减震器活塞杆液压式耐久实验台设计方案说明书.doc

本科生毕业设计（论文）摘 要本设计着重以减振器活塞杆的测试为例，介绍了减振器活塞杆横向疲劳实验台的功用及其组成。利用液压站和液压缸的组合，实现作用给活塞杆一定条件的脉动循环稳定变应力测试其横向疲劳强度。本说明书在已知测试条件的基础上，分析如何实现实验台所需功能，对减振器活塞杆横向疲劳实验台进行了功能设计和结构设计。实验台由液压站、液压缸、台架、夹具体以及传感器组成。通过简单、典型的液压传动机构以及传感器的应用，使实验台能够对大多数减振器活塞杆的疲劳强度进行测试，进而满足实验台要求。关键词：实验台；减振器；疲劳强度；活塞杆IAbstractThis thesis focused on the piston rod test of shock absorbers,and introduced the corresponding functions and compostition of the piston rod test of shock absotbers a design at acrosswise fatigue testbed for piston rod at shocke absorbers.Using the hydraulic pressure station and hydraulic cylinder and winch mechanism,the tests of crosswise fatigue strength of the piston rod of the sample shock absorbers were peformed by inputting harmony excitations.The statement in the known test conditions,based on the given testing conditions,the designs of function and structure of the target testbed were carried out in this thesis.The testbed consists of the hydraulic pressure station, hydraulic cylinder,the scaffolding,the jig body as well as the force sensor.Through some simple,typical fluid drive mechanism and the sensor application,the purpose of piston rod fatigue strength test for shock absorbers can be obtained in this thesis，and then meet the test requirements.Key words：Test-bed; Shock Absorber; Fatigue strength; Piston rod23目 录第一章 绪 论51.1题目简介51.2题目主要内容51.3预期达到的目标5第二章 实验台的功能设计72.1减振器活塞杆受力简介72.2减振器活塞杆横向疲劳实验台的设计方案及工作原理7第三章 活塞杆振动模型的建立与计算93.1梁的自由振动偏微分方程93.2梁做横向振动时的振型函数103.3边界条件103.4梁悬臂横弯时的固有频率和振型11第四章 液压缸的设计144.1基本参数的确定144.2强度校核144.2.1钢筒壁厚的校核144.2.2活塞杆直径d的校核144.2.3缸盖固定螺栓的校核154.2.4稳定性校核154.3拉杆计算16第五章 液压站的设计175.1液压泵的选择175.2电机的选择175.3液压站的选择18第六章 夹具的设计19第七章 工艺过程的编制 207.1 上挡板的工艺过程207.2下挡板的工艺过程217.3 T型槽的工艺过程21第八章 结论23参考文献24致谢25附录一 程序编程26应力应变程序编程26附录二 外文资料及翻译39第1章 绪 论随着我国汽车工业的不断发展，人们对汽车的舒适性和安全性的要求也越来越高，而减振器作为悬架系统的主要部件，其质量直接影响到车辆乘坐舒适性和操纵稳定性。现代汽车中广泛使用的液压减振器的结构决定了它在不同路况工作过程中，内部会产生冲击振动，进而使减振器活塞除了要承受来自径向的力，还要承受来自轴向的力，这就要求减振器活塞杆具有一定的耐疲劳强度来提高活塞杆的质量，进而提高减振器的寿命。目前，我国机动车减振器的试验设备和试验手段比较落后，试验规程和试验方法也存在一定问题，严重的制约了我国减振器行业的发展。基于我国现在减振器的发展情况和测试需要，开发一种活塞杆横向疲劳实验设备减振器活塞杆横向疲劳实验台。1.1 题目简介悬架是车架（或车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力和连接装置的总称。一般由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。而减振器又是其中最重要的机械部件。它要传递路面对车辆的各种作用力，包括牵引力、制动力、侧向力以及这些反力所产生的力矩。基于减振器复杂的工作情况，利用作用给活塞杆一定条件的脉动循环稳定变应力调试其横向疲劳强度。1.2 题目主要内容通过学习和查阅资料研究减振器的工作原理、了解组成部件尤其是活塞杆的功用、标准、实验方法以及生产工艺过程并完成实验台的功能与结构设计。运用所学的机械学知识对其进行可行性分析和校核。并按任务书要求完成实验台结构装配图一套，零件图4张，程序、译文1篇。1.3 预期达到的目标1）掌握减振器的基本组成，以及减振器的工作原理，弄明白其工作时的受力情况；2）掌握减振器活塞杆的功用，分析活塞杆的受力情况，了解减振器活塞杆的基本实验方法和实验原理，以及相应的国家标准；3）通过计算分析，逐步实现实验台的功能：振幅5mm，激励次数40万次以及180 kgf，并且设计专用卡具以满足各种型号减振器活塞杆的需要；4）设计方案合理、结构正确，试件装夹方便，并具有一定的通用性；所完成的资料规范基本符合国家、行业和学校有关标准与规定，并基本能用于生产实际。第2章 实验台的功能设计2.1 减振器活塞杆受力简介减振器是悬架中最重要的机械部件。它要传递路面对车辆的各种作用力，包括牵引力、制动力、及这些反力所产生的力矩，承受交变应力。减振器将交变应力作用到减振器活塞杆上。减振器活塞杆的横向疲劳强度成为其使用寿命及减振性能的一大影响因素。因此世界各减振器厂商都对减振器活塞杆横向疲劳强度提出了基本要求。减振器活塞杆横向疲劳实验台工作条件1) 激励频率：5.5Hz；2) 加载波形：正弦波形；3) 激励次数：40万次；4) 加载载荷：1800N。2.2 减振器活塞杆横向疲劳实验台的设计方案及工作原理减振器活塞杆横向疲劳实验台由实验台1、夹具2、活塞杆3、传力机构4、液压缸活塞杆5、液压传动机构6、电机7等部件组成。通过液压工作站和换向阀的组合工作实现液压缸的往复直线运动，液压缸通过传力机构把载荷作用给试件，通过改变液压油的流量实现加载载荷的调节。实验台工作过程如图1所示：将活塞杆3一端用夹具2与实验台1刚性的连接在一起，随着液压缸做往复运动。当液压缸由中点上行时，传力机构4向上产生推力传递给活塞杆3，使其向上弯曲。当液压缸由中点下行时，拉动传力机构4下行，使活塞杆3向下弯曲。电机7的输出转速使液压泵泵油，在通过换向阀的固定时间换向使液压缸的位移是关于液压油流量的时间函数，是一条近似的正弦曲线。即可实现正弦激励。不同型号的活塞杆在实验过程中会产生不同的挠度，为消除其对实验载荷的影响，通过改变液压油流量来调定实验载荷的大小。第3章 活塞杆振动模型的建立与计算3.1 梁的自由振动偏微分方程活塞杆的振动模型是悬臂梁。以表示梁的横向位移，以A表示梁单位长度的质量，EI为截面抗弯刚度，设梁上作用有单位长度的分布力。 在梁的任意截面处取一微段，质量，在y方向的运动方程为 （3-1）将其代入（3-1）式得 （3-2）利用材料力学中的弯矩与挠度的关系式则（3-2）式变为 （3-3）此即梁横向振动的偏微分方程。对于匀质等截面梁，当时，（3-3）式变为令,则上式变为 (3-4)这是梁的自由振动偏微分方程。3.2 梁做横向振动时的振型函数振型与时间无关，故可设式（3-4）的解为 （3-5）将其代入齐次方程（3-4）得 （3-6）上式左端是x的函数，右端是t的函数，要使上式对任意x与t都成立，须等式两端都等于同一个常数。令此常数为，则从（3-6）得两个常微分方程 （3-7） （3-8）式中式（3-7）的通解为 （3-9）其中和为积分常数。式（3-8）的通解为 （3-10）上式即梁做横向振动时的振型函数将（3-9）式和（3-10）式代入（3-5）式得（3-4）式的通解+六个待定常数,p由一个边界条件和两个初始条件来决定。3.3 边界条件边界条件大体可分为两类：挠度和转角的限制条件，称为几何边界条件；弯矩和剪力的限制条件，称为力边界条件。1、固定端（位移为0，转角为0）x=0时，、；2、自由端（弯矩为0，剪力为0）x=l时，。3.4 梁悬臂横弯时的固有频率和振型结合边界条件，由振型函数确定梁的固有频率和振型时，用到的各阶导数，即 （3-11）将悬臂梁的边界条件代入（3-10）和（3-11）得 （3-12）B具有非零解的条件是上式展开并整理上式展开并整理得频率方程 以为横坐标,作出和的曲线如图3-1，两曲线的交点的横坐标就是频率方程的根，如表3-1所示当时， 因故固有频率，i=1,2。图3-1求梁弯曲振动的固有频率的作图法表3-1 前六阶的值1.8754.6947.85510.96614.13717.279因故固有频率,i=1，2。将（3-5）、（3-6）式代入式（3-10）可得各阶振型方程以一阶主振型为例，绘出主振型。时，取不为0的值时，不影响振型，取=1绘出一阶主振型。用同样方法可绘出其它各阶主振型。下面计算固有频率：已知碳钢弹性模量E=196216GPa，40Cr号钢一般取E=206GPa；密度,直径为d的圆形杆，其静矩为I=。不同悬臂长度、不用直径的杆一阶固有频率见表3-2。表3-2 不同悬臂长度、不同直径的杆一阶固有频率悬臂长度L（mm）直径d（mm）固有圆频率pl（s-1）固有频率fl（Hz）15012.52509.3399.4160162823.0449.3170182813.2447.7200202258.4359.4255221528.2243.2255251736.6276.4所以，1800N、5.5Hz的激振力远小于一阶固有频率，可按静态力做近似计算。第4章 液压缸的设计4.1 基本参数的确定已知液压缸振幅5mm，频率5.5Hz，因此液压缸活塞运行速度v=；根据GB/T 23482001标准，初取液压缸内径D=50mm,活塞杆外径d=28mm，因此液压缸工作腔有效面积；由外负载F=1800N得，因此液压缸工作腔压力；流量根据工作压力与流量选定抚顺天宝重工液压制造有限公司BGB系列拉杆油缸：BGB（W）I-LBB-50-7-100AB如图4-1图4-1 LB型轴向脚架式液压缸4.2 强度校核对于液压缸的钢筒壁厚、活塞杆直径d和缸盖固定螺钉的直径，在高压系统中，必须进行强度校核。4.2.1钢筒壁厚的校核在中、低压液压系统中，钢筒壁厚往往由结构工艺要求决定，一般不要校核。4.2.2 活塞杆直径d的校核活塞杆直径d的校核按式（4-1）mm （4-1）式中F活塞杆上的作用力1800N。活塞杆材料的许用应力，=，为材料抗拉强度=600。d取25mm，因此满足要求。4.2.3 缸盖固定螺栓的校核缸盖固定螺栓的校核按式（4-2）mm （4-2）式中F液压缸负载1800Nk螺纹拧紧系数，k=1.121.15；z固定螺栓个数；螺栓材料许用应力，为材料屈服点=355。取20mm，因此满足要求。4.2.4 稳定性校核活塞杆受轴向压缩负载时，其值F超过某一临界值,就会失去稳定。活塞杆稳定性按式（4-3）进行校核。 （4-3）式中 安全系数，一般去=2-4。当活塞杆的细长比，且=20120,则= 17.7kN (4-4)式中l安装长度，其值与安装方式有关，l=200mm；活塞杆横截面最小回转半径，；柔性系数，=85；由液压缸支承方式决定的末端系数。=4。4.3 拉杆计算液压缸的缸筒和两端缸盖是用四根或更多根拉杆组成一体的。拉杆端部有螺纹，用螺帽固紧到给拉杆造成一定的应力，以使缸盖和钢筒不会再工作压力下松开，产生泄漏。拉杆计算的目的就是要针对某一规定的分离压力值估出拉杆的预加载荷量。令为预加在拉杆上的拉力，则拉杆的变形量为 （4-5）式中拉杆的刚度， ； 、拉杆的受力总截面面积和长度；拉杆材料的弹性模量在拉杆预加力的作用下，缸筒亦要压缩变形，其变形量为 （4-6）式中缸筒的刚度， ； 、缸筒筒壁的截面积和长度；缸筒材料的弹性模量。第5章 液压站的设计由液压泵、驱动用电动机、油箱、溢流阀等构成的液压源装置或包括控制阀在内的液压装置。按驱动装置要求的流向、压力和流量供油，适用于驱动装置与液压站分离的各种机械上，将液压站与驱动装置（油缸或马达）用油管相连，液压系统既可实现各种规定的动作。工作原理：电机带动油泵工作提供压力源，通过集成块、液压阀等对驱动装置（油缸或马达）进行方向、压力、流量的调节和控制，实现各种规定动作。5.1 液压泵的选择液压泵的最大工作压力必须等于或超过液压执行元件（液压缸）最大工作压力及进油路上总压力损失这两者之和。进油路上的总压力损失可以按经验资料估计。因此液压泵最大工作压力P=执行元件压力+压力损失=1.34+（0.51.5）=1.842.84Mpa液压泵流量必须等于或超过几个同时工作的液压执行元件（液压缸）总流量的最大值及回路中泄漏量这两者之和。回路中的泄漏量可按总流量最大值的10%30%估算。因此液压泵的流量Q=0.074*(1.11.3)=0.08140.096L/s即4.8445.772L/min。参照产品样本选取液压泵CBW-10：V排10ml/r,额定压力6.3Mpa，额定转速1450r/min，容积效率0.90，机械效率0.90，总效率0.81驱动功率1.1kw。5.2 电动机的选择电动机的选择内容包括选择电机的种类、电机的形式、电机的额定电压、电机的额定转速及电机的额定功率的计算。对于连续运行，负载平稳，对启动、制动没有特殊要求的生产机械，应优先采用普通鼠笼异步电动机，它广泛用那用于各种机床、水泵和风机等。电动机常见的防护型式有开启式、防护式、封闭式和防暴式，封闭式电机又分为制冷式、强制通风式和密闭式。前两种电机能防止来自任何方向的水滴或异物侵入，灰尘和潮气也不宜进入，使用于潮湿、多尘土、易受风雨侵袭、有腐蚀性蒸汽或气体的各种场合，密闭式电机常用于浸在液体（水或油）中的生产机械，例如潜水电泵等。电动机类型的选择要从负载的要求出发，考虑工作条件、负载性质生产工艺、供电情况等。根据实验台的工作条件先取Y90S-4型三相异步电动机。Y90S-4型三相异步电动机相关参数见表5-1。表5-1 电动机相关参数额定功率1.1 KW转 速1400 r/min额定电流2.75 A效 率78%功率因数0.78电动机额定转矩： Nm 5.3 液压站的选择将液压泵的有关参数和液压原理图提供给有关液压站生产厂家，即可设计出相关液压站。液压工作站选择榆次油研公司生产的UZ4C6/1.1*20如图5-1所示，油箱外形尺寸20L， 400x310x325（mm） 第6章 夹具的设计为满足各种型号减振器活塞杆的尺寸，夹具的设计应具有通用性。并且装夹尽量要方便快捷，同时要满足国家标准。夹具主要由滑动导向板、夹具体下座、夹具体上盖、夹紧衬套、定位销、连接螺栓、顶止螺栓、锁止螺母、顶块组成。把夹具的夹具体下座以及上盖做成一个因定直径的通径，与外径相同内径不同的铜合金调整套配合使用，这样对于不同的件只需更换调整套即可，另一个影响实验的主要因素是试件外伸长度，不同型号的试件其实验中臂长度也不同。夹具把夹具体下座做成燕尾形放入实验台的燕尾槽内，使其可以在试件的轴向上运动。当调定好试件悬臂长度以后，由两端的锁止螺母顶死，并用锁止螺母锁止，防止其在实验中因振动松脱。衬套采用H7/g6配合，如图6-1所示。图 6-1 夹具装备1-滑动导向板 2-夹具体下座 3-夹具体上座 4-螺母 5-螺栓 6-锁止螺母7-锁止螺栓第7章 工艺过程的编制7.1上挡板的工艺过程上挡板是单件小批量生产的，而在单件小批生产中，一般多采用通用机床和常规加工方法。为了提高企业的竞争力，也应该注意采用数控机床、数显装置、柔性制造系统（FMS）以及成组技术等先进设备和先进的加工方法。传动轴、活塞杆、连杆的毛坯均应选用ZG 200-400铸钢，并采用锻造的加工方法。见图7-1。图7-1 传动轴零件图上挡板工艺过程见表7-1：表7-1 上挡板工艺工程工序号工序名称设 备1铣上端面铣 床2打12光孔钻 床3粗铣R38半圆槽铣 床4半精铣R38半圆槽铣 床5铣下端面铣 床6铣左右两侧端面铣 床7铣前后端面铣 床 8去飞边，毛刺7.2下档板的工艺过程下档板采用单件小批量生产，毛坯采用ZG 200-400铸钢，同时采用锻造加工方法。如图7-2、所示为上挡板零件图。7-2 下档板零件图下档板的工艺过程见表7-2：表7-2 下档板的工艺过程工序号工序名称设 备1铣上端面铣 床2钻M12螺纹孔钻 床3粗铣R38半圆槽铣 床4半精铣R38半圆槽铣 床5铣下端面铣 床6铣左右两侧端面铣 床7铣前后两端面铣 床8去飞边，毛刺7.3 T型槽的工艺过程T型槽采用单件小批量生产，毛坯采用ZG 200-400铸钢，同时采用锻造加工方法。如图8-3所示为T型槽零件图。图7-3 T型槽的零件图1T型槽的工艺过程见表7-3：表7-3 连杆工艺过程工序号工序名称设 备1铣上下端面铣 床2铣55凹台铣 床3钻M8螺纹通孔钻 床4铣T型槽铣 床5铣左右两端面铣 床6铣前后两端面铣 床7去飞边、毛刺第8章 结论所设计的减振器活塞杆横向疲劳实验台，是根据实际情况出发，同时参考了万得集团的实验台，仔细观察了其运动规律，以及各部件之间的运动和连接关系。分析了减振器活塞杆的疲劳曲线，明确了易断处的受力状态。本实验台能在一定条件下模拟减振器活塞杆的工作条件，利用一定频率、一定振幅的循环交变应力对其进行激励，可求得活塞杆的横向疲劳强度是否合乎要求。实验台本身由一些简单、典型的部件和总成组成，用一台额定压力为4MPa流量为6L/min，11kw电机带动的齿轮泵的液压站和液压缸的组合来实现5.5Hz的正弦激励来做往复直线运动，通过调整电机的转速和液压泵的流量来调整激振频率和载荷。用更换调整套的方法来实现不同型号活塞杆的测试，而夹具也是可以随意调整，来满足不同活塞杆的实验要求。为保证实验要求，通过力的传感器来测试其实际加载载荷的大小。参考文献 1 曾庆东.机动车减振器设计M.北京：机械工业出版社，2000. 2 王天利.电液伺服减振器性能试验台J.广州：机床与液压，2003.2. 3 谭超.悬架双筒充气减振器的基本结构和工作原理J.兵工学报，1997.3. 4 Eureka .Bearing cross bears the load,vol.26.2006. 5 长春汽车研究所.汽车试验技术手册（下）M.长春：吉林科学技术出版社，1998. 6 汽车设计标准资料手册.长春：吉林科技出版社，1992. 7 Manufacturing Systems Engineering.K.Hitomi,1993. 8 杨北川.车用双筒充气液压减振器的研制和试验研究D.南京理工大学.2002. 9 郝京顺.汽车设计标准资料手册.吉林科技出版社，1992. 10 小林明.汽车工程手册北京: 机械工业出版社，1984.(4)11 张义民，贺向东，连杆的可靠性优化设计J,天津汽车，2001，4：202212 卢玉明，机械零件的可靠性分析M.北京，高等教育出版社.13 郭华伟.减振器实验台及其测控系统研究D.长沙:中南大学,2003.14 成大先.机械设计手册M.北京:化工工业出版社,2004.15 王天利.电液伺服减振器性能试验台负载特性研究D.辽宁工业大学.2002.16 骆涵秀.试验机的电液控制系统M.北京:机械工业出版社,1991.17 李永堂. 液压系统建模与仿真M.北京:冶金工业出版17社,2003.P148-157.18 雷天觉.液压工程手册M.北京:机械工业出版社.1989.致 谢紧张而忙碌的毕业设计就这样结束了，我设计的课题是：减振器活塞杆液压耐久实验台，这对我们来说完全是一个新的课题，刚拿到题目的时候是很茫然。感谢学校领导联系并组织到一汽的毕业设计实习以及万德减振器悬架公司给予的帮助，在工厂里我们看到了实物。通过王天利老师的讲解，查阅相关资料，和同学的帮助终于把设计的思路搞清楚了。对于具体的细节问题，涉及到一些经验方面的问题，指导老师总是细致耐心的讲解，在此向我的指导老师王天利老师的悉心指导和辛勤的付出表示最衷心的感谢。三个多月的实践使我感受到了毕业设计的重要性，毕业设计是大学学习阶段一次难得的理论与实际相结合的机会，使我将三年半来学到的知识进行了一次大总结，一次大检查，特别是机械设计、工程制图、机械原理等基础知识，进行了一次彻底的复习。通过这次毕业设计，使我对课堂上的理论知识有了更加深刻和具体的理解，也使我对专业知识的掌握与运用更得加熟练，提高了解决工程实际问题的能力，通过对相关文献，资料的查阅及电脑绘图也使我对电脑及网络资源的应用能力有所提升，我要感谢学校提供这次总结以往并深入学习的机会。最后我要特别感谢汽车与交通工程学院所有老师对我四年来的细心教诲与无微不至的帮助。附录一 应力应变程序编程Form代码using System;using System.Collections;using System.Collections.Generic;using System.ComponentModel;using System.Data;using System.Drawing;using System.Text;using System.Windows.Forms;using System.Diagnostics;using System.IO;namespace qiaoli public partial class Form1 : Form int count = 1; public Form1() InitializeComponent(); File.Delete(d:asddata1.txt); private void button1_Click(object sender, EventArgs e) double a = new double5; string a1 = textBox1.Text; string a2 = textBox2.Text; string a3 = textBox3.Text; string a4 = textBox4.Text; string a5 = textBox5.Text; if (textBox1.Text = | textBox2.Text = | textBox3.Text = | textBox4.Text = | textBox5.Text = ) MessageBox.Show(请将参数输入完整); else a0 = double.Parse(a1.ToString(); a1 = double.Parse(a2.ToString(); a2 = double.Parse(a3.ToString(); a3 = double.Parse(a4.ToString(); a4 = double.Parse(a5.ToString(); double x, y, p, q; p = a3 * a3 + a1 * a1; q = System.Math.Asin(a4 * a1 / p); y = a0 * p / 4 / a2 / a1 / System.Math.Exp(2 * System.Math.Log10(p * q / a3 / a1) / System.Math.Log10(2.718); x = 2* System.Math.Log10(p * q / a3 / a1) / System.Math.Log10(2.718); textBox6.Text = textBox6.Text + 第 + count + 组：应变 + x.ToString(#0.00) + rn; textBox6.Text = textBox6.Text + 应力 + y.ToString(#0.00) + rn; / textBox7.Text = y.ToString(#0.00); StreamWriter sw = File.AppendText(d:asddata1.txt); sw.WriteLine(x.ToString(#0.0); sw.WriteLine(y.ToString(#0.0); sw.Close(); textBox1.Text = ; textBox2.Text = ; textBox3.Text = ; textBox4.Text = ; textBox5.Text = ; /MessageBox.Show(请输入第 + count + 组参数); count+; private void button3_Click(object sender, EventArgs e) this.Close(); private void button2_Click(object sender, EventArgs e) int i = 0, n = -1; StreamReader sr = new StreamReader(d:asddata1.txt); string sline = ; ArrayList arr = new ArrayList(); while (sline != null) sline = sr.ReadLine(); if (sline != null & (i % 2 = 0) arr.Add(sline); n+; / MessageBox.Show(n.ToString(); sr.Close(); /for (int k = 1; i n / 2; i+) / for (int j = 0; j float.Parse(arr2 * (j + 1).ToString() / / tem1 = float.Parse(arr2 * j.ToString(); / arr2 * j = arr2 * (j + 1); / arr2 * (j + 1) = tem1; / tem2 = float.Parse(arr2 * j + 1.ToString(); / arr2 * j + 1 = arr2 * (j + 1) + 1; / arr2 * (j + 1) + 1 = tem2; / / textBox6.Text = arr0.ToString(); System.Drawing.Bitmap bmp = new Bitmap(343, 352); Graphics