助力器耐久试验台机械结构设计

摘 要：助力器是借助压缩空气、高压油达到增力目的的关键部件，它广泛应用于飞机、汽车、工程机械等许多重要领域。其性能将直接影响到设备安全运行的可靠性，因此在出厂前必须进行严格的疲劳及性能测试，从而对助力器耐久试验台的研究也越来越受到重视。文章依据系统总体的技术指标要求，对助力器耐久试验台的机械结构进行了设计。

关键词：助力器；结构设计；耐久试验台

液压助力器起源于20世纪50年代飞机助力操作系统，随着飞机的速度和质量不断增大，从而使驾驶杆力显著增大，依靠传统简单机械操纵系统减小操纵杆力的方法已不适用，它的出现解决了飞机舵面力矩过大带来驾驶员操纵力不够的问题[1-3]。使驾驶员不再直接由机械传动机构操纵舵面，而是操纵助力器再由助力器操纵舵面，驾驶员在操纵时只需要克服很小的系统阻力，这样极大提高了飞机的可操纵性和安全性。在发达国家，对耐久实验台进行了大量研究，在实际生产过程中已应用比较广泛，并且取得了很好的经济效益和社会效益。而国内的厂家生产出的助力器耐久实验台的性能与发达国家相比，还有一定的差距，精度不高，普遍存在数据采集和处理不准确的问题，从而在一定程度上影响了结果的可信性。

1 试验台结构设计总体方案简介

助力器耐久试验台是一套复杂的机电液控制的模拟实验系统。文章在参考了国内外相关研究的基础上，针对助力器耐久试验台检测的内容及试验台的技术要求以及指标要求，同时考虑到试验台工作的可靠性、耐久性和操作简便性，完成了耐久试验台的机械结构部分的设计方案。

试验台总体结构包含以下几个部分：实验台支撑架、加载系统、输入系统、操纵装置、高低温箱、油盘、传动装置。试验台总体机械结构如图1所示。

1操纵装置；2高低温箱；3输入装置；4油盘；5加载装置

图1 试验台总体机械结构

2 输入系统的设计

输入系统是试验台的重要组成部分，主要由助力器、助力器安装座构成。助力的安装采用铰接安装在固定耳环上，这种安装方式安装的液压缸可以承受轴向力，并且在某个平面内有一定的摆动自由度。由于助力器液压缸的运动为直线往复式运动，液压缸在往复运动时，由于机构的相互作用，使其轴线产生摆动，为达到调整位置和方向的要求，安装形式只能采用使其能摆动的铰接方式，工程机械、农业机械、船舶甲板机械等所用液压缸多用这类安装形式。安装耳环再通过螺纹连接安装在安装座上，输入缸的活塞通过铰接的方式与传力杆连接。这种设计可以更灵活地更换助力器产品，使得试验台满足多种类实验产品的测试，提高试验台的灵活性。安装底座采用钢板焊接而成，工艺简单便于制造。钢板结构的主要承力方式为弯曲，由于安装座的尺寸较大，为了保证其强度和刚度，同时提高其结构的稳定性。安装座采用了布置肋板的结构，其稳定性较高，强度和刚度很好的满足了要求。而不是一味地采用增大结构截面面积来提高强度和刚度，一方面，平台的重量会急剧的增加，另一方面截面面积增加的同时，必然造成平台惯量的增加和结构局部刚度的降低。同时采用肋板的结构对材料的利用率也很高，降低的制造成本。因此对于安装座的结构，从工艺性和平台的局部刚度来考虑，安装座采用了布置肋板的结构。

3 加载系统的设计

加载系统主要部件是：加载液压缸、液压缸安装座、十字节、圆锥滚子轴承。加载系统主要是用来施加载荷的，模拟助力器在工作中所遇到的各种阻力载荷，提供载荷的主要部件是加载液压缸。同样在加载的过程中，由于液压缸在往复运动时，机构的相互作用，使其轴线产生摆动，为达到调整位置和方向的要求，安装形式也只能采用铰接安装。而加载液压缸使用是耳轴式安装，在设计耳轴时需注意耳轴必须与液压缸轴线垂直。

耳轴被安装在一个十字节上，十字节的端盖与安装座前后立板之间有一定间隙，使其在垂直方向上有一定的转动自由度。采用十字节可以实现当轴线发生倾斜时的微调，使加载液压缸达到方位要求。由于液压缸采用耳轴式安装时，也允许负载在一个方向上有摆动，但在与其垂直的另一个方向上却不允许有任何摆动或串动，否则，液压缸就会因受到弯曲载荷而造成螺纹折断现象。所以在垂直方向上用一带螺纹的圆环端盖进行轴承的游隙调节，达到轴承及十字节定位的效果。

带螺纹的圆环端盖用螺纹与轴承顶端固定座连接，轴承顶端的固定座采用筋板结构。由于耳轴式安装是不宜采用球面轴承，这种轴承在其中心线产生倾斜能自身微调，这种轴承对本身来说是有利的。但对于液压缸的耳轴来说却是不利的，因为采用滑动轴承，则耳轴只承受剪切应力；若采用球面轴承，则耳轴除了要承受同样的剪切应力外，还要附加一个因耳轴轴线倾斜而产生的弯矩，受力情况明显恶化，因此对十字节处的轴承选用圆锥滚子轴承。同样安装底座同为焊接构件，将其直接通过螺栓固定在试验台支撑架的上底板上。

4 中间传动连接装置结构设计

由于在做耐久性实验时，不可能直接将两液压缸直接进行连接，因此必须要有中间的传动连接装置，实现运动的传递。中间传动连接装置主要由万向节、传力杆、连接螺纹、拉杆、传感器、中间保持架构成。两侧的拉杆被固定在加载缸安装座和液压缸安装座上，将其主要作为中间保持架的支撑导柱。保持架采用肋板结构，将其上下部分通过螺栓连接安装于拉杆上，中间设有导向孔，对传力杆进行导向作用，由于传力杆与导向孔直接接触会产生较大的摩擦，从而造成机械的快速磨损，因此必须在导向孔和传力杆间安装直线轴承。

对于传动部分，加载缸通过活塞加长杆与拉力传感器法兰盘连接，拉力传感器法兰盘与万向节相连，万向节再与拉力传感器连接，进行力信号的采集，拉力传感再与中间传力杆连接，同时传力杆通过两个直线后传力杆的另一端再与助力器铰接，实现传动连接。通过万向节与拉力传感器连接的作用是由于装配原因或制造原因造成传力杆与加载缸活塞杆轴线不同心的情况下，利用其自身结构特征允许被连接的零件之间的夹角可以在一定的范围变化，在结构有一定偏心时也不会有卡死和严重磨损现象，也能保证试验台的稳定运行。

5 结束语

从试验台的设计任务、技术要求出发，确定了助力器耐久性试验台机械结构设计的方案。对几个重要的模块的结构设计进行了较为详细的介绍，以及元件的选型计算。其中，包括输入装置、加载装置、试验台支撑架及中间传动装置的结构设计，对输入液压缸、加载液压缸的参数选型计算。设计的实验台的结构需满足助力器耐久性能测试的要求，同时设计的试验台结构符合人机工程学，便于操作。

参考文献

[1]方强.被动式力矩伺服控制系统设计方法及应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[2]曲承童.汽车减振器双动耐久性试验台设计[D].长春：长春理工大学，2012.

[3]张贵.基于液压伺服驱动的汽车板簧性能与耐久性研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

作者简介：周瑾瑜（1964-），男，浙江省台州市人，工作单位：台州市特种设备监督检验中心，职务：监察室主任，研究方向：特种设备检验检测。