壓導管機床專用力傳感器開發與研制
摘 要：
根據汽車發動機壓導管專機開發研制的工作要求，從機床設計具體結構考慮，需要設計專用圓柱式電阻應變力傳感器為機床的控制系統提供壓力數據信號。圓柱式電阻應變力傳感器的設計重點在于彈性元件的設計。本文對彈性元件進行了結構設計之后，采用彈性力學變分法和有限單元法對彈性元件進行應力應變分析，兩種方法計算結果相吻合，*后對彈性元件進行了強度和壽命校驗。這些設計計算成果為該傳感器生產商的研制和生產提供了理論依據，也可供同類型力傳感器的設計計算借鑒。
關鍵詞：
傳感器；彈性元件；變分法；有限單元法
中圖分類號：TP212.12
文獻標識碼：A
一、前言
發動機氣門導管是進、排氣門作往復直線運動的導向支撐，能使氣門和氣門座正常閉合，并且具有導熱作用。作為氣門支撐件的氣門導管裝配工藝，是汽車發動機配氣系統工藝中的一個重要環節。
多數發動機是將氣門導管以壓配的方式嵌入缸蓋，即將一根導管壓配在氣缸蓋的導管孔中，導管和氣缸蓋導管孔之間采用過盈配合。而氣門導管工作時環境溫度較高，這對氣門的正常工作影響很大。因此，導管裝配后必須滿足相應的工藝要求（該工藝要**通過大量的實驗得出的），以確保在工作中，導管不會因為氣門的往復摩擦而松動；同時，導管也不能安裝得過緊，防止工作發熱后，因其內孔發生變形而影響進、排氣門的正常工作。一般企業都制定了專門的控制壓力的工藝標準，用控制導管壓入缸蓋時的壓力值來間接地控制導管與導管孔之間的過盈配合精度，從而保證氣門導管的裝配質量。
壓導管機床就是為實現上述目的而設計的，它能在氣缸蓋上方將導管在夾持狀態下壓入氣缸體。按照裝配工藝范圍的規定，在不同的壓入深度，允許的壓力值是不同的，超出規定的工藝范圍則說明氣門導管外壁和氣缸蓋導管孔內壁之間的過盈量太大或太小，此時系統發出報警信號，并終止加工。本文所述的機床裝有高精度的壓力數據采集與控制系統，使導管在壓入過程中，其壓力變化的全過程可以得到監視和控制。該數據采集與控制系統中的壓力數據信號來源于力傳感器，它的安裝結構見圖1。
二、力傳感器彈性元件的設計要求
本導管壓機對一個力傳感器的工藝要求為：工作時所受*大壓力范圍為0t~2.5t，本設計中，取*大壓力為3.5t，平穩載荷，使用壽命不小于2年；由于結構的限制，傳感器外徑為70mm，高為80mm，內徑為20mm。本產品的用戶為大批量生產類型的汽車企業，由生產綱領分析其加工節拍為50s，因此，采樣全過程共需采集42個數據，平均每秒鐘采樣3次。
綜合考慮機床結構、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變力傳感器。
三、 力傳感器參數的確定
通常，為了滿足電阻應變計的要求，彈性元件輸出應變的*大值（**值）應在600×10-6～2000×10-6之間[1]，而電阻應變計正常準確工作所要求的彈性元件的應變范圍與電阻應變計的制造、安裝或粘貼工藝密切相關，不同的生產廠家制造的電阻應變計可能會有不同的要求。經過和制造商聯系，確定設計目標為工作時*大壓力作用下彈性元件輸出應變（**值）為900×10-6。彈性元件采用合金結構鋼40CrNiMoA，調質處理，表面硬度為38～43HRC，材料的彈性模量E為206000MPa，泊松比m為0.3，強度極限sb＝980MPa，屈服極限ss＝835MPa[2]。
四、力傳感器彈性元件的設計
首先利用材料力學公式對彈性元件進行初步設計，確定其幾何尺寸，初步設計的結果可見圖2。接著，對彈性元件進行進一步的應力應變分析。考慮到彈性元件的彈性敏感區域是中間的空心圓柱，而發揮工作效能的主要是這部分區域。因此，可以把空心圓柱受力的模型考慮成不計體積力（因為體積力相對于外力而言是很小的）的空心圓柱，如圖3所示。依據變分原理[3]~[7]，可以求出：
位移分量：
（1）
應變分量為：
（2）
式中：r、θ和ｚ—分別為圓柱坐標下的徑向、環向和軸向坐標（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、環向和軸向正應變；
γrz—剪應變。
由上兩式，可以求出*大工作壓力作用下輸出應變為1053×10-6。
由于是新產品設計，需要進行強度、壽命等方面的校驗，再去求設計*大壓力下的應力。應力分量為：
（3）式中：sr、sq和sz—分別為徑向、環向和軸向正應力；
trz—剪應力。
圓柱端部存在應力集中現象，是危險截面，因而在此面上，外表面的應力*大，計算后得：
sr＝-108.51MPa，sq＝-108.51MPa，
sz＝-253.20MPa，trz＝±46.44MPa；
三個主應力是：s1＝-94.89MPa，s2＝-108.51MPa，s3＝-266.82MPa。
為驗證變分法的計算結果，下面利用有限單元法對彈性元件進行力學計算。混合使用矩形截面環單元和三角形截面環單元對彈性元件整體進行離散化[8][9]。計算結果可見表1和表2。
表1
傳感器彈性元件各處應變（*大工作壓力下）
|
點
|
坐標（
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力（*大設計壓力下）