CN105606351B - 一种用于汽车排气系统金属波纹管的三自由度热疲劳试验机 - Google Patents

一种用于汽车排气系统金属波纹管的三自由度热疲劳试验机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于汽车排气系统金属波纹管的三自由度热疲劳试验机，属于汽车零部件性能检测领域。该试验机由机械结构和控制系统两大模块组成，其中，机械结构模块包括驱动部分、传动机构和夹紧机构三个部分。电控系统模块包括测控界面、工控机、电机控制器。试验机工作时，用户通过测控界面设定波纹管的运动方向和频率，并由工控机输出控制命令给驱动系统，控制热疲劳试验机按照测控界面设定的运行工况进行试验，工控机采集波纹管热疲劳试验的实际运动状态参数，并在测控界面进行显示。该试验机可实现汽车排气系统金属波纹管横向、纵向、竖向三个方向独立运动的同时，还可以实现两个或三个方向的组合运动，真实模拟波纹管的实车运行工况。

Description

一种用于汽车排气系统金属波纹管的三自由度热疲劳试验机
技术领域
本发明涉及一种应用于汽车排气系统金属波纹管的热疲劳试验机，更具体地说，它涉及一种可实现汽车排气系统金属波纹管横向、纵向、竖向三个方向独立及组合运动的热疲劳试验机。
背景技术
金属波纹管连接汽车排气系统的冷热两端，可以有效减小排气系统受到来自发动机、车身和地面等引起或传递的振动与冲击，降低发动机与排气系统相对位移引发的排气系统乃至整车的振动，在汽车排气系统减振、降噪中起到重要作用。汽车是一个恶劣的、多变环境和载荷下运动的物体，汽车排气系统更是处在一个高温、高湿、强振动、有腐蚀、受强气流冲击的极端恶劣的环境中，金属波纹管在此使用时，其使用寿命也显得尤为重要。
汽车行驶过程中，波纹管受到路面状况、发动机振动、汽车加减速等的影响，其振动方向存在横向、纵向、竖向三个方向的独立及组合运动，振动的频率和幅值也是变化的。现有的波纹管热疲劳试验机构的振动频率和幅值多是固定的，不能真实反映汽车运行过程中波纹管的运动情况，若改变波纹管运动幅值需要对凸轮或偏心轴机构进行重新设计，增加了设计成本和试验周期。因此，为了模拟波纹管的实车运动情况，需要设计一种能够方便的调节波纹管振动频率和幅值的热疲劳试验机构。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种幅值、频率可调，能够实现汽车排气系统金属波纹管三自由度运动的热疲劳测试试验机，真实模拟波纹管的实车运行工况。
为解决上述技术问题，本发明采用如下方案予以实现：一种可实现汽车排气系统金属波纹管横向、纵向、竖向三个方向独立及组合运动的热疲劳试验机，可以方便调节波纹管振动的频率和幅值，真实模拟波纹管实车振动工况。该试验机由机械结构和电控系统两大模块组成，其中，机械结构模块包括驱动部分、传动机构和夹紧机构三个部分。电控系统模块包括测控界面、工控机、电机控制器。试验机工作时，用户通过测控界面设定波纹管的运动方向和频率，并由工控机输出控制命令给驱动系统，控制热疲劳试验机按照测控界面设定的运行工况进行热疲劳试验，工控机采集波纹管热疲劳试验的实际运动状态参数，并在测控界面进行显示。该试验机可实现汽车排气系统金属波纹管横向、纵向、竖向独立运动的同时，还可以实现两个或三个方向的组合运动，真实模拟波纹管的实车运行工况。
本发明的有益效果是：
设计的汽车波纹管三自由度热疲劳试验机，能够实现波纹管沿横向、纵向、竖向三个方向独立及组合运动，真实模拟波纹管实车振动情况。本发明通过调节夹紧机构的位置，实现对不同尺寸波纹管的热疲劳试验。本发明通过控制电机的转速，可调节波纹管振动频率范围0～20Hz，本发明通过调节曲柄圆柱销与曲柄轮的中心距，可调节运动幅值范围0～30mm。
附图说明
图1是本发明的正二测视图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明的左视图。
图4是本发明的俯视图。
图5是本发明的电控系统原理图。
图6是本发明的控制流程图。
具体实施方式
本发明的试验机由机械结构和电控系统两大模块组成，其中，机械结构模块包括驱动部分、传动机构和夹紧机构三个部分。电控系统模块包括测控界面、工控机、电机控制器。试验机工作时，用户通过测控界面设定波纹管的运动方向和频率，并由工控机输出控制命令给驱动系统，控制热疲劳试验机按照测控界面设定的运行工况进行热疲劳试验，工控机采集波纹管热疲劳试验的实际运动状态参数，并在测控界面进行显示。该试验机在实现汽车排气系统金属波纹管横向、纵向、竖向运动的同时，还可以实现两个或三个方向的组合运动，真实模拟波纹管的实车运行工况。
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明采用如下方案实现：本发明的机械机构模块包括驱动部分、传动机构和夹紧机构。
夹紧机构包括V型块，V型块包括第一V型块(14)、第二V型块(16)、第三V型块(18)和第四V型块，传动机构包括曲柄轮、光杆、支架、圆柱销，曲柄轮包括第一曲柄轮(28)、第二曲柄轮(7)、第三曲柄轮(30)，光杆包括第一光杆(10)、第二光杆(25)、第三光杆(11)、第四光杆(24)，支架包括第一支架(5)、第二支架(9)、第三支架和第四支架，圆柱销包括第一圆柱销(27)、第二圆柱销(8)、第三圆柱销(29)；
金属波纹管(17)的一端放在第一V型块(14)上，用第二V型块(16)夹紧固定，另一端固定在第三V型块(18)上，第一V型块(14)固定在第一工作台(13)上，第三V型块(18)固定在第三工作台(21)上，横向驱动电机(2)通过联轴器与第一曲柄轮(28)连接，驱动第一滑槽连杆(26)与第一光杆(10)、第二光杆(25)沿第一支架(5)、第二支架(9)运动，实现波纹管运动端的横向运动，纵向驱动电机(4)通过第二曲柄轮(7)驱动第二滑槽连杆(12)沿第三光杆(11)、第四光杆(24)运动，实现波纹管的轴向运动；
夹紧机构是采用V型块夹具，安装波纹管时能够自动进行中心定位，使波纹管安装更加稳定可靠。
驱动部分由横向、纵向、竖向三个驱动电机来实现，通过控制驱动电机的转速，实现对波纹管运动端振动频率的调节。
第一曲柄轮(28)通过联轴器与横向驱动电机(2)相连，第二曲柄轮(7)结构通过联轴器与纵向驱动电机(4)相连，第一曲柄轮(28)、第二曲柄轮(7)上加工有T型槽，第一圆柱销(27)是用法兰螺母固定在第一曲柄轮(28)的T型槽上的，第二圆柱销(8)是用法兰螺母固定在第二曲柄轮(7)的T型槽上的，通过调节曲柄第一圆柱销(27)与第一曲柄轮(28)的中心距，第二圆柱销(8)与第二曲柄轮(7)的中心距，实现对波纹管运动端横向和纵向运动幅值的调节；
参阅图2、图3和图4，竖向驱动电机(32)通过曲柄连杆机构推动第二工作台(23)沿竖向光杆运动，实现波纹管运动端的竖向运动，调节第三圆柱销(29)与第三曲柄轮(30)的中心距，实现对波纹管竖直方向运动幅值的调节。
本装置通过控制横向驱动电机(2)、纵向驱动电机(3)和竖向驱动电机(32)的工作与否，实现波纹管的横向、纵向和竖向振动的独立控制。当三个驱动电机相互配合工作时，可以实现任意两个或三个方向的组合振动。
参阅图5，电控系统模块包括测控界面、工控机、电机控制器，与机械结构模块共同构成波纹管热疲劳测试平台。
测控界面是用户与波纹管热疲劳试验机之间进行交互的媒介，通过以太网接口与工控机相连，用户可以通过测控界面设定汽车排气系统金属波纹管热疲劳试验的试验参数，基于TCP/IP协议发送至工控机，工控机将采集的传感器信息上传至测控界面，实时显示波纹管的热疲劳试验状态。
波纹管热疲劳测试平台中的工控机采用工业控制用计算机，用于建立系统控制策略、传感器信号采集和处理等程序。它提供了丰富的I/O设备驱动程序、实时内核、实时的监控接口、参数调试和数据记录功能。主要包括A/D接口、数字输入接口、存储器、xPCTarget实时内核、D/A接口、数字输出接口和以太网接口。为了提高系统的实时仿真能力，工控机采用以太网接口通过TCP/IP协议实现与测控界面的通信。通过A/D采集模块采集横向、纵向、竖向三个驱动电机的转速以及波纹管的运动幅值，并结合测控界面输入的热疲劳试验的试验参数，通过D/A模块及数字输出接口输出控制命令至电机控制器。
电机控制器与工控机的D/A接口及数字输出接口相连，根据工控机输出的模拟信号及数字信号控制电机的工作状态。
参阅图6，该试验机的工作机理是：用户通过测控界面输入热疲劳试验的试验参数，并通过以太网发送至工控机。工控机基于测控界面发送的控制命令，通过D/A模块输出横向、纵向、竖向三个驱动电机的目标转速，通过数字输出模块输出径向和轴向驱动电机的使能信号。电机控制器根据工控机输出的横向、纵向、竖向三个驱动电机的目标转速及使能信号，调节横向、纵向、竖向三个驱动电机的转速和转动方向，控制波纹管沿横向、纵向、竖向三个方向的运动，实现对波纹管运动状态的实时控制。试验机横向、纵向、竖向三个驱动电机的转速传感器信号、波纹管的横向、纵向、竖向移传感器信号，经预处理电路硬件滤波后输入到工控机的A/D接口，工控机中的实时内核将模拟信号转换成数字信号，进而确定波纹管的实际运动幅值和频率，并将波纹管的实际运动状态发送至测控界面进行显示，方便用户实时观测汽车排气系统金属波纹管的热疲劳试验状态。

Claims (4)

1.一种用于汽车排气系统金属波纹管的三自由度热疲劳试验机，该试验机由机械结构和电控系统两大模块组成，其中，机械结构模块包括驱动部分、传动机构和夹紧机构，电控系统模块包括测控界面、工控机、电机控制器，其特征在于：该试验机在实现汽车排气系统金属波纹管沿横向、纵向、竖向三个方向独立运动的同时，还可以实现两个或三个方向的组合运动，真实模拟波纹管的实车运行工况；
所述夹紧机构包括V型块，所述V型块包括第一V型块(14)、第二V型块(16)、第三V型块(18)和第四V型块，所述传动机构包括曲柄轮、光杆、支架、圆柱销，所述曲柄轮包括第一曲柄轮(28)、第二曲柄轮(7)、第三曲柄轮(30)，所述光杆包括第一光杆(10)、第二光杆(25)、第三光杆(11)、第四光杆(24)，所述支架包括第一支架(5)、第二支架(9)、第三支架和第四支架，所述圆柱销包括第一圆柱销(27)、第二圆柱销(8)、第三圆柱销(29)；
金属波纹管(17)的一端放在第一V型块(14)上，用第二V型块(16)夹紧固定，另一端固定在第三V型块(18)上，第一V型块(14)固定在第一工作台(13)上，第三V型块(18)固定在第三工作台(21)上，横向驱动电机(2)通过联轴器与第一曲柄轮(28)连接，驱动第一滑槽连杆(26)与第一光杆(10)、第二光杆(25)沿第一支架(5)、第二支架(9)运动，实现波纹管运动端的横向运动，纵向驱动电机(4)通过第二曲柄轮(7)驱动第二滑槽连杆(12)沿第三光杆(11)、第四光杆(24)运动，实现波纹管的轴向运动；
所述驱动部分由横向、纵向、竖向三个驱动电机来实现，通过控制驱动电机的转速，实现对波纹管运动端振动频率的调节；
所述第一曲柄轮(28)通过联轴器与横向驱动电机(2)相连，第二曲柄轮(7)结构通过联轴器与纵向驱动电机(4)相连，第一曲柄轮(28)、第二曲柄轮(7)上加工有T型槽，第一圆柱销(27)是用法兰螺母固定在第一曲柄轮(28)的T型槽上的，第二圆柱销(8)是用法兰螺母固定在第二曲柄轮(7)的T型槽上的，通过调节曲柄第一圆柱销(27)与第一曲柄轮(28)的中心距，第二圆柱销(8)与第二曲柄轮(7)的中心距，实现对波纹管运动端横向和纵向运动幅值的调节；
所述竖向驱动电机(32)通过曲柄连杆机构推动第二工作台(23)沿竖向光杆运动，实现波纹管运动端的竖向运动，调节第三圆柱销(29)与第三曲柄轮(30)的中心距，实现对波纹管竖直方向运动幅值的调节。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车排气系统金属波纹管的三自由度热疲劳试验机，其特征在于：调整紧固螺栓(22)可以调节第三V型块(18)与第二V型块(16)的间距，实现对不同长度的波纹管进行热疲劳试验，夹紧机构采用V型块，可以适应不同直径的波纹管的热疲劳试验。
3.根据权利要求1所述的一种用于汽车排气系统金属波纹管的三自由度热疲劳试验机，其特征在于：在所述电控系统模块中，测控界面用于输入控制命令，并显示波纹管的运动状态，工控机用于采集波纹管热疲劳试验的实际运动状态参数，并在测控界面进行显示，电机控制器用于控制电机的运动状态。
4.根据权利要求1所述的一种用于汽车排气系统金属波纹管的三自由度热疲劳试验机，其特征在于：工控机依据用户在测控界面输入的控制命令，输出控制信号给电机控制器，调节横向、纵向、竖向驱动电机的转速和转动方向，控制波纹管按设定的状态参数运动，实现对波纹管运动状态的实时控制，工控机采集并处理各传感器信号，发送给测控界面进行显示，方便用户实时观测波纹管的热疲劳试验状态。
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