緩沖套對停止器擋桿防撞性能影響的測試與分析

□ 蔣 萍 □ 戴衛剛 □ 李鋒寶 □ 張華兵 □ 沈 鋒

天奇自動化工程股份有限公司 江蘇無錫 214000

1 研究背景

發動機缸體是汽車的重要零部件。由于工位的需要,兩缸體在運行過程中要保持一定的距離。對此，停止器起不可或缺的作用,其通過與缸體產生碰撞來阻止缸體運行。可見，碰撞載荷是停止器設計的重要依據[1]。在多體接觸碰撞的研究中,文獻[2-4]分析了碰撞力和拉格朗日乘子的關系。如果碰撞體關系復雜,計算會耗費大量時間,且碰撞產生的應力、應變也不易直接測量[5]。隨著計算機的普及與發展,數值模擬研究碰撞力已成為現實[6-8]。筆者建立汽車發動機缸體碰撞的虛擬樣機,通過動力學仿真結合試驗，獲得停止器擋桿帶聚氨酯緩沖套和不帶緩沖套時的最大碰撞力。得到碰撞力后，利用有限元分析軟件分析碰撞中關鍵部位擋桿和銅套的強度,從而分析不同情況擋桿的碰撞,作為優化設計停止器擋桿的依據。

2 停止器擋桿碰撞力計算

碰撞力隨接觸深度不斷變化,手工計算其瞬間值非常不易。在ADMAS軟件中，常用沖擊函數法來估算兩物體之間的碰撞力。

兩物體之間的碰撞力F為：

(1)

式中:k為剛度系數;x為距離；p為沖擊函數閾值；x′為x對時間的導數；e為力指數；c為最大阻尼系數；d為最大阻尼時的切入量。

由式(1)可知碰撞力為彈性力與阻尼力之差[9]。

停止器擋桿組件模型如圖1所示,其中受力部件是擋桿,與之緊密配合的是銅套。當發動機缸體以一定速度輸送到停止位時,缸體沖撞處于初始靜止狀態的擋桿。擋桿受力變形，并和銅套產生磨損，阻止缸體繼續運動。碰撞力越大,擋桿變形越嚴重,使用壽命越短。經過改進設計,在擋桿上增加緩沖套。擋桿帶聚氨酯緩沖套和不帶緩沖套時，受到的碰撞力肯定不同，就此研究兩種情況下擋桿碰撞力的大小。不帶緩沖套的擋桿，其碰撞力曲線如圖2(a)所示,材質為45號鋼。帶聚氨酯緩沖套的擋桿碰撞力,其碰撞力曲線如圖2(b)所示,此時與缸體直接接觸的是緩沖套。當鋁質發動機缸體在相同的起始點以12 m/min運行時,兩種情況下擋桿均在1.5 s左右發生碰撞。碰撞力很快達到峰值,然后又逐漸減小。其中，不帶緩沖套的擋桿，其碰撞力最大值約為680 N；帶緩沖套的擋桿，其碰撞力最大值約為475 N。

相比可知,帶緩沖套的擋桿與發動機缸體接觸時,碰撞發生的時間短,阻尼變化周期短,擋桿很快就會回彈,因此帶緩沖套的擋桿更耐撞。

3 停止器擋桿碰撞力試驗

為了更好地分析碰撞力的大小,采用測力傳感器，其工作原理如圖3所示。測力傳感器連接至相應設備,緊靠擋桿排布。當發生撞擊時，擋桿的撞擊力可以由測力傳感器進行檢測。當發動機缸體以一定速度撞擊擋桿時,碰撞力的變化通過測力傳感器檢測，輸出至計算機,最終形成碰撞力曲線，如圖4所示。由圖4可知,同一發動機缸體運行速度相同時,不帶聚氨酯緩沖套的擋桿，其最大碰撞力為600.9 N；帶聚氨酯緩沖套的擋桿，其最大碰撞力為468 N。以上數據表明,帶聚氨酯緩沖套對發動機缸體的沖擊有一定削弱作用,使碰撞力減小了近22%。與擋桿材質45號鋼相比,聚氨酯的剛度系數和阻尼系數小,力指數大,彈性力與阻尼力的差值增速慢,因此帶聚氨酯緩沖套擋桿的防撞效果更好。擋桿碰撞力ADAMS仿真與試驗數據對比見表1,可知得到的碰撞力大小相近,驗證了數值模擬的可靠性。

表1 擋桿碰撞力仿真與試驗對比

4 有限元分析

在得到發動機缸體與擋桿碰撞力的基礎上,對不同類型的擋桿組件進行有限元分析,獲得關鍵部件擋桿和銅套的應力、應變云圖，如圖5～圖7所示。由有限元分析可知，不帶緩沖套的擋桿，其受到的最大應力為86 MPa,銅套相應的最大應力為54 MPa,銅套受到擋桿反作用力而產生的運動方向最大變形為0.27 mm;帶緩沖套的擋桿，其受到的最大應力為70.6 MPa,銅套相應的最大應力為41 MPa,銅套受到擋桿反作用力而產生的運動方向最大變形為0.22 mm。查樣本可知,帶割口的45號鋼在850 ℃熱處理時,95%存活率下疲勞極限為148 MPa,而銅套材質鋁青銅的屈服強度為167 MPa[10]。兩種情況下擋桿和銅套的最大應力均小于極限強度,滿足強度要求。在相同潤滑條件下,帶緩沖套的擋桿對應的銅套每次撞擊后變形量較小,兩部件的磨損量較小,因此帶聚氨酯緩沖套的擋桿，其抗沖擊效果更好。

5 結束語

筆者通過ADAMS動力學仿真分析獲得的單次碰撞力與試驗數據接近,即帶聚氨酯緩沖套的停止器擋桿，其受到的碰撞力明顯減小,碰撞時間縮短。在獲得碰撞力的基礎上,通過有限元分析，確認擋桿和銅套的強度滿足要求,且帶聚氨酯緩沖套的擋桿對應的銅套變形小,有利于減小兩部件間的磨損。由此可見,在不考慮其它因素的影響下,停止器優先選擇帶聚氨酯緩沖套的擋桿。