根據(jù)汽車發(fā)動機壓導管專機開發(fā)研制的工作要求，從機床設計具體結(jié)構(gòu)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(tǒng)提供壓力數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(jié)果相吻合，最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(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(fā)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(fā)動機配氣系統(tǒng)工藝中的一個重要環(huán)節(jié)。
??? 多數(shù)發(fā)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(huán)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（該工藝要求是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(fā)熱后，因其內(nèi)孔發(fā)生變形而影響進、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(zhì)量。
?壓導管機床就是為實現(xiàn)上述目的而設計的，它能在氣缸蓋上方將導管在夾持狀態(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管外壁和氣缸蓋導管孔內(nèi)壁之間的過盈量太大或太小，此時系統(tǒng)發(fā)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(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，使導管在壓入過程中，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：工作時所受最大壓力范圍為0t~2.5t，本設計中，取最大壓力為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)綱領分析其加工節(jié)拍為50s，因此，采樣全過程共需采集42個數(shù)據(jù)，平均每秒鐘采樣3次。
??? 綜合考慮機床結(jié)構(gòu)、傳感器精度和工作狀況的要求，最終確定采用空心圓柱式電阻應變力傳感器。