轉向系統沖擊試驗機擺錘組件設計方法研究

關若旸，王志勝，曹國華，張大偉

（長春理工大學 機電工程學院長春 130022）

0 引言

轉向器是汽車轉向系統中的重要部件，隨著汽車行業國際間技術交往的加強，對其安全性要求越來越高。本文所設計的轉向器沖擊試驗機，由計算機結合可編程控制器控制和采集數據，由減速電機和離合器控制擺錘的起擺與下落。在實際工作中，轉向器在震蕩環境下工作不可避免，試件的抗沖擊強度是其最重要的性能參數之一，所以，對其抗拉、壓沖擊的檢測是非常關鍵的環節。

1 工作原理

擺錘沖擊試驗機原理是利用擺錘的重力加速度沖擊方式，對轉向器試件施以拉、壓力沖擊，即實現擺錘的勢能轉化為動能這樣一種能量轉換。并在試件一端安裝壓力傳感器，測量試件所受能量的大小。試件的韌性強弱即可通過其所能接受的能量高低來衡量，以此驗證產品安全性。圖1 為沖擊試樣機工作原理圖。

擺錘在自由懸垂時，沖擊刀刃應與試樣之間處于似接非接狀態。當擺錘上升仰角到α 時為擺錘初始位置，然后自由釋放，在忽略風阻、機械摩擦損失的條件下，為沖擊過程提供需要的能量。

2 沖擊速度與起擺角度

根據要求，為模擬轉向器實際工作狀況，需在沖擊試件與擺錘之間加緩沖設備，產生帶緩沖的沖擊，具體沖擊要求如圖2 所示。

擺錘沖擊是由勢能轉化為動能的過程，

式中：E 為忽略其他能量損失條件下，沖擊試樣時的總能量；l0為試樣重心到擺軸軸線的距離。

根據圖2 的撞擊F—t 圖像，則此時擺錘自由下落到0°時所需達到的撞擊動量式為：

式中：m 為按設計規定中的擺錘質量大小，Fm為設計中所要求的最大沖擊力度，由于進行的是帶緩沖的沖擊，t 為峰值響應時間，根據動量定理，可得出速度v，即擺錘自由下落到撞擊點處的速度。

按設計要求規定，擺錘擺長、質量已定，通過計算公式：

求得擺錘的實際起擺高度h，進而確定擺錘的起擺角度α。

3 擺錘沖擊中心的確定

由于設計的擺錘頂端由兩軸承座支撐，即可看作簡支梁。當擺錘打擊試件時，軸承處必受到反碰撞沖量的作用。撞擊點與擺錘組件的沖擊中心重合時，沖擊力不會在擺軸軸線處產生附加的力，這一定程度上減少了不必要的能量消耗，提高了擺錘沖擊試驗機的使用壽命和安全性。并且國家標準硬質塑料簡支梁沖擊試驗方法中規定，旋轉軸心到擺錘沖擊中心的距離與旋轉軸心至試樣重心距離應一致，兩者之差不應超過后者的±1%。根據設計要求，擺錘的質量已定，擺桿的材料、長度也已確定。故應用優化設計方法確定尺寸，可以減少擺錘的試制次數，較準確地計算出理想的撞擊位置。

圖1 沖擊試驗機工作原理圖

圖2 F-t 圖像

當撞擊發生時，在撞擊點處就成為了一個支點o，受到試件給擺錘的反向沖擊力。在沖擊過程中擺錘組件的角速度為ω，取o 點兩側各部分的質量微元，可得出撞擊點上半部分的動量矩

圖3 打擊中心

由動量矩定理可知，為避免產生多余的力矩，在該點兩邊的位置所形成的動量大小應該是相等的，根據這一特點可列出等式

式中：m1為擺桿的質量；m2為擺錘的質量；l 為擺桿長度；h為擺錘高度。計算可得出沖擊中心的位置z 與擺錘高度h和擺桿長度l 之間的的關系：

通過對沖擊中心位置的計算，可以較為方便地確定試件與擺錘的碰撞，并避免在軸承端加載較大的載荷。通過幾個參數關系的確定，可以根據實際情況要求，靈活調整設計方式，確定沖擊中心的位置。

4 結語

當擺錘與試件碰撞時，力能垂直地作用于擺錘的撞擊中心時，在軸承處不會產生反碰撞沖量。通過計算優化設計，可以減少擺桿變形導致試驗成本的增加，同時也可避免在軸承處的附加壓力導致的能量損失，對擺錘式沖擊試驗機的設計和制造有很大的實際意義。

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