摘要：很多試驗件在實際使用工況中不但有復(fù)雜的機(jī)械沖擊、交變疲勞載荷，還會受到溫度、濕度的影響。對應(yīng)于大型試驗件，一般的疲勞試驗機(jī)無法滿足其尺寸要求，尤其是配合溫度濕度環(huán)境。本試驗方法，將液壓伺服系統(tǒng)和環(huán)境箱結(jié)合到一起，不需要專門的集成定制，其優(yōu)勢在于：能滿足中大型的試驗件，可以根據(jù)實際需要增加不同的環(huán)境工況，并且能自由的實現(xiàn)特定的結(jié)構(gòu)動作。本文以汽車板簧為例，作者通過汽車板簧在溫濕度應(yīng)力下的疲勞載荷試驗來說明一種試驗方法。

行駛在不同路面上車輛的車輪隨機(jī)動載荷不一樣，不同路面等級所對應(yīng)的車輪動載荷差距較大，變化很大，導(dǎo)致路面的疲勞應(yīng)力過分增大，引起過快損壞[1]。汽車板簧在工作中反復(fù)承受交變彎曲應(yīng)力，故對板簧的表面質(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]。汽車在行駛過程中遇到路面對輪子的沖擊力時，板簧產(chǎn)生變形，起到緩沖、減振的作用，縱向布置時還具有導(dǎo)向傳力的作用。由于路況的不同，板簧在實際過程中不但會受到機(jī)械沖擊、交變疲勞載荷，還會受到溫度、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，對于復(fù)合材料的疲勞特性需要進(jìn)行實驗考核。所以需要對板簧進(jìn)行在環(huán)境應(yīng)力下的疲勞載荷試驗。

目前單獨做汽車板簧溫度應(yīng)力、疲勞載荷試驗的方法有很多種，并且比較成熟，但是要同時滿足施加溫度應(yīng)力和疲勞載荷試驗的試驗方法較少，屬于非標(biāo)設(shè)計，市場上存在較大的空白。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種簡單、快捷、高效的應(yīng)用于汽車板簧在環(huán)境應(yīng)力下的疲勞載荷試驗裝置，其在滿足不同試驗條件的同時，使得整個試驗在實施的過程中更加便捷，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. 試驗思路簡介

由于標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗機(jī)技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且應(yīng)用相當(dāng)普及，對于小型零部件級的試驗件，其疲勞試驗方法都已經(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，則需要將試驗件放置到一個環(huán)境箱內(nèi)。對于單個的環(huán)境箱，其技術(shù)成熟，試驗方法標(biāo)準(zhǔn)化。但是如果將兩者結(jié)合在一起，將會面臨兩個方面的問題：一是需要特殊定制，將兩套系統(tǒng)集成在一起，這樣必然帶來成本的大幅度增加，并且只有單一工況需求時，又造成了資源的浪費；二是當(dāng)試驗件的尺寸較大，或者是部件及以上時，標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗機(jī)就不能滿足使用要求，需要非標(biāo)試驗設(shè)備，此時，環(huán)境箱和疲勞設(shè)備的組合是一個技術(shù)問題。

首先要考慮到將疲勞試驗機(jī)主體和環(huán)境箱隔離，避免環(huán)境應(yīng)力對試驗機(jī)產(chǎn)生影響；其次是考慮疲勞試驗機(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)不同的試驗工況設(shè)計對應(yīng)的傳動、支撐工裝。

本試驗方法，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，試驗件通過支撐工裝放置在試驗箱內(nèi)部，伺服系統(tǒng)通過傳動裝置將試驗件連成一個整體。這樣，可以單獨設(shè)置疲勞載荷條件和環(huán)境應(yīng)力條件。

2. 試驗具體方法

2.1 裝置介紹

本試驗裝置的原理圖見圖1。裝置簡圖見圖2~圖4。

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

1) 溫濕度環(huán)境箱，用以提供環(huán)境應(yīng)力；
2) 動力系統(tǒng)，以液壓作為動力源，輸出精確往復(fù)直線運動；
3) 加載機(jī)構(gòu)，能夠在動力系統(tǒng)的驅(qū)動下使板簧按照實車狀態(tài)往復(fù)運動；
4) 固定機(jī)構(gòu)，使得動力系統(tǒng)、加載機(jī)構(gòu)和環(huán)境箱連接成一個整體，形成一個自平衡的內(nèi)力結(jié)構(gòu)；
5) 監(jiān)測裝置，至少用以實時監(jiān)測板簧的載荷和形變；
6) 控制系統(tǒng)，通過給定的信號能夠?qū)崿F(xiàn)動力系統(tǒng)的精確輸出。

動力系統(tǒng)和溫濕度環(huán)境箱結(jié)合在一起形成一套新系統(tǒng)。動力系統(tǒng)并不是垂直放置于溫箱下方，而是通過溫箱的側(cè)壁進(jìn)行水平加載。動力系統(tǒng)、加載機(jī)構(gòu)通過一個固定機(jī)構(gòu)形成一個自平衡的內(nèi)力結(jié)構(gòu)。動力系統(tǒng)采用液壓伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)包括固定設(shè)置在固定機(jī)構(gòu)上的液壓作動器及閥控制單元。動力系統(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，動力系統(tǒng)與所述控制系統(tǒng)連接。

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

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)動機(jī)構(gòu)，可以滿足不同交變載荷或壓縮量的試驗條件。監(jiān)測裝置，用以實時監(jiān)測板簧的載荷和形變。
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)運動端7、力傳感器8、液壓作動器9、固定支架運動端10、加載系統(tǒng)靜止導(dǎo)軌11、加載系統(tǒng)運動導(dǎo)輪12、板簧13。


圖1 裝置原理圖一


圖2 裝置簡圖一


圖3裝置簡圖二


圖4裝置簡圖三

2.2試驗方法優(yōu)點

本試驗方法具有如下優(yōu)點：

1) 在本試驗方法的設(shè)計下，裝置結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、易于安裝維護(hù)，不但滿足了試驗要求，而且大幅度降低的試驗成本；
2) 利用液壓系統(tǒng)使作動器往復(fù)運動，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，同時加載系統(tǒng)還能夠模擬板簧實車的運動方式，使得板簧在受直線交變載荷下能夠自由的伸展滑動；
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器，其中作動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），即可通過電壓信號驅(qū)動伺服閥，從而控制液壓缸的動作，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器的推力大小，并采用蓄能器吸收加載過程中的沖擊；
4) 在本試驗方法的設(shè)計下，不需要依賴堅固的地基，整套機(jī)械系統(tǒng)形成一個自平衡的內(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，大幅度節(jié)約了試驗前期投入成本；
5) 在本試驗方法的設(shè)計下，對溫箱的要求不高，并且采用了水平加載的方式，加載桿通過溫箱側(cè)壁的開孔連接到板簧上，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. 試驗案例與結(jié)果



該試驗方法已應(yīng)用于某研發(fā)車型的板簧在交變濕熱下的疲勞載荷試驗，該試驗的板簧形變量為±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)通過調(diào)節(jié)設(shè)備控制參數(shù)，可以較好地滿足了試驗任務(wù)書的要求。同時，由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，其拓展性較好，可以滿足多種尺寸類型的板簧在溫度應(yīng)力下的疲勞載荷試驗需求。



系統(tǒng)為閉環(huán)控制，位移控制精度在1mm之內(nèi)，并通過位移傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測。試驗中的位移控制曲線見圖5。試驗中的力監(jiān)測曲線見圖6。


圖5試驗中的位移控制曲線


圖6試驗中的力監(jiān)測曲線

4. 總結(jié)

本試驗方法的設(shè)計下，應(yīng)用于汽車板簧在環(huán)境應(yīng)力下的疲勞載荷試驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、易于安裝維護(hù)，不但滿足了試驗要求，而且大幅度降低的試驗成本；將液壓系統(tǒng)和溫箱系統(tǒng)隔離，使兩者不互相干擾，同時加載系統(tǒng)還能夠模擬板簧實車的運動方式；試驗不需要依賴堅固的地基，整套機(jī)械系統(tǒng)形成一個自平衡的內(nèi)力結(jié)構(gòu)，并且整套系統(tǒng)可以自由的移動，大幅度節(jié)約了試驗前期投入成本；試驗對溫箱的要求不高，并且采用了水平加載的方式，加載桿通過溫箱側(cè)壁的開孔連接到板簧上，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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