轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)機(jī)擺錘組件設(shè)計(jì)方法研究

關(guān)若旸，王志勝，曹國(guó)華，張大偉

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院長(zhǎng)春 130022）

0 引言

轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要部件，隨著汽車行業(yè)國(guó)際間技術(shù)交往的加強(qiáng)，對(duì)其安全性要求越來(lái)越高。本文所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器沖擊試驗(yàn)機(jī)，由計(jì)算機(jī)結(jié)合可編程控制器控制和采集數(shù)據(jù)，由減速電機(jī)和離合器控制擺錘的起擺與下落。在實(shí)際工作中，轉(zhuǎn)向器在震蕩環(huán)境下工作不可避免，試件的抗沖擊強(qiáng)度是其最重要的性能參數(shù)之一，所以，對(duì)其抗拉、壓沖擊的檢測(cè)是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

1 工作原理

擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)原理是利用擺錘的重力加速度沖擊方式，對(duì)轉(zhuǎn)向器試件施以拉、壓力沖擊，即實(shí)現(xiàn)擺錘的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能這樣一種能量轉(zhuǎn)換。并在試件一端安裝壓力傳感器，測(cè)量試件所受能量的大小。試件的韌性強(qiáng)弱即可通過(guò)其所能接受的能量高低來(lái)衡量，以此驗(yàn)證產(chǎn)品安全性。圖1 為沖擊試樣機(jī)工作原理圖。

擺錘在自由懸垂時(shí)，沖擊刀刃應(yīng)與試樣之間處于似接非接狀態(tài)。當(dāng)擺錘上升仰角到α 時(shí)為擺錘初始位置，然后自由釋放，在忽略風(fēng)阻、機(jī)械摩擦損失的條件下，為沖擊過(guò)程提供需要的能量。

2 沖擊速度與起擺角度

根據(jù)要求，為模擬轉(zhuǎn)向器實(shí)際工作狀況，需在沖擊試件與擺錘之間加緩沖設(shè)備，產(chǎn)生帶緩沖的沖擊，具體沖擊要求如圖2 所示。

擺錘沖擊是由勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程，

式中：E 為忽略其他能量損失條件下，沖擊試樣時(shí)的總能量；l0為試樣重心到擺軸軸線的距離。

根據(jù)圖2 的撞擊F—t 圖像，則此時(shí)擺錘自由下落到0°時(shí)所需達(dá)到的撞擊動(dòng)量式為：

式中：m 為按設(shè)計(jì)規(guī)定中的擺錘質(zhì)量大小，F(xiàn)m為設(shè)計(jì)中所要求的最大沖擊力度，由于進(jìn)行的是帶緩沖的沖擊，t 為峰值響應(yīng)時(shí)間，根據(jù)動(dòng)量定理，可得出速度v，即擺錘自由下落到撞擊點(diǎn)處的速度。

按設(shè)計(jì)要求規(guī)定，擺錘擺長(zhǎng)、質(zhì)量已定，通過(guò)計(jì)算公式：

求得擺錘的實(shí)際起擺高度h，進(jìn)而確定擺錘的起擺角度α。

3 擺錘沖擊中心的確定

由于設(shè)計(jì)的擺錘頂端由兩軸承座支撐，即可看作簡(jiǎn)支梁。當(dāng)擺錘打擊試件時(shí)，軸承處必受到反碰撞沖量的作用。撞擊點(diǎn)與擺錘組件的沖擊中心重合時(shí)，沖擊力不會(huì)在擺軸軸線處產(chǎn)生附加的力，這一定程度上減少了不必要的能量消耗，提高了擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的使用壽命和安全性。并且國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)塑料簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)方法中規(guī)定，旋轉(zhuǎn)軸心到擺錘沖擊中心的距離與旋轉(zhuǎn)軸心至試樣重心距離應(yīng)一致，兩者之差不應(yīng)超過(guò)后者的±1%。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，擺錘的質(zhì)量已定，擺桿的材料、長(zhǎng)度也已確定。故應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法確定尺寸，可以減少擺錘的試制次數(shù)，較準(zhǔn)確地計(jì)算出理想的撞擊位置。

圖1 沖擊試驗(yàn)機(jī)工作原理圖

圖2 F-t 圖像

當(dāng)撞擊發(fā)生時(shí)，在撞擊點(diǎn)處就成為了一個(gè)支點(diǎn)o，受到試件給擺錘的反向沖擊力。在沖擊過(guò)程中擺錘組件的角速度為ω，取o 點(diǎn)兩側(cè)各部分的質(zhì)量微元，可得出撞擊點(diǎn)上半部分的動(dòng)量矩

圖3 打擊中心

由動(dòng)量矩定理可知，為避免產(chǎn)生多余的力矩，在該點(diǎn)兩邊的位置所形成的動(dòng)量大小應(yīng)該是相等的，根據(jù)這一特點(diǎn)可列出等式

式中：m1為擺桿的質(zhì)量；m2為擺錘的質(zhì)量；l 為擺桿長(zhǎng)度；h為擺錘高度。計(jì)算可得出沖擊中心的位置z 與擺錘高度h和擺桿長(zhǎng)度l 之間的的關(guān)系：

通過(guò)對(duì)沖擊中心位置的計(jì)算，可以較為方便地確定試件與擺錘的碰撞，并避免在軸承端加載較大的載荷。通過(guò)幾個(gè)參數(shù)關(guān)系的確定，可以根據(jù)實(shí)際情況要求，靈活調(diào)整設(shè)計(jì)方式，確定沖擊中心的位置。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)擺錘與試件碰撞時(shí)，力能垂直地作用于擺錘的撞擊中心時(shí)，在軸承處不會(huì)產(chǎn)生反碰撞沖量。通過(guò)計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減少擺桿變形導(dǎo)致試驗(yàn)成本的增加，同時(shí)也可避免在軸承處的附加壓力導(dǎo)致的能量損失，對(duì)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造有很大的實(shí)際意義。

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