汽車鎖扣沖擊試驗臺的設(shè)計

蔡建波

(貴州華陽汽車零部件有限公司，貴州 貴陽 550009)

0 引言

汽車鎖扣分為車門鎖扣、座椅鎖扣等，鎖扣的強度是關(guān)系到車輛整體安全性以及乘員安全的重要零件，為保證車輛在發(fā)生事故時，車門不會在事故過程中自行打開，并且在事故發(fā)生后，車門可以正常解鎖，鎖扣的結(jié)構(gòu)強度是至關(guān)重要的因素。

目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)沒有對鎖扣沖擊強度進行規(guī)定，然而在交通事故中，碰撞所產(chǎn)生的沖擊力往往是造成傷害的罪魁禍?zhǔn)住Ｎ夜咀鳛槠囨i類零部件的專業(yè)生產(chǎn)廠家，為對產(chǎn)品的各類工況進行研究，同時在生產(chǎn)過程中抽檢并剔除批次性不合格產(chǎn)品，設(shè)計了鎖扣沖擊試驗臺。

1 現(xiàn)有沖擊試驗設(shè)備

在驗證材料的沖擊性能時通常會用到擺錘式?jīng)_擊試驗機，其原理如圖1。試驗時將試樣安放在試驗機支座上，缺口朝向沖擊相反方向并居中擺放(圖1(b))。將具有一定重量的擺錘舉至一定的高度H1，使其獲得的重力勢能減去擺錘沖斷試樣后在終止位置的勢能，就是試樣吸收的沖擊功AK(不計空氣阻力等能量損失)，其具體數(shù)值可直接從沖擊試驗機的表盤上讀出J：

圖1 擺錘式?jīng)_擊試驗臺示意圖

AK=mg(H1-H2)

(1)

用試樣缺口底部的橫截面積SN(cm2)除沖擊吸收功AK即試樣的沖擊韌性值αK(J/cm2)[1]。αK是材料的抗沖擊性能指標(biāo)，主要用于特定條件下進行材料比較，一般不到具體零件上進行定量計算。綜上，擺錘式?jīng)_擊試驗機更加適合材料沖擊性能的研究，而這點也通過實際制作工裝，將鎖扣固定在擺錘式?jīng)_擊試驗機進行了試驗驗證：鎖扣因其結(jié)構(gòu)特點，相比同等截面積的同種材料試樣吸收的沖擊功要大得多，所以很難在用于材料沖擊試驗的擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行鎖扣的沖擊試驗。

2 鎖扣沖擊試驗臺的設(shè)計

2.1 鎖扣沖擊試驗臺原理

考慮到現(xiàn)有材料沖擊試驗用的擺錘式?jīng)_擊試驗機提供的沖擊能量有限，不足以破壞鎖扣，同時擺臂旋轉(zhuǎn)半徑較大，占用實驗室空間大等原因，鎖扣沖擊試驗臺采用自由落體式重錘沖擊的設(shè)計方案。將重錘上升到一定高度，釋放重錘，使其自由落體后，重錘以一定的速度垂直沖擊試件受力點，以此來驗證鎖扣產(chǎn)品的抗沖擊性能。

試驗過程中，將重錘提升到一定高度使其具有一定的重力勢能，釋放重錘，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，其物理模型為：

E勢=E動+E損

(2)

E勢=mgH

(3)

(4)

AK=E動+A剩

(5)

式中，E勢為重力勢能，E損為重錘下落過程中與導(dǎo)向柱摩擦及空氣阻力的能力損耗，m為重錘的質(zhì)量，g為重力加速度，H為重錘上升高度，v為撞擊前瞬間速度，AK為沖擊能量，A剩為沖擊破壞試件后仍然剩余的動能。重錘下落過程中能量損失與撞擊時的動能相比很小，可以忽略不計。

2.2 鎖扣沖擊試驗臺的設(shè)計與分析

由于汽車鎖扣類產(chǎn)品沒有沖擊試驗的先例，此次試驗臺的設(shè)計屬于驗證性的，設(shè)計應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安全可靠的原則，同時設(shè)計還需要兼顧將來的升級與擴展。

汽車鎖扣沖擊試驗臺主要由框架、重錘、試件安裝支架及支撐座、緩沖座、提升機構(gòu)等組成。圖2為結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 鎖扣沖擊試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 高度及重錘質(zhì)量的確定

圖3 鎖扣結(jié)構(gòu)示意圖

由于在車上的安裝位置不同，汽車鎖扣往往形態(tài)各異，尺寸也各不相同，通常是由高強度合金鋼絲與高強度汽車結(jié)構(gòu)鋼板通過熱鉚或者冷鉚組合后并進行熱、表面處理而成，典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過由扣環(huán)材料的沖擊韌性值與扣環(huán)橫截面積相乘進行估算的結(jié)果，以及前期在擺臂式?jīng)_擊試驗臺上試驗驗證的結(jié)果，破壞鎖扣的沖擊能量應(yīng)大于400 J，但是由試驗時扣環(huán)破壞程度估計，車門鎖扣的破壞沖擊能量應(yīng)小于800 J，所以沖擊試驗臺應(yīng)能提供涵蓋這個范圍的沖擊能量。

2.2.2 安裝支架與支撐座的設(shè)計

汽車鎖扣一般可分為車門鎖扣、座椅鎖扣，高度從30 mm至150 mm不等，為兼顧更多種類鎖扣的測試，試件的安裝支架需要可調(diào)以達到更好的通用性。在安裝支架上設(shè)置安裝刻度，是方便不同高度的鎖扣安裝的不錯選擇。

圖4 試件支架及支撐座三維模型

由于沖擊后的能量主要傳遞到支架及支撐座上，支架和支撐座應(yīng)能保證沖擊時的穩(wěn)定性，并且經(jīng)多次試驗后不易損傷，所以設(shè)計時要考慮充分的強度裕度。本次試驗臺的支架采用45#鋼進行整體銑削加工成型后進行淬火處理，使整體強度高于試件數(shù)倍。

2.2.3 沖頭的設(shè)計

圖5 錘頭的三維模型

為了提高設(shè)備的利用率，本試驗臺配置的錘頭可以應(yīng)對不同的鎖扣沖擊試驗。圖5為錘頭的三維模型。

錘頭在沖擊試驗的過程中，與鎖扣試件長期直接發(fā)生碰撞，沖擊力非常大，容易產(chǎn)生變形。如果錘頭下端面較軟，很容易發(fā)生塑性變形，致使錘頭與試件的接觸面變化甚至與試件咬合，影響試驗結(jié)果。又如果錘頭的整體硬度較高時容易出現(xiàn)錘頭脆裂。綜上，我們在錘頭下端部采用局部淬火的方式，使錘頭端面有較高的硬度，同時錘頭的芯部保留足夠的韌性，以增加錘頭的使用壽命。同時錘頭設(shè)計成可以拆卸的部件，即使多次的沖擊試驗后，形變達到一定程度時，更換錘頭即可。

為使鎖扣在不同角度可以充分試驗驗證，需要鎖扣能垂直和水平安裝試驗，所以在錘頭端部設(shè)置一個55 mm的缺口，從而可以在鎖扣水平安裝時，錘頭只接觸扣環(huán)的一腳，可以對鎖扣的每一腳進行單獨考核。

3 鎖扣試驗臺測試

為驗證所設(shè)計的鎖扣沖擊試驗臺滿足設(shè)計目標(biāo)情況，針對選取一批生產(chǎn)合格的車門鎖扣進行了試驗驗證。

3.1 試驗過程

試驗開始前，將鎖扣試件以扣環(huán)水平位置固定到安裝支架上預(yù)定位置固定點，調(diào)整支架在支撐座的位置，使其沖擊點為鎖扣嚙合工作區(qū)。增減錘頭增重塊，使錘頭達到預(yù)定重量，從20 kg開始試驗。設(shè)置好安全保護措施，拉動重錘至預(yù)定高度，釋放重錘沖擊試件。

圖6 鎖扣沖擊后的情況

每次沖擊后，記錄試驗條件及結(jié)果情況，更換試件，重復(fù)上述試驗過程。但每次試驗后改變重錘的質(zhì)量，重錘的質(zhì)量由20 kg逐步增加至50 kg，為一組試驗。一組試驗后，將鎖扣安裝位置由水平位置變換為垂直位置，繼續(xù)重復(fù)上一組試驗過程。試件沖擊后的情況如圖6。

3.2 試驗結(jié)果

按照上述試驗過程，共沖擊鎖扣30次。部分試驗結(jié)果如表1，試驗后的鎖扣試件如圖7。

表1 試驗結(jié)果統(tǒng)計

圖7 部分試件鎖扣

圖8 試驗后試驗臺主體部分照片

試驗后對鎖扣沖擊試驗臺進行檢查，錘頭除正常使用摩擦痕跡，未見明顯變形、開裂，支架、支撐座、導(dǎo)軌等均正常，試驗臺運行靈活，如圖8所示，從而證明鎖扣沖擊試驗臺的設(shè)計達到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語

1)為全面研究汽車鎖扣的性能，設(shè)計了鎖扣沖擊試驗臺，并通過實際試驗驗證了設(shè)計方案。

2)由于沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和先例參考，試驗臺存在不足和不完善的地方，雖達到驗證目的，但存在沖擊剩余能量無法計量、拉繩與定滑輪的抬升機構(gòu)在沖擊過程產(chǎn)生較大阻力等問題，將在更深入的研究和升級改造中加以改善。