（机械设计及理论专业论文）通用性汽车球铰总成试验台的设计及关键技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 汽车球铰决定了汽车转向的灵敏度、准确性和行驶稳定性，是关系汽车行 驶安全与操作敏捷的重要零部件，必须经过严格的性能与耐久性测试针对国内 尤其台州地区汽摩配产业发达，汽车球铰总成生产企业众多，但却缺乏通用化综 合性试验设备的现状，本文结合玉环县科技计划项目：通用型汽车球铰总成试验 台的研究与开发，进行了所述通用型汽车球铰总成试验台的系统性设计，并对其 中的关键技术展开了研究，研究内容主要包括以下几个方面： 通用型汽车球铰总成试验台的方案设计：在对相关国家标准以及台州地区 大量球铰生产企业充分调研的基础上，分析球铰的试验类别与实现方式，建立试 验台的功能目标，进行功能分解与结构映射，建立三自由度独立控制并复合加载 的试验台总体方案。 试验台的机械结构设计与关键结构优化研究：基于所建立的试验台总体方 案，进行了机械结构的详细设计。试验台采用系列化夹具，令其可以匹配多类别 球铰，大大拓宽了试验台的适用范围；三自由度加载独立进行，避免了其相互干 涉；通过有限元方法对关键机械零部件进行了力学分析并进行了材料优选与结构 优化，有效提高了试验台的使用寿命 试验台电气控制系统设计：采用以p c 作为控制核心的电气控制系统方案， 通过多功能p c i 板卡与p l c 模块扩展系统能力通过n il a b v i e w 语言进行了控 制系统的程序编制与算法实现。所编制软件支持耐久、性能等多种试验项目的操 作与报告生成。考虑试验项目的复杂性，设计故障自监测功能与故障排除提示， 提高了试验台的安全性能。 电液加载系统设计与控制算法研究：对力加载环节所用电液控制系统进行 了分析，为解决电液伺服加载效能低下问题，以恒压变量泵复合蓄能器作为液压 源进行电液加载系统设计，有效降低了耐久性试验的能耗；建立阀控对称缸的理 论模型，并运用试验方法对理论模型进行了修正和优化，提高了模型准确性；针 对阀控液压缸以及被加载球铰种类繁多、系统干扰大的特点，采用f u z z y p i d 结 合干扰观测器的控制算法，实现了针对不特点加载对象的高频精确力加载控制。 最后通过对多种球铰的试验，验证了所设计试验台能完成多种球铰的多种 试验，满足设计功能要求 h 浙江大学硕士学位论文摘要 器 关键词：汽车球铰总成试验台转向系统电液伺服f u 2 z y - p i d 干扰观测 m 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o t i v eb a j lj o i n t sd e c i d em es e i l s i t i v 埘a n da c c u r a c y 锄d “v i n gs t ：a b i l 时o f ac 缸 ss t e e 血g t h e ya r ei r l l p o r t 锄tp a r t s 也a tr e l a t e dt 0s a f e 锣d r i v i i l ga n da g i l e o p e r a t m ga 1 1 dt h e ym u s tu n d e 玛oar i g o r o l l sp e r f o n i l a n c e 锄dd l m l b i l 时t e s t i n g f o r t l l ed o m e s t i ca r e a u s e s p e c i a l l y i nt 越z h o u r e g i o 玛a u t o m o b i l e a n d m o t o r c y c l ei i l d u s 仃ya r ea d v a l l c e d t h e r ea r em 锄i yb a l l lj o i l l _ t sf a c t o r i e s ，b u tm o s to f t l l e ml a c ko f g e n e r a l lt e s te q u i p m e n t s t m sp a p e r c o m b i i l e st h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f y u ：i 咖p r o j e c t s ：d e v e l o p m e n to f u i l i v e r s a la u t o m o t i v eb a l la n ds o c k e t 於s e m b l yt e s te q u i p m e n t ，m es y s t e m a t i cd e s i g n o fu 1 1 i v e r s a la u t o m o t i v eb a l la n d s o c k e ta s s e m b l yt e s tb e n c h ，a i l do n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si sm a l i i l l yl a u n c h e d t h e s t u d ym 划yi 1 1 c l u d e sm ef 0 1 l o w i n ga s p e c t s ： d e s i g no fu m v e r s a la u t o m o t i v eb a l la n ds o c k e ta s s e m b l yt e s tb e n c h ：o nn l eb a s i s o fr e l a t e dn a t i o n a ls t a l l d a r d sa sw e ua sf a c t o 巧s t a l l d a r d si nt a i z l l o ua r e a s ，w e 锄a l y s i s t h e t e s t i n gt ) ，p e 锄di i n p l e m e m a t i o no fb a l l j o i n t s ， e s t a 【b l i s hm e 劬c t i o n a l l o b j e c t i v e so f 也et e s te q u i p m e n t ，劬c t i o n a ld e c o m p o s i t i o n 弛ds t n l c t u r em a p p i i l ga n d e s t a b l i s hm ep r o g 眦o f 也e 仔e ec o n 臼0 1o fn l r e ed e 铲e e s 弱w e h 嬲c o 皿【b i i l e d l o a d i l l gt e s tm e n l o d t h em e c h a i l i c a ls 饥l c t u r ed e s i g no ft e s te q u i p m e m 锄dt l l eo p t i i n a lr e s e a r c ho f k e y s 勺n l c t u r e ：b a s e do n 血et e s tb e df o rt h ee 虹b l i s l l i i l e n to fn l eo v e r a l l p r o 莎a m ，d e t a i l e dd e s i 弘o fm e c h a i l i c a l s 缸r l l c t u 】r e sa r et e s t e d t h ee q u i p m e n tu s ea s e r i e s 血m l r c s ， s o 也a t “c 纽m a t c hm em u l t i - c l a s sb a l l j o i n t s 趾db r o a d 血e a p p l i c a t i o nr a i l g e s o fn l et e s t b e d ；n l r e ed e 铲e e s l o a d缸e i i l d 印e n d e n t 砌c h a v o i d sm u t u a l i i l t e r f e r e n c e ；u s i i l g f - 血t ee l e m e n tm e t l l o dt 0d 0m e c h a i l i c a l 姐a l y s i s 锄dm a t e r i a lo p t i n l i z a 吐o n 锄d 鼬m c t u r a lo p t i m i z a t i o n o fk e ym e c l l a n i c a l c o m p o n e l l t sw b i c hi n l _ p r o v e sm el i f eo fm e t e s te 卟岫m e n t t h ee l e c t r i c a lc o l l 仃o ls y s t e md e s i g no ft e s te q u i p m e n t ：t h et e s te 舢p m e mu s e s p c 觞也ec o r ep a r to ft l l ee l e 嘶c a lc o n t r o ls y s t e m 狮du s e sm u l t i 一胁c t i o np c ic a r d 晰付lt 1 1 ep l cm o d l l l et oe x p 觚d 廿：屺s y s t e mc 印a c i 够n il a b v i e ws o f c 、a r ei sl l s e dt o p r o g r a 玎：1 1 1 l i n ga n da l g o r i 吐l m t h es o f h a r es u p p o r t sd i 妇晤r e m 址d so fp r o g r a m so f t v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d l m 重b i l i t ) r a n dp e d b 衄a n c ea n d s u p p o r t sr e p o r tg e n i e r a t i o n c o n s i d e r i n g m e c o m p l e x i 够 o f 也et e s t ，w eh a v ed e s i 弘e de r r o r m o n i t o 血l g 如n c t i o 璐 孤d 们u m e s h 0 0 t i n g 邱s t 0i r l l p r o v em es a f e 哆p e o 瑚a n c eo ft l l et e s te q u i p m e n t d e s i 皿o fe l e c 们h y d r a l l l i cl o a d i l l gs y s t e ma n dc o m la l g o r i t h m s ：a n a l y z e 也e e l e c n d h y d r a 曲cl o a d i r 培s y s t e m i no r d e rt 0s o l v et 1 1 ep r o b l e mo fi i l e 伍c i e n c yo f m es y s t c m ，c o n s t 趾tp r e s s u r ev 碰a b l ep i m l p sa r eu s e d 够ah y d r a l l l i cs o u r c et 0l o a d t l l es y s t e m 砌c hr e d u c e sm ee n e 唱yc o n s 硼n p t i o no fd 嘶b i l 毋t e s te 彘c t i v e l y m e 删1 e ，w eh a v eb u i l t 也e也e o r e t i c a lm o d e lo fv a l v e r e g u l a t e ds y m m e t r i c a l c y l i i l d e r ，m o d i f i e da n do p t i m i z e dn l em o d e l 、) i ，i t ht e s t i n gm e m o d st 0i m p r 0 v e t l l em o d e la c c u r a c y f o rm 锄yv a l v ec o m m l l e dc y l i n d e r 觚dl o a d e db 2 l l lj o i n t sa r e d i 脏r e n ta i l d廿l e s y s t e m血e 疵r e n c e a r e l a r g e ，f u z z y p mc o n t r o la l g o 珊l i n c o m b i i l e dw i md i s t u r b 孤c eo b s e n ，e rw e r eu s e dt 0c o n 协o ln l el o a d i i 培o fd i f r e f e n t c t l 2 i m c t e r i s t i c so fm g h - 丘i e q u e n c yp r e c i s ef o r c el o a d ， f i i l a l l y ，av a r i e t ) ，o ft e s t sh a v ei l l l p r 0 v e dm a tm ed e s i g n e dt e s te q l l i p m e n t 盯ea b l e t 0c o m p l e t ed i 航r e ml 【i l l d so fd i 脏r e n tt e s t s 强dm e e t 血er e q u i r e m e n t so fd e s i 弘 f i ca _ t u r e s k e ”o r d s ：a u t o ，b 2 l 1 lj o i n t s ，t e s te q u i p m e n t ，s t e e r 洫gs y s t e m ，e l e 鼬r 0 h y 山砌i cs e r v o ， f u z z y p i d ，d i s t u d ) a m c eo b s e r v e r v 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文完成之际，首先谨向我的导师冯培恩教授表示深深的感谢和崇高的敬意! 在 攻读硕士学位期间，冯培恩导师严谨的治学风格，敏锐的研究思路，渊博的科学知识，谦 逊坦诚的人格魅力使我深受教益，将引导和激励着我在今后的工作中不断进取，勇攀高峰! 感谢我的指导老师王维锐老师，在王老师的悉心指导和热心帮助下，我的研究课题才能够 顺利的完成。 感谢葛正博士在我研究生期间对我的帮助，在整个课题研究阶段，葛博士对我进行了 全程的技术支持，帮助我一起克服遇到的难题，使我的研究工作能够顺利完成，同时在生 活上葛师兄也给了我相当大的帮助和照顾 感谢石浩然博士生、金良硕士在课题研究上对我的帮助，他们的专业技术和经验，使 我少走了许多技术弯路。感谢同事林超在试验台机械设计和试验台搭建中的辛勤劳动感 谢同事陈其、王培文、汪美鹏、邱伟在试验台搭建中的帮助 感谢同在玉环进行研究学习的张世珍硕士生、杨文伟硕士，韩萍硕士，杨学军硕士， 傅云峰硕士，感谢你们对我的帮助和支持 特别感谢我的父母，感谢他们对我的养育之恩，感谢他们对我的关心和支持，感谢他 们给予我无私的爱。愿他们健康快乐。 最后向所有帮助、关心和支持过我的老师、同学和朋友们致以诚挚的感谢! 颜益于求是园 2 0 1 2 年2 月 浙江大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及其意义 近年来，我国的汽车产业发展迅猛，2 0 1 0 年我国的汽车产量达到1 8 0 0 万辆 【l 】，居世界首位，据中国工信部预计未来十年内我国汽车产业及零部件制造产业 规模将进一步扩大，到2 0 2 0 年，我国汽车保有量将超过2 亿辆。然而在我们同 时也要看到我国汽车行业存在的问题，如零部件行业发展严重落后于整车，零部 件企业实力严重分化，零部件行业发展受到双重挤压。在这些问题中如何提高企 业的产品质量和加快新产品的研发周期是企业最迫切需要解决的问题。 作为汽车零部件的球铰，在汽车行驶过程中决定了汽车转向的灵敏准确性 和行驶稳定性，是汽车上运动频率最高的零部件之一汽车球铰由球头销、球座、 防尘罩、卡环、非金属球碗组成，其中球头销和球座组成球面运动副，与汽车的 安全性能直接相关。球碗材料和球面粗糙度对产品寿命影响较大，球面一旦出现 磨损，球铰磨损间隙过大或球碗和球头磨损严重将造成松动，将引起汽车在行驶 中过程中出现摆头和操纵失稳等现象，影响汽车行驶平稳性，导致安全性的隐患 【2 】 士， ( a ) 球铰总成 一掣( o _ 一 i ( b ) 球铰拉杆 图1 1 球铰工况分析 图1 1 ( a ) 为球铰总成工况，轴向运动p 为汽车转向时，转向器齿条推( 拉) 动转向轮所产生的力。摆动角s 为汽车车轮上下跳动产生的摆动角度。图1 1 ( b ) 为球铰拉杆工况，球铰拉杆与球铰共同实现汽车转向运动，因此其轴向受 载p 、摆动角s 与球铰受载相同，而悬架球铰可以说是和转向拉杆球铰相辅 相成，二者共同工作才能完成汽车的正常转向，另外悬架球铰的工作环境比转向 浙江大学硕士学位论文绪论 拉杆球铰的工作环境更复杂，除了转向节通过球铰绕摆臂旋转外，球铰还将承受 侧向( 沿摆臂) 静载及冲击载荷、纵向( 车辆行进方向) 静载及冲击载荷、垂向 冲击载荷【3 】【4 】 目前，台州地区生产球铰总成的企业众多，产品种类丰富，对试验设备通用 性、多功能化的要求日益提高这些企业一般都拥有自己的测试设备，但企业所 使用的测试设备大多是只能检测某一类产品，对转向拉杆球铰和悬架球铰的测试 无法统一，设备通用性较差，已有的球铰试验设备难以跟进企业产品的发展。当 企业进行新产品开发时，往往由于缺少相关实验设备而影响产品开发进程或在试 制阶段购置实验设备而增加投资风险。面对目前球铰测试试验台通用性较差的问 题，企业迫切需要一种通用性的球铰试验台，该试验台能够满足对不同类型球铰 进行测试的需求。事实上，由于悬架球铰和转向拉杆球铰在工作环境和载荷很多 方面是一致的，完全可以将两种设备合并为一种通用的设备。另外，不同类型车 辆上的球铰其尺寸、形状大多存在一定的差异，因此需要对球铰的装夹情况进行 分析，设计出通用性的夹具，其能够满足一定尺寸范围内的球铰进行安装及试验。 针对这一现状，开发一种通用性好、多功能且易扩展的球铰总成综合试验 台，不仅可以解决台州生产球铰企业面临的这个问题，而且为企业提供了极具扩 展性的测试平台，有助于企业进行新产品的开发和提高自主创新能力 1 2 汽车球铰试验台研究现状 通过以上分析可以看出，要完成球铰试验，试验台必须具备如下基本特点： 1 、试验台应能同时对球铰施加各项载荷，且载荷大小、方向以及频率是可 调的； 2 、各项载荷的加载机构要独立控制与调整； 3 、试验台应能模拟实车行驶中球铰的物理环境( 湿度、温度、腐蚀环境等) ； 4 、试验台应由电控系统自动控制完成，并通过电控系统可以修改调整试验 参数，并可对试验结果进行读取和保存。 美国m t s 公司开发了多款球铰测试系统，在市场上占据着很大份额。其球 铰测试系统主要有以下几种：1 ) m t s 五轴球铰测试系统一一其特点是可以同时 对两个试件进行垂向、侧向、纵向、旋转和摆动载荷的施加，并可升级以进行时 域内的振动环境仿真；2 ) m t s 四轴球铰耐久性测试系统一一其特点是可以实时 2 浙江大学硕士学位论文绪论 的对单个试件施加垂向、侧向旋转和摆动载荷进行疲劳测试；3 ) 球铰密封件 耐久性测试系统一一其特点是可以一次对十个试件进行测试，并提供一个集成了 湿度、温度和泥浆三种环境因素的实验舱。但各试验台相应能达到的技术指标未 见公布。 美国r e t e s t 公司研发的汽车球铰试验系统具有以下特点：1 ) 具有五个方 向的载荷仿真：垂向、侧向和纵向，以及在这些方向上的摆动和扭转；并配备有 泥浆飞溅环境仿真；2 ) 球铰疲劳测试；3 ) 可以测定定轴转动摩擦力；4 ) 。在泥 浆和臭氧环境里进行密封性测试。但试验台相应能达到的技术指标未见公布。 印度p r o i n st e c h n o l o g i e s 公司开发的转向拉杆球铰试验台。该试验台可以仿 真径向( 包括垂向、侧向和纵向) 、摆动及旋转五个方向的载荷，但未见其配有 物理环境模拟装置。其主要技术指标为：径向载荷0 一3 0 k n ，频率0 2 0 h z 内可调，最大行程士5 0 m m ；摆动角度3 5 。，最大载荷1 0 0 k n ，频率0 3 h z 范围内可调；旋转角度6 0 。，最大载荷5 k n ，频率0 3 范围内可调； 图1 - 2 转向拉杆球铰试验台 我国已于2 0 0 0 年实施专业标准q c 厂r3 0 4 1 9 9 9 汽车转向拉杆接头总成台 架试验方法，代替1 9 8 8 年就开始实施的标准z bt 2 3 0 0 6 8 7 。这一标准的实施 为检测汽车转向拉杆接头的质量提供了依据。 重庆汽车研究所在消化吸收美国m t s 球铰总成测试台的优点之后，研制了 转向拉杆接头总成耐久试验台。该试验台由台架及机械装置、交流伺服电机驱动 系统、计算机控制、数据采集与处理系统等组成，可以提供一个旋转、一个摆动 及一个横向的大小可变载荷( 液压马达通过曲柄连杆机构驱动) ，各运动参数的 调节是通过曲柄和连杆长度来调节。试验台可以同时装夹2 个试件，装夹试件的 夹具可根据试件的尺寸型号任意更换。其主要技术参数为：最大推力：2 0 k n ； 3 浙江大学硕士学位论文 绪论 快速驱动气缸行程：0 5 0 m m ；气压调节范围：0 0 5 1 2 m p a ；最大推 进行程：8 0 m m ；传感器精度：0 5 ；各测量参数准确度：1 ；步进电 机推进速度、转动速度：可调；控制方式：工业控制计算机控制，打印数据及 特性曲线。 图1 3 转向拉杆接头总成耐久试验台 江苏理工大学研发了智能化汽车前桥球铰总成试验台。该试验台由试验台 主机即球铰总成疲劳试验台及其配套的性能检测台( 包括转动力矩测试台、摆动 力矩测试台、球铰球座间间隙量测试台) 所组成。试验台性能：运动及其驱动 方式：球头运动考虑了各种规格不同的试验台要求，可适用于不同规格，不同运 动的要求，为此采用全液压驱动转动，摆动的大小及频率可调，允许有两个独立 运动。加载方式：采用液压伺服作动缸加载，可以对试件的两个方向( 轴向或 径向) 加载，所加载荷可以是动载或静载，其加载大小及加载频率可调。控制 方式：用i b m p c 机作一级机，工业控制机作为二级机组成闭环控制系统。其 它：具有手动与自动两种工作方式，并且有自动报警、记录、检测、停机等智能 化功能。试验台主机性能指标：轴向载荷0 一1 5 k n ，频率0 1 5 h z 内可调； 径向载荷0 15 k n ，频率0 1 5 比内可调；旋转角度6 0 。，频率0 1 h z 内可调；摆动角度0 4 0 。，频率0 1 5 h z 内可调。试验台本身成本约 为5 0 万人民币。 中国航空工业标准件制造公司针对轻型及微型车转向器开发了汽车转向拉 杆及球头销寿命试验台。试验台由机械部分、液压系统及电气系统三部分组成， 通过液压油缸施加载荷力，载荷频率通过电磁阀换向周期控制，液压马达驱动试 4 浙江大学硕士学位论文绪论 件摆动，摆动角度通过调节偏心轮的偏心距，调节液压马达转速改变摆动频率。 其主要技术参数为：摆动角度：3 0 。可调；回转角度：4 5 。可调； 摆动频率：0 次m i n 一2 0 0 次m i n ；回转频率：o 次m j i l 4 0 次埘i i i l ；加载力： 5 l 斟连续可调；加载频率：o h z 一0 0 2 h z 浙江绍兴金江机械有限公司开发了汽车悬架球铰总成二维动态试验台该 试验台轴向力与径向力的加载驱动机构采用电液伺服系统；转动驱动机构采用可 调偏心曲柄连杆机构； 通过对于目前市场上球铰试验设备的分析，普遍存在测试品种单一，可调 范围不大，加载幅值较低等特点，该种设备只能对于确定的某种球铰进行试验， 而对于在企业研发阶段进行测试的不同球铰应用较差，因此开发一种通用性，试 验参数可调范围广的球铰试验设备能够帮助企业减少设备投入，缩短研发周期， 、提高产品的市场竞争力 1 3 本课题的研究内容 设计一种通用型汽车球铰总成综合试验台，其特点是能够在一台设备上进行 对不同尺寸和型号的球铰的综合测试。 试验台集成强度、刚度、可靠性、耐磨性和耐久性等多种试验台的功能于一 身，能够完成球铰生产企业所需的各项试验要求，为企业节省检测成本。 主要研究内容有： 一。试验台机械结构设计 以电液伺服作为轴向直线加载方式，步进电机作为试件摆动和旋转的驱动方 式由于伺服系统产生的载荷大、响应频率较高且工作可靠，因此可以实现高频 加载以及对极限工况精确模拟 其技术关键为： 试验台结构强度设计，运用c a d 、c a e 等先进设计技术在保证试验台结 构高强度高刚性的基础上，对试验台采用轻量化设计，保证各部件的高耐久性； 采用模块式的夹具设计，其能够实现对于不同类型的球铰装夹，同时试验 台具有安装位置可调等性能，满足一定范围内的球铰测试工装，同时亦能实现自 动对心匹配等功能； 二，试验台测控系统研究： s 浙江大学硕士学位论文 绪论 该系统是试验台的核心，通过对各参数精确的测量，对各运动及加载部件可 靠、稳定的控制，实现试验台的各项性能要求。 其技术关键为： 1 、电液伺服系统节能方案研究以及系统数学模型的建立 2 、力加载控制策略的研究，包括静载和高频动载的力闭环控制； 3 、运动控制系统的研究，包括在带负载条件下摆动、旋转运动的控制； 4 、高频响应条件下多信号精确测量的研究，包括在高频试验条件下多种信 号量的采集、调理以及实时处理。 三、试验台数据管理与分析方法研究： 对测试数据进行有效的存储与调用，建立常见数据分析软件模块，实现数据 分析的组态化。搭建基于人机工程的操作界面系统，使得试验人员能够方便地读 取以及打印试验结果 浙江大学硕士学位论文通用性球铰试验台的设计 第二章通用性球铰试验台的设计 摘要：按照国家标准分析试验台的功能模块，将各个功能进行分解，寻求符 合程度较好的作动方式确定符合各子功能的结构方案，主要包括系统作动系统 的选择、通用性工装夹具的设计、变速机构的设计、试验台材料的优化在实现 子功能的基础上，进行整合，排除各子功能的相互干涉情况，完成整个系统的结 构设计。通过计算机仿真软件对试验台结构进行疲劳分析，评估试验台的易损件， 改进设计方案，可以有效的缩减成本，减少设计周期。 2 1 试验台的系统方案 在设计试验台之前，分析试验台需要实现的功能及性能，对各个功能模块进 行分解，确定各自的机构方案。根据国家q c 厂r3 0 4 一1 9 9 9 汽车转向拉杆接头总 成台架试验方法，对球铰试验台进行分析和设计。该标准包含了汽车转向拉杆接 头总成的摆动力矩测定、旋转力矩测定、最大轴向位移量测定和耐久性试验等台 架试验方法。通过对球铰实际工况环境的分析，可以看到球铰主要受到三个方向 的作用：球铰摆动、旋转运动以及轴向直线运动【5 】【6 】【7 】 轴向加载f 摆 转动力矩t 2 图2 1 球铰受载总成示意图 q c 厂r3 0 4 1 9 9 9 汽车转向拉杆接头总成台架试验方法测试项目包括： 1 摆动力矩t 1 测定； 2 、旋转力矩t 2 测定； 3 、最大轴向位移量6 测定； 4 、总成的耐久性试验 按照企业提出的要求，建立试验台性能参数表： 浙江大学硕士学位论文通用性球铰试验台的设计 表2 1 试验台性能参数 技术指标幅值频率最大载荷 轴向力加载 0 5 0 m m0 1 0 h z2 0 k n 球铰摆动 3 5 00 3 h z5 0 n m 球铰旋转 6 0 。0 3 h z5 0 n m 传感器示值精度 0 5 f s 三项测试能够同时进行；也能进行单项测试；同时三者之间不能 备注： 造成相互的干扰，影响测量精度 通用性球铰试验台方案如图2 2 所示 图2 2 试验台方案设计示意图 试验台包含机械结构和测控系统两部分。结构部分实现对试验台测试功能的 实现，包括摆动加载、转动加载、轴向直线加载三个自由度的测试；测控系统实 现对各信号的采集和处理，并对需要的信号进行显示、存储和查询；同时可根据 用户需求实现测试结果的电子打印存储和纸质打印 2 2 结构功能模块设计 球铰试验台系统是一种集成系统，由不同层次和功能的模块构成，采用模块 化的理念对试验系统进行设计【8 】【9 】在对系统结构方案确定的过程中，我们发现 通过对作动方式的研究，选择不同动力输出其作用方式及作动性能对系统的整体 性能影响较大分析不同的动力输出方式，选择相应的动力输出装置，设计与之 矗 浙江大学硕士学位论文 通用性球铰试验台的设计 配套的机构，不仅能够以模块式的设计方法快速有效的“搭建”试验设备【1 0 1 ， 同时在该设计过程中，能够通过各种方案的比较，按照最优化组合方式，从设备 配置、产品性能、设备能耗等方面进行优化设计 目前在工程应用中包含了机械、电气、液压、气动等四种作动方式，对这几 种方式进行比较，获得匹配项目需求的作用力传动n 】 表2 2 传动方式比较 调速范围 传动系统无级调速速度刚度抗干扰控制精度响应速度装置尺寸 输出扭矩 机械传动困难 密 差强高慢大 电传动容易广 差强 高快 大 气压传动容易 密 差低低快小 液压传动容易广大强高快小 2 2 1 加载方式选择 通过将系统总功能分解成分功能，对独立的功能模块进行分析和实现，每个 子模块的功能都是由基本的运动形式完成的【1 2 】【1 3 】对球铰的受载进行分解，球 铰试验台主要包括三个自由度的运动，球头转动、球头摆动以及直线作动对这 三种运动特性进行分析，结合试验台性能要求，选择较为匹配的方案，不仅能够 方便有效的生成试验设备，同时能够缩短设计周期，提高设计的效率。下面分别 对应这三个功能模块进行独立方案选定 ( 1 ) 球头摆动 图2 3 球铰试验台摆动测试示意图 9 浙江大学硕士学位论文通用性球铰试验台的设计 如图2 3 所示，球铰在摆动过程中，需要进行摆动幅值和频率的设定，同时 对摆动过程中的转矩进行测定，摆动幅值和频率如表2 1 所示旋转作动测量模 块的库中主要包含各种类型电机，液压马达，气压马达等类型。对这三者进行比 较分析可知，在系统载荷和频率较低的情况下，使用电机能够在系统结构和成本 控制上获得比其他几种方案更高的价值通过在电机上增加传感器的方式，可以 实现角度测试。转速测试、力矩测试等多种功能。 在本试验台中，转动和摆动力矩 5 叭聊满足系统性能要 求 2 2 3 通用性夹具设计 图2 - 6 模块式工装夹具 为了实现对于不同种类球铰的试验，设计了模块化的球铰夹具，如图2 6 所 示。球铰的垂直和轴向连接是通过模块化夹具夹紧实现与轴的连接，以垂直方向 为例，模块化夹具分为两个部分，夹具和夹具紧固件，通过设计系列化夹具用以 匹配不同球铰的类型，可以对不同类型的球铰进行工装和测试 夹具紧固件：分为上下两个零件，通过螺栓夹紧剖分螺母。 剖分螺母：与球铰连杆螺纹匹配的螺母，将螺母按照中心线剖开，切除 1 2 i m 厚度，如图2 7 所示 1 2 浙江大学硕士学位论文通用性球铰试验台的设计 厉衬 犍幽 图2 7 剖分螺母 图2 - 8 球铰安装三维视图 图2 8 为球铰工装三维视图其安装过程为：一、将剖分螺母安装在球铰 连杆上；二、将剖分螺母和球铰嵌入夹具中；三、通过螺栓夹紧剖分螺母从 而完成球铰的测试工装。该设计方式能够很好解决螺纹无法直接夹持的问题，同 时对于不同尺寸的球铰连杆，只需要更换成与球铰配套的剖分螺母，而不需要对 整体工装进行更改，扩大了试验球铰的种类，同时降低了成本，实现了球铰试验 合的通用性测试功能 模块化夹具设计很大程度上满足了不同类型球铰的装夹要求，同时使用螺栓 连接降低了球铰装夹的难度，球铰装夹时扳手作用力方向与试件呈垂直方向，因 此在拧紧螺栓时并不会导致球铰松动脱离等情况，只需要单人就能够实现球铰的 装夹以及试验需求 材料选定：试验台夹具初步选用4 5 存钢材料，其特点为：成本低，热处理调 质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别 是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐 磨。可用调质+ 表面淬火提高零件表面硬度。 浙江大学硕士学位论文通用性球铰试验台的设计 表面处理工艺：台架表面进行喷漆防锈处理，配合位置采用表面发黑处理； 钣金件采用喷塑处理。 2 2 4 关键部件设计 图2 9 为球铰转动组件，为试验台垂直方向的球铰安装示意图。球铰6 通过 模块式工装夹具7 、9 和传动轴1 0 进行固连，在传动轴的下方为行星齿轮减速箱 2 和转动步进电机1 ，传动轴l o 和电机主轴3 通过平键的方式进行连接，实现扭 矩的传递。球铰垂直方向主要承受径向载荷，因此在传动轴1 0 和固定管轴1 1 之 间选用一对深沟球轴承1 2 ，通过两段螺纹拧紧的方式进行固定 1 电机2 减速箱3 电机主轴4 圆锥滚子轴承5 平键6 球铰 7 ，9 模块式工装夹具8 紧固薄螺母1 0 传动轴1 1 固定管轴1 2 深沟球轴承 图2 9 球铰转动组件 图2 1 0 为球铰摆动组件，为试验台水平方向的球铰安装示意图球铰通过 模块式夹具5 、6 夹紧，夹具通过螺纹连接的方式和主轴8 进行固连联接主轴 8 和球座固定支座4 为推力球轴承，联接主轴8 和同步带轮7 之间为花键连接， 既能够承受轴向方向的载荷，同时带动球铰进行摆动 1 4 浙江大学硕士学位论文通用性球铰试验台的设计 1 固定底座2 轴承挡圈多深沟球轴承4 球座固定支座 5 ，6 球铰工装7 同步带轮8 主轴9 推力球轴承 图2 1 0 球铰摆动组件 2 2 5 球铰试验台整体结构 实现了试验台的各个子功能模块，需要对试验台的功能模块进行整合，排除 各模块之间可能存在的相互干涉。对试验台各个模块进行合理布局f 14 1 ，图2 1 l 为通用性球铰试验台的三维视图。将球铰固定在图中左端位置，水平方向能够通 过滑槽进行调节，垂直方向则采用圆螺母调节上下位置，采用夹紧螺栓固定位置； 实现了对不同球铰连杆尺寸的安装要求。在水平位置上，球铰工装与主轴固连， 液压缸活塞杆通过工装将轴向力传递至球铰，同步带轮和主轴通过花键联接的方 式，带动球铰进行摆动。通用性球铰试验台实物照片见附录。 浙江大学硕士学位论文 通用性球铰试验台的设计 2 3 有限元结构分析 图2 1 1 球铰试验台整体三维视图 上一节已完成球铰试验台的初步方案设计，包括整体结构的设计，材料的选 择，传统设计到此已经结束，接下去便是不断的试验和改进，直至性能满足预期 要求。这种方法不仅需要较长的研发周期，而且投入物料成本较高。因此本文引 进有限元分析的思想，在虚拟状态下建立球铰关键部位的力受载模型，并对其进 行分析和优化，以缩短研发周期和节省成本【1 5 】【1 6 】【17 1 。 球铰耐久性试验次数要求为5 0 万次，因此要求球铰试验台性能必须远远高 于测试要求，对球铰整体受载分析可知，变形和过载只会出现在轴向直线加载过 程，因此对对球铰垂直方向夹具进行仿真分析。按照工况条件下的受载情况设置 约束条件，如图所示，夹具下端圆柱面固定，轴向力通过球铰轴向连杆方向施加 至夹具上。 采用a n s y s 软件对球铰易损部位进行分析，图2 1 2 为试件试验条件，设定 参数为：幅值2 5 t ；周期0 2 s ； 图2 - 1 2a n s y s 试验条件 1 6 0 0 0 0 0 0 0 5 5 2 2 浙江大学硕士学位论文通用性球铰试验台的设计 图2 1 3 为球铰工装受到轴向往复力时的一次循环受载变形情况，工装变形 量为1 3 奉1 0 五n m 图2 1 4 为球铰时的产品寿命分析，仿真结果表明，在受轴向 力为2 5 t ，频率5 h z 时，其工装寿命为低于3 0 0 0 次，较易损坏，不能满足试 验台性能要求。因此，需要对工装和主轴进行优化，增强产品性能，提高试验台 使用寿命。 图2 1 3 受载变形分析 图2 1 4 产品寿命分析 针对这种情况，选择改变球铰结构、材料以及热处理工艺。在结构上面，增 大壁厚至2 0 m m 、增大2 倍接触面积、增加结构刚性，同时在材料选择上采用优 质合金结构钢4 0 c r n i m o ，后期进行调质处理。通过a n s y s 分析，图2 1 5 为改 浙江大学硕士学位论文 通用性球铰试验台的设计 进后的受载变形分析，球铰关键部位一次循环受载变形大幅减少，变形量降至 1 3 8 1 0 5 m m 。图2 1 6 为改进后的产品寿命分析，的在最大负载2 5 t 的情况下， 试验台夹具寿命增至4 万次以上，而根据企业提供的产品测试要求，球铰的耐久 性能测试为0 n 2 0 0 0 n ，在该测试条件下，夹具寿命超百万次，因此该夹具能够 满足试验台性能需求。 图2 1 5 产品优化后受载变形 0 ：0c 口：ir ? ，t = = 二二二二二3 ：0 ：， 图2 1 6 产品优化后的寿命 1 8 浙江大学硕士学位论文通用性球铰试验台的设计 2 4 小结 本章节主要讨论球铰试验台的整体方案规划，确定试验台的各个功能框架 及信号传递过程。第二部分为系统的机械结构实现，通过对机械结构功能的分析， 确定子功能的方案实现方式，主要包括系统作动方式的选择、通用性工装夹具的 设计、变速机构的设计、试验台材料的优化 采用功能分解的方式实现试验台的结构实现，在实现子功能的基础上，进 行整合，排除各子功能的相互干涉情况，完成整个系统的结构设计将球铰工装 夹具分为夹具紧固件和模块式夹具，实现了试验台通用性的要求，并降低了球铰 工装的成本。通过a 啮y s 有限元分析软件对试验台结构进行结构疲劳分析，评估 试验台的易损件，通过对结构设计进行改进，优化易损件材料，达到了试验台性 能要求。 1 9 浙江大学硕士学位论文试验台电气控制系统设计 第三章试验台电气控制系统设计 摘要：本章主要讨论试验台的电气电路和数据通讯采集软件实现，包括试验 台电气布局、试验台控制系统、上下位机通讯、人机交互界面、故障监控系统等 几方面，分别对这几个部分的电气控制进行介绍，完成了试验台的电气控制和友 好人机界面。 3 1 电气控制系统方案 图3 - 1 控制系统方粟 试验台在系统层面设计有集成化的总控制系统( 图3 1 ) 。该系统能根据需求， 控制各个加载驱动的动作方式、实时采集各个传感器输入信号并加以处理、从人 机界面读取必要信息或对人机界面输出测试信息。能够完成对各个传感器的信息 读取、保存、传递，并对各种信号进行处理，例如驱动力加载系统就可实时采集 加载力信号，经过微机系统计算以后，根据需要不断改变液压缸作用力实现交变 加载要求。 该系统还包括一套友好的人机交互界面，试验人员可通过该界面对试验台架 输入试验所需的信息，或读取以及输出试验结果。试验结果可通过界面上的曲线 绘制或列表功能读取，亦可以通过打印机打印成书面报告。本试验台也可根据需 要对试验数据进行统计分析等计算，以分析接头总成的性能差别及其方差分布等 品质信息本试验台亦可纳入企业信息化平台，以及时将测试信息提供给所需部 门。 浙江大学硕士学位论文试验台电气控制系统设计 3 2 硬件电路实现 完成对系统方案的确定，可知设备的输出动力包括电机和液压系统，步进电 机控制为高速脉冲信号输出，液压站通过比例伺服阀进行控制，由于液压系统的 时滞性、非线性特征，为实现有效控制，需要进行较高频率的数据通讯和处理 通过对以上系统要求的分析，对目前市场上的控制设备进行讨论，寻找匹配设备 需求的电气系统控制方案。 3 2 1 产品选型 目前在工业环境中应用较多的控制核心主要是p l c 、a v r 、d s p ，删等 通过对系统的分析，试验设备工作在强磁高压的环境中，噪声干扰情况严重，为 实现对系统的有效安全控制，选用p l c 作为下位机进行电机、液压站的启停和 设备安全监控的控制器；同时系统要求数据的高频输入输出和数据处理，因此使 用基于d s p 的p c i 高速数据采集卡作为电液伺服系统控制下位机。， ( 1 ) p c i 高速数据采集卡 本系统使用研华公司生产的p c i 1 7 1 6 高速数据采集卡，该卡基于p c i 总线 标准设计，是一款功能强大的高分辨率多功能数据采集卡。它带有一个2 5 0 k s s 1 6 位a d 转换器，1 k 用于a d 的采样f i f o 缓冲器p c i - 1 7 1 6 可以提供1 6 路单 端模拟量输入和8 路查分模拟量输入，也可以组合输入它带有2 个1 6 位d a 输出通道、1 6 路数字量输入输出通道和1 个1 0 z 1 6 位计数器通道，并在输入 和p c i 总线之间提供了2 5 0 0 v d c 的直流光隔离保护，用于保护p c 及外设免受 输入