压导管机床专用力传感器开发与研制
摘 要：
根据汽车发动机压导管专机开发研制的工作要求，从机床设计具体结构考虑，需要设计专用圆柱式电阻应变力传感器为机床的控制系统提供压力数据信号。圆柱式电阻应变力传感器的设计重点在于弹性元件的设计。本文对弹性元件进行了结构设计之后，采用弹性力学变分法和有限单元法对弹性元件进行应力应变分析，两种方法计算结果相吻合，*后对弹性元件进行了强度和寿命校验。这些设计计算成果为该传感器生产商的研制和生产提供了理论依据，也可供同类型力传感器的设计计算借鉴。
关键词：
传感器；弹性元件；变分法；有限单元法
中图分类号：TP212.12
文献标识码：A
一、前言
发动机气门导管是进、排气门作往复直线运动的导向支撑，能使气门和气门座正常闭合，并且具有导热作用。作为气门支撑件的气门导管装配工艺，是汽车发动机配气系统工艺中的一个重要环节。
多数发动机是将气门导管以压配的方式嵌入缸盖，即将一根导管压配在气缸盖的导管孔中，导管和气缸盖导管孔之间采用过盈配合。而气门导管工作时环境温度较高，这对气门的正常工作影响很大。因此，导管装配后必须满足相应的工艺要求（该工艺要求是通过大量的实验得出的），以确保在工作中，导管不会因为气门的往复摩擦而松动；同时，导管也不能安装得过紧，防止工作发热后，因其内孔发生变形而影响进、排气门的正常工作。一般企业都制定了专门的控制压力的工艺标准，用控制导管压入缸盖时的压力值来间接地控制导管与导管孔之间的过盈配合精度，从而保证气门导管的装配质量。
压导管机床就是为实现上述目的而设计的，它能在气缸盖上方将导管在夹持状态下压入气缸体。按照装配工艺范围的规定，在不同的压入深度，允许的压力值是不同的，超出规定的工艺范围则说明气门导管外壁和气缸盖导管孔内壁之间的过盈量太大或太小，此时系统发出报警信号，并终止加工。本文所述的机床装有高精度的压力数据采集与控制系统，使导管在压入过程中，其压力变化的全过程可以得到监视和控制。该数据采集与控制系统中的压力数据信号来源于力传感器，它的安装结构见图1。
二、力传感器弹性元件的设计要求
本导管压机对一个力传感器的工艺要求为：工作时所受*大压力范围为0t~2.5t，本设计中，取*大压力为3.5t，平稳载荷，使用寿命不小于2年；由于结构的限制，传感器外径为70mm，高为80mm，内径为20mm。本产品的用户为大批量生产类型的汽车企业，由生产纲领分析其加工节拍为50s，因此，采样全过程共需采集42个数据，平均每秒钟采样3次。
综合考虑机床结构、传感器精度和工作状况的要求，*终确定采用空心圆柱式电阻应变力传感器。
三、 力传感器参数的确定
通常，为了满足电阻应变计的要求，弹性元件输出应变的*大值（优良值）应在600×10-6～2000×10-6之间[1]，而电阻应变计正常准确工作所要求的弹性元件的应变范围与电阻应变计的制造、安装或粘贴工艺密切相关，不同的生产厂家制造的电阻应变计可能会有不同的要求。经过和制造商联系，确定设计目标为工作时*大压力作用下弹性元件输出应变（优良值）为900×10-6。弹性元件采用合金结构钢40CrNiMoA，调质处理，表面硬度为38～43HRC，材料的弹性模量E为206000MPa，泊松比m为0.3，强度极限sb＝980MPa，屈服极限ss＝835MPa[2]。
四、力传感器弹性元件的设计
首先利用材料力学公式对弹性元件进行初步设计，确定其几何尺寸，初步设计的结果可见图2。接着，对弹性元件进行进一步的应力应变分析。考虑到弹性元件的弹性敏感区域是中间的空心圆柱，而发挥工作效能的主要是这部分区域。因此，可以把空心圆柱受力的模型考虑成不计体积力（因为体积力相对于外力而言是很小的）的空心圆柱，如图3所示。依据变分原理[3]~[7]，可以求出：
位移分量：
（1）
应变分量为：
（2）
式中：r、θ和ｚ—分别为圆柱坐标下的径向、环向和轴向坐标（如图3所示）；
ur和w—分别为径向和轴向位移；
er、eθ和ez—分别为径向、环向和轴向正应变；
γrz—剪应变。
由上两式，可以求出*大工作压力作用下输出应变为1053×10-6。
由于是新产品设计，需要进行强度、寿命等方面的校验，再去求设计*大压力下的应力。应力分量为：
（3）式中：sr、sq和sz—分别为径向、环向和轴向正应力；
trz—剪应力。
圆柱端部存在应力集中现象，是危险截面，因而在此面上，外表面的应力*大，计算后得：
sr＝-108.51MPa，sq＝-108.51MPa，
sz＝-253.20MPa，trz＝±46.44MPa；
三个主应力是：s1＝-94.89MPa，s2＝-108.51MPa，s3＝-266.82MPa。
为验证变分法的计算结果，下面利用有限单元法对弹性元件进行力学计算。混合使用矩形截面环单元和三角形截面环单元对弹性元件整体进行离散化[8][9]。计算结果可见表1和表2。
表1
传感器弹性元件各处应变（*大工作压力下）
|
点
|
坐标（
r,z
）
|
变分法解
|
有限单元法解
|
|
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
传感器弹性元件各处应力（*大设计压力下）