壓導(dǎo)管機(jī)床專用力傳感器開發(fā)與研制
摘 要：
根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)壓導(dǎo)管專機(jī)開發(fā)研制的工作要求，從機(jī)床設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)考慮，需要設(shè)計(jì)專用圓柱式電阻應(yīng)變力傳感器為機(jī)床的控制系統(tǒng)提供壓力數(shù)據(jù)信號(hào)。圓柱式電阻應(yīng)變力傳感器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于彈性元件的設(shè)計(jì)。本文對(duì)彈性元件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，采用彈性力學(xué)變分法和有限單元法對(duì)彈性元件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，兩種方法計(jì)算結(jié)果相吻合，*后對(duì)彈性元件進(jìn)行了強(qiáng)度和壽命校驗(yàn)。這些設(shè)計(jì)計(jì)算成果為該傳感器生產(chǎn)商的研制和生產(chǎn)提供了理論依據(jù)，也可供同類型力傳感器的設(shè)計(jì)計(jì)算借鑒。
關(guān)鍵詞：
傳感器；彈性元件；變分法；有限單元法
中圖分類號(hào)：TP212.12
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
一、前言
發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管是進(jìn)、排氣門作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向支撐，能使氣門和氣門座正常閉合，并且具有導(dǎo)熱作用。作為氣門支撐件的氣門導(dǎo)管裝配工藝，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)是將氣門導(dǎo)管以壓配的方式嵌入缸蓋，即將一根導(dǎo)管壓配在氣缸蓋的導(dǎo)管孔中，導(dǎo)管和氣缸蓋導(dǎo)管孔之間采用過盈配合。而氣門導(dǎo)管工作時(shí)環(huán)境溫度較高，這對(duì)氣門的正常工作影響很大。因此，導(dǎo)管裝配后必須滿足相應(yīng)的工藝要求（該工藝要**通過大量的實(shí)驗(yàn)得出的），以確保在工作中，導(dǎo)管不會(huì)因?yàn)闅忾T的往復(fù)摩擦而松動(dòng)；同時(shí)，導(dǎo)管也不能安裝得過緊，防止工作發(fā)熱后，因其內(nèi)孔發(fā)生變形而影響進(jìn)、排氣門的正常工作。一般企業(yè)都制定了專門的控制壓力的工藝標(biāo)準(zhǔn)，用控制導(dǎo)管壓入缸蓋時(shí)的壓力值來間接地控制導(dǎo)管與導(dǎo)管孔之間的過盈配合精度，從而保證氣門導(dǎo)管的裝配質(zhì)量。
壓導(dǎo)管機(jī)床就是為實(shí)現(xiàn)上述目的而設(shè)計(jì)的，它能在氣缸蓋上方將導(dǎo)管在夾持狀態(tài)下壓入氣缸體。按照裝配工藝范圍的規(guī)定，在不同的壓入深度，允許的壓力值是不同的，超出規(guī)定的工藝范圍則說明氣門導(dǎo)管外壁和氣缸蓋導(dǎo)管孔內(nèi)壁之間的過盈量太大或太小，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并終止加工。本文所述的機(jī)床裝有高精度的壓力數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，使導(dǎo)管在壓入過程中，其壓力變化的全過程可以得到監(jiān)視和控制。該數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中的壓力數(shù)據(jù)信號(hào)來源于力傳感器，它的安裝結(jié)構(gòu)見圖1。
二、力傳感器彈性元件的設(shè)計(jì)要求
本導(dǎo)管壓機(jī)對(duì)一個(gè)力傳感器的工藝要求為：工作時(shí)所受*大壓力范圍為0t~2.5t，本設(shè)計(jì)中，取*大壓力為3.5t，平穩(wěn)載荷，使用壽命不小于2年；由于結(jié)構(gòu)的限制，傳感器外徑為70mm，高為80mm，內(nèi)徑為20mm。本產(chǎn)品的用戶為大批量生產(chǎn)類型的汽車企業(yè)，由生產(chǎn)綱領(lǐng)分析其加工節(jié)拍為50s，因此，采樣全過程共需采集42個(gè)數(shù)據(jù)，平均每秒鐘采樣3次。
綜合考慮機(jī)床結(jié)構(gòu)、傳感器精度和工作狀況的要求，*終確定采用空心圓柱式電阻應(yīng)變力傳感器。
三、 力傳感器參數(shù)的確定
通常，為了滿足電阻應(yīng)變計(jì)的要求，彈性元件輸出應(yīng)變的*大值（**值）應(yīng)在600×10-6～2000×10-6之間[1]，而電阻應(yīng)變計(jì)正常準(zhǔn)確工作所要求的彈性元件的應(yīng)變范圍與電阻應(yīng)變計(jì)的制造、安裝或粘貼工藝密切相關(guān)，不同的生產(chǎn)廠家制造的電阻應(yīng)變計(jì)可能會(huì)有不同的要求。經(jīng)過和制造商聯(lián)系，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)為工作時(shí)*大壓力作用下彈性元件輸出應(yīng)變（**值）為900×10-6。彈性元件采用合金結(jié)構(gòu)鋼40CrNiMoA，調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為38～43HRC，材料的彈性模量E為206000MPa，泊松比m為0.3，強(qiáng)度極限sb＝980MPa，屈服極限ss＝835MPa[2]。
四、力傳感器彈性元件的設(shè)計(jì)
首先利用材料力學(xué)公式對(duì)彈性元件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，確定其幾何尺寸，初步設(shè)計(jì)的結(jié)果可見圖2。接著，對(duì)彈性元件進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)力應(yīng)變分析。考慮到彈性元件的彈性敏感區(qū)域是中間的空心圓柱，而發(fā)揮工作效能的主要是這部分區(qū)域。因此，可以把空心圓柱受力的模型考慮成不計(jì)體積力（因?yàn)轶w積力相對(duì)于外力而言是很小的）的空心圓柱，如圖3所示。依據(jù)變分原理[3]~[7]，可以求出：
位移分量：
（1）
應(yīng)變分量為：
（2）
式中：r、θ和ｚ—分別為圓柱坐標(biāo)下的徑向、環(huán)向和軸向坐標(biāo)（如圖3所示）；
ur和w—分別為徑向和軸向位移；
er、eθ和ez—分別為徑向、環(huán)向和軸向正應(yīng)變；
γrz—剪應(yīng)變。
由上兩式，可以求出*大工作壓力作用下輸出應(yīng)變?yōu)?053×10-6。
由于是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行強(qiáng)度、壽命等方面的校驗(yàn)，再去求設(shè)計(jì)*大壓力下的應(yīng)力。應(yīng)力分量為：
（3）式中：sr、sq和sz—分別為徑向、環(huán)向和軸向正應(yīng)力；
trz—剪應(yīng)力。
圓柱端部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，是危險(xiǎn)截面，因而在此面上，外表面的應(yīng)力*大，計(jì)算后得：
sr＝-108.51MPa，sq＝-108.51MPa，
sz＝-253.20MPa，trz＝±46.44MPa；
三個(gè)主應(yīng)力是：s1＝-94.89MPa，s2＝-108.51MPa，s3＝-266.82MPa。
為驗(yàn)證變分法的計(jì)算結(jié)果，下面利用有限單元法對(duì)彈性元件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。混合使用矩形截面環(huán)單元和三角形截面環(huán)單元對(duì)彈性元件整體進(jìn)行離散化[8][9]。計(jì)算結(jié)果可見表1和表2。
表1
傳感器彈性元件各處應(yīng)變（*大工作壓力下）
|
點(diǎn)
|
坐標(biāo)（
r,z
）
|
變分法解
|
有限單元法解
|
|
ez
（10
-6）
|
e
q（
10-6）
|
ez
（10
-6）
|
e
q（
10-6）
|
|
1
|
(12,-10)
|
-652.20
|
0
|
-711.87
|
0.046
|
|
2
|
(12,-7.5)
|
-751.60
|
76.32
|
-800.45
|
85.91
|
|
3
|
(12,-5)
|
-822.59
|
130.84
|
-886.04
|
142.11
|
|
4
|
(12,-2.5)
|
-865.19
|
163.54
|
-913.64
|
178.25
|
|
5
|
(12,0)
|
-879.39
|
174.44
|
-918.96
|
185.39
|
|
6
|
(12,2.5)
|
-865.19
|
163.54
|
-938.55
|
183.26
|
|
7
|
(12,5)
|
-822.59
|
130.84
|
-907.97
|
146.10
|
|
8
|
(12,7.5)
|
-751.60
|
76.32
|
-827.40
|
84.65
|
|
9
|
(12,10)
|
-652.20
|
0
|
-716.47
|
0.059 |
表2
傳感器彈性元件各處應(yīng)力（*大設(shè)計(jì)壓力下）