落錘式沖擊試驗臺的研究與設計

蔣亮亮，孫金其,廖龍杰

(南京汽車集團有限公司汽車工程研究院，江蘇南京 210028)

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落錘式沖擊試驗臺的研究與設計

蔣亮亮1，孫金其2,廖龍杰3

(南京汽車集團有限公司汽車工程研究院，江蘇南京 210028)

摘要：落錘沖擊試驗臺作為考核汽車關鍵零部件沖擊性能的主要設備，其設計合理性、系統可靠性將直接影響試驗結果的準確度。文中通過對落錘沖擊試驗臺目前存在的幾種結構進行探討和分析，設計了一種落錘沖擊試驗臺，并對某商用車用半軸進行了沖擊試驗。

關鍵詞：落錘沖擊；釋放機構；防二次沖擊

0引言

隨著汽車零部件工業的迅速發展，對零部件產品的質量要求也越來越高，在滿足設計規范的同時，其力學特性還要符合各項技術要求。而為了驗證各零部件的最終性能，就需要借助試驗設備來進行試驗檢測，以確保各零部件的使用安全性。落錘式沖擊試驗臺作為檢測各類金屬、非金屬材料以及零部件的抗沖擊性試驗設備[1]，主要用于考核產品的抗沖擊性能，在汽車關鍵零部件(轉向節、傳動軸等)的性能測試中有著廣泛應用。

作者主要對目前市場上同類試驗臺的主要結構進行研究和分析，特別是對落錘沖擊試驗臺的關鍵部分：釋放機構、防二次沖擊機構進行了重新設計，并最終提出了一套結構簡單、穩定性高且滿足試驗要求的落錘沖擊試驗系統。

1落錘沖擊試驗原理概述

落錘沖擊試驗，又稱落重試驗，其工作原理是將相應質量的重錘提升到一定高度，做自由落體運動，將落錘的重力勢能轉換成動能，以一定的速度沖擊試驗件，以此驗證試件的抗沖擊性能。

結合實際試驗設備，為了保證落錘沖擊的穩定性和安全性，就需要確保落錘在實際下落過程中能夠垂直下落，并能使落錘沖擊點與試件受力點對正，所以必須設置導向立柱，來滿足上述要求。但是需要考慮到落錘下落過程中落錘與導向立柱之間的摩擦對整個沖擊試驗的影響。就此問題，國外有試驗人員在落錘沖擊試驗中加載高速攝像機進行對比試驗，發現測得的落錘與試件接觸速度同自由落體計算得到的速度非常相近，誤差小于5%，所以下落過程中落錘與導軌之間的摩擦力非常小，相比沖擊的能量損失可以忽略不計[2]。

所以綜上驗證，其落錘沖擊試驗的數學模型如下：

(1)

其中：P為沖擊能量(J)；m為落錘質量(kg)；g為重力加速度(m/s2)；H為落錘沖擊高度(m)；v為沖擊速度(m/s)。

如上述數學模型，沖擊試驗通常以沖擊能量來考核試驗結果，但是針對某些沖擊試驗，在規定了落錘高度或質量的情況下，通過改變落錘的質量或高度來得到相同沖擊能量的方式是不合適的。需要注意的是：用能量表示時對不同高度或不同質量的結果是不宜作比較的，因為它們的動量不同[3]。

2落錘沖擊試驗臺的設計

落錘式沖擊試驗裝置主要由機械部分、電控部分組成，機械部分由整體式框架、提升機構、釋放機構、防二次沖擊機構組成；電控部分包括伺服電機、電磁吸合器、限位傳感器、控制系統。圖1為所設計落錘沖擊試驗臺結構示意圖。

因為落錘沖擊試驗的過程并不復雜，所以落錘沖擊試驗臺的設計應遵循結構簡單、成本低廉且穩定可靠的設計原則。

2.1機械部分的設計與分析

機械部分主要包括整體式框架、提升機構、釋放機構等。作為落錘沖擊試驗臺的主體，機械部分設計的合理性直接反映落錘沖擊試驗臺的復雜程度和可靠性。

2.1.1整體式框架設計

整體式框架因為要支承包括電機、提升橫梁以及落錘裝置的重力，還要承受沖擊試件后落錘裝置帶來的沖擊負荷，所以整體式框架應具有足夠的剛性和較好的抗震效果。其中底座、頂梁鑄造而成，兩者之間通過圓鋼支撐，以確保整體結構的穩定性和可靠性。

導向立柱為雙立柱，因為要保證落錘裝置能夠在導向立柱上做無干涉垂向運動，導向立柱用45鋼調質加工而成，表面鍍硬鉻處理，具有良好的抗沖擊和光滑耐磨性能；兩側導向套和立柱呈間隙配合，具有導向性好、摩擦小的特點。同時為了保證自由下落的理想狀態，導向立柱經過垂直調整，保證其垂直度，使落錘沖擊試件瞬間的速度方向盡可能垂直向下。

有些落錘沖擊試驗臺的導向機構通過V形槽輪或滑輪與槽鋼配合進行導向[4]，其主要缺陷是抗沖擊性能較差，隨著落錘質量的不斷增加，沖擊能量提高，沖擊試驗后所產生的瞬間載荷很容易導致滑輪機構脫離導軌，存在較大的安全隱患。

2.1.2落錘提升機構設計

落錘提升機構由提升橫梁和滾珠絲杠組成。橫梁通過兩端螺母套與絲杠進行連接，由伺服電機驅動，通過同步傳動帶帶動滾珠絲杠轉動來控制整個橫梁的升降，這種設計具有較好的傳動效率和控制精度。另外通過伺服電機編碼器可以精確地控制落錘的沖擊高度，還可以根據不同試件的高度設置與之對應的沖擊零點，其中伺服電機具有過載保護功能。

目前，落錘提升機構主要以電機控制為主，有些落錘沖擊試驗臺通過手拉葫蘆對落錘進行提升[5]，這種控制方式比較落后，自動化程度低且勞動強度大。其次還有通過電動卷揚進行提升，這種控制方式無法自動設置沖擊零點，而且沖擊高度需要人工測量，測量的精度無法保證。

2.1.3釋放機構設計

釋放機構作為落錘沖擊試驗臺的關鍵部件，既要保證抓取落錘后提升過程的可靠性，還要在得到釋放指令后立即釋放落錘，不形成干涉。

在目前的落錘沖擊試驗臺中，釋放機構主要以機械式脫鉤、自動脫鉤為主，其中機械式脫鉤主要工作原理是將脫鉤設計成環形結構，通過裝配銷子或者掛鉤卡住開口，以此提升落錘，當需要釋放落錘時人工拉動銷子或掛鉤來釋放落錘。這種結構雖然簡單，但是隨著落錘質量的增加，卡口處摩擦力增加，人工將很難拉動，且人工施加的外力破壞了落錘的初始狀態，穩定性較差。自動脫鉤主要工作原理是通過外加動力源，控制脫鉤裝置的卡板進入和退出，或者控制滑套與鋼珠配合來實現自動脫鉤動作[6]。一般外加動力源以液壓、氣動為主，需要外接液壓動力源或者氣源，通過液壓缸或汽缸來執行脫鉤指令。這種脫鉤方式雖然穩定、可靠，但是結構復雜，且增加設備成本。

作者設計了一種落錘釋放機構，其結構如圖2所示，其抓鉤主體呈倒A型支架，支架上端裝配的滾動軸承4與阻止塊2滾動配合，以減少摩擦力，阻止塊2上方裝配電磁吸合器1，通過電磁鐵通電工作所產生的吸力來提升阻止塊，實現支架的分離，落錘由于自重下滑便從支架中脫離做自由落體運動，此釋放機構結構簡單、控制便捷，且安全可靠。

2.1.4防二次沖擊機構設計

防二次沖擊主要針對一些剛度較大的試件，此類沖擊試驗需要逐級遞增落錘質量，往復沖擊，直至試件斷裂為止，比如轉向節、半軸沖擊等。所以每次沖擊試件后，如果試件未斷裂，落錘會沖擊反彈，對試件進行二次沖擊。為了避免試件被落錘二次沖擊，需要一種機構來捕捉落錘，迅速實現落錘與試件首次沖擊后的隔離。

對于某些沖擊試驗，試件由于沖擊后吸能變形，比如管材、側防撞梁沖擊等，此類沖擊試驗不涉及沖擊反彈，所以不需要防二次沖擊機構，文中主要對防二次沖擊機構進行分析與設計。

目前落錘沖擊試驗臺中，防二次沖擊機構有通過電磁、氣動方式進行落錘捕捉以及通過捕捉套與捕捉架配合、錘架與墊鐵配合的方式進行捕捉。其中電磁、氣動方式捕捉落錘的原理類似，落錘下落沖擊試件后，通過電磁作用或氣缸來驅動隔離板或移動座實現試件與落錘的隔離。其主要缺陷是落錘捕捉的時機難以把握，由于試件剛度的差異性，落錘彈起的高度、速度都不同，所以這種捕捉方式的驅動響應速度很難保證防二次沖擊的準確性。通過捕捉套與捕捉架錐形配合的方式進行落錘捕捉[7]，主要通過落錘沖擊試件后反彈，利用捕捉套優先下落與捕捉架的錐度配合，實現捕錘動作。其主要缺陷是沖擊能量較大的時候，錐套難以拔出，而且復位利用雙氣缸驅動，需要外接氣源，結構比較復雜。通過錘架與墊鐵配合進行落錘捕捉[8]，其工作原理是通過錘架與墊鐵斜面進行配合，利用捕捉彈簧進行緩沖，最終夾住錘體。這種捕捉方式同樣存在結構復雜的問題，而且由于導向套的限制，無法使用不同形狀的沖擊錘頭，通用性不高。

針對以上存在的問題，設計了一種新型防二次沖擊機構，其結構如圖3所示。

其原理是通過巧妙的內部結構和彈簧的合理配合，實現觸發后支撐塊的迅速彈起，將落錘支架與試件進行隔離。其工作過程為：沖擊開始前，調整觸發桿位置，滿足落錘與試件剛接觸時剛好被按下。沖擊開始后，落錘沖擊試件的同時觸發桿被按下，由于觸發桿中下部較細，球頭圓柱銷內側空間被騰空，使其可以左右移動，由于彈簧2的作用，支撐塊被迅速頂起，此時原本壓縮著的彈簧1推動限位塊頂出，將支撐塊限位于上端，最終實現落錘支架再次落下后與試件的隔離。該裝置為機械式觸發控制，不僅具有結構簡單、響應迅速、成本低廉等特點，而且它不需要任何外加動力源或反饋信號等，既保證了防二次沖擊的可靠性，又提高了整個落錘沖擊系統的穩定性。而且可以在支撐塊上端加裝減振墊塊，以此吸收落錘彈起后的剩余能量。由于此裝置具有獨立功能，易于拆卸和移動，可以通用于不同類型的落錘沖擊試驗機。

2.2電控部分的設計與分析

如上文所述，落錘沖擊試驗的過程并不復雜，所涉及電控部分包括伺服電機、電磁吸合器、限位傳感器、控制系統。其中控制系統主要負責控制伺服電機和電磁吸合器來實現落錘的升降與釋放，以及起到限位保護、緊急停止功能。

根據控制系統的功能分析以及系統設計原則，所設計的落錘沖擊試驗臺采用西門子PLC配合觸摸屏來實現整個系統的控制，其中PLC可靠性高、抗干擾能力好，且通用性、擴展性比較強[9]。觸摸屏既可以輸入控制指令，還可以實現數據的實時顯示，其控制簡單且直觀明了。圖4為此控制系統的結構示意圖。

觸摸屏作為人機界面，不僅可以通過觸摸按鈕控制伺服電機和電磁吸合器實現落錘的升降和釋放，還可以通過編碼器實現落錘沖擊高度的精準控制，以及根據不同試件的高度來設置沖擊零點，同時能設置和顯示落錘的高度、質量、沖擊能量等試驗數據。

一般沖擊試驗均以能量來考核試驗結果，所以在不考慮摩擦損失的情況下，只要規定了落錘高度、質量即可進行沖擊試驗。對于某些沖擊試驗，需要測量沖擊末速度和加速度的時候，可以采用在沖擊末端安裝光電傳感器和沖擊錘頭處安裝加速度傳感器的形式進行檢測，其反饋模擬信號均可以通過數模轉換模塊傳給PLC，所以此控制系統還可以根據具體的試驗需求進行功能拓展。

3試驗臺功能測試

為了驗證所設計落錘沖擊試驗臺是否滿足試驗需求，同時驗證落錘沖擊試驗臺釋放機構和防二次沖擊機構的可靠性，針對某型號商用車用半浮式半軸進行了沖擊試驗。

半浮式半軸作為驅動橋總成的關鍵零件，不僅傳遞扭矩，還要承受各種反力及其形成的彎矩，特別對于某些苛刻路面，垂直方向更會形成瞬間沖擊載荷，所以需要對半軸進行沖擊試驗以考核其抗沖擊性能。此次試驗依據該商用車企業所提供《驅動橋半軸沖擊試驗大綱》對半軸進行沖擊試驗。

為了更加直觀地了解沖擊過程能量情況，此次測試特意在沖擊末端安裝光電傳感器，以檢測沖擊速度，對比能量損失情況，來進一步驗證沖擊試驗臺的穩定性。

3.1試驗臺工作過程

試驗開始前，根據標準要求，將半軸按照整車安裝固定在沖擊試驗臺面上，半軸法蘭處安裝模擬輪輞組件，用夾具固定牢固，其沖擊點為輪心對應模擬輪輞正上方位置。安裝好試件后，控制落錘裝置升降，使其錘頭正好與試件沖擊點接觸，此時觸摸屏設置沖擊零點，調整防二次沖擊觸發桿高度，然后設定錘頭質量、沖擊高度等試驗參數。點擊開始試驗，提升橫梁上升至指定高度后停止，確認無誤后，點擊開始沖擊，電磁吸合器工作，落錘作自由落體沖擊試件，隨后落錘裝置沖擊反彈被防二次沖擊機構隔離，沖擊結束，對試件進行檢查。圖5為

半軸沖擊前狀態。

3.2測試結果

根據標準要求，初始沖擊能量為(1 000±50)J，每次沖擊能量遞增(200±10)J，直至半軸斷裂或沖擊能量達到1 700 J為止，沖擊試驗測試情況見表1，其中變量含義同公式(1)。

4結束語

通過對目前市場上同類試驗臺的主要結構進行研究和分析，設計了一套結構簡單、控制便捷的落錘沖擊試驗系統。同時通過試驗的形式對試驗臺性能進行測試，測試結果顯示整個落錘沖擊試驗臺性能穩定、關鍵機構工作可靠，滿足落錘沖擊試驗的測試要求。文中分析與研究也為其他落錘沖擊試驗臺的研發設計提供了一定的借鑒意義。

參考文獻:

【1】王文龍,張井海,李華雷,等.一種落錘式沖擊試驗臺的設計與研究[C]//2015中國汽車工程學會年會論文集,2015.

【2】REID S,REDDY T,GRAY M.Static and Dynamic Axial Crushing of Foam-filled Sheet Metal Tubes[J].International Journal of Mecha-nical Science,1986(28):295-322.

【3】孫世彧.動量落錘沖擊試驗不可忽視的影響因素[J].中國石油和化工標準與質量,2006(4):30-31.

【4】毛鑄,桂良進,范子杰.落錘式沖擊實驗系統的設計開發[J].實驗技術與管理,2003(5):22-29.

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【8】王樹強,劉希敏,朱暢.落錘式沖擊試驗設備中捕捉機構的改造與分析[J].機械,2005(1):60-61.

【9】霍家輝,張英杰.JL-30000 J落錘沖擊試驗機控制系統改造[J].寬厚板,2006,12(5):28-30.

Research and Design of Drop Hammer Impact Test Machine

JIANG Liangliang,SUN Jinqi,LIAO Longjie

(Automotive Engineering Research Institute, Nanjing Automobile (Group)Corporation,Nanjing Jiangsu 210028,China)

Keywords:Drop hammer impact; Release mechanism; Second hit preventing device

Abstract:Drop hammer impact test bench is a main equipment to inspect car key components impact performance,the design reasonability and system reliability will directly affect the accuracy of test results.The structures of several existing drop hammer impact test bench were discussed and analyzed. Then a drop hammer test bench was designed, and impact test for a commercial vehicle semi-axes was completed.

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：蔣亮亮(1987—)男，學士，工程師，研究方向為汽車零部件測試。E-mail：JiangLiangliang@saicmotor.com。

中圖分類號:TH879

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-034-04