压导管机床专用力传感器开发与研制

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，最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：工作时所受最大压力范围为0t~2.5t，本设计中，取最大压力为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，最终确定采用空心圆柱式电阻应变力传感器。