高頻疲勞力控制共振試驗機研制概述

奚鋒 任浩源 黃迪青

上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司 上海 201800

摘 要汽車工業發展至今，各種零件的振動和疲勞有著緊密關聯，振動疲勞試驗目前應用廣泛。針對現有疲勞試驗機性價比及效率難以平衡的問題，基于力學理論、三維幾何建模及有限元仿真對高頻疲勞力控制共振試驗機進行研制。

關鍵詞疲勞；共振；試驗機；汽車零部件

引言

所研制的高頻疲勞力控制共振試驗機是一種專門用于汽車零部件耐久試驗的儀器。可在20Hz以上頻率、8mm以上幅值、采用力控制對樣件進行高效的疲勞試驗。目前市面上多采用液壓激勵[1-2]及電磁激勵[3-4]的方法進行耐久試驗。液壓激勵設備成本極高且有漏油、噪聲大、維護保養成本高等缺點。電磁激勵多用于共振臺，若振幅過大將超出磁場范圍，不適合疲勞耐久試驗。

因此研制機械激勵式高頻疲勞力控制共振試驗機，基于共振點能耗最小且幅值最大的原理，進行高幅值、高頻率、低能耗的力控制疲勞試驗。

1 理論分析

1.1 理論模型

高頻疲勞共振試驗機由試驗臺、平衡鐵、大小弓形環及固定端等組成，其理論模型如圖1所示，將需要加載力的樣件視為一個彈性體，彈性剛度k0激勵裝置m2產生的振動通過二自由度振動系統放大振動至加載端m1。

1.2 頻率響應計算

對模型在受到外力作用時進行受力分析，如圖2所示。

圖2 受力分析示意圖

可列出平衡方程：

其中：m1為實驗臺質量，單位kg；m2為平衡鐵質量，單位kg；x1、x2為需要求解的m1及m2的振動曲線；g1、g2為施加的外載荷，單位N。

其中：k1為大弓形環的剛度系數，單位N/m；keq為試樣、螺栓和傳感器串聯的剛度系數，單位N/m；k2為小弓形環的剛度系數，單位N/m。

若系統施加F0的力，則：

將平衡方程變化為矩陣形式：

設穩態解為：

聯立式6和式7得：

從而獲得幅頻函數：

令F0= 0，可以得到振動系統的固有頻率：

其中：w1、w2位角頻率，單位rad/s；f為頻率，單位Hz。

2 設備研制

2.1 激勵源選型

目前市面上多采用液壓激勵及電磁激勵的方法進行耐久試驗。液壓激勵多用于耐久試驗通過做動器與樣件相連的方式進行直接激勵，若要達到高頻率、大幅值的要求，設備成本極高且需液壓油源占用較大面積。同時液壓設備有漏油、噪聲大、維護保養成本高等缺點。電磁激勵多用于共振臺，主要用于測量樣件的固有頻率等。由電磁鐵和銜鐵組成，通過控制改變電磁鐵內電流方向，達到改變磁極的目的，形成銜鐵的上下振動。其可以高效低耗的達到高頻振動的效果，但是電磁鐵一般在其距離2mm范圍內才有磁場，若振幅過大將超出磁場范圍，不適合進行高幅值疲勞試驗。因此本試驗機采用機械激勵的方式，通過彈簧將兩個不平衡軸旋轉產生的振動加載至整個系統中。基于共振點能耗最小且幅值最大的原理，在所設定的掃頻范圍內得到激振器功率最小的點對應的頻率，即整個系統的共振頻率，在該頻率下進行高幅值、高頻率、低能耗的力控制疲勞試驗。

2.2 控制系統

控制系統采用工控機配合NI板卡的方式。具體如圖3所示。NI板卡通過變頻器控制振動電機轉速，通過伺服驅動器控制靜態加載電機轉動。力傳感器和激光位移傳感器通過模擬量信號將數據傳回工控機。

圖3 控制系統

2.3 幾何建模

疲勞試驗機的幾何模型如圖4所示，由固定組件，加載組件，激振組件組成。固定組件包括工作平臺及支撐座。靜態力加載組件的上支架與工作平臺下端連接，靜態力加載組件下支架與支撐支架連接。擁有著可以使試驗機平穩擺放的基座，是整個疲勞試驗機的基礎。加載組件負責施加樣件的靜態力，通過靜態加載電機驅動絲桿實現對樣件的靜態力加載。激振組件上端與樣件相連，中間部分通過減震彈簧與工作平臺及支撐組件連接。通過一對振動電機并列排放，抵消左右及前后方向的振動，樣品僅受到上下方向的振動。電機固定在配重塊上。

圖4 試驗機三維模型

2.4 動力學分析

采用ADMAS軟件對試驗機進行動力學仿真，如圖5所示。將固定組件及加載組件的電機等設為剛體，激振組件的減震彈簧及樣件設為彈性體，分別設置各自的參數進行仿真。在無阻尼狀態下，系統僅受重力作用自由振動，整個系統的受力情況在頻域及時域如圖6所示。在頻域可以清楚地看到系統的固有頻率。當激振力的頻率與系統固有頻率相差較遠時，系統不會產生共振現象，系統的振幅較小。在試驗機實際使用過程中，試驗前進行掃頻，找到樣件及試驗機系統的固有頻率點，并在該頻率附近進行疲勞試驗。

圖6 仿真結果

3 結束語

本文通過理論分析、三維建模及仿真模擬的方式研制高頻疲勞力控制共振試驗機。所設計的試驗機可在樣件固有頻率進行高效試驗。