CN105716851A - 一种气门旋转弯曲疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气门旋转弯曲疲劳试验机，包括机架、待测气门、加载输入杆、使待测气门旋转的电机以及通过所述加载输入杆向待测气门施加推力的轴力加载装置，电机和轴力加载装置设置于机架上，待测气门两端分别固定在电机的输出轴和加载输入杆上。本发明利用第一砝码和第二砝码的重力作用分别实现对待测气门旋转状态下的轴向力和弯矩加载，从而进行旋转弯曲疲劳测试，加载方式简单可靠，并且精度高。本发明的轴力加载装置可对待测气门施加轴向力，更加贴近气门实际工况的受力状况。因此本发明能够在更复杂受力状态下对气门进行疲劳性能的测试。

Description

一种气门旋转弯曲疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种气门旋转弯曲疲劳试验机。

背景技术

气门、排气门及其配对的气门座圈是发动机配气机构中的关键精密部件，气门与座圈配合控制发动机汽缸中新鲜空气的吸入和废气的排除。气门的工作条件恶劣，在凸轮轴的带动下高速往复运动，气门盘部每分钟经受上千次的交变循环冲击载荷以及高温气体的冲蚀，气门锥面上还沉积有燃烧不完全的产物。气门的可靠性及寿命直接影响到发动机配气机构及整机的可靠性和寿命。疲劳是指材料或者构件在循环的交变载荷作用下，其内部损伤累计直至破坏。对于气门材料及产品的疲劳寿命测试评判至关重要。旋转弯曲疲劳试验的原理为试样旋转并承受一弯矩，产生弯矩的力恒定不变且不转动。试样可装成悬臂，在一点或两点加力或装成横梁，在四点加力。试验一直进行到试样失效或超过预定应力循环次数。

现有的测试设备一般仅注重于气门锥面和座圈结合面的耐磨测试，忽略了对气门疲劳性能的研究。此外，现有的旋转弯曲疲劳试验机只能进行应力比为-1的标准试样的试验，不能对整个气门进行疲劳测试，更无法给气门试样施加轴向力从而进行复合受力状态下的试验。根据气门的实际工况和受力可知，气门同时受到气门弹簧轴向力的加载和气门座圈的冲击载荷以及气门盘端面受到的燃烧室中高温高压气体的冲击,气门杆部的疲劳断裂是气门失效的主要方式之一。气门受到热和机械力的综合作用，因此，可靠性要求高工作寿命要求长，极其必要测试气门在高温环境中的疲劳性能。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种气门旋转弯曲疲劳试验机。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种气门旋转弯曲疲劳试验机，包括机架、待测气门、加载输入杆、使待测气门旋转的电机以及通过所述加载输入杆向待测气门施加推力的轴力加载装置，电机和轴力加载装置设置于机架上，待测气门两端分别固定在电机的输出轴和加载输入杆上。

优选的，所述轴力加载装置包括轴力加载杆、角接触球轴承以及用于向轴力加载杆施加轴向推力的推力机构，轴力加载杆通过角接触球轴承与加载输入杆连接。

优选的，所述轴力加载装置包括减震弹簧，所述推力机构包括支架以及施力臂，施力臂的一端铰接在支架上，另一端为重力施加端，施力臂中部伸出有施压杆，减震弹簧一端与施压杆连接，另一端与轴力加载杆连接。

优选的，还设置有第一施力弹簧、第一砝码以及用于叠放第一砝码的第一砝码杆，第一施力弹簧一端与重力施加端连接，另一端与第一砝码连接。

优选的，所述加载输入杆包括杆体以及在杆体一端上的用于夹持待测气门的气门杆的第一气门夹头，还包括主轴，电机输出轴与主轴一端连接，主轴另一端设置有第二气门夹头，第二气门夹头包括环形气门固定座圈、紧固螺栓以及两个扭矩传动销，两个扭矩传动销的一端分别插入主轴，另一端分别插入待测气门的气门头，环形气门固定座圈套于待测气门的气门头背部，环形气门固定座圈通过紧固螺栓与主轴连接将待测气门固定起来。

优选的，还包括弯矩加载装置，弯矩加载装置包括杠杆横梁以及施力机构，杠杆横梁中部铰接于机架上，杠杆横梁一端与施力机构连接，另一端与加载输入杆连接。

优选的，所述施力机构包括施力杆、第二施力弹簧、第二砝码以及用于叠放第二砝码的第二砝码杆，施力杆一端与杠杆横梁连接，另一端与第二施力弹簧的一端连接，第二施力弹簧的另一端与第二砝码杆连接；所述杠杆横梁上设置有顶杆以及轴承，顶杆一端与杠杆横梁连接，另一端与轴承外圈连接，轴承内圈与加载输入杆连接。

优选的，还包括触发报警开关，触发报警开关包括活动触发块和固定触发块，固定触发块固定连接在机架上，施力杆穿过活动触发块与施力杆连接，活动触发块位于固定触发块上方。

优选的，还包括主轴箱以及润滑冷却系统，所述主轴箱包括轴承组以及箱体，主轴两端伸出于箱体，主轴中部通过轴承组与箱体连接，润滑冷却系统对轴承组施加润滑油。

优选的，还包括高温腔室，待测气门设置于高温腔室中，所述电机输出轴和加载输入杆分别伸入高温腔室中与待测气门连接，还包括热风机、冷却器以及送风管道，热风机通过送风管道与高温腔室连通，送风管道上还开设有滴油口，冷却器与高温腔室的排气口连接。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明利用第一砝码和第二砝码的重力作用分别实现对待测气门旋转状态下的轴向力和弯矩加载，从而进行旋转弯曲疲劳测试，加载方式简单可靠，并且精度高。本发明的轴力加载装置可对待测气门施加轴向力，更加贴近气门实际工况的受力状况。因此本发明能够在更复杂受力状态下对气门进行疲劳性能的测试。

2、本发明的温度调节室能较好地模拟发动机气门工况环境，从而对待测气门进行高温旋转弯曲疲劳试验，本发明可对整个气门进行测试，且能够在适当时间内完成气门疲劳性能评估，给实际生产提供可靠依据。

3、本发明具有操作简单，自动化程度高，动平衡标准高和振动噪声小的优点。本发明在开始工作后无需人工观察，当试验结束后能够自动报警停机，并保存数据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中A部的放大图。

图3是本发明的第二气门夹头与待测气门的气门头连接的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一：

一种气门旋转弯曲疲劳试验机，包括机架1、待测气门2、加载输入杆3、使待测气门旋转的电机4以及通过所述加载输入杆向待测气门施加推力的轴力加载装置5，电机和轴力加载装置设置于机架上，待测气门两端分别固定在电机的输出轴6和加载输入杆上。

优选的，所述轴力加载装置包括轴力加载杆7、角接触球轴承8以及用于向轴力加载杆施加轴向推力的推力机构，轴力加载杆通过角接触球轴承与加载输入杆连接。设置角接触球轴承可避免高速转动的加载输入杆与轴力加载杆产生磨擦，导致温度的上升，同时，其还能保证轴向推力的施加。

优选的，所述轴力加载装置包括减震弹簧9，所述推力机构包括支架10以及施力臂11，施力臂的一端铰接在支架上，另一端为重力施加端12，施力臂中部伸出有施压杆13，减震弹簧一端与施压杆连接，另一端与轴力加载杆连接。

优选的，还设置有延伸杆17、第一施力弹簧14、第一砝码15以及用于叠放第一砝码的第一砝码杆16，延伸杆连接于重力施加端上，第一施力弹簧一端与延伸杆连接，另一端与第一砝码连接。第一砝码能对待测气门施加稳定的轴向推力，避免使用液压气动的推杆或电机配合丝杆对待测气门施加轴向推力时，必需配合测力装置对所施加的力进行控制，其导致结构复杂和使制造成本提高，同时，也难于准确控制推力的大小，且在长时间施加推力时，由于液压缸或气缸的泄压又或者电机与丝杆间的窜动或滑动，导致推力的减少，影响试验的准确性，而本发明仅需要通过简单的增加或减少第一砝码就能实现对待测气门长时间施加稳定的轴向推力，从而进一步提高试验的准确性。

优选的，所述加载输入杆包括杆体18以及在杆体一端上的用于夹持待测气门的气门杆的第一气门夹头19，还包括主轴20，电机输出轴与主轴一端连接，主轴另一端设置有第二气门夹头35，第二气门夹头包括环形气门固定座圈37、紧固螺栓38以及两个扭矩传动销36，两个扭矩传动销的一端分别插入主轴，另一端分别插入待测气门的气门头，环形气门固定座圈套于待测气门的气门头背部，环形气门固定座圈通过紧固螺栓与主轴连接将待测气门固定起来。

扭矩传动销能将电机对主轴产生的扭矩传递到待测气门，使待测气门转动，同时在待测气门安装到第二气门夹头上时，还具有对待测气门进行定位的作用，使待测气门与主轴具有良好的同轴性，避免测试时，待测气门产生摆动，影响测试的准确性；同时通过环形气门固定座圈对待测气门进行轴向固定，避免测试过程产生松动。

优选的，还包括弯矩加载装置，弯矩加载装置包括杠杆横梁21以及施力机构，杠杆横梁中部铰接于机架上，杠杆横梁一端与施力机构连接，另一端与加载输入杆连接。

优选的，所述施力机构包括施力杆22、第二施力弹簧23、第二砝码24以及用于叠放第二砝码的第二砝码杆25，施力杆一端与杠杆横梁连接，另一端与第二施力弹簧的一端连接，第二施力弹簧的另一端与第二砝码杆连接。

第二砝码能稳定地对待测气门施加径向方向上的加载力而产生弯矩，仅需要通过增加或减少第二砝码就能实现对待测气门长时间施加稳定的加载力，从而进一步提高试验的准确性。

优选的，所述杠杆横梁上设置有顶杆26以及轴承27，顶杆一端与杠杆横梁连接，另一端与轴承外圈连接，轴承内圈与加载输入杆连接。

优选的，还包括高温腔室28，待测气门设置于高温腔室中，所述电机输出轴和加载输入杆分别伸入高温腔室中与待测气门连接。

优选的，还包括热风机29、冷却器30以及送风管道31，热风机通过送风管道与高温腔室连通，送风管道上还开设有滴油口32，冷却器与高温腔室的排气口连接。

热风机提供高温热气源且气流温度和流量可调。冷却器对高温腔室排出来的热风进行冷却，避免热风直接排出，提高安全性。滴油口用于滴油，油的添加使得高温腔室内的工作环境更接近于气门实际工况所处的环境。

优选的，还包括报警开关，报警开关包括活动触发块33和固定触发块34，固定触发块固定连接在机架上，施力杆穿过活动触发块与施力杆连接，活动触发块位于固定触发块上方，当待测气门发生断裂时，施力杆在第二砝码的重力牵引下向下移动，使活动触发块与固定触发块相接触，触发报警开关，同时，由于活动触发块与固定触发块相接触，施力杆停止下移，因此，第二砝码不会掉落到地面上，起到保护作用。

优选的，还包括主轴箱以及润滑冷却系统，所述主轴箱包括轴承组39以及箱体40，主轴中部通过轴承组与箱体连接，主轴两端伸出于箱体，润滑冷却系统对轴承组施加润滑油，因此，在工作过程中主轴箱不会温度过高，使得本发明能够进行超长时间的高速运转。

本发明的工作过程及工作原理：将待测气门装夹于电机输出轴和加载输入杆上，使待测气门形成一悬臂梁，在待测气门末端通过弯矩加载装置施加径向方向上的加载力而产生弯矩，开启电机，使得待测气门高速旋转，而在高速旋转的过程中，由于弯矩加载装置通过轴承与加载输入杆连接，因此，弯矩加载装置对待测气门产生弯矩的力能恒定不变且不转动。

同时，通过轴力加载装置在待测气门末端的轴向方向上施加轴向力，使得待测气门在测试过程中受到弯曲正应力和轴向压力的复合作用。试验一直进行到待测气门失效或超过预定应力循环次数。

使用时，将待测气门装夹于电机输出轴和加载输入杆上，然后启动电机和热风机，将高温腔室加热到测试所需温度。

高温腔室达到设定温度并且稳定后，按照所需分别放入第一砝码和第二砝码，使待测气门承受设定的弯矩和轴向力，开始测试。

当待测气门断裂时，触发报警开关，电机和热风机自动停止，计数器记录并保存待测气门的转数，完成测试。

此外，也可以是当达到设定转数，如达到1000万转时，待测气门还没有断裂时，电机和热风机自动停止。

当不需要高温环境时，可不开启热风机进行测试。

此外，为了缩短试验时间，可以在同一批待测气门的气门杆中部适当加工相同尺寸的一凹槽或弧形缺口，这是因为在同样的弯矩下，最小截面处的弯曲正应力最大，在该处最容易疲劳断裂。

当然，也可以对一个完整的待测气门进行旋转弯曲疲劳试验。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：包括机架、待测气门、加载输入杆、使待测气门旋转的电机以及通过所述加载输入杆向待测气门施加推力的轴力加载装置，电机和轴力加载装置设置于机架上，待测气门两端分别固定在电机的输出轴和加载输入杆上。

2.根据权利要求1所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述轴力加载装置包括轴力加载杆、角接触球轴承以及用于向轴力加载杆施加轴向推力的推力机构，轴力加载杆通过角接触球轴承与加载输入杆连接。

3.根据权利要求2所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述轴力加载装置包括减震弹簧，所述推力机构包括支架以及施力臂，施力臂的一端铰接在支架上，另一端为重力施加端，施力臂中部伸出有施压杆，减震弹簧一端与施压杆连接，另一端与轴力加载杆连接。

4.根据权利要求3所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：还设置有第一施力弹簧、第一砝码以及用于叠放第一砝码的第一砝码杆，第一施力弹簧一端与重力施加端连接，另一端与第一砝码连接。

5.根据权利要求1所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述加载输入杆包括杆体以及在杆体一端上的用于夹持待测气门的气门杆的第一气门夹头，还包括主轴，电机输出轴与主轴一端连接，主轴另一端设置有第二气门夹头，第二气门夹头包括环形气门固定座圈、紧固螺栓以及两个扭矩传动销，两个扭矩传动销的一端分别插入主轴，另一端分别插入待测气门的气门头，环形气门固定座圈套于待测气门的气门头背部，环形气门固定座圈通过紧固螺栓与主轴连接将待测气门固定起来。

6.根据权利要求1所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：还包括弯矩加载装置，弯矩加载装置包括杠杆横梁以及施力机构，杠杆横梁中部铰接于机架上，杠杆横梁一端与施力机构连接，另一端与加载输入杆连接。

7.根据权利要求6所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述施力机构包括施力杆、第二施力弹簧、第二砝码以及用于叠放第二砝码的第二砝码杆，施力杆一端与杠杆横梁连接，另一端与第二施力弹簧的一端连接，第二施力弹簧的另一端与第二砝码杆连接；所述杠杆横梁上设置有顶杆以及轴承，顶杆一端与杠杆横梁连接，另一端与轴承外圈连接，轴承内圈与加载输入杆连接。

8.根据权利要求7所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：还包括触发报警开关，触发报警开关包括活动触发块和固定触发块，固定触发块固定连接在机架上，施力杆穿过活动触发块与施力杆连接，活动触发块位于固定触发块上方。

9.根据权利要求5所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：还包括主轴箱以及润滑冷却系统，所述主轴箱包括轴承组以及箱体，主轴两端伸出于箱体，主轴中部通过轴承组与箱体连接，润滑冷却系统对轴承组施加润滑油。

10.根据权利要求1所述的气门旋转弯曲疲劳试验机，其特征在于：还包括高温腔室，待测气门设置于高温腔室中，所述电机输出轴和加载输入杆分别伸入高温腔室中与待测气门连接，还包括热风机、冷却器以及送风管道，热风机通过送风管道与高温腔室连通，送风管道上还开设有滴油口，冷却器与高温腔室的排气口连接。