溫濕度應力下疲勞載荷的施加方法

朱正邦，李 杰，黃志勇

（天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201100）

溫濕度應力下疲勞載荷的施加方法

朱正邦，李 杰，黃志勇

（天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201100）

很多試驗件在實際使用工況中不但有復雜的機械沖擊、交變疲勞載荷，還會受到溫度、濕度的影響。對應于大型試驗件，一般的疲勞試驗機無法滿足其尺寸要求，尤其是配合溫度濕度環境。本試驗方法，將液壓伺服系統和環境箱結合到一起，不需要專門的集成定制，其優勢在于：能滿足中大型的試驗件，可以根據實際需要增加不同的環境工況，并且能自由的實現特定的結構動作。本文以汽車板簧為例，作者通過汽車板簧在溫濕度應力下的疲勞載荷試驗來說明一種試驗方法。

溫濕度應力；疲勞載荷；汽車板簧；試驗方法

行駛在不同路面上車輛的車輪隨機動載荷不一樣，不同路面等級所對應的車輪動載荷差距較大，變化很大，導致路面的疲勞應力過分增大，引起過快損壞[1]。汽車板簧在工作中反復承受交變彎曲應力，故對板簧的表面質量要求很高，不允許表面有缺口、裂紋、折疊和斑疤等，表面即使存在微小缺陷和損傷，也會由此產生應力集中，形成疲勞源，導致板簧早期疲勞斷裂[2]。汽車在行駛過程中遇到路面對輪子的沖擊力時，板簧產生變形，起到緩沖、減振的作用，縱向布置時還具有導向傳力的作用。由于路況的不同，板簧在實際過程中不但會受到機械沖擊、交變疲勞載荷，還會受到溫度、濕度的影響。目前有些板簧不再使用鋼板，而是采用新型的復合材料，對于復合材料的疲勞特性需要進行實驗考核。所以需要對板簧進行在環境應力下的疲勞載荷試驗。

目前單獨做板簧溫度應力、疲勞載荷試驗的方法有很多種，并且比較成熟，但是要同時滿足施加溫度應力和疲勞載荷試驗的試驗方法較少，屬于非標設計，市場上存在較大的空白。

針對現有技術的不足，本實用新型的目的在于提供一種簡單、快捷、高效的應用于汽車板簧在環境應力下的疲勞載荷試驗裝置，其在滿足不同試驗條件的同時，使得整個試驗在實施的過程中更加便捷，創新性的將溫箱和液壓疲勞加載系統結合在一起。

1 試驗思路簡介

由于標準疲勞試驗機技術已經很成熟，并且應用相當普及，對于小型零部件級的試驗件，其疲勞試驗方法都已經標準化。在此基礎上，如果要施加環境應力，例如溫度、濕度、低氣壓、光照等，則需要將試驗件放置到一個環境箱內。對于單個的環境箱，其技術成熟，試驗方法標準化。但是如果將兩者結合在一起，將會面臨兩個方面的問題：一是需要特殊定制，將兩套系統集成在一起，這樣必然帶來成本的大幅度增加，并且只有單一工況需求時，又造成了資源的浪費；二是當試驗件的尺寸較大，或者是部件及以上時，標準疲勞試驗機就不能滿足使用要求，需要非標試驗設備，此時，環境箱和疲勞設備的組合是一個技術問題。

首先要考慮到將疲勞試驗機主體和環境箱隔離，避免環境應力對試驗機產生影響；其次是考慮疲勞試驗機加載部分和環境箱的連接以及環境箱的密封；最后要根據不同的試驗工況設計對應的傳動、支撐工裝。

本試驗方法，將液壓伺服系統放在環境箱外部，伺服系統的加載部分從環境箱的兩側伸進環境箱內部，試驗件通過支撐工裝放置在試驗箱內部，伺服系統通過傳動裝置將試驗件連成一個整體。這樣，可以單獨設置疲勞載荷條件和環境應力條件。

2 試驗具體方法

2.1 裝置介紹

本試驗裝置的原理圖見圖1。裝置簡圖見圖2～圖4。

應用于汽車板簧在環境應力下的疲勞載荷試驗裝置，其包括：

1）溫濕度環境箱，用以提供環境應力；

2）動力系統，以液壓作為動力源，輸出精確往復直線運動；

3）加載機構，能夠在動力系統的驅動下使板簧按照實車狀態往復運動；

4）固定機構，使得動力系統、加載機構和環境箱連接成一個整體，形成一個自平衡的內力結構；

5）監測裝置，至少用以實時監測板簧的載荷和形變；

6）控制系統，通過給定的信號能夠實現動力系統的精確輸出。

動力系統和溫濕度環境箱結合在一起形成一套新系統。動力系統并不是垂直放置于溫箱下方，而是通過溫箱的側壁進行水平加載。動力系統、加載機構通過一個固定機構形成一個自平衡的內力結構。動力系統采用液壓伸縮驅動機構，機構包括固定設置在固定機構上的液壓作動器及閥控制單元。動力系統采用液壓油作為介質，提供穩定壓力與流量的液壓源，動力系統與所述控制系統連接。

加載機構能將動力系統的載荷傳穩定的傳遞到板簧上，并將動力系統和溫度環境隔離，相互沒有干擾。加載機構能夠模擬板簧實車的運動方式，使得板簧在受直線交變載荷下能夠自由的伸展滑動。

控制系統能夠根據設定的載荷或者壓縮量控制所述液壓伸縮驅動機構，可以滿足不同交變載荷或壓縮量的試驗條件。監測裝置，用以實時監測板簧的載荷和形變。

2.2 試驗方法優點

本試驗方法具有如下優點：

1）在本試驗方法的設計下，裝置結構簡單、控制方便、易于安裝維護，不但滿足了試驗要求，而且大幅度降低的試驗成本；

2）利用液壓系統使作動器往復運動，再利用加載系統，將液壓系統和溫箱系統隔離，使兩者不互相干擾，同時加載系統還能夠模擬板簧實車的運動方式，使得板簧在受直線交變載荷下能夠自由的伸展滑動；

圖1 裝置原理圖

圖2 裝置簡圖一

圖3 裝置簡圖二

圖4 裝置簡圖三

3）采用閉環控制方式，系統流量在120 L/min左右，額定壓力在21 Mpa左右，并采用雙出桿式的液壓作動器，其中作動器的行程和切換頻率由波形發生器進行控制，例如，在波形發生器中輸入設定的數值（位移或者力），即可通過電壓信號驅動伺服閥，從而控制液壓缸的動作，不斷進行閉環控制，又及，系統優選采用電子比例式調壓，根據設定程序自由改變作動器的推力大小，并采用蓄能器吸收加載過程中的沖擊；

4）在本試驗方法的設計下，不需要依賴堅固的地基，整套機械系統形成一個自平衡的內力結構，完全依靠系統自身的剛度，地基不承受載荷力，并且整套系統可以自由的移動，大幅度節約了試驗前期投入成本；

5）在本試驗方法的設計下，對溫箱的要求不高，并且采用了水平加載的方式，加載桿通過溫箱側壁的開孔連接到板簧上，這樣大幅度減小的溫箱內腔與外界的熱交換，使得溫箱內部溫濕度更均勻。

6）試驗案例與結果

該試驗方法已應用于某研發車型的板簧在交變濕熱下的疲勞載荷試驗，該試驗的板簧形變量為±45 mm，載荷值為1 T左右，載荷頻率為3 Hz，環境溫度為100～-60 ℃。該系統通過調節設備控制參數，可以較好地滿足了試驗任務書的要求。同時，由于該系統的結構特點，其拓展性較好，可以滿足多種尺寸類型的板簧在溫度應力下的疲勞載荷試驗需求。

系統為閉環控制，位移控制精度在1 mm之內，并通過位移傳感器進行實時監測。試驗中的位移控制曲線見圖5。試驗中的力監測曲線見圖6。

3 結論

本試驗方法的設計下，應用于汽車板簧在環境應力下的疲勞載荷試驗裝置結構簡單、控制方便、易于安裝維護，不但滿足了試驗要求，而且大幅度降低的試驗成本；將液壓系統和溫箱系統隔離，使兩者不互相干擾，同時加載系統還能夠模擬板簧實車的運動方式；試驗不需要依賴堅固的地基，整套機械系統形成一個自平衡的內力結構，并且整套系統可以自由的移動，大幅度節約了試驗前期投入成本；試驗對溫箱的要求不高，并且采用了水平加載的方式，加載桿通過溫箱側壁的開孔連接到板簧上，這樣大幅度減小的溫箱內腔與外界的熱交換，使得溫箱內部溫濕度更均勻。

圖5 試驗中的位移控制曲線

圖6 試驗中的力監測曲線

[1]黃瑋,趙又群. 汽車車輪動載荷的研究[D].南京：南京航空航天大學, 2006.

[2]張小榮,唐紹玉,吳貴根,等.汽車板簧的斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊, 2008, 44(5): 258?260.

[3]鄒喜紅,李靜,彭吉剛,等.基于實際載荷譜的汽車半軸疲勞壽命預測[J].機械設計與制造, 2016, 4(4): 122?129.

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[5]凌榮江,翁建生. 汽車板簧的建模及非線性分析[D].南京:南京航空航天大學, 2008.

Application Method of Fatigue Load under Temperature and Humidity Stress

ZHU Zheng-bang, LI Jie, HUANG Zhi-yong
(Tianjin Aerospace Relia Technology Co.,Ltd., Shanghai 201100)

Many of the test pieces in the actual use of the situation not only has a complex mechanical impact, alternating fatigue load, but also affected by the temperature, humidity. Corresponding to large test pieces, the general fatigue testing machine can not meet its size requirements, especially with the temperature and humidity environment. This test method, combined with hydraulic servo system and environment box, does not need specialized integration and customization. The advantage can meet the large test pieces, can add different environmental conditions according to the actual needs, and can be free to achieve specific structural action.In this paper, we take the automobile leaf spring as an example, illustrate a test method through the car leaf spring under the temperature and humidity stress fatigue test.

temperature and humidity stress; fatigue load; automobile leaf spring; test method

TH6

A

1004-7204（2017）05-0013-04

朱正邦，1988.11-），本科，工程師， 研究方向：機械自動化。

李杰，（1984.3-），本科，工程師，研究方向：環境可靠性。

黃志勇 ，（1984.7-），本科，工程師。