CN103149045B - 一种高稳定性的三线扭摆法刚体动力学参数测试台 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种三线扭摆法刚体动力学参数测试台，包括底盘（2）、三根立柱（8）和顶盘（11）：底盘（2）结构以一个正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边；顶盘（11）结构以另一正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边，且顶盘（11）的延长边与底盘（2）的延长边位于各自中心正三角形的相反侧；每根立柱（8）两端分别连接底盘（2）中心三角形一个延长边顶端和顶盘（11）中心三角形一个延长边顶端。采用本发明中的测试台，无需其他附加固定设施，即能保证测试大质量刚体时的稳定性；测试台安装、拆卸、运输方便，且便于大型被测物体在测试台上的装卸，提高测试操作的安全性。

Description

一种高稳定性的三线扭摆法刚体动力学参数测试台

技术领域

本发明涉及物理参数测试台，特别是一种高稳定性的采用三线扭摆振动理论进行刚体动力学参数测试的测试台。

背景技术

刚体动力学参数是进行刚体或多体系统动力学性能理论设计、仿真分析、虚拟试验等现代设计分析方法所需的基本、必要输入参数。在工业制造中需要进行刚体动力学参数测试的待测物通常是由多种零部件、多种材料组成，体积大，质量大，形体不规则的复杂刚体。

例如在汽车等制造业上，汽车发动机总成、变速器总成、发动机与变速器刚性装配在一起的动力总成等，就是复杂刚体的典型代表。准确获得汽车上若干复杂刚体的动力学参数，是建设汽车正向设计开发能力的必要条件。以汽车动力总成为例，其动力学参数是进行动力总成隔振设计，整车耐撞性、操纵稳定性以及平顺性分析的基本输入参数。由于其中的零部件数目多、材料种类多，采用三维数字模型用数值方法计算其动力学参数时，或因没有三维数字模型，或因三维数字模型不完整或不准确，或因难以收集所有零件的准确的材料密度等，难以得到动力学参数的准确结果。

直接测试物理样机从而准确获得其刚体动力学参数是目前行业通用做法。测试刚体动力学参数的方法较多，根据测试原理不同可分三类：基于绕定轴转动的落体测试法，基于绕定轴振动的振摆测试法如单线扭摆法、双线复摆法、三线扭摆法，以及基于实验模态分析的参数识别法。但快速、高效测试复杂刚体的动力学参数并能够判断测量结果的可靠性与精确性，在操作上一直是一个世界级的难题。大量理论研究和实践表明，基于三线扭摆振动理论的三线扭摆法是目前精度最高的方法，但它需要设计精巧的测试台、良好的测试方案、操作技巧、数据处理和数据判断能力。

传统的三线摆测试台通常仅用于测量质量小的物体，三线摆支架包括一个底座和一个支撑架，三线摆测试台的托盘通过摆线吊挂在支撑架顶端，或是支撑架顶端用于吊挂顶盘，托盘再通过摆线吊挂在顶盘下，例如：CN201120209051.7（三线摆转动惯量试验仪）、CN201120000335.5（电磁制动式三线摆）。在被测物体质量小的情况下，底座及支撑架能够保证测试台的平衡，不会影响测试结果，然而针对大质量、大体积的被测物体的刚体动力学参数测试并不适合在上述测试台中进行；此外，当被测物体质量过大时，如40~2000 kg，不适合人工搬动，需要借助起重设备才能放置到测试台上或从测试台取下，而外置起重设备如龙门架在起吊及移动过程中容易倾斜，带来极大的安全隐患。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术缺陷之一提出一种高稳定性的三线扭摆法刚体动力学参数测试台。

本发明中的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，包括底盘（2）、三根立柱（8）和顶盘（11），其特征在于：

所述底盘（2）结构以一个正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边；

所述顶盘（11）结构以另一正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边，且顶盘（11）的延长边与底盘（2）的延长边位于各自中心正三角形的相反侧；

每根立柱（8）两端分别连接底盘（2）中心三角形一个延长边顶端和顶盘（11）中心三角形一个延长边顶端。

优选地，底盘（2）中心正三角形边长大于或等于顶盘（11）中心正三角形边长，且底盘外接圆半径大于或等于顶盘外接圆半径。

优选地，所述测试台还包括起重架，所述起重架是由三根相同长度的起重梁（9）两端两两相连构成的正三角形结构，所述起重架位于底盘（2）与顶盘（11）之间，且平行于顶盘和顶盘。

优选地，所述起重梁（9）两端的两两连接方式是焊接、铆接或螺栓连接。

优选地，立柱（8）两端连接有立柱加强板（1），并通过所述立柱加强板（1）与底盘（2）、顶盘（11）连接。

优选地，立柱两端与立柱加强板（1）的连接方式为焊接、铆接或螺栓方式；立柱两端的所述立柱加强板（1）与底盘（2）、顶盘（11）的连接方式为螺栓连接。

优选地，三根立柱（8）均垂直向上摆放或均向底盘与顶盘的中心轴线倾斜，倾斜角度的范围在0-30°之间。

优选地，所述立柱（8）长度范围为1000-15000 mm。

优选地，所述正三角形结构的起重架各顶点以及三根立柱（8）上分别焊有起重梁加强板（7），起重架各顶点的起重梁加强板分别与立柱上的起重梁加强板通过螺栓连接。

采用本发明中的三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台，无需其他附加固定设施，即能保证测试大质量被测物体时的稳定性；测试台安装、拆卸、运输方便，且便于大型被测物体在测试台上的装卸，提高测试操作的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中的三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台。

图2为本发明实施例中三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的支架。

图3为本发明实施例中三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的振摆系统。

图4为本发明实施例中三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的平衡系统。

图5为本发明实施例中三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的托盘示意图。

图6为本发明实施例中三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的托盘升降及定心装置。

1立柱加强板；2底盘；3托盘加强筋；4托盘；5配重块；6摆线；7起重梁加强板；8立柱；9起重梁；10传感器；11顶盘；12升降装置；13定心装置；14托盘参考标识；15托盘圆形通孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明中的三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台主要包括四个部分：支架、振摆系统、主动平衡系统、托盘升降及定心装置。

一：三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的支架

三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的支架包括底盘2、立柱8、起重梁9和顶盘11。

本发明中三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的支架底盘2呈放射状，底盘结构以一个正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边。

支架顶盘11与底盘2类似，同样呈放射状，顶盘结构同样以一个正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边，为了给托盘升降装置12预留安装空间，顶盘延长边相对于底盘延长边位于中心三角形的相反侧。例如，底盘中心三角形各边是沿各边长的左侧延伸，则顶盘中心三角形各边是沿各边长的右侧延伸，如图2所示。

为了加强支架的稳定，底盘2中心正三角形边长大于或等于顶盘11的中心正三角形边长，且底盘外接圆半径大于或等于顶盘外接圆半径。

底盘2和顶盘11是利用型材或槽钢组成，连接方式可以采用焊接、铆接、螺栓等。

支架包括三根立柱8，立柱可以利用型材、钢管或无缝钢管经过截断加工而成。每根立柱8两端分别连接底盘中心三角形一个延长边顶端和顶盘中心三角形一个延长边顶端，每根立柱下端连接于底盘2中心三角形一个延长边顶端，上端连接于顶盘11中心三角形对应延长边顶端；立柱两端可以通过焊接、铆接或螺栓方式连接立柱加强板1，立柱两端的加强板1与底盘2、顶盘11的连接方式可以采用螺栓连接，以方便安装、拆卸和散件运输；底盘外接圆半径大于或等于顶盘外接圆半径，三根立柱均垂直向上摆放或均向支架中心线（即底盘或顶盘的中轴线）倾斜一定角度，以保证本发明所述测试台支架作为起吊被测刚体的支架时的稳定性，便于起吊被测刚体，也无需地脚螺栓固定。

为了适应于大体积，大质量的复杂刚体的测量，立柱8长度范围可以设置在1000~15000 mm之间；立柱向支架中心线的倾角范围在0~30°之间。

支架包括起重架，起重架是由三根相同长度的起重梁9两端两两相连构成的正三角形结构，如图1所示，其中两两连接方式可以是焊接、铆接或螺栓等；三根起重梁分别位于三根立柱的两两之间，可利用型材（如：方钢、工字钢等）切断而成，正三角形起重架上的每一顶点焊有一起重梁加强板7，与焊接于立柱中部的起重梁加强板7通过螺栓连接，以方便安装、拆卸和散件运输；起重架位于底盘2与顶盘11之间，且平行于顶盘和顶盘，用于悬挂起重设备如手拉葫芦或电动葫芦（可以采用桥式电动葫芦），以便将被测刚体吊上托盘4或吊离托盘4。

借助于该支架，可以安装三线摆振摆系统，可以安装托盘4的升降装置12，可以安装被测刚体起吊装置，同时该支架可以稳定地放置于水平地面而无需地脚螺栓固定。

二：三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的振摆系统

如图3所示，三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的振摆系统包括三根摆线6、托盘4、托盘加强筋3。

托盘4为圆盘，可以通过型材加工而成，例如用钢板通过切割加工成的圆盘。

托盘加强筋3固定于托盘下方，托盘加强筋3为等边三角形结构，或者是与本发明中底盘结构或顶盘结构类似，即以一个正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边。若为后者，托盘加强筋中心正三角形的三条延长边相对于底盘中心正三角形的延长边位于相反侧，例如，底盘中心三角形各边是沿各边长的左侧延伸，则托盘加强筋中心三角形各边是沿各边长的右侧延伸。托盘加强筋3通过槽钢等型材焊接而成。

托盘加强筋3与其上的托盘4通过焊接或铆接或螺栓刚性连接在一起，以增加托盘的翘曲刚度，提高测试精度。

托盘加强筋3的悬点所在圆周的半径等于或大于托盘4的外圆半径，从而扩展测试台可测试刚体的形体尺寸上限，同时又不用增大托盘的质量及其转动惯量，进而扩展测试台可测试刚体的质量下限。

三根摆线6长度相等；摆线上端通过力传感器10悬挂于三线摆测试台的顶盘11的三个呈圆周均匀分布的上悬点上，摆线下端悬挂于托盘4或托盘加强筋3的三个呈圆周均匀分布的下悬点上；三根摆线的上悬点所在圆周半径与下悬点所在圆周半径相等。

三根摆线上悬点所在圆半径与下悬点所在圆半径相等时，相较于上、下悬点半径不等的情形，转动惯量计算公式简单，测量参数少，因而测量精度高。

本发明中，可以在托盘上开凿若干圆形通孔15（如图3所示），通孔是在以托盘中心点为圆心的圆周上均匀分布，以便在托盘刚度满足要求的情况下，减轻托盘自身重量，从而扩展测试台可测试刚体的质量下限。

三：三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台的主动平衡系统

主动平衡系统包括力传感器10、配重块5以及托盘参考标识14。

如图4所示，主动平衡系统中的力传感器10共三只，分别位于三根摆线的上端，摆线6通过力传感器10刚性固定于顶盘11的三个呈圆周均匀分布的上悬点上。可利用力传感器测量被测物体的质量。另外，由于在进行转动惯量的测量时，需要满足对心的要求，进而保证托盘在扭摆过程中质心仅做上下运动，而力传感器则可在用于被测物体质量测量的同时，还用来判断三根摆线拉力是否相等，当三只力传感器测量数值一致时，表明三根摆线拉力相同，满足了对心的要求，而当三只力传感器测量数值不一致时，表明三根摆线拉力不同，托盘受力不均衡，不满足对心要求，此时，可以进行被测物体的位置、配重块的位置或大小的调整。其中，三个上悬点或下悬点所在圆的直径为200-5000mm。

主动平衡系统包括若干配重块5，用于被测刚体在托盘4上因偏置，导致被测刚体不对心（三根摆线6拉力不相等）时，将合适的配重块5放置于托盘4上，调整其位置，直至三根摆线6拉力相等，从而使被测刚体+配重块5的质心与托盘中心共铅垂线，满足三线摆测试台的对心要求。其中，托盘4上所放置的配重块5的质心位置将通过托盘4上表面的参考标识点来确定。

所述配重块5是已知质量及绕其质心铅垂轴的转动惯量的任意形状的质量块，例如圆盘形质量块，因其形体规则，其质心即其中心。绕其质心铅垂轴的转动惯量可直接基于理论公式计算，准确，精度高，从而确保三线摆的测试精度。

圆盘形配重块5中心可以开设一通孔（比如直径20 mm），以便观察并用记号笔标记其质心在托盘上的投影点；圆盘形质量块的外圆直径和厚度因而质量可以任意设定，例如，外圆直径250 mm、厚度约60 mm的20 kg质量块，外圆直径250 mm、厚度约30 mm的10 kg质量块，外圆直径145 mm、厚度约40 mm的5 kg质量块，外圆直径95 mm、厚度约40 mm的2 kg质量块；质量块的形状不仅仅限于圆盘形质量块，还可以是圆台形、立方体形等。

托盘参考标识14是位于托盘表面的位置标识。

如图5a所示，托盘参考标识可以是标注在托盘表面的以托盘中心为原点的极坐标系141，以托盘中心为原点标识出多个不同半径的圆环，基于此，可以确定托盘上任一点的位置信息，从而确定配重块5的放置位置。

可替换地，托盘参考标识也可以以托盘中心为圆心、不同半径圆周上均匀分布的若干个标记点142，如图5b所示，标记点为直径1mm、深1mm的锥孔，标记点在不同半径的圆周上均匀分布，每个圆周上分布的标记点个数点分别为四、八、十二等。

托盘4上所放置的配重块5的质量及其绕扭摆轴线的转动惯量将从整个扭摆系统（即托盘加强筋3+托盘4+被测刚体+配重块5）的质量及其绕扭摆轴线的转动惯量中扣除。

因为托盘加强筋3+托盘4的质量及绕扭摆轴线的转动惯量可以预先获得，此外，配重块5的质量Ma及绕其质心铅垂轴的转动惯量Ja已知，配重块5绕扭摆轴线的转动惯量可由托盘参考标示所确定的配重块质心投影点到托盘中心的距离r计算得到：Ja+Ma*r²，因而只需一次测试即可获得被测刚体绕扭摆轴线的转动惯量Jb，（即将测得的整个扭摆系统绕扭摆轴线的转动惯量减去托盘加强筋、托盘、配重块绕扭摆轴线的转动惯量），无需卸载被测刚体后再次专门测量配重块的转动惯量，以提高测试效率，缩短测试时间，减少误差环节，提高测量精度。

四：三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试台托盘升降及定心装置

如图6所示，升降及定心装置包括升降装置12、定心装置13。

升降装置12，由三个千斤顶组成，三个千斤顶属于同步千斤顶，分别安装于三线摆测试台的底盘2上，呈圆周均匀分布。千斤顶的类型可以根据需要灵活选择，如自锁型同步千斤顶、液压自锁同步千斤顶、电动液压自锁同步千斤顶等。

定心装置13包括一个千斤顶，千斤顶活塞上端安装一定心轴，可以随活塞一起上升或下降。定心轴上端有5x5倒角，起摆前定心轴随活塞上升穿过托盘4的中心孔使托盘定位，以便于托盘起摆；起摆后落下定心轴以消除其与托盘4中心孔壁间的摩擦，减小扭摆振动的阻尼，提高周期测量精度。其中，定心装置可以是手动或电动的液压千斤顶；

相应地，在三线摆测试台振摆系统中的托盘4的中心设一通孔，以便穿入上述的定心轴，保证托盘仅绕中心铅垂轴线做纯扭摆振动，而不会出现混摆或圆锥运动，确保周期测量精度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种三线扭摆法刚体动力学参数测试台，所述测试台包括底盘(2)、三根立柱(8)和顶盘(11)，其特征在于：

所述底盘(2)结构以一个正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边；

所述顶盘(11)结构以另一正三角形为中心，正三角形每条边沿同一侧延长相同长度的延长边，且顶盘(11)的延长边与底盘(2)的延长边位于各自中心正三角形的相反侧；

每根立柱(8)两端分别连接底盘(2)中心三角形一个延长边顶端和顶盘(11)中心三角形一个延长边顶端。

2.如权利要求1所述的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，其特征在于，底盘(2)中心正三角形边长大于或等于顶盘(11)中心正三角形边长，且底盘外接圆半径大于或等于顶盘外接圆半径。

3.如权利要求1所述的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，其特征在于，所述测试台还包括起重架，所述起重架是由三根相同长度的起重梁(9)两端两两相连构成的正三角形结构，所述起重架位于底盘(2)与顶盘(11)之间，且平行于顶盘和顶盘。

4.如权利要求3所述的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，其特征在于，所述起重梁(9)两端的两两连接方式是焊接、铆接或螺栓连接。

5.如权利要求1所述的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，其特征在于，立柱(8)两端连接有立柱加强板(1)，并通过所述立柱加强板(1)与底盘(2)、顶盘(11)连接。

6.如权利要求5所述的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，其特征在于，立柱两端与立柱加强板(1)的连接方式为焊接、铆接或螺栓方式；立柱两端的所述立柱加强板(1)与底盘(2)、顶盘(11)的连接方式为螺栓连接。

7.如权利要求1所述的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，其特征在于，三根立柱(8)均垂直向上摆放或均向底盘(2)与顶盘(11)的中心轴线倾斜，倾斜角度的范围在0-30°之间。

8.如权利要求1所述的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，其特征在于，所述立柱(8)长度范围为1000-15000mm。

9.如权利要求3所述的三线扭摆法刚体动力学参数测试台，其特征在于，所述正三角形结构的起重架各顶点以及三根立柱(8)上分别焊有起重梁加强板(7)，起重架各顶点的起重梁加强板分别与立柱上的起重梁加强板通过螺栓连接。