guān)節(jié)處溫度的穩(wěn)定性。根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，建立了溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，提出了對(duì)于在同一位置包含多種材料且不規(guī)則形狀在不同環(huán)境溫度下的加熱功率補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度的自動(dòng)補(bǔ)償，使最終的加熱溫度后的溫度波動(dòng)范圍縮小在±3℃以內(nèi)，將此加熱方法應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

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