助力器耐久試驗臺機械結構設計

摘 要：助力器是借助壓縮空氣、高壓油達到增力目的的關鍵部件，它廣泛應用于飛機、汽車、工程機械等許多重要領域。其性能將直接影響到設備安全運行的可靠性，因此在出廠前必須進行嚴格的疲勞及性能測試，從而對助力器耐久試驗臺的研究也越來越受到重視。文章依據系統總體的技術指標要求，對助力器耐久試驗臺的機械結構進行了設計。

關鍵詞：助力器；結構設計；耐久試驗臺

液壓助力器起源于20世紀50年代飛機助力操作系統，隨著飛機的速度和質量不斷增大，從而使駕駛桿力顯著增大，依靠傳統簡單機械操縱系統減小操縱桿力的方法已不適用，它的出現解決了飛機舵面力矩過大帶來駕駛員操縱力不夠的問題[1-3]。使駕駛員不再直接由機械傳動機構操縱舵面，而是操縱助力器再由助力器操縱舵面，駕駛員在操縱時只需要克服很小的系統阻力，這樣極大提高了飛機的可操縱性和安全性。在發達國家，對耐久實驗臺進行了大量研究，在實際生產過程中已應用比較廣泛，并且取得了很好的經濟效益和社會效益。而國內的廠家生產出的助力器耐久實驗臺的性能與發達國家相比，還有一定的差距，精度不高，普遍存在數據采集和處理不準確的問題，從而在一定程度上影響了結果的可信性。

1 試驗臺結構設計總體方案簡介

助力器耐久試驗臺是一套復雜的機電液控制的模擬實驗系統。文章在參考了國內外相關研究的基礎上，針對助力器耐久試驗臺檢測的內容及試驗臺的技術要求以及指標要求，同時考慮到試驗臺工作的可靠性、耐久性和操作簡便性，完成了耐久試驗臺的機械結構部分的設計方案。

試驗臺總體結構包含以下幾個部分：實驗臺支撐架、加載系統、輸入系統、操縱裝置、高低溫箱、油盤、傳動裝置。試驗臺總體機械結構如圖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 試驗臺總體機械結構

2 輸入系統的設計

輸入系統是試驗臺的重要組成部分，主要由助力器、助力器安裝座構成。助力的安裝采用鉸接安裝在固定耳環上，這種安裝方式安裝的液壓缸可以承受軸向力，并且在某個平面內有一定的擺動自由度。由于助力器液壓缸的運動為直線往復式運動，液壓缸在往復運動時，由于機構的相互作用，使其軸線產生擺動，為達到調整位置和方向的要求，安裝形式只能采用使其能擺動的鉸接方式，工程機械、農業機械、船舶甲板機械等所用液壓缸多用這類安裝形式。安裝耳環再通過螺紋連接安裝在安裝座上，輸入缸的活塞通過鉸接的方式與傳力桿連接。這種設計可以更靈活地更換助力器產品，使得試驗臺滿足多種類實驗產品的測試，提高試驗臺的靈活性。安裝底座采用鋼板焊接而成，工藝簡單便于制造。鋼板結構的主要承力方式為彎曲，由于安裝座的尺寸較大，為了保證其強度和剛度，同時提高其結構的穩定性。安裝座采用了布置肋板的結構，其穩定性較高，強度和剛度很好的滿足了要求。而不是一味地采用增大結構截面面積來提高強度和剛度，一方面，平臺的重量會急劇的增加，另一方面截面面積增加的同時，必然造成平臺慣量的增加和結構局部剛度的降低。同時采用肋板的結構對材料的利用率也很高，降低的制造成本。因此對于安裝座的結構，從工藝性和平臺的局部剛度來考慮，安裝座采用了布置肋板的結構。

3 加載系統的設計

加載系統主要部件是：加載液壓缸、液壓缸安裝座、十字節、圓錐滾子軸承。加載系統主要是用來施加載荷的，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。同樣在加載的過程中，由于液壓缸在往復運動時，機構的相互作用，使其軸線產生擺動，為達到調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，在設計耳軸時需注意耳軸必須與液壓缸軸線垂直。

耳軸被安裝在一個十字節上，十字節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動自由度。采用十字節可以實現當軸線發生傾斜時的微調，使加載液壓缸達到方位要求。由于液壓缸采用耳軸式安裝時，也允許負載在一個方向上有擺動，但在與其垂直的另一個方向上卻不允許有任何擺動或串動，否則，液壓缸就會因受到彎曲載荷而造成螺紋折斷現象。所以在垂直方向上用一帶螺紋的圓環端蓋進行軸承的游隙調節，達到軸承及十字節定位的效果。

帶螺紋的圓環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構。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生傾斜能自身微調，這種軸承對本身來說是有利的。但對于液壓缸的耳軸來說卻是不利的，因為采用滑動軸承，則耳軸只承受剪切應力；若采用球面軸承，則耳軸除了要承受同樣的剪切應力外，還要附加一個因耳軸軸線傾斜而產生的彎矩，受力情況明顯惡化，因此對十字節處的軸承選用圓錐滾子軸承。同樣安裝底座同為焊接構件，將其直接通過螺栓固定在試驗臺支撐架的上底板上。

4 中間傳動連接裝置結構設計

由于在做耐久性實驗時，不可能直接將兩液壓缸直接進行連接，因此必須要有中間的傳動連接裝置，實現運動的傳遞。中間傳動連接裝置主要由萬向節、傳力桿、連接螺紋、拉桿、傳感器、中間保持架構成。兩側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柱。保持架采用肋板結構，將其上下部分通過螺栓連接安裝于拉桿上，中間設有導向孔，對傳力桿進行導向作用，由于傳力桿與導向孔直接接觸會產生較大的摩擦，從而造成機械的快速磨損，因此必須在導向孔和傳力桿間安裝直線軸承。

對于傳動部分，加載缸通過活塞加長桿與拉力傳感器法蘭盤連接，拉力傳感器法蘭盤與萬向節相連，萬向節再與拉力傳感器連接，進行力信號的采集，拉力傳感再與中間傳力桿連接，同時傳力桿通過兩個直線后傳力桿的另一端再與助力器鉸接，實現傳動連接。通過萬向節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，利用其自身結構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，在結構有一定偏心時也不會有卡死和嚴重磨損現象，也能保證試驗臺的穩定運行。

5 結束語

從試驗臺的設計任務、技術要求出發，確定了助力器耐久性試驗臺機械結構設計的方案。對幾個重要的模塊的結構設計進行了較為詳細的介紹，以及元件的選型計算。其中，包括輸入裝置、加載裝置、試驗臺支撐架及中間傳動裝置的結構設計，對輸入液壓缸、加載液壓缸的參數選型計算。設計的實驗臺的結構需滿足助力器耐久性能測試的要求，同時設計的試驗臺結構符合人機工程學，便于操作。

參考文獻

[1]方強.被動式力矩伺服控制系統設計方法及應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[2]曲承童.汽車減振器雙動耐久性試驗臺設計[D].長春：長春理工大學，2012.

[3]張貴.基于液壓伺服驅動的汽車板簧性能與耐久性研究[D].合肥：合肥工業大學，2013.

作者簡介：周瑾瑜（1964-），男，浙江省臺州市人，工作單位：臺州市特種設備監督檢驗中心，職務：監察室主任，研究方向：特種設備檢驗檢測。