摘要：很多試驗(yàn)件在實(shí)際使用工況中不但有復(fù)雜的機(jī)械沖擊、交變疲勞載荷，還會(huì)受到溫度、濕度的影響。對(duì)應(yīng)于大型試驗(yàn)件，一般的疲勞試驗(yàn)機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足其尺寸要求，尤其是配合溫度濕度環(huán)境。本試驗(yàn)方法，將液壓伺服系統(tǒng)和環(huán)境箱結(jié)合到一起，不需要專(zhuān)門(mén)的集成定制，其優(yōu)勢(shì)在于：能滿(mǎn)足中大型的試驗(yàn)件，可以根據(jù)實(shí)際需要增加不同的環(huán)境工況，并且能自由的實(shí)現(xiàn)特定的結(jié)構(gòu)動(dòng)作。本文以汽車(chē)板簧為例，作者通過(guò)汽車(chē)板簧在溫濕度應(yīng)力下的疲勞載荷試驗(yàn)來(lái)說(shuō)明一種試驗(yàn)方法。

行駛在不同路面上車(chē)輛的車(chē)輪隨機(jī)動(dòng)載荷不一樣，不同路面等級(jí)所對(duì)應(yīng)的車(chē)輪動(dòng)載荷差距較大，變化很大，導(dǎo)致路面的疲勞應(yīng)力過(guò)分增大，引起過(guò)快損壞[1]。汽車(chē)板簧在工作中反復(fù)承受交變彎曲應(yīng)力，故對(duì)板簧的表面質(zhì)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(huì)由此產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞源，導(dǎo)致板簧早期疲勞斷裂[2]。汽車(chē)在行駛過(guò)程中遇到路面對(duì)輪子的沖擊力時(shí)，板簧產(chǎn)生變形，起到緩沖、減振的作用，縱向布置時(shí)還具有導(dǎo)向傳力的作用。由于路況的不同，板簧在實(shí)際過(guò)程中不但會(huì)受到機(jī)械沖擊、交變疲勞載荷，還會(huì)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(fù)合材料，對(duì)于復(fù)合材料的疲勞特性需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核。所以需要對(duì)板簧進(jìn)行在環(huán)境應(yīng)力下的疲勞載荷試驗(yàn)。

目前單獨(dú)做汽車(chē)板簧溫度應(yīng)力、疲勞載荷試驗(yàn)的方法有很多種，并且比較成熟，但是要同時(shí)滿(mǎn)足施加溫度應(yīng)力和疲勞載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)方法較少，屬于非標(biāo)設(shè)計(jì)，市場(chǎng)上存在較大的空白。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種簡(jiǎn)單、快捷、高效的應(yīng)用于汽車(chē)板簧在環(huán)境應(yīng)力下的疲勞載荷試驗(yàn)裝置，其在滿(mǎn)足不同試驗(yàn)條件的同時(shí)，使得整個(gè)試驗(yàn)在實(shí)施的過(guò)程中更加便捷，創(chuàng)新性的將溫箱和液壓疲勞加載系統(tǒng)結(jié)合在一起。

1. 試驗(yàn)思路簡(jiǎn)介

由于標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)機(jī)技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且應(yīng)用相當(dāng)普及，對(duì)于小型零部件級(jí)的試驗(yàn)件，其疲勞試驗(yàn)方法都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。在此基礎(chǔ)上，如果要施加環(huán)境應(yīng)力，例如溫度、濕度、低氣壓、光照等，則需要將試驗(yàn)件放置到一個(gè)環(huán)境箱內(nèi)。對(duì)于單個(gè)的環(huán)境箱，其技術(shù)成熟，試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化。但是如果將兩者結(jié)合在一起，將會(huì)面臨兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是需要特殊定制，將兩套系統(tǒng)集成在一起，這樣必然帶來(lái)成本的大幅度增加，并且只有單一工況需求時(shí)，又造成了資源的浪費(fèi)；二是當(dāng)試驗(yàn)件的尺寸較大，或者是部件及以上時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)機(jī)就不能滿(mǎn)足使用要求，需要非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備，此時(shí)，環(huán)境箱和疲勞設(shè)備的組合是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

首先要考慮到將疲勞試驗(yàn)機(jī)主體和環(huán)境箱隔離，避免環(huán)境應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生影響；其次是考慮疲勞試驗(yàn)機(jī)加載部分和環(huán)境箱的連接以及環(huán)境箱的密封；最后要根據(jù)不同的試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)、支撐工裝。

本試驗(yàn)方法，將液壓伺服系統(tǒng)放在環(huán)境箱外部，伺服系統(tǒng)的加載部分從環(huán)境箱的兩側(cè)伸進(jìn)環(huán)境箱內(nèi)部，試驗(yàn)件通過(guò)支撐工裝放置在試驗(yàn)箱內(nèi)部，伺服系統(tǒng)通過(guò)傳動(dòng)裝置將試驗(yàn)件連成一個(gè)整體。這樣，可以單獨(dú)設(shè)置疲勞載荷條件和環(huán)境應(yīng)力條件。

2. 試驗(yàn)具體方法

2.1 裝置介紹

本試驗(yàn)裝置的原理圖見(jiàn)圖1。裝置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2~圖4。

應(yīng)用于汽車(chē)板簧在環(huán)境應(yīng)力下的疲勞載荷試驗(yàn)裝置，其包括：

1) 溫濕度環(huán)境箱，用以提供環(huán)境應(yīng)力；
2) 動(dòng)力系統(tǒng)，以液壓作為動(dòng)力源，輸出精確往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；
3) 加載機(jī)構(gòu)，能夠在動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下使板簧按照實(shí)車(chē)狀態(tài)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；
4) 固定機(jī)構(gòu)，使得動(dòng)力系統(tǒng)、加載機(jī)構(gòu)和環(huán)境箱連接成一個(gè)整體，形成一個(gè)自平衡的內(nèi)力結(jié)構(gòu)；
5) 監(jiān)測(cè)裝置，至少用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)板簧的載荷和形變；
6) 控制系統(tǒng)，通過(guò)給定的信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的精確輸出。

動(dòng)力系統(tǒng)和溫濕度環(huán)境箱結(jié)合在一起形成一套新系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)并不是垂直放置于溫箱下方，而是通過(guò)溫箱的側(cè)壁進(jìn)行水平加載。動(dòng)力系統(tǒng)、加載機(jī)構(gòu)通過(guò)一個(gè)固定機(jī)構(gòu)形成一個(gè)自平衡的內(nèi)力結(jié)構(gòu)。動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)包括固定設(shè)置在固定機(jī)構(gòu)上的液壓作動(dòng)器及閥控制單元。動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓油作為介質(zhì)，提供穩(wěn)定壓力與流量的液壓源，動(dòng)力系統(tǒng)與所述控制系統(tǒng)連接。

加載機(jī)構(gòu)能將動(dòng)力系統(tǒng)的載荷傳穩(wěn)定的傳遞到板簧上，并將動(dòng)力系統(tǒng)和溫度環(huán)境隔離，相互沒(méi)有干擾。加載機(jī)構(gòu)能夠模擬板簧實(shí)車(chē)的運(yùn)動(dòng)方式，使得板簧在受直線交變載荷下能夠自由的伸展滑動(dòng)。

控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定的載荷或者壓縮量控制所述液壓伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以滿(mǎn)足不同交變載荷或壓縮量的試驗(yàn)條件。監(jiān)測(cè)裝置，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)板簧的載荷和形變。
固定支架底部支撐1、固定支架靜止端2、加載系統(tǒng)靜止端3、溫箱側(cè)壁通孔4、溫箱5、加載系統(tǒng)支撐架6、加載系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)端7、力傳感器8、液壓作動(dòng)器9、固定支架運(yùn)動(dòng)端10、加載系統(tǒng)靜止導(dǎo)軌11、加載系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)輪12、板簧13。


圖1 裝置原理圖一


圖2 裝置簡(jiǎn)圖一


圖3裝置簡(jiǎn)圖二


圖4裝置簡(jiǎn)圖三

2.2試驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)

本試驗(yàn)方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 在本試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)下，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、易于安裝維護(hù)，不但滿(mǎn)足了試驗(yàn)要求，而且大幅度降低的試驗(yàn)成本；
2) 利用液壓系統(tǒng)使作動(dòng)器往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再利用加載系統(tǒng)，將液壓系統(tǒng)和溫箱系統(tǒng)隔離，使兩者不互相干擾，同時(shí)加載系統(tǒng)還能夠模擬板簧實(shí)車(chē)的運(yùn)動(dòng)方式，使得板簧在受直線交變載荷下能夠自由的伸展滑動(dòng)；
3) 采用閉環(huán)控制方式，系統(tǒng)流量在120L/min左右，額定壓力在21Mpa左右，并采用雙出桿式的液壓作動(dòng)器，其中作動(dòng)器的行程和切換頻率由波形發(fā)生器進(jìn)行控制，例如，在波形發(fā)生器中輸入設(shè)定的數(shù)值（位移或者力），即可通過(guò)電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服閥，從而控制液壓缸的動(dòng)作，不斷進(jìn)行閉環(huán)控制，又及，系統(tǒng)優(yōu)選采用電子比例式調(diào)壓，根據(jù)設(shè)定程序自由改變作動(dòng)器的推力大小，并采用蓄能器吸收加載過(guò)程中的沖擊；
4) 在本試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)下，不需要依賴(lài)堅(jiān)固的地基，整套機(jī)械系統(tǒng)形成一個(gè)自平衡的內(nèi)力結(jié)構(gòu)，完全依靠系統(tǒng)自身的剛度，地基不承受載荷力，并且整套系統(tǒng)可以自由的移動(dòng)，大幅度節(jié)約了試驗(yàn)前期投入成本；
5) 在本試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)下，對(duì)溫箱的要求不高，并且采用了水平加載的方式，加載桿通過(guò)溫箱側(cè)壁的開(kāi)孔連接到板簧上，這樣大幅度減小的溫箱內(nèi)腔與外界的熱交換，使得溫箱內(nèi)部溫濕度更均勻。

3. 試驗(yàn)案例與結(jié)果



該試驗(yàn)方法已應(yīng)用于某研發(fā)車(chē)型的板簧在交變濕熱下的疲勞載荷試驗(yàn)，該試驗(yàn)的板簧形變量為±45mm，載荷值為1T左右，載荷頻率為3Hz，環(huán)境溫度為100℃~-60℃。該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備控制參數(shù)，可以較好地滿(mǎn)足了試驗(yàn)任務(wù)書(shū)的要求。同時(shí)，由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其拓展性較好，可以滿(mǎn)足多種尺寸類(lèi)型的板簧在溫度應(yīng)力下的疲勞載荷試驗(yàn)需求。



系統(tǒng)為閉環(huán)控制，位移控制精度在1mm之內(nèi)，并通過(guò)位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)中的位移控制曲線見(jiàn)圖5。試驗(yàn)中的力監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖6。


圖5試驗(yàn)中的位移控制曲線


圖6試驗(yàn)中的力監(jiān)測(cè)曲線

4. 總結(jié)

本試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)下，應(yīng)用于汽車(chē)板簧在環(huán)境應(yīng)力下的疲勞載荷試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、易于安裝維護(hù)，不但滿(mǎn)足了試驗(yàn)要求，而且大幅度降低的試驗(yàn)成本；將液壓系統(tǒng)和溫箱系統(tǒng)隔離，使兩者不互相干擾，同時(shí)加載系統(tǒng)還能夠模擬板簧實(shí)車(chē)的運(yùn)動(dòng)方式；試驗(yàn)不需要依賴(lài)堅(jiān)固的地基，整套機(jī)械系統(tǒng)形成一個(gè)自平衡的內(nèi)力結(jié)構(gòu)，并且整套系統(tǒng)可以自由的移動(dòng)，大幅度節(jié)約了試驗(yàn)前期投入成本；試驗(yàn)對(duì)溫箱的要求不高，并且采用了水平加載的方式，加載桿通過(guò)溫箱側(cè)壁的開(kāi)孔連接到板簧上，這樣大幅度減小的溫箱內(nèi)腔與外界的熱交換，使得溫箱內(nèi)部溫濕度更均勻。

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