汽车减震器拉伸床的结构设计
汽车减震器拉伸床的结构设计
摘要：汽车减震器的拉伸是汽车悬架系统组装前的必要工序之一。目前，减震器的拉伸大多采用人工的方法，生产率低，劳动强度大。本文设计了一种以气压系统提供动力的汽车减震器拉伸床，它主要是由气缸、连接头、橡胶块、固定架等部件构成。工作时，由气缸对减震器进行拉伸。气缸以脚架式安装在台体上，活塞杆螺纹部分与连接头连接。固定架位于台体的另一端。减震器的一个吊环套在固定架上，另一端通过销轴固定在连接头上。并可以通过垫在减震器下面的橡胶块调整减震器的轴线与气缸活塞杆的轴线在同一高度，所以可以对多种型号的减震器进行拉伸。该机床设计结构合理，工作安全可靠，生产效率比人工拉伸有很大提高。
关键词：减震器；拉伸；气缸
1 引言
随着国内外经济的快速发展，汽车逐渐成为人们生活、工作不可缺少的一部分，与此相应的汽车工业也需要而且正在迅猛发展。汽车部件的制造及组装过程的工艺装备也就显得尤为重要，比如，汽车覆盖件的冲压、减震器拉伸安装等。
汽车减震器装车前，应先拉伸至所需长度，装车时再通过吊环或螺纹联接，固定在汽车悬架系统上，以实现其减震功能[1]。减震器内部结构为液压元件构成，拉伸的过程需克服液压系统阻尼力，且阻尼系数随拉伸速率的增加而增大[2]。
目前国内一些厂家通常采用手工作业，用人工拉伸，而由于载货车减震器拉伸所需拉伸力较大，故人工拉伸难度大且效率低[3][4]。并且由于人为原因也会造成拉伸长度不统一，给后续组装造成很大困难。这些都大大降低了整条汽车生产线的效率及产品质量[5]。
本课题设计一个轻型载货车用减震器拉伸机床，减震器按要求长度拉伸，完成线下预装，以便进行下一步线上装配将其安装在汽车悬架系统上。该设计可实现提高生产效率、改善产品质量、减小劳动强度等作用。
2 总体方案设计
拉伸床主要由气缸、换向阀、连接头、销轴、工作台等组成，如图1所示。在气缸作用下将工件拉伸至要求长度,连接头和销轴将气缸和减震器连接，实现力的传递。
1.换向阀 2.气缸 3.连接头 4.销轴 5.工件 6.拉伸台 7.橡胶块 8.固定架
图1 总体结构示意图
3 动力装置设计
此工装过程的动力源采用气压传动，这是根据企业的实际情况，因为几乎每个企业都有空气压缩机储气罐，这从一定程度上减少了成本。又因为就减震器长度尺寸较大，采用气压传动整个拉伸过程较平稳，有利于减震器的拉伸。
气缸的设计主要包括气缸内径、活塞杆直径等。
3.1活塞杆上输出力和缸径的计算
1.输出力的计算
根据力的平衡原理，活塞杆上输出力必须克服活塞杆工作时的总阻力，单杆双作用气缸只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不同，活塞向左右两个方向行走时分别产生推力和拉力[6]，其中：
（1）
（2）
式中，F为活塞杆上的推力；F为活塞杆上的拉力；D为活塞直径；d为活塞杆直径；P为气缸工作压力；F为气缸工作时的总阻力。
2.缸径的计算
推力作功时： (3)
拉力作功时： (4)
式中，η为气缸工作时的载荷率，当气缸的动态特性参数要求高、工作频率高时，一般取η=0.3～0.5；动态特性参数要求一般，工作频率低时，取η=0.7～0.85。
3.2活塞杆设计
用式4计算时，活塞杆直径d可以根据气缸拉力预先估定，估定活塞杆直径时可按公式d/D=0.2～0.3来计算，必要时可按d/D=0.16～0.4来计算。
（1）具体计算过程
已知减震器长度尺寸变化范围：拉伸前长度：300～350mm；拉伸后：400～450mm，故气缸活塞杆的伸长量为50～150mm。查得减震器阻尼力变化特性图[2]，可知其阻尼力随活塞速率的增大而增大。本设计中气缸拉伸速率不会太大，取0.1～0.2m/s，则需克服阻尼力F为500～600N。
故：
估定活塞杆直径d/D=0.3,则D=51mm,d=15.5mm，分别圆整为D=50mm,d=16mm。
因为在这个过程中主要用气缸的拉力，因此推力可不予计算。
（2）活塞杆强度校核
根据减震器长度的变化尺寸范围(50～150mm),另外设定推程为50mm，则活塞杆的行程即计算长度为200mm。
1、按强度条件计算
当活塞杆的长度L较小（L≤10d）时可以只按强度条件计算活塞杆的直径d[7]。
(mm) (5)
式中，F为气缸的推力；为活塞杆材料的许用应力，=/s，其中为材料的抗拉强度，s为安全系数s≥1.4。
2、按纵向弯曲强度计算
气缸承受轴向压力后会产生轴向弯曲，当纵向力达到极限力Fk以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与气缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。
当长细比L/K≥85时，
(N) (6)
当长细比L/K≤85时，
(N) (7)
式中，n为系数；E为弹性模量，对钢取E=2.1×1011 Pa；F为材料强度实验值，对钢取f=49×107 Pa；a为系数，对钢取a=1/5000；L为活塞杆计算长度；K为活塞杆横截面回转半径，；I为活塞杆断面惯性矩，；为活塞杆截面积。
若纵向推力载荷（总载荷）超过极限力Fk,就应采取相应的措施，一般是其它条件不变的前提下，多以加大活塞杆的直径来解决。
具体计算如下：
当n=1时，气缸的结构简图如图2：
则
mm
因此 L/K=0.20/0.004=50
即
则
代入数值得
N
而纵向拉力为500—600N，即纵向力达不到极限力Fk ，所以活塞杆直径取16mm即可。由于缸筒内径D为50mm，查标准内径和壁厚表[7]，选用壁厚=5mm。
图2 气缸结构简图
3.3气缸主要零件结构设计
（1）气缸筒设计
选用气缸筒材料为20号无缝钢管，结构如图3。另外，内径精度及粗糙度根据活塞使用密封圈型式而异，用O型橡胶密封圈时为3级精度；粗糙度Ra为0.4；用Y型橡胶密封圈时为4～5级精度，粗糙度Ra为0.4。
图3 普通型气缸筒
（2）气缸盖设计
采用20号钢见图4所示，采用的双作用普通气缸，属无缓冲装置的气缸类型，因此气缸盖不需带有缓冲装置。为避免活塞与气缸盖端面接触时，承受压缩空气的面积太小。通常在缸盖上做出深度不小于1mm的沉孔，此孔必须与进气孔相通。
（3）活塞设计
选用铸铁HT150，结构见图5。活塞是把压缩空气的能量通过活塞杆传递出去的重要零件。活塞结构与其密封形式分不开，活塞的宽度也取决于采用一圈还是两排密封圈，活塞上安装密封圈的沟槽深和宽应符合密封圈的标准规定。
图4 气缸盖
图5 活塞
4 床体定位装置设计
4.1方案设定
汽车减震器的筒径尺寸是变化的,且长度范围是300-450mm。本设计用于减震器拉伸，因此减震器沿拉伸方向的原始尺寸是300-350mm，拉伸后的成品尺寸为400-450mm。减震器结构见图6，两端带有螺纹和螺母，将减震器固定在汽车悬架上。
方案的选用要根据所加工工件的尺寸或加工工艺的特点及应用范围等来确定，这个工艺过程中，因减震器属大型轴类件，需要横向拉伸，受力单一，只受轴向力作用，针对横向拉伸的定位方案如下：
图6 减震器示意图
气缸活塞杆与连接头以螺纹连接，通过连接头另一端的螺纹将减震器一端与连接头连接。台体上同样布置橡胶块作为平面定位元件，在台体右端设置一个固定卡盘，用来固定减震器的另一端，方案如图7所示：
1-气缸 2-活塞杆 3-连接头 4-减震器 5-橡胶块 6-固定卡盘 7-台体
图7 减震器定位方案
由图可见，减震器定位方案中连接头限制工件的三个自由度，即Z、 Y方向的旋转自由度及X方向的位移自由度；橡胶块限制工件的两个自由度，即Y方向的位移自由度及Z方向的旋转自由度；固定卡盘限制工件的一个自由度，即Y方向的位移自由度。
4.2底面定位元件
底面定位元件选用的是橡胶块，这个工艺过程中受力单一，只是平缓的拉伸过程，因此考虑生产成本，采用橡胶块调整减震器轴心高度。由《机械设计手册》第一卷，第3-239页，表3-3-3选择乙丙橡胶来做橡胶块[8]。橡胶块厚度可调，以减震器实际值为准。宽度大于减震器筒径。
因减震器在拉伸方向的尺寸范围是300-450mm，设计橡胶块的长度为300mm，宽度为60mm，并且橡胶块左端与固定架底座的距离为25mm，安装时将橡胶块按距离放在台体上。因为橡胶块的作用是调整减振器的轴线高度，在拉伸方向只受很小的摩擦力，且需经常更换，所以不采取固定措施，直接按距离要求放在台体上即可。
4.3侧面（YOZ平面）定位元件
考虑到减震器两端都是螺纹结构，活塞杆也带有螺纹，故设计连接头为两端都带有内螺纹的圆柱体结构，分别与活塞杆和减震器连接。连接头作用都是将减震器与活塞杆连接。由于连接头两端都为螺纹联接，对定位精度的要求更高些，需要调整减震器轴线高度与气缸一致，否则无法进行拉伸。考虑到减震器螺纹部分带有螺母，剩余长度不会太大，故选择与减震器相连接部分加工螺纹孔长度为30mm。与活塞杆连接部分加工螺纹空也为30mm。因为拉伸力不大，整体直径选择为40mm，其具体结构和尺寸见图8。
图8 连接头结构
图9 固定卡盘结构与尺寸
4.4侧面（XOZ平面）的定位元件
侧面采用固定卡盘来实现定位，所起的主要作用是防止减震器在拉伸时沿X方向移动。因为减震器带有螺纹结构和螺母，可以利用减震器的两个螺母来夹紧卡盘，实现减震器的定位。固定卡盘的上半部分为带U形槽的薄板，将减震器螺柱部分放入，以它本身的螺母加紧薄板或挡在薄板远离气缸的一面，从而实现定位减震器的目的。U形槽的宽度以减震器螺柱直径为准，为便于安装，一般应稍大于螺柱直径。为增加效果，U形槽深度应大于螺柱直径。由于有500-600N的拉伸力，薄板厚度不宜过小，本设计选择厚度为18mm，对于HT150来说，这个厚度足够保证减震器的拉伸，其具体结构和尺寸见图9。
5 其余主要结构设计
5.1 拉伸床台体设计
台体上安装气缸等其他部件，需要在台面上加工出若干安装孔，所以台面选择热轧钢板。台体支撑选择10号槽钢和7号角钢焊接[9]，既可减轻重量，也能保证台体的稳固。具体尺寸如图10所示。
图10 台体结构尺寸
5.2 周转车设计
减震器整体尺寸较小，尽管拉伸后的长度为350-450mm，但其缸径多在50mm以下。拉伸机采用气动拉伸后，使作业效率比人工拉伸高出许多。若依然采取加工一个，放置一个的工作频率将大大影响生产效率的提高。为适应拉伸机效率的提高，设计了一辆周转工件的手推车，可以一次性进行大量工件的输送，将待加工件运来并且在拉伸后运出，这样与拉伸机配套可以保证生产效率的稳步提高。
本设计中的手推车因为承受的力较小，为节约成本和加工方便，采用角钢焊接[9]，这样既可满足运输的需求又不增加额外的加工费用。车体分上中下三层，上边两层为载货层，由角钢焊接成架，再铺上钢丝网，可以适用于大小各种规格的减震器输送。两个后车轮采用万向脚轮[10]，焊接在下边一层的底面钢板上。在车的前部，设计一横杆，通过挂钩与机身上的钩架连接。其结构如图11所示。
（a）手推车结构尺寸
（b）车轮尺寸
图11手推车机构图
6 结论
本课题设计了一台汽车减震器拉伸机，它结构简单，性能可靠，工作过程平稳，可以对减震器实现高质量高效率的拉伸，可以解决汽车生产企业依靠人工拉伸减震器的局限，可以提高企业的生产效率。而且这套设备生产成本低，国内汽车生产厂家大都具备购买和使用能力。
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汽车减震器拉伸床的结构设计
