汽車液壓油管拉力測試機設計

黃繼剛，李琳

(南京航空航天大學金城學院，江蘇南京 211156)

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汽車液壓油管拉力測試機設計

黃繼剛，李琳

(南京航空航天大學金城學院，江蘇南京 211156)

拉力測試機是根據某用戶實際生產需要，為其量身定做的非標設備，其機械結構精巧、操作方便。根據要求對汽車用液壓油管接頭是否焊接進行100%檢測；同時被測接頭不得有變形及損傷；為了滿足不同型號的產品，要求可快速換型；該拉力計具有上限設定功能，溢出狀況下進行聲音報警。

拉力測試機；非標設備；有限元分析

0　引言

客戶為汽車液壓油管線制造商，生產的油管在裝配組完成了激光焊接工藝，根據實際生產需要，對當下工藝的完成情況做良率檢測。客戶要求如下：

(1)100%檢測油管接頭是否經過焊接。

(2)油管及接頭外表面不得有任何壓痕、彎曲、變形。

(3)接頭工裝需能接4種不同的接頭，盡量減少接頭工裝換型。

應客戶要求，為其量身定做拉力測試設備，確保其功能實現。

1　設計技術路線確認

1.1客戶需求以及產品特點分析

首先客戶要的是一臺拉力測試設備，客戶提出檢測力為100 N，要求被測產品不得有損傷；其次被測產品有4種，要求可以快速換型。

于客戶處取得被測產品的3D數模如圖1所示，對被測產品的外形尺寸進行分析。

雖然這4種產品的外形有所差異，但與油管接頭處的直徑以及內徑大小是一樣的，組合方式共計8種(長度150～1 500 mm)。

圖1　產品數模

1.2設計方案的確認

拉力測試設備必定要有產生拉力的動力源，并且對拉力的大小有一定的控制；被測產品多樣，并要求被測產品不可以被損傷，意味著夾具為可調且材質有強度但硬度弱一些；可將產品的一端接頭利用夾具進行固定，作為拉力施力端，另一端接頭放置于可調節夾具上，以滿足不同長度的產品檢測需求。

如圖2所示，利用氣缸來產生拉力，同時數顯拉力計可以實時顯示當前拉力值；將拉力計置于滑軌上，可起到承載以達到減少阻力的作用；固定產品的夾具一端與拉力計連接，一端根據被測產品長度固定于可調軌道上；通過手搬閥來控制氣缸的拉伸和推進動作；用歐標型材搭建支架，并用可調高度地腳進行固定，客戶可根據現場作業人員身高自行調節，以滿足人體工程學要求。

圖2　總體布置方案

2　細化設計

2.1氣缸選型

(1)缸徑選擇。根據氣缸回行出力來確定氣缸直徑：

式中：Fn為回行實際出力；A為活塞有效面積；p為操作壓力(通常0.5～0.7 MPa);FRZ為氣缸摩擦阻力;D為氣缸內徑;d為活塞桿直徑。

因為是用手搬閥對氣缸進行控制，意味著氣缸的動作較為緩慢，壓縮空氣壓力也不應過大。由于客戶提出的檢測力為100 N的要求，所以氣缸設計拉力為在壓縮空氣壓力為0.3 MPa的情況下產生200 N的力。根據氣缸理論出力表，不難查出應選缸徑為32 mm，見表1。

表1氣缸理論出力表

N

(2)氣缸行程選擇。因為是手動控制施力，檢測焊接質量，基于安全性考慮，在上限拉力情況下，產品接頭沒能被拉脫即為良品，所以行程選擇最小為5 mm即可。

(3)安裝方式。為L型，底座安裝，裝配操作方便。

(4)無傳感器(無電氣控制)。

(5)氣頭接頭為可調，方便調節。

(6)氣缸選擇客戶指定某品牌。

綜上，氣缸選擇基準以及相關參數既定，利用某品牌氣動元件的電子選型手冊，生成該型號的3D數模，如圖3所示。

圖3　氣缸3D數模

2.2拉力計選型

拉力計量程應為要求檢測力的兩倍，即200 N。選擇某品牌HP-200N型拉力計，其參數如表2所示，用作推拉負荷測試。

表2　拉力計參數

2.3夾具設計

夾具采用POM材料，在保證有足夠強度以及夾持功能的情況下，防止對產品有拉傷或壓痕。

施力端夾具設計如圖4所示，夾具與底座之間采用定位銷加緊固螺絲鎖定。

圖4　夾具(施力端)

調節端夾具設計如圖5所示。

圖5　夾具(調節端)

掛鉤及支撐座設計。掛鉤及支撐座采用S45，作熱處理并表面處理，保證強度及剛性，開式設計又富有彈性調節，如圖6所示。

圖6　開式設計

2.4滑軌選型

根據拉力計以及各相關需要承載部件的質量，確定滑軌的類型為L型即可，同時根據拉力計尺寸、氣缸行程等確定滑軌的長度以及滑塊的數量以及大小。綜上，設計相關底座、連接件、支撐板以及底板，確定加工工藝要求，包括加工方法、加工精度、熱處理、表面處理等。

設計出的該設備的工作原理是：氣缸通過連接器拉動數顯拉力計，并將力傳至夾具上，對固定于夾具上產品施以拉力(客戶提出檢測力為100 N)，若產品接頭不能被拉脫或拉松，則說明是良品，反之產品則是不良品。據此設定拉力上限報警值為105 N(可根據客戶實際需要進行調節),當拉力超過設定值時，則發出聲音報警。換言之，產品在報警的情況下，還沒有被拉脫則說明是良品。

3　優化設計

3.1開式聯軸器底座受力分析

利用SolidWorks軟件的Simulation模塊，對如圖6示的開式聯軸器底座進行CAE分析：材料為S45，底座連接方式為銷釘以及緊固螺栓固定，設計受力大小為300 N。分析結果如圖7所示，顯示在300 N的受力下，銷釘處并未發生過屈服力過效。而實際過程中該受力面的受力上限為200 N，當然是符合安全設計要求的。

圖7　扣件設計受力為300 N的范氏應力圖

3.2夾具施力端受力分析

利用SolidWorks軟件的Simulation模塊，對如圖4所示的施力端夾具進行CAE分析：材料為POM，底座連接方式為銷釘以及緊固螺栓固定，設計受力大小為300 N。分析結果如圖8所示，顯示在300 N的受力下，整個部件并未發生過屈服力過效。而實際過程中該受力面的受力上限為200 N，當然也是符合安全設計要求的。

圖8　施力端夾具設計受力為300 N的范氏應力圖

4　結束語

通過對客戶的需求進行深層次理解，對被測產品進行分析，在滿足客戶功能需求的情況下，制定可靠的設計技術路線，使得機械結構設計精巧、可快速換型、操作方便，減少制作周期及成本。

值得說明的是：基于非標設備的制作特點，所以設計過程中較多應用經驗公式進行理論計算，大多經驗值是經過實踐檢驗過確實有效的，盡管如此，非常有必要對相關承力大、易變形、特殊材料部件進行理論計算以及受力變形分析。利用相關CAD/CAE軟件，如SolidWorks對相關部件進行有限元分析，有助于減少設計失效。雖然在此案例中，對兩部件作有限元分析后均顯示可行，但在檢查出非可靠部件時，可利用其功能進行優化設計。

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Design of Force Test Machinery for the Hydraulic Pipe in Vehicle

HUANG Jigang, LI Lin

(College of Jingchen, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 211156,China)

Force testing machinery was a special equipment which was based on requirement of client. It was useful to satisfy with the actual mass production activity. This machinery’s mechanical structure was compact and smart, easy to operate. According to the requirements, 100% test was done to make sure whether automotive hydraulic hose connector was welded; joint must not have deformation and damage under test; in order to satisfy with different types of products, the clamping could be quickly exchanged; the tension meter had the limit function, overflow condition for voice alarm.

Force test machinery；Special equipment；Finite element analysis

2016-05-27

黃繼剛,男，講師，主要研究方向為汽車設計、CAE、汽車故障診斷。E-mail:595871792@qq.com。

U461.2

B

1674-1986(2016)08-048-04