李亞文
(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 長(zhǎng)治 046011)
隨著電子技術(shù)的大力發(fā)展,汽車的電控系統(tǒng)不斷完善,使得行駛的安全性、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性也有了很大的改善。由于汽車的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜和緊湊,在汽車的修理過程中會(huì)遇到很多棘手的問題,為了能夠快速、準(zhǔn)確、方便地診斷汽車的運(yùn)行故障和檢測(cè)汽車的使用性能,必須大力發(fā)展汽車檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)設(shè)備。為此,本文針對(duì)福田歐曼GTL重卡汽車設(shè)計(jì)了一套前軸激光檢驗(yàn)儀,可對(duì)汽車前軸進(jìn)行精確地檢驗(yàn)(包括前軸受損修復(fù)后的檢驗(yàn))。
福田歐曼GTL重卡汽車的前軸是軸式轉(zhuǎn)向橋的主體,其斷面形狀采用工字形,用以提高抗彎強(qiáng)度、減輕質(zhì)量。前軸兩端翹起部分?jǐn)嗝嫘螤钪饾u由工字型向方形過渡,至兩端略呈方形[1]。由于前軸中部下凹使發(fā)動(dòng)機(jī)的位置得以降低,進(jìn)而降低汽車質(zhì)心,擴(kuò)展駕駛員視野,減小傳動(dòng)軸與變速器輸出軸之間的夾角。汽車前軸兩端加粗呈拳形,其中有通孔,主銷插入孔內(nèi)與轉(zhuǎn)向節(jié)連接。為防止主銷在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),用帶有螺紋的楔形銷將其固定。前軸下沉部分的兩端各有一個(gè)加寬面,上面鉆有4個(gè)螺栓孔,用以安裝鋼板彈簧。在前軸兩端裝有限位凸塊,與轉(zhuǎn)向節(jié)上的限位螺栓相配合,以調(diào)整轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角[2]。
(1) 在垂直平面內(nèi)(對(duì)地面而言),車輪的法向反作用力通過前軸和鋼板彈簧傳給車架,使前軸承受垂直彎曲力矩。
(2) 在水平平面內(nèi),緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的縱向制動(dòng)力以及起步過猛產(chǎn)生的縱向慣性力都通過前軸傳給車架,使前軸承受水平彎曲力矩。
(3) 制動(dòng)時(shí)前軸在鋼板彈簧座外側(cè)的部分還承受制動(dòng)力引起的扭矩[3]。
汽車使用條件相當(dāng)復(fù)雜,前橋承受經(jīng)常變化的載荷,前軸作為前橋的主要部件之一承受多重作用力,主要是垂直彎矩。當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí),前軸負(fù)荷增大;當(dāng)汽車通過凹凸不平路面時(shí),前軸受沖擊負(fù)荷,容易引起金屬疲勞,從而在彎曲應(yīng)力最大處產(chǎn)生裂紋。所以前軸的剛度和強(qiáng)度最為重要,影響汽車的使用壽命和安全性能,如果不能滿足其強(qiáng)度和剛度的要求,可能就會(huì)發(fā)生前軸的斷裂[4],如圖1所示。主銷孔處最容易發(fā)生斷裂,尤其是與轉(zhuǎn)向節(jié)連接的地方。
圖1 前軸形狀及易斷裂位置
汽車的轉(zhuǎn)向系(包括前橋)故障不但決定于其本身,而且還與行駛系及底盤的其他部分密切相關(guān)。汽車前橋經(jīng)長(zhǎng)期使用后,各部件會(huì)產(chǎn)生磨損、變形甚至斷裂,這些缺陷將使汽車的操縱穩(wěn)定性能、制動(dòng)性能和傳動(dòng)性能降低,影響汽車的正常行駛。因此,對(duì)前橋的故障要及時(shí)診斷與排除。
前橋的技術(shù)故障現(xiàn)象往往和轉(zhuǎn)向系聯(lián)系在一起,常見的故障有轉(zhuǎn)向沉重、低速擺頭、行駛跑偏、高速擺振、輪胎不正常磨損等[5]。
福田歐曼GTL重卡汽車前軸的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下(本文的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以福田歐曼GTL重卡汽車維修手冊(cè)為依據(jù)):經(jīng)探傷檢查不得有任何裂紋;鋼板彈簧座上U型螺栓承孔及定位孔的磨損量不得大于1 mm ;兩鋼板彈簧座平面在其公共平面法線方向的位置度公差應(yīng)為1.0 mm;由于鋼板彈簧座平面橫向長(zhǎng)度大于160 mm,且平面度公差為0.5 mm,因此磨損修復(fù)后鋼板彈簧座厚度減少量不得大于2 mm;前軸主銷孔端面磨損修復(fù)后的厚度減少量不得大于2 mm。
前軸檢驗(yàn)系統(tǒng)主要由激光器、透鏡、角錐棱鏡等組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 前軸檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
4.2.1激光器的選取
本前軸檢驗(yàn)系統(tǒng)的激光器選用紅寶石激光器。紅寶石激光器一般用氙氣作光泵激勵(lì),氙燈以脈沖方式工作,脈沖持續(xù)時(shí)間為幾毫秒,單脈沖輸出能量為幾千焦耳,激光效率為25%左右。紅寶石激光器對(duì)光泵的要求為:①應(yīng)該使光泵的輸出光譜落在激光工作物質(zhì)的吸收帶內(nèi);②應(yīng)考慮光泵光源的使用壽命。同時(shí),為了使光泵光源發(fā)出的光均勻有效地照射到紅寶石晶體棒上,必須把光源和晶體棒放置在一個(gè)聚光腔內(nèi),聚光腔可以是圓柱形或橢圓柱形,無論哪種形狀的聚光腔,腔體內(nèi)壁必須高度拋光,并鍍有高反射率的膜層,常用的為鋁、銀或金等反射膜[6]。
4.2.2角錐棱鏡的選取
角錐棱鏡是一種作為回射用的玻璃元件,它由3個(gè)90°角將入射光束進(jìn)行反射。這些玻璃角的誤差必須在幾秒精度以內(nèi),入射面可以有5′以上的誤差,這樣角錐棱鏡的性能才不會(huì)受到明顯的影響[7]。角錐棱鏡材料為BK7,尺寸為Φ12.7 mm的六棱角錐,此六棱角錐棱鏡的綜合度誤差為±5′。
激光由紅寶石激光器射出,經(jīng)過透鏡1的耦合進(jìn)入到單模光纖里,激光由單模光纖傳輸,再經(jīng)過透鏡2的擴(kuò)散,然后通過角棱錐鏡反射到接收器上,最后經(jīng)信號(hào)處理器和A/D轉(zhuǎn)換器到達(dá)計(jì)算機(jī)。測(cè)量時(shí),激光器和接收器放在前軸的一端,角錐棱鏡沿前軸移動(dòng),激光由角錐棱鏡反射在接收裝置上,角錐棱鏡在移動(dòng)的過程中如果前軸發(fā)生變形,會(huì)使激光光束和角錐棱鏡之間產(chǎn)生相對(duì)位移,接收器上的激光由于受到前軸變形的影響,從而使激光的位移發(fā)生了偏移,接收器上輸出的電壓信號(hào)和激光在接收器上的位移量成正比,電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)將這些信號(hào)進(jìn)行匯總、編譯和處理,將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),得到較為準(zhǔn)確的偏移量,如果偏移量小于0.80∶1.00,則表明前軸彎曲較小,反之,則需要對(duì)前軸進(jìn)行校正。
在這個(gè)檢驗(yàn)系統(tǒng)中,采用了四象限探測(cè)原理,四象限探測(cè)器測(cè)量的是激光在角錐棱鏡上的光斑位置變化,用特定的計(jì)算方法來測(cè)量角錐棱鏡的激光直線度誤差[8],如圖3所示。
圖3中,黑色區(qū)域表示光斑的位置,圖3(a)中光斑位于正中間,光線沒有偏移;圖3(b)中光斑出現(xiàn)偏離,4個(gè)象限將光斑分成4份A、B、C、D,對(duì)應(yīng)的面積分別為W1、W2、W3、W4,4個(gè)象限產(chǎn)生的阻抗電流分別為i1、i2、i3、i4。由(i1+i4) /(i2+i3)的值可以確定角錐棱鏡的直線度誤差。角錐棱鏡的位移與光束移動(dòng)的關(guān)系如圖4所示。角錐棱鏡在移動(dòng)的過程中,如果前軸有變形,則會(huì)在水平和垂直兩個(gè)方向產(chǎn)生位移偏量δ,激光在經(jīng)角錐棱鏡的反射后會(huì)產(chǎn)生2δ的偏移,所以,角錐棱鏡作為檢測(cè)的元件能夠使檢測(cè)儀靈敏度提高(提高1倍)。前軸檢驗(yàn)儀工作示意圖如圖5所示。
圖3 檢驗(yàn)系統(tǒng)探測(cè)器原理
圖4 角錐棱鏡位移與光束移動(dòng)的關(guān)系
圖5 前軸檢驗(yàn)儀工作示意圖
激光檢驗(yàn)儀是汽車前軸檢驗(yàn)的重要工具,可以精確測(cè)量出汽車前軸由于受到外界沖擊力而產(chǎn)生的變形量,實(shí)現(xiàn)精確無誤的測(cè)量功能。
參考文獻(xiàn):
[1]丁鳴朝.北京福田系列汽車使用與檢修[M].北京:金盾出版社,2015.
[2]吳文琳.圖解汽車底盤構(gòu)造[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.
[3]陳明宏.底盤修理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2014.
[4]李燕華.北京福田系列汽車的構(gòu)造與維修[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2012.
[5]張建俊.汽車診斷與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2013.
[6]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].第4版.北京:高等教育出版社,2008.
[7]金國(guó)藩,李景鎮(zhèn).激光測(cè)量學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.
[8]陳強(qiáng)華,吳健,殷純永.雙頻激光遠(yuǎn)程直線度/同軸度測(cè)量系統(tǒng)[J].中國(guó)激光,2002(7):15-16.