汽車橡塑件試驗機設計

王遠亮

摘要：為了使汽車橡塑件滿足強度要求并增加其安全性，在出廠前需要對橡塑件進行疲勞試驗，以確定試件是否合格。本研究針對汽車橡塑件疲勞試驗設計了試驗機，該試驗機采用鉸接四桿機構，以伺服電機為驅動力，配合所設計的控制系統，能夠很好地完成試驗工作，且與液壓試驗機相比，成本得到了大幅的降低。

關鍵詞：汽車橡塑件；試驗機；機構模型；控制系統

橡塑件作為汽車制造過程中的重要組成部分，對減輕汽車重量、減緩汽車振動及增加舒適度均有重要作用，在汽車領域應用十分廣泛，其批量出廠之前需要進行抽樣疲勞的試驗，這項工作既費時又費力。在汽車行駛的過程中，這些橡塑件會受到重力和振動力的作用。為使驗收標準統一，制定試驗規范，對試件的振幅、頻率、交變力、常壓力的大小及變化的試驗次序都進行統一規定。在進行疲勞試驗時，試件的試驗力幅需要保持恒定，由于在疲勞試驗時橡塑件本身存在“松弛”的現象，故振幅保持恒定的情況下，其力幅與試驗成反比關系，此時，需要不斷地增大振幅以滿足力幅恒定的技術要求。總之，汽車橡塑件疲勞試驗對疲勞試驗機的振動幅度和振動頻率均提出了一定要求，才可實現試驗目標。

液壓試驗機具備調頻調幅功能，非常符合這一試驗的要求，但是液壓試驗機的造價和運行成本高；電液伺服系統滿足快速響應、大功率輸出、高精度的控制與非常強的通用性等優點，故大多數的疲勞試驗選擇通過電液伺服系統的疲勞試驗機上進行。但是電液伺服系統維修復雜、價格昂貴、能源消耗大，對于復雜工況的模擬不易實現；而機械式的疲勞試驗機具有更強的專用性，能夠針對特定產品完成較復雜試驗，且制造簡便、工作可靠、磨損輕，在對精度要求較低的產品試驗中應用廣泛。

1 機械式疲勞試驗機機構模型

本研究所構建的機械式疲勞試驗機，執行機構為鉸接四桿機構里用處最多的曲柄搖桿機構，此機構可以使用正弦波加載，加載幅值與頻率均可調，能夠進行位移控制的產品疲勞實驗。因為曲柄作的是整周勻速運動，其上各點在垂直方向運動軌跡與正弦曲線類似，所以搖桿上各個點在垂直方向軌跡也類似正弦曲線。曲柄每進行一周旋轉，搖桿可上下擺動一次。因此對曲柄的長度和轉動頻率進行調整，搖桿的擺動幅值和頻率就會產生相應的變化。此模型還能夠對擺桿長度進行調整，即對擺動中心進行調整，以滿足各種型號和類別的試件疲勞試驗條件。對于使用上述機構的試驗機，當搖桿末端外接試樣時，試驗機上所施加得載荷為正弦波；曲柄長度改變，可使加載波的幅值發生變化；利用變頻器對電機轉速進行調整，繼而調整加載頻率；上述過程即為機械式試驗機的工作機理。試驗過程中，需要對橡塑件是否已到疲勞極限進行判斷，所用方法一般有兩種：一是觀察橡塑件的表面是否出現較為明顯的龜裂或試件已發生斷裂，二是通過傳感器測量橡塑件的動剛度是否超出規定數值，通常規定為正常情況的15%。其中動剛度的含義為試件受力與其振幅的比值。若試驗是力幅恒定的試驗，此時試件所受力為常數，則從試驗時振幅變化情況便可得到動剛度的變化情況。假如規定動剛度變化為15%，如果在試驗過程中振幅增加超過15%，便能夠認為該試件已經發生疲勞失效。若試驗的次數還沒有達到預先設定好的次數（通常要求上百萬次），則可以判定此試件為不合格產品。為能夠直觀判定試件的疲勞狀況，可定時的對振幅進行采集記錄并繪制振幅隨著時間變化的曲線。通過曲線的斜率變化，即可對試件疲勞程度進行判斷，尤其試件在失效前曲線斜率會顯著增大。當曲線振幅的變化值超過15%時，系統自動停機。

2 橡塑件疲勞試驗的控制系統

2.1 橡塑件的疲勞壽命

建立汽車橡塑減震的受力模型，其中m為作用于橡塑件上的負荷，橡塑件的質量相對于負荷很小，可以省略。將橡塑件化簡成剛度是K、阻尼系數為R的簡化物理模型，靜止時橡塑件受負荷m，產生一定位移為l，并在新的位置平衡，此時的橡塑件受力即為：

F0=mg=Kl

在汽車行駛中，汽車振動造成負荷m產生上下運動，從而導致橡塑件在平衡點也作往復運動，設負荷m造成的位移為y，此時橡塑件受力可寫成：

F=mg+my″=Kl+Ky+Ry'

汽車在平穩移動時y”保持恒定，橡塑件受常力mg與交變的慣性力my”影響，發生蠕變導致阻尼和剛度變小，造成橡塑件受到動位移y與靜變力l變大，直到產生失效。橡塑件在恒力作用下發生疲勞失效的往復運動次數稱為橡塑件的疲勞壽命。

2.2 控制系統構成

控制系統主要有主控設備和相關傳感器構成。其中試驗機與橡塑件的接觸面安裝有力傳感器，用于實時反饋被測橡塑件的受力變化；試驗臺安裝位移傳感器，用于對試驗機的振幅進行測量。試驗過程中，分別通過位移、壓力等傳感器采集被測橡塑件的壓力和位移，經模數轉換后傳入計算機，經計算機分析處理將結果進行存儲和顯示，再將相關的曲線和圖表打印出來。在計算機上建立控制系統人機交互界面，實現對試驗項目的可視化操作，以及試驗數據的導入和導出，方便用戶的操作。

3 結語

汽車橡塑件的質量決定著汽車整車的質量與安全，故對汽車橡塑件進行疲勞試驗有重大意義。一臺好的試驗機可以高質量高可靠性的完成橡塑件的疲勞試驗，對于橡塑件的質量提升和把控非常重要。本文所設計的汽車橡塑件試驗機，結構簡單可靠，易于維護和使用，能夠長期穩定的工作，對于提升汽車橡塑件的質量有一定的現實意義。

參考文獻：

[1]李佳，雍占福，王青春，謝熠萌.橡膠材料疲勞試驗機的設計和疲勞壽命模型的建立[J].橡膠科技，2018，16（03）：1218.

[2]牟智佳.學習者數據肖像支撐下的個性化學習路徑破解——學習計算的價值賦予[J].遠程教育雜志，2016，34（06）：1119.

[3]江賢志，劉華章，張教育，饒伎云，孫磊.基于C8051F020單片機的RS485串行通信設計[J].電子測量技術，2014，37（03）：121124.

[4]陳新元，陳奎生，曾良才，楊啟梁，付連東.汽車零部件通用疲勞試驗機研制[J].液壓氣動與密封，2007（01）：1415+18.

[5]留麗苑，陳國金，陳國飛.汽車球形接頭試驗機CAT系統設計[J].機電工程，2006（11）：5455+58.

[6]鄭清錦，丁占鰲，任革學.可自動調頻調幅的汽車緩沖件疲勞試驗機恒力幅控制系統[J].橡膠工業，2003（04）：233236.

[7]趙熙雍.橡膠彈簧和橡膠關節試驗機[J].機車電傳動，2001（04）：4546.