一種車輛防護裝置試驗臺架柔性化功能的實現

摘要：為實現不同型號規格的車輛防護裝置能在同一臺套試驗臺架上安裝，通過對運行原理進行分析，對主要零部件進行受力分析與計算，并確定關鍵技術參數，可實現不同型號的后下防護裝置可在同一臺架上進行強度試驗，從而有效提高強度試驗的檢驗效率，降低檢驗成本。

關鍵詞：車輛防護裝置；柔性化；強度試驗

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2022-11-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.02.017

1 前言

車輛防護裝置主要有側面防護裝置、前下部防護裝置以及后下部防護裝置。根據GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》［1］及GB 26511-2011《商用車前下部防護要求》的規定，車輛防護裝置的強度試驗可在剛性臺架上進行。為滿足企業在車輛防護裝置零部件在強度試驗上的需求，本文以后下部防護裝置強度試驗為主要研究對象，同時滿足側面防護及前下部防護強度試驗要求，研究一種柔性化試驗臺架，實現試驗臺架能對不同車輛防護裝置進行試驗，同時對于同種防護裝置不同型號之間也能實現安裝試驗，需要試驗臺架具備柔性化功能。

2 柔性化功能實現的必要性及運行機理

由于車輛防護罩裝置屬于非標準定制產品，國家標準只對長度、寬度尺寸做了限值要求，需滿足強度試驗要求即可［1］。這導致車輛防護裝置在生產過程中沒有統一的標準，每個車企生產的車輛防護裝置五花八門，車輛防護裝置存在不同類別，不同噸位不同型號的車輛也不相同。要想實現一種試驗臺架能對不同種類的防護裝置進行強度試驗，需對試驗臺架進行設計。

設計試驗臺架的難度主要體現在克服車輛防護裝置在安裝寬度、與車輛底盤的連接方式、離地高度等方面的多樣性，同時還需考慮經濟成本。通過絲桿與導軌滑塊的配合，實現對不同車輛防護裝置的安裝；通過轉換板的更換，可解決不同連接方式的問題；通過調整轉換板的安裝寬度，實現離地高度的調整。

3 主要零部件關鍵參數確定

3.1 連接轉換板的設計

各類車輛防護裝置在市場上沒有統一的標準，有的通過螺栓與車架底盤連接，有的通過焊接與車輛底盤相連，就算同為螺栓連接，在螺栓尺寸、螺紋孔數量、種類也不盡相同，為能更真實地模擬防護裝置在車輛底盤上的安裝狀態，使試驗數據更加可靠，同時考慮制造成本，又能實現柔性化功能，在防護裝置與車輛支撐板之間加入一塊轉換板。為能實現連接強度，轉換板與支撐板通過六根螺栓進行連接，同時實現轉換板的可拆卸性，當需對不同類型的防護裝置在試驗臺架進行試驗時，只需在轉換板上焊接或者鉆符合要求的螺紋孔即可，轉換板如圖1 所示。

車輛防護裝置品類眾多，為非標定制產品，圖1 所示的轉換板只能滿足較為常見的防護裝置安裝，部分車輛生產企業結合專用車輛的特點，設計造型獨特的防護裝置，安裝方式與普通的防護裝置差別較大，或者為提升防護裝置的強度，增加斜撐，根據GB 11567-2017 的要求，在剛性臺架上安裝防護裝置進行強度試驗，其連接件應與實際安裝到車輛上的相同，這對試驗臺架提出了新的要求。為能實現更多種類防護裝置的安裝，設計如圖2 所示的轉換板。

3.2 導軌滑塊的選型

根據調研結果，市場上裝有后下部防護裝置的車架寬度約為700～900 mm，對于安裝在不同底盤上的車輛防護裝置，其安裝寬度尺寸不一。試驗臺架為能實現不同安裝寬度的要求，考慮使用將支撐板安裝于滾珠絲桿連接的導軌滑塊，通過滾珠絲桿傳動，帶動安裝在滑塊上的支撐板進行運動，實現安裝寬度的調整。為此需結合使用情況，對導軌滑塊以及滾珠絲桿進行選型。

3.2.1 直線運動系統選用思路

a. 結合現場使用情況初步確定導軌與滑塊的基本配置形式及大概型號規格。

b. 需計算靜載荷安全系數，當導軌滑塊承載大于其額定靜載荷的重量時，導軌與滑塊相接觸的平面和滾珠會產生塑性變形，若導軌與滑塊的塑性變形超過一定限制，導軌滑塊就無法穩定工作，影響試驗結果［2］。因此，需結合所選型號導軌滑塊的額定靜載荷，以及實際使用過程中的最大載重，計算靜載荷安全系數是否能滿足實際使用要求。

c. 計算導軌滑塊的使用壽命，不同型號規格的導軌滑塊有不同的額定動載荷，同時考慮實際使用環境、工況以及使用最大動載荷來確定，計算導軌滑塊理論能達到的運行長度或者時間。

d. 若以上需計算的靜載荷安全系數和理論使用壽命中的某一項滿足不了實際需求，則需更改型號規格和配置形式，對主要參數進行重新計算校核。

3.2.2 導軌滑塊的選型順序

a. 明確導軌滑塊實際使用需求。如通過導軌滑塊安裝空間的大小以及使用需求來確定導軌的尺寸長度、導軌的數量、滑塊的數量、各導軌之間的位置參數、導軌的安裝方向，以及承受負載的大小、受力方向、受力點、導軌滑塊的使用頻次、運行速度及加速度、導軌及滑塊的表面精度要求、剛度強度要求，同時要考慮使用的環境如濕度、溫度、粉塵等。

試驗臺架通過T 形螺母固定在三級鐵地板上，導軌滑塊安裝在尺寸為1 200 mm×1 300 mm 的試驗臺面，安裝臺面垂直于鐵地板，導軌運行方向與地面平行，為水平安裝，載荷方向垂直于試驗臺架臺面，承受最大靜載荷為200 kN，剛度和強度按此核算，導軌滑塊只在調整安裝寬度的時候使用，導軌滑塊通過絲桿轉動，絲桿為人力驅動，對導軌滑塊的運行速度與加速度不做要求，表面精度只需能在試驗臺架安裝即可，無特殊使用環境。

b. 確定導軌的安裝方式與和產品系列。根據應用領域的不同，如機床的一般應用、自動化生產設備應用、儀器儀表設備的應用、工業化重型設備的應用等場合，不同制造廠會根據實際情況設計制造不同系列產品。有的制造廠則會根據導軌的承載方式確定產品系列，承載方式主要分為垂直載荷、水平載荷、垂直水平載荷、一定角度的載荷等形式。設計者需根據導軌滑塊的實際使用需求及環境，選擇合適的制造廠和產品系列，將導軌滑塊的作用最大化。

c. 確定導軌滑塊的精度等級。導軌滑塊是一個裝配而成的系統，由許多精密儀器所組成，包括滾動體、潤滑劑、滑塊、導軌等零件。每個零件自身的表面精度和相互之間的裝配精度在系統裝配完成后造成一個整體精度誤差，此精度誤差決定著導軌滑塊的精度等級。不同制造廠的制造工藝、裝配工藝不盡相同，制造廠會結合實際情況將自己生產的導軌滑塊整體精度分成多個等級。結合使用需求，如需考慮導軌底面與安裝制作之間的精度、導軌頂面與滑塊底面之間的精度、多根導軌之間的精度以及滑塊表面與安裝部件底面之間的精度等，再確定選用的導軌滑塊的合理精度等級。

d. 初步確定導軌與滑塊的數量、尺寸要求等參數。根據試驗臺架的主體尺寸，選用與試驗臺架主體尺寸相符的導軌公稱型號；也可以參照以往經驗，選擇同類產品的相同型號；還可以根據與之相配合的傳動件絲桿的尺寸進行確定，選擇與絲桿相同或最接近的導軌滑塊型號；還可以依據單個滑塊的承載情況，計算出滑塊的額定負載，進而選擇負載相符的導軌型號，再根據空間布局，確定導軌與滑塊的數量。

根據導軌滑塊的負載情況確定基本型號，還需考慮導軌滑塊的使用數量。根據實際使用情況，導軌滑塊的目的在于調整試驗臺架的安裝寬度，只需單邊調整即能滿足需求，即一邊為導軌滑塊，另一邊使用固定支座的安裝形式，可滿足試樣的固定。初步確定導軌的安裝數量為2，滑塊的數量為2。兩滑塊水平對齊，兩導軌間的安裝距離根據臺面尺寸確定。

e. 載荷計算。試驗臺架在對導軌滑塊使用時，主要承受靜載荷，滑塊在移動時，只承受支撐板與轉換板的重力，可忽略不計，所以在對滑塊選型時，只考慮靜載荷的計算。根據使用需求，確定由2 根導軌、2 個滑塊組成，則單個滑塊的最大工作載荷計算如：

式中，Fm 為工作負載，單個滑塊所承受的最大工作載荷，此處載荷施力點在中間位置，且有2 個滑塊；F 為系統最大靜載力，取200 000 N。

f. 確定導軌滑塊的預壓力。通常來講，如果導軌與滑塊之間未留有預壓力，則它們之間會存在間隙，這對導軌滑塊的運行精度、裝配工藝、承載壓力和剛度均有不同程度的影響。為避免以上現象發生，可通過增大滾動體的直徑來實現給予導軌與滑塊負向間隙，從而實現預壓力的施加，根據使用要求，同時綜合考慮導軌滑塊的使用壽命，確定選用輕預壓的方式。輕預壓的預壓力Fa=（0～0.02 C），其中C 為導軌滑塊的額定動載荷。

g. 計算使用壽命L。根據以上條件選取的導軌滑塊型號，所選用的滑塊為滾珠型，在正常潤滑狀態下，對其使用壽命進行計算，使用壽命可按下式進行計算：

式中，L 為導軌總行駛里程；C 為選取的導軌滑塊的基本額定動載荷，C=151 100 N；fH 為硬度系數，根據選用的型號，取fH=1；fW 為負載系數，根據使用場合，取fW=1.2；fc為實際使用過程中在力矩與安裝精度的影響下，載荷會分布不均勻，為了消除這部分所引起的影響，特別設置的一個系數，取fc=1；fT 為溫度系數，常溫時，取fT=1；fmax為最大工作負載，為第e 步工作負載Fm 和第f 步預壓力Fa 的和，fmax=Fm+Fa。預壓等級為輕預壓，根據選取導軌滑塊型號，C=151 100 N，取Fa=0.02C=3 022 N，工作負載

Fm=100 000 N，則fmax=103 022 N。

3.2.3 絲桿的選型

a. 計算負載大小。滑塊主要承載重量包括2 塊支撐板、2 塊轉換板，以及樣品質量，經計算總質量為200 kg。

b. 絲杠為垂直安裝方向，通過支撐板與滑塊相連。

c. 導軌的形式為線性導軌。

d. 絲杠的行程需能實現600～1 000 mm 的安裝寬度調節，其行程為400 mm。

e. 絲桿一般與電機相連接，因試驗臺架只需通過絲桿來控制安裝寬度，通過手動控制即可，則負載移動的速度會根據手搖速度決定，取v=2 mm/s，導程選擇通用參數即可。

f. 負載需要的加速度也根據手搖速度決定，這里不做要求。

g. 為控制造價成本，結合使用場合對絲桿的精度沒有要求，這里確定絲杠的精度為最低級：C3 級。對于其他條件，試驗臺架為普通使用環境，未有其他要求。

h. 絲桿載荷計算。絲桿在移動時主要承受安裝附件及試驗樣品的重量，需對其校核靜摩擦力是否滿足使用要求。絲桿在潤滑良好的狀態下，靜態摩擦系數μ0 的取值范圍0.1～0.15，結合使用環境，選取μ0=0.1，則絲桿的靜摩擦力：

F0 = μ0 Mg + f = 220 Ν （3）

式中，F0 為絲桿靜摩擦力；M 為安裝附件及工作臺質量，M 為200 kg；f 為導軌滑塊密封阻力，按4 個滑塊，每個滑塊密封阻力5 N。

經計算載荷完全滿足成年人的正常使用。根據以上要求技術參數，可確定絲桿的型號。

4 結語

通過對防護裝置的特點分析，設計防護裝置與試驗臺架相連接的轉換板，滿足與不同類型的車架連接方式，并利用直線導軌與絲桿，滿足各類車輛防護裝置安裝寬度的需求，從而實現試驗臺架的柔性化功能。

參考文獻：

［1］GB 11567-2017汽車及掛車側面和后下部防護要求［S］

［2］郁漢琪數字化設計與制造實訓教程［M］南京：東南大學出版社，2016

作者簡介：

饒舒林，男，1992 年生，助理工程師，研究方向為專用汽車檢驗。