汽车橡塑件试验机设计

王远亮

摘要：为了使汽车橡塑件满足强度要求并增加其安全性，在出厂前需要对橡塑件进行疲劳试验，以确定试件是否合格。本研究针对汽车橡塑件疲劳试验设计了试验机，该试验机采用铰接四杆机构，以伺服电机为驱动力，配合所设计的控制系统，能够很好地完成试验工作，且与液压试验机相比，成本得到了大幅的降低。

关键词：汽车橡塑件；试验机；机构模型；控制系统

橡塑件作为汽车制造过程中的重要组成部分，对减轻汽车重量、减缓汽车振动及增加舒适度均有重要作用，在汽车领域应用十分广泛，其批量出厂之前需要进行抽样疲劳的试验，这项工作既费时又费力。在汽车行驶的过程中，这些橡塑件会受到重力和振动力的作用。为使验收标准统一，制定试验规范，对试件的振幅、频率、交变力、常压力的大小及变化的试验次序都进行统一规定。在进行疲劳试验时，试件的试验力幅需要保持恒定，由于在疲劳试验时橡塑件本身存在“松弛”的现象，故振幅保持恒定的情况下，其力幅与试验成反比关系，此时，需要不断地增大振幅以满足力幅恒定的技术要求。总之，汽车橡塑件疲劳试验对疲劳试验机的振动幅度和振动频率均提出了一定要求，才可实现试验目标。

液压试验机具备调频调幅功能，非常符合这一试验的要求，但是液压试验机的造价和运行成本高；电液伺服系统满足快速响应、大功率输出、高精度的控制与非常强的通用性等优点，故大多数的疲劳试验选择通过电液伺服系统的疲劳试验机上进行。但是电液伺服系统维修复杂、价格昂贵、能源消耗大，对于复杂工况的模拟不易实现；而机械式的疲劳试验机具有更强的专用性，能够针对特定产品完成较复杂试验，且制造简便、工作可靠、磨损轻，在对精度要求较低的产品试验中应用广泛。

1 机械式疲劳试验机机构模型

本研究所构建的机械式疲劳试验机，执行机构为铰接四杆机构里用处最多的曲柄摇杆机构，此机构可以使用正弦波加载，加载幅值与频率均可调，能够进行位移控制的产品疲劳实验。因为曲柄作的是整周匀速运动，其上各点在垂直方向运动轨迹与正弦曲线类似，所以摇杆上各个点在垂直方向轨迹也类似正弦曲线。曲柄每进行一周旋转，摇杆可上下摆动一次。因此对曲柄的长度和转动频率进行调整，摇杆的摆动幅值和频率就会产生相应的变化。此模型还能够对摆杆长度进行调整，即对摆动中心进行调整，以满足各种型号和类别的试件疲劳试验条件。对于使用上述机构的试验机，当摇杆末端外接试样时，试验机上所施加得载荷为正弦波；曲柄长度改变，可使加载波的幅值发生变化；利用变频器对电机转速进行调整，继而调整加载频率；上述过程即为机械式试验机的工作机理。试验过程中，需要对橡塑件是否已到疲劳极限进行判断，所用方法一般有两种：一是观察橡塑件的表面是否出现较为明显的龟裂或试件已发生断裂，二是通过传感器测量橡塑件的动刚度是否超出规定数值，通常规定为正常情况的15%。其中动刚度的含义为试件受力与其振幅的比值。若试验是力幅恒定的试验，此时试件所受力为常数，则从试验时振幅变化情况便可得到动刚度的变化情况。假如规定动刚度变化为15%，如果在试验过程中振幅增加超过15%，便能够认为该试件已经发生疲劳失效。若试验的次数还没有达到预先设定好的次数（通常要求上百万次），则可以判定此试件为不合格产品。为能够直观判定试件的疲劳状况，可定时的对振幅进行采集记录并绘制振幅随着时间变化的曲线。通过曲线的斜率变化，即可对试件疲劳程度进行判断，尤其试件在失效前曲线斜率会显著增大。当曲线振幅的变化值超过15%时，系统自动停机。

2 橡塑件疲劳试验的控制系统

2.1 橡塑件的疲劳寿命

建立汽车橡塑减震的受力模型，其中m为作用于橡塑件上的负荷，橡塑件的质量相对于负荷很小，可以省略。将橡塑件化简成刚度是K、阻尼系数为R的简化物理模型，静止时橡塑件受负荷m，产生一定位移为l，并在新的位置平衡，此时的橡塑件受力即为：

F0=mg=Kl

在汽车行驶中，汽车振动造成负荷m产生上下运动，从而导致橡塑件在平衡點也作往复运动，设负荷m造成的位移为y，此时橡塑件受力可写成：

F=mg+my″=Kl+Ky+Ry'

汽车在平稳移动时y”保持恒定，橡塑件受常力mg与交变的惯性力my”影响，发生蠕变导致阻尼和刚度变小，造成橡塑件受到动位移y与静变力l变大，直到产生失效。橡塑件在恒力作用下发生疲劳失效的往复运动次数称为橡塑件的疲劳寿命。

2.2 控制系统构成

控制系统主要有主控设备和相关传感器构成。其中试验机与橡塑件的接触面安装有力传感器，用于实时反馈被测橡塑件的受力变化；试验台安装位移传感器，用于对试验机的振幅进行测量。试验过程中，分别通过位移、压力等传感器采集被测橡塑件的压力和位移，经模数转换后传入计算机，经计算机分析处理将结果进行存储和显示，再将相关的曲线和图表打印出来。在计算机上建立控制系统人机交互界面，实现对试验项目的可视化操作，以及试验数据的导入和导出，方便用户的操作。

3 结语

汽车橡塑件的质量决定着汽车整车的质量与安全，故对汽车橡塑件进行疲劳试验有重大意义。一台好的试验机可以高质量高可靠性的完成橡塑件的疲劳试验，对于橡塑件的质量提升和把控非常重要。本文所设计的汽车橡塑件试验机，结构简单可靠，易于维护和使用，能够长期稳定的工作，对于提升汽车橡塑件的质量有一定的现实意义。

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