助力器耐久試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：助力器是借助壓縮空氣、高壓油達(dá)到增力目的的關(guān)鍵部件，它廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、工程機(jī)械等許多重要領(lǐng)域。其性能將直接影響到設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性，因此在出廠前必須進(jìn)行嚴(yán)格的疲勞及性能測(cè)試，從而對(duì)助力器耐久試驗(yàn)臺(tái)的研究也越來(lái)越受到重視。文章依據(jù)系統(tǒng)總體的技術(shù)指標(biāo)要求，對(duì)助力器耐久試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：助力器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；耐久試驗(yàn)臺(tái)

液壓助力器起源于20世紀(jì)50年代飛機(jī)助力操作系統(tǒng)，隨著飛機(jī)的速度和質(zhì)量不斷增大，從而使駕駛桿力顯著增大，依靠傳統(tǒng)簡(jiǎn)單機(jī)械操縱系統(tǒng)減小操縱桿力的方法已不適用，它的出現(xiàn)解決了飛機(jī)舵面力矩過(guò)大帶來(lái)駕駛員操縱力不夠的問(wèn)題[1-3]。使駕駛員不再直接由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)操縱舵面，而是操縱助力器再由助力器操縱舵面，駕駛員在操縱時(shí)只需要克服很小的系統(tǒng)阻力，這樣極大提高了飛機(jī)的可操縱性和安全性。在發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)耐久實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了大量研究，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中已應(yīng)用比較廣泛，并且取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。而國(guó)內(nèi)的廠家生產(chǎn)出的助力器耐久實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定的差距，精度不高，普遍存在數(shù)據(jù)采集和處理不準(zhǔn)確的問(wèn)題，從而在一定程度上影響了結(jié)果的可信性。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案簡(jiǎn)介

助力器耐久試驗(yàn)臺(tái)是一套復(fù)雜的機(jī)電液控制的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。文章在參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)助力器耐久試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)的內(nèi)容及試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)要求以及指標(biāo)要求，同時(shí)考慮到試驗(yàn)臺(tái)工作的可靠性、耐久性和操作簡(jiǎn)便性，完成了耐久試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)方案。

試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)包含以下幾個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)臺(tái)支撐架、加載系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)、操縱裝置、高低溫箱、油盤、傳動(dòng)裝置。試驗(yàn)臺(tái)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1操縱裝置；2高低溫箱；3輸入裝置；4油盤；5加載裝置

圖1 試驗(yàn)臺(tái)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 輸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

輸入系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，主要由助力器、助力器安裝座構(gòu)成。助力的安裝采用鉸接安裝在固定耳環(huán)上，這種安裝方式安裝的液壓缸可以承受軸向力，并且在某個(gè)平面內(nèi)有一定的擺動(dòng)自由度。由于助力器液壓缸的運(yùn)動(dòng)為直線往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，液壓缸在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)構(gòu)的相互作用，使其軸線產(chǎn)生擺動(dòng)，為達(dá)到調(diào)整位置和方向的要求，安裝形式只能采用使其能擺動(dòng)的鉸接方式，工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶甲板機(jī)械等所用液壓缸多用這類安裝形式。安裝耳環(huán)再通過(guò)螺紋連接安裝在安裝座上，輸入缸的活塞通過(guò)鉸接的方式與傳力桿連接。這種設(shè)計(jì)可以更靈活地更換助力器產(chǎn)品，使得試驗(yàn)臺(tái)滿足多種類實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的測(cè)試，提高試驗(yàn)臺(tái)的靈活性。安裝底座采用鋼板焊接而成，工藝簡(jiǎn)單便于制造。鋼板結(jié)構(gòu)的主要承力方式為彎曲，由于安裝座的尺寸較大，為了保證其強(qiáng)度和剛度，同時(shí)提高其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。安裝座采用了布置肋板的結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性較高，強(qiáng)度和剛度很好的滿足了要求。而不是一味地采用增大結(jié)構(gòu)截面面積來(lái)提高強(qiáng)度和剛度，一方面，平臺(tái)的重量會(huì)急劇的增加，另一方面截面面積增加的同時(shí)，必然造成平臺(tái)慣量的增加和結(jié)構(gòu)局部剛度的降低。同時(shí)采用肋板的結(jié)構(gòu)對(duì)材料的利用率也很高，降低的制造成本。因此對(duì)于安裝座的結(jié)構(gòu)，從工藝性和平臺(tái)的局部剛度來(lái)考慮，安裝座采用了布置肋板的結(jié)構(gòu)。

3 加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

加載系統(tǒng)主要部件是：加載液壓缸、液壓缸安裝座、十字節(jié)、圓錐滾子軸承。加載系統(tǒng)主要是用來(lái)施加載荷的，模擬助力器在工作中所遇到的各種阻力載荷，提供載荷的主要部件是加載液壓缸。同樣在加載的過(guò)程中，由于液壓缸在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)的相互作用，使其軸線產(chǎn)生擺動(dòng)，為達(dá)到調(diào)整位置和方向的要求，安裝形式也只能采用鉸接安裝。而加載液壓缸使用是耳軸式安裝，在設(shè)計(jì)耳軸時(shí)需注意耳軸必須與液壓缸軸線垂直。

耳軸被安裝在一個(gè)十字節(jié)上，十字節(jié)的端蓋與安裝座前后立板之間有一定間隙，使其在垂直方向上有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。采用十字節(jié)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)軸線發(fā)生傾斜時(shí)的微調(diào)，使加載液壓缸達(dá)到方位要求。由于液壓缸采用耳軸式安裝時(shí)，也允許負(fù)載在一個(gè)方向上有擺動(dòng)，但在與其垂直的另一個(gè)方向上卻不允許有任何擺動(dòng)或串動(dòng)，否則，液壓缸就會(huì)因受到彎曲載荷而造成螺紋折斷現(xiàn)象。所以在垂直方向上用一帶螺紋的圓環(huán)端蓋進(jìn)行軸承的游隙調(diào)節(jié)，達(dá)到軸承及十字節(jié)定位的效果。

帶螺紋的圓環(huán)端蓋用螺紋與軸承頂端固定座連接，軸承頂端的固定座采用筋板結(jié)構(gòu)。由于耳軸式安裝是不宜采用球面軸承，這種軸承在其中心線產(chǎn)生傾斜能自身微調(diào)，這種軸承對(duì)本身來(lái)說(shuō)是有利的。但對(duì)于液壓缸的耳軸來(lái)說(shuō)卻是不利的，因?yàn)椴捎没瑒?dòng)軸承，則耳軸只承受剪切應(yīng)力；若采用球面軸承，則耳軸除了要承受同樣的剪切應(yīng)力外，還要附加一個(gè)因耳軸軸線傾斜而產(chǎn)生的彎矩，受力情況明顯惡化，因此對(duì)十字節(jié)處的軸承選用圓錐滾子軸承。同樣安裝底座同為焊接構(gòu)件，將其直接通過(guò)螺栓固定在試驗(yàn)臺(tái)支撐架的上底板上。

4 中間傳動(dòng)連接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于在做耐久性實(shí)驗(yàn)時(shí)，不可能直接將兩液壓缸直接進(jìn)行連接，因此必須要有中間的傳動(dòng)連接裝置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞。中間傳動(dòng)連接裝置主要由萬(wàn)向節(jié)、傳力桿、連接螺紋、拉桿、傳感器、中間保持架構(gòu)成。兩側(cè)的拉桿被固定在加載缸安裝座和液壓缸安裝座上，將其主要作為中間保持架的支撐導(dǎo)柱。保持架采用肋板結(jié)構(gòu)，將其上下部分通過(guò)螺栓連接安裝于拉桿上，中間設(shè)有導(dǎo)向孔，對(duì)傳力桿進(jìn)行導(dǎo)向作用，由于傳力桿與導(dǎo)向孔直接接觸會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦，從而造成機(jī)械的快速磨損，因此必須在導(dǎo)向孔和傳力桿間安裝直線軸承。

對(duì)于傳動(dòng)部分，加載缸通過(guò)活塞加長(zhǎng)桿與拉力傳感器法蘭盤連接，拉力傳感器法蘭盤與萬(wàn)向節(jié)相連，萬(wàn)向節(jié)再與拉力傳感器連接，進(jìn)行力信號(hào)的采集，拉力傳感再與中間傳力桿連接，同時(shí)傳力桿通過(guò)兩個(gè)直線后傳力桿的另一端再與助力器鉸接，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)連接。通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與拉力傳感器連接的作用是由于裝配原因或制造原因造成傳力桿與加載缸活塞桿軸線不同心的情況下，利用其自身結(jié)構(gòu)特征允許被連接的零件之間的夾角可以在一定的范圍變化，在結(jié)構(gòu)有一定偏心時(shí)也不會(huì)有卡死和嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，也能保證試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

從試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)任務(wù)、技術(shù)要求出發(fā)，確定了助力器耐久性試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案。對(duì)幾個(gè)重要的模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，以及元件的選型計(jì)算。其中，包括輸入裝置、加載裝置、試驗(yàn)臺(tái)支撐架及中間傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)輸入液壓缸、加載液壓缸的參數(shù)選型計(jì)算。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)需滿足助力器耐久性能測(cè)試的要求，同時(shí)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)符合人機(jī)工程學(xué)，便于操作。

參考文獻(xiàn)

[1]方強(qiáng).被動(dòng)式力矩伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]曲承童.汽車減振器雙動(dòng)耐久性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2012.

[3]張貴.基于液壓伺服驅(qū)動(dòng)的汽車板簧性能與耐久性研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：周瑾瑜（1964-），男，浙江省臺(tái)州市人，工作單位：臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，職務(wù)：監(jiān)察室主任，研究方向：特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。