CN102235927B - 一种测试汽车零部件约束反力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测试汽车零部件约束反力的方法，利用加载机构对被测汽车零部件加载模拟约束反力，利用测力机构测量模拟约束反力数值，以被测汽车零部件待测处为轴转动加载机构，利用测量装置测量转动角度，以确定约束反力的方向。测试汽车零部件约束反力的装置，由加载机构、测力机构和台架构成，台架上设置有两个轴承，两个轴承与待测处位于同一轴线上，加载机构通过转动臂与轴承连接。调节和旋转加载机构来调节约束反力及其方向，进行实际约束反力的数值和方向的二维搜索，直到被测零部件特征位置上的应变量与实车上在同样规定的外力负载下所测取的应变量相等，从力传感器取得约束反力数值，从旋转角度得到约束反力方向。测量精确度得到提高，且操作简便。

Description

一种测试汽车零部件约束反力的方法和装置

技术领域：

本发明涉及机械领域，尤其涉及车辆零部件动态强度模拟试验台架，特别是一种测试汽车零部件约束反力的方法和装置。

背景技术：

汽车由成千上万个零部件组成。当其中一个零部件，特别是转向柱支架，受到外力负载作用时，该零件将受力传递或作用到周围与之直接或间接相连的众多其他零部件。换言之，根据牛顿作用力与反作用力原理，直接或间接相连的众多其他的零部件对该零部件也有反作用力，或称为约束反力，有时简称约束力，这种约束力直接影响零部件乃至整个汽车的功能和可靠性，因此在研发过程中，必须获取这种约束力，然而这种约束力，不但和外力负载、该零部件的结构有关，还和与之直接或间接相连的众多其他零部件的结构有关。也就是说，与之直接或间接相连的众多其他零部件的刚度越大，则一般来说，约束力也越大。转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，转向系统的性能始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题，特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，汽车的操纵稳定性和安全性设计显得尤为重要。转向柱支架是连接转向柱和其他零部件(具有一定的刚度)的中间环节，即将来自方向盘、转向柱的操作力(即外力负载)传递给其他零部件，直至车身。而其他的零部件对转向柱支架也有反作用力，或称为约束反力。现有技术中，由于转向柱支架与其他零部件连接处的位置和结构原因，不容易直接从连接处上测量转向柱支架受到外力负载时，其他零部件通过连接处对转向柱支架施加的约束反力。转向柱支架与转向柱一样，对汽车的安全性和可靠性有着非常重要的影响。因此，除了必须的理论计算，还需对转向柱支架进行耐久性台架试验，需要确定汽车零部件与其他零部件连接处的约束反力，即待测处的受力状态。现有技术中，缺乏针对转向柱支架的耐久性台架试验的有效方法。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种测试汽车零部件约束力的方法，所述的这种测试汽车零部件约束力的方法要解决现有技术中不易直接测量汽车零部件特别是转向柱支架受到外力负载时的约束力、同时缺乏耐久性试验方法的技术问题。

本发明的这种测试汽车零部件约束力的方法包括一个对汽车零部件施加模拟约束反力并测量所述的模拟约束反力的数值及其方向的过程，所述的模拟约束反力包括拉力和压力，其中，在所述的施加模拟约束反力并测量其数值及方向的过程中，在规定的外力负载下，利用一个加载机构对被测汽车零部件加载模拟约束反力，利用测力机构测量所述的模拟约束反力数值，以被测汽车零部件待测处为轴转动加载机构，利用测量装置测量加载机构的转动角度，并以此确定约束反力的方向。

进一步的，在所述的施加模拟约束反力并测量其数值及方向的过程进行之前，将被测汽车零部件安装在实车上，在规定的外力负载情况下，对被测汽车零部件的特征位置进行应变测量并记录，然后从实车上拆除被测汽车零部件，转移到所述的加载机构中，并且对被测汽车零部件施加与实车上的外力负载相等的负载，在所述的施加模拟约束反力并测量其数值及方向的过程中，利用加载机构对被测汽车零部件与其他零部件连接处加载模拟约束反力，同时在被测汽车零部件的所述的特征位置上测量并观察应变量。

进一步的，在同样的外力负载情况下，在确定实际约束反力的数值及方向时，测试装置上的汽车零部件的应变分布状态与实车上汽车零部件的应变分布状态一致。

本发明还提供了一种实现上述测试汽车零部件约束力的方法的装置，所述的这种测试汽车零部件约束力的装置由一个加载机构、一个测力机构和一个台架构成，其中，所述的台架上设置有两个轴承，所述的两个轴承位于同一轴线上，所述的加载机构由一个支架和一个加力机构构成，所述的支架由一个中间板和两个转动臂构成，所述的中间板的两端分别与所述的两个转动臂的一端固定连接，两个转动臂的另一端各自与一个所述的轴承连接，中间板的中部设置有一个通孔，所述的加力机构由一个传力杆、一个拉力调节螺栓、一个压力调节螺栓、一个右弹簧座、一个左弹簧座、一个内螺纹固定套、一个内螺纹固定套螺母和一个弹簧构成，所述的传力杆的前端设置有传力杆轴肩，所述的内螺纹固定套从中间板的一侧穿过中间板中部的通孔，所述的内螺纹固定套螺母在中间板的另一侧与内螺纹固定套锁固，所述的右弹簧座和左弹簧座均设置在内螺纹固定套内，所述的弹簧设置在右弹簧座和左弹簧座之间，所述的拉力调节螺栓位于内螺纹固定套与传力杆轴肩之间，所述的压力调节螺栓位于内螺纹固定套与传力杆螺母之间，拉力调节螺栓、压力调节螺栓、右弹簧座、弹簧和左弹簧座均与内螺纹固定套共轴，拉力调节螺栓、压力调节螺栓、右弹簧座和左弹簧座中均设置有轴向通孔，传力杆穿过拉力调节螺栓、内螺纹固定套、右弹簧座、弹簧、左弹簧座和压力调节螺栓，传力杆的后端设置有一个传力杆螺母，所述的测力机构由一个力传感器构成，所述的力传感器设置在传力杆的前端端面上。

进一步的，所述的拉力调节螺栓通过螺纹与内螺纹固定套的一端连接，或者与内螺纹固定套脱开。

进一步的，所述的压力调节螺栓通过螺纹与内螺纹固定套的另一端连接，或者与内螺纹固定套的另一端脱开。

进一步的，所述的台架上设置有一个被测汽车零部件固定装置，所述的被测汽车零部件固定装置位于所述的两个轴承之间，并且被测汽车零部件的待测处与两个轴承共线。

进一步的，任意一个所述的转动臂均垂直于所述的两个轴承的轴线。

进一步的，所述的传力杆的后端连接有一个拉线位移传感器。

进一步的，所述的弹簧的弹性系数在测试转向柱支架时为500N/20mm。

进一步的，所述的台架上相向设置有两个短支撑轴，所述的两个短支撑轴位于同一轴线上，所述的两个轴承各自设置在一个所述的短支撑轴上，所述的两个转动臂各自与一个所述的轴承的外保持架固定连接。

本发明的工作原理是：首先在规定的外力负载情况下，在实车上，对被测零部件例如转向柱支架的特征位置，如应变较大位置进行应变测量，并进行记录。然后从实车上拆除被测零部件，转移到测试装置上。对被测零部件施加与实车上的外力负载相等的负载，并且利用加载机构对被测汽车零部件与其他零部件连接处加载不同的模拟约束反力，在此过程中，在同样的特征位置上测量并观察应变量，调节所施加的约束力或拉力的数值，并通过旋转整个加载机构来调节约束力的方向，即进行实际约束力的数值和方向的二维搜索，直到在测试装置上的被测零部件特征位置上的应变量与实车上在同样规定的外力负载下所测取的应变量相等或相近，这时测力机构上力传感器显示的数值即为对被测零件的约束力的数值，计算加载机构旋转过的角度得到约束反力的方向。在实现上述方法的测试装置中，通过两个轴承将加载机构安装在台架上并支撑整个加载机构，并可以使整个加载机构围绕两个轴承的短支撑轴轴线旋转。拉线位移传感器的拉线的另一端连接在测量盘上。测量盘与连接轴固定连接。连接轴与被测汽车零部件例如转向柱支架连接处相接触。约束反力通过连接轴施加在连接处上，当整个加载机构绕着固定轴线转动时，拉线的长度跟随角度发生变化，这样就可以将拉线长短变化换算为角度，间接测量得到不同的模拟约束力的角度。力传感器用于测量约束反力的大小。压力调节螺栓和拉力调节螺栓可以在内螺纹固定套中改变左弹簧座和右弹簧座的位置，从而改变弹簧的位置及其变形量，以产生不同的模拟约束力。具体的，当测量拉力时，首先将压力调节螺栓与内螺纹固定套脱离，内螺纹固定套右侧的拉力调节螺栓被逐渐拧进内螺纹固定套，右弹簧座、弹簧、左弹簧座以及压力调节螺栓依次向左运动。当压力调节螺栓接触到传力杆后端的传力杆螺母时，就停止向左运动，此时弹簧开始被压缩，由于拉力调节螺栓和内螺纹固定套通过内螺纹连接，而内螺纹固定套与中间板固定，所以弹簧的力依次加载在左弹簧座、压力调节螺栓和传力杆螺母上，方向向左，从而使传力杆的运动趋势向左，即加载机构对被测零件的待测处施加了拉力。当两个弹簧座相互接触时，加载拉力达到最大值。反之，当测量压力时，首先将拉力调节螺栓与内螺纹固定套脱离，内螺纹固定套左侧的压力调节螺栓被逐渐拧进内螺纹固定套，左弹簧座、弹簧、右弹簧座以及拉力调节螺栓依次向右运动。当拉力调节螺栓接触到传力杆前端的传力杆轴肩时，就停止向右运动，此时弹簧开始被压缩，由于压力调节螺栓和内螺纹固定套通过内螺纹连接，而内螺纹固定套与中间板固定，所以弹簧的力依次加载在右弹簧座、拉力调节螺栓和传力杆螺母上，方向向右，从而使传力杆的运动趋势向右，即加载测力机构对被测零件的待测处施加了压力。当两个弹簧座相互接触时，加载压力达到最大值。

本发明与已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明在规定的外力负载下，利用加载机构对被测汽车零部件施加不同的模拟约束拉力或者压力，同时旋转整个加载机构来调节约束反力的方向，进行约束反力的数值和方向的二维搜索，直到在测试装置上的被测零部件特征位置上的应变量与实车上在同样规定的外力负载下所测取的应变量相等或相近，当达到上述状态时，可从测力机构的力传感器中取得约束反力的数值，计算加载机构旋转过的角度得到约束反力的方向。测量精确度得到提高，并且操作简便。

附图说明：

图1是本发明中的测试汽车零部件约束反力装置的示意图。

图2是本发明中的测试汽车零部件约束反力装置中的拉线位移传感器的示意图。

图3是本发明中的测试汽车零部件约束反力装置中的加力机构的示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的这种测试汽车零部件约束反力的方法，包括一个对汽车零部件施加不同的模拟约束反力并测量所述的不同的模拟约束反力的数值及其方向的过程，其中，在所述的施加不同的模拟约束反力并测量其数值及方向的过程中，利用一个加载机构对被测汽车零部件加载不同的模拟约束反力，利用测力机构测量所述的不同的模拟约束反力数值，以被测汽车零部件19的待测处22为轴转动加载机构，利用测量装置测量加载机构的转动角度，以确定约束反力的方向。

进一步的，在所述的施加约束反力并测量其数值及方向的过程进行之前，将被测汽车零部件安装在实车上，在规定的外力负载情况下，对被测汽车零部件的特征位置进行应变测量并记录，然后从实车上拆除被测汽车零部件，转移到所述的加载机构中，并且对被测汽车零部件施加与实车上的外力负载相等的负载，在所述的施加不同的模拟约束反力并测量其数值及方向的过程中，利用加载机构对被测汽车零部件与其他零部件连接处加载不同的模拟约束反力，同时在被测汽车零部件的所述的特征位置上测量并观察应变量。调节所施加的约束力或拉力的数值，并通过旋转整个加载机构来调节约束力的方向，即进行约束力的数值和方向的二维搜索，直到在测试装置上的被测零部件特征位置上的应变量与实车上在同样规定的外力负载下所测取的应变量相等或相近，这时测力机构上力传感器显示的数值即为对被测零件的约束力的数值，计算加载机构旋转过的角度得到约束反力的方向。

如图1、图2和图3所示，本发明还提供了一种实现上述测试汽车零部件约束反力的方法的装置，所述的这种测试汽车零部件约束反力的装置由一个加载机构、一个测力机构和一个台架(图中未示)构成，其中，所述的台架上设置有一个轴承1和一个轴承2，所述的轴承1和轴承2位于同一轴线上，所述的加载机构由一个支架和一个加力机构构成，所述的支架由一个中间板8和两个转动臂9构成，所述的中间板8的两端分别与所述的两个转动臂9的一端固定连接，两个转动臂9的另一端各自与轴承1和轴承2连接，中间板8的中部设置有一个通孔，所述的加力机构由一个传力杆13、一个拉力调节螺栓7、一个压力调节螺栓6、一个右弹簧座12、一个左弹簧座11、一个内螺纹固定套16、一个内螺纹固定套螺母17和一个弹簧10构成，所述的传力杆13的前端设置有传力杆轴肩15，所述的内螺纹固定套16从中间板8的一侧穿过中间板8中部的通孔，所述的内螺纹固定套螺母17在中间板8的另一侧与内螺纹固定套16锁固，所述的右弹簧座12和左弹簧座11均设置在内螺纹固定套16内，所述的弹簧10设置在右弹簧座12和左弹簧座11之间，所述的拉力调节螺栓7可以通过螺纹与内螺纹固定套16的一端连接，也可以与内螺纹固定套16的一端脱开，拉力调节螺栓7位于内螺纹固定套16与传力杆轴肩15之间，所述的压力调节螺栓6可以通过螺纹与内螺纹固定套16的另一端连接，也可以与内螺纹固定套16的另一端脱开，压力调节螺栓6位于内螺纹固定套16与传力杆螺母14之间，拉力调节螺栓7、压力调节螺栓6、弹簧10、右弹簧座12和左弹簧座11均与内螺纹固定套16共轴，拉力调节螺栓7、压力调节螺栓6、右弹簧座12和左弹簧座11中均设置有轴向通孔，传力杆13穿过拉力调节螺栓7、内螺纹固定套16、右弹簧座12、弹簧10、左弹簧座11和压力调节螺栓6，传力杆13的后端设置有一个传力杆螺母14，传力杆13的前端端面连接有一个力传感器4。

进一步的，所述的台架上设置有一个被测汽车零部件固定装置，所述的被测汽车零部件固定装置位于所述的一个轴承1和一个轴承2之间，并且被测汽车零部件的待测处22与轴承1、轴承2三者共线。

进一步的，任意一个所述的转动臂9均垂直于轴承1和轴承2的轴线。

进一步的，所述的传力杆13的后端连接有一个拉线位移传感器3。

进一步的，所述的弹簧10的弹性系数在测试转向柱支架时为500N/20mm。

进一步的，所述的台架上相向设置有两个短支撑轴20，所述的两个短支撑轴20位于同一轴线上，所述的轴承1和轴承2各自设置在一个短支撑轴20上，两个转动臂9各自与轴承1和轴承2的外保持架固定连接。

在本发明的一个优选实施例中，其工作过程为：通过轴承1和轴承2将加载机构安装在台架上并支撑整个加载机构，并可以使整个加载机构围绕与轴承1和轴承2共轴的短支撑轴20旋转，轴承1和轴承2使用内孔为10mm的球轴承。中间板8通过两根转动臂9与轴承1和轴承2连接。拉线位移传感器3作为旋转角度的测量使用。拉线位移传感器3的拉线21的另一端连接在测量盘18上。测量盘18与连接轴5固定连接。连接轴5与被测汽车零部件19例如转向柱支架连接处22相接触。约束反力通过连接轴5施加在连接处22上，当整个加载机构绕着固定轴线转动时，拉线会跟随角度的变化而长短会发生变化，这样就可以根据拉线长短变化换算为角度，通过间接测量得到约束反力的角度。力传感器4用于测量约束反力的大小。

压力调节螺栓6和拉力调节螺栓7为两个带螺纹的可以单独左右旋进或者旋出内螺纹固定套16的调节螺栓。压力调节螺栓6和拉力调节螺栓7之间设置有一个弹簧10、一个左弹簧座11和一个右弹簧座12，约束反力通过弹簧10变形产生。这些部件是加载约束反力的核心部件。

具体的：工作原理：当测量拉力时，首先将压力调节螺栓6与内螺纹固定套16脱离，内螺纹固定套右侧的拉力调节螺栓7逐渐拧进内螺纹固定套16时，右弹簧座12、弹簧10、左弹簧座11以及脱离了内螺纹固定套16的压力调节螺栓6依次向左运动。当压力调节螺栓6接触到传力杆13左侧的传力杆螺母14时，就无法再向左运动，此时弹簧10开始压缩，由于拉力调节螺栓7和内螺纹固定套16通过内螺纹连接，而内螺纹固定套16在中间板8固定不动，所以弹簧10的力依次加载在左弹簧座11、压力调节螺栓6和传力杆螺母14上，方向向左，从而使传力杆13向左，即加载机构对被测零件19的待测处22施加了拉力。直到弹簧座11和弹簧座12相互接触，此时加载拉力达到最大值。反之，当测量压力时，首先将拉力调节螺栓7与内螺纹固定套16脱离，内螺纹固定套16左侧的压力调节螺栓6逐渐拧进内螺纹固定套16时，左弹簧座11、弹簧10、右弹簧座12以及脱离了内螺纹固定套16的拉力调节螺栓7依次向右运动。当拉力调节螺栓7接触到传力杆13右侧的传力杆轴肩15时，就无法再向右运动，此时弹簧10开始压缩，由于压力调节螺栓6和内螺纹固定套16通过内螺纹连接，而内螺纹固定套16在中间板8固定不动，所以弹簧10的力依次加载在右弹簧座12、拉力调节螺栓7和传力杆螺母15上，方向向右，从而使传力杆13向右，即加载机构对被测零件19的连接处22施加了压力。直到两个弹簧座11和12接触，此时加载压力达到最大值。

在选择弹簧10时，为了保证加载一定大小的力以及力的调节精度，选用了弹性系数适量的螺旋弹簧，当载荷为500N时压缩20mm。

此外，传力杆轴肩15也可以由设置在传力杆13前端的螺母构成。

试验过程如下：

首先在规定的外力负载情况下，在实车上，对被测零部件(特别是转向柱支架)的特征位置，如应变较大位置进行应变测量，并进行记录。

然后从实车上拆除被测零部件(特别是转向柱支架)，装到加载机构上。

对被测零部件施加同样的规定的外力负载，在同样的特征位置上测量并观察应变量。

通过旋转压力调节螺栓6或者拉力调节螺栓7，调节所施加的约束反力或拉力的数值；通过旋转整个加载机构，调节约束反力的方向，即进行约束反力的数值和方向的二维搜索，直到在测试装置上的被测零部件特征位置上的应变量与实车上在同样规定的外力负载下所测取的应变量相等或相近，这时加载机构上力传感器4显示的数值即为对被测零件的约束反力的数值，而拉线位移传感器3的数值经过换算，可以得到约束反力的方向。

Claims (10)

1.一种测试汽车零部件约束反力的方法，包括一个对汽车零部件施加模拟约束反力并测量所述的模拟约束反力的数值及其方向的过程，所述的模拟约束反力包括拉力和压力，其特征在于：在所述的施加模拟约束反力并测量其数值及方向的过程中，在规定的外力负载下，利用一个加载机构对被测汽车零部件加载模拟约束反力，利用测力机构测量所述的模拟约束反力数值，以被测汽车零部件待测处为轴转动加载机构，利用测量装置测量加载机构的转动角度，并调节所施加的约束反力的数值、通过旋转整个加载机构来调节约束反力的方向，即进行实际约束反力的数值和方向的二维搜索，直到在测试装置上的被测零部件特征位置上的应变量与实车上在同样规定的外力负载下所测取的应变量相等或相近时，测力机构上力传感器显示的数值即为对被测零件的约束反力的数值，计算加载机构旋转过的角度得到约束反力的方向。

2.如权利要求1所述的测试汽车零部件约束反力的方法，其特征在于：在所述的施加模拟约束反力并测量其数值及方向的过程进行之前，将被测汽车零部件安装在实车上，在规定的外力负载情况下，对被测汽车零部件的特征位置进行应变测量并记录，然后从实车上拆除被测汽车零部件，转移到所述的加载机构中，并且对被测汽车零部件施加与实车上的外力负载相等的负载，在所述的施加模拟约束反力并测量其数值及方向的过程中，利用加载机构对被测汽车零部件与其他零部件连接处加载模拟约束反力，同时在被测汽车零部件的所述的特征位置上测量并观察应变量。

3.如权利要求2所述的测试汽车零部件约束反力的方法，其特征在于：在同样的外力负载情况下，在确定实际约束反力的数值及方向时，测试装置上的汽车零部件的应变分布状态与实车上汽车零部件的应变分布状态一致。

4.一种实现权利要求1所述的测试汽车零部件约束反力的方法的装置，由一个加载机构、一个测力机构和一个台架构成，其特征在于：所述的台架上设置有两个轴承，所述的两个轴承位于同一轴线上，所述的加载机构由一个支架和一个加力机构构成，所述的支架由一个中间板和两个转动臂构成，所述的中间板的两端分别与所述的两个转动臂的一端固定连接，两个转动臂的另一端各自与一个所述的轴承连接，中间板的中部设置有一个通孔，所述的加力机构由一个传力杆、一个拉力调节螺栓、一个压力调节螺栓、一个右弹簧座、一个左弹簧座、一个内螺纹固定套、一个内螺纹固定套螺母和一个弹簧构成，所述的传力杆的前端设置有传力杆轴肩，所述的内螺纹固定套从中间板的一侧穿过中间板中部的通孔，所述的内螺纹固定套螺母在中间板的另一侧与内螺纹固定套锁固，所述的右弹簧座和左弹簧座均设置在内螺纹固定套内，所述的弹簧设置在右弹簧座和左弹簧座之间，所述的拉力调节螺栓位于内螺纹固定套与传力杆轴肩之间，所述的压力调节螺栓位于内螺纹固定套与传力杆螺母之间，拉力调节螺栓、压力调节螺栓、右弹簧座、弹簧和左弹簧座均与内螺纹固定套共轴，拉力调节螺栓、压力调节螺栓、右弹簧座和左弹簧座中均设置有轴向通孔，传力杆穿过拉力调节螺栓、内螺纹固定套、右弹簧座、弹簧、左弹簧座和压力调节螺栓，传力杆的后端设置有一个传力杆螺母，所述的测力机构由一个力传感器构成，所述的力传感器设置在传力杆的前端端面上。

5.如权利要求4所述的测试汽车零部件约束反力的装置，其特征在于：所述的拉力调节螺栓通过螺纹与内螺纹固定套的一端连接，或者与内螺纹固定套脱开，所述的压力调节螺栓通过螺纹与内螺纹固定套的另一端连接，或者与内螺纹固定套的另一端脱开。

6.如权利要求4所述的测试汽车零部件约束反力的装置，其特征在于：所述的台架上设置有一个被测汽车零部件固定装置，所述的被测汽车零部件固定装置位于所述的两个轴承之间，并且被测汽车零部件的待测处与两个轴承共线。

7.如权利要求4所述的测试汽车零部件约束反力的装置，其特征在于：任意一个所述的转动臂均垂直于所述的两个轴承的轴线。

8.如权利要求4所述的测试汽车零部件约束反力的装置，其特征在于：所述的传力杆的后端连接有一个拉线位移传感器。

9.如权利要求4所述的测试汽车零部件约束反力的装置，其特征在于：所述的弹簧的弹性系数在测试转向柱支架时为500N/20mm。

10.如权利要求4所述的测试汽车零部件约束反力的装置，其特征在于：所述的台架上相向设置有两个短支撑轴，所述的两个短支撑轴位于同一轴线上，所述的两个轴承各自设置在一个所述的短支撑轴上，所述的两个转动臂各自与一个所述的轴承的外保持架固定连接。

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