CN107121248B - 一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架，包括：底座；以及相互平行的前固定梁和后固定梁，其分别可移动地设置在所述底座上；所述前固定梁的高度低于所述后固定梁；旋转支座，其固定在所述前固定梁的中心位置；旋转梁，其中心可旋转的支撑在所述旋转支座上，能够绕所述旋转支座相对转动；当所述旋转梁平行于所述后固定梁时，所述旋转梁和所述后固定梁的高度基本一致；两个第一固定支座，其可移动地设置在所述旋转梁，用于连接固定待测车架前部；两个第二固定支座，其可移动地设置在所述后固定梁，用于连接固定待测车架后部。本发明所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架，结构简单，操作方便，具有通用性。

Description

一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架及其试验方法
技术领域
本发明涉及车架扭转刚度试验领域，更具体的是，本发明涉及一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架及其试验方法。
背景技术
车架的扭转刚度决定车辆在扭曲路面行驶时悬架硬点的位置精度，是影响赛车性能的重要指标之一，国内外大多数参赛车队均将车架的扭转刚度作为车架设计重点。目前，对于大学生方程式赛车扭转刚度的分析主要依靠于有限元软件对相对应车架三维模型的分析，而没有一种可以对赛车车架施加约束、载荷的试验台架，更不能实际测试其车架的扭转刚度。
发明内容
本发明设计开发了一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架，本发明的台架结构简单，操作方便。
本发明还有一个目的是提供了一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架试验方法，能够快速准确测出方程式赛车车架的扭转刚度。
本发明提供的技术方案为：
一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架，包括：
底座；以及
相互平行的前固定梁和后固定梁，其分别可移动地设置在所述底座上；所述前固定梁的高度低于所述后固定梁；
旋转支座，其固定在所述前固定梁的中心位置；
旋转梁，其中心可旋转的支撑在所述旋转支座上，能够绕所述旋转支座相对转动；当所述旋转梁平行于所述后固定梁时，所述旋转梁和所述后固定梁的高度基本一致；
两个第一固定支座，其可移动地设置在所述旋转梁，用于连接固定待测车架前部；
两个第二固定支座，其可移动地设置在所述后固定梁，用于连接固定待测车架后部。
优选的是，所述旋转梁一端悬挂有一铁球，用于对所述待测车架施加负载。
优选的是，所述固定支座与待测车架轮毂通过螺栓连接固定。
优选的是，还包括悬架连杆，其通过所述固定支座与所述待测车架轮毂连接固定。
优选的是，所述前、后固定梁与所述底座刚性连接，所述固定支座与所述旋转梁和后固定梁刚性连接。
优选的是，所述两个第一固定支座可沿所述旋转梁径向方向移动，所述两个第二固定支座可沿所述后固定梁径向方向移动，所述前、后固定梁可沿水平垂直所述旋转梁径向的方向移动，并通过锁定装置固定。
优选的是，所述锁定装置包括固定螺杆和螺母。
相应地，本发明还提供一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：约束待测车架前部中间处，保证约束点在竖直垂直所述旋转梁径向的方向的坐标值为零；同时约束待测车架后部与试验台架的连接点在所述后固定梁径向方向，水平垂直后固定梁径向的方向和竖直垂直后固定梁径向的方向的平动自由度；
步骤2：在旋转梁一端悬挂一铁球，在待测车架前部与试验台架的连接点处，施加力矩，方向沿正、负竖直垂直后固定梁径向的方向；
步骤3：计算旋转梁转动的角度为：
待测车架的扭转刚度为：
其中，m为铁球的质量；L为铁球与旋转支座之间的水平距离；T为施加力矩；θ为旋转梁转动的角度；a、b为旋转梁转动后两侧距离地面的距离；S为旋转梁的长度；K为扭转刚度；
步骤4：采用分步加载的方式，对刚度计算公式进行修正：
ΔT＝(m'-m)gL
其中，ΔT为分步加载时变化的力矩；Δθ为分步加载后旋转梁扭转角的变化量；m为初始加载铁球的质量，m'为分步加载后铁球的质量；a'、b'为旋转梁分步加载转动后两侧距离地面的距离；K'为分步加载时的扭转刚度。
优选的是，所述步骤2包括：通过改变悬挂铁球的质量改变待测车架前部与试验台架的连接点处的施加力矩。
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架，结构简单，操作方便，能够实际测出方程式赛车车架的扭转刚度，为赛车车架设计提供数据支持；
(2)本发明所述的试验台架的前、后固定梁和固定支座可以相对底座移动，以适应不同大小尺寸的方程式赛车，使得本发明所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架具有更好的通用性；
(3)本发明中，所悬挂铁球的重量可以改变，进而改变待测车架施加负载的大小，从而改变待测车架前部与试验台架的连接点处的力矩，实现不同力矩下测试待测车架的扭转刚度；
(4)本发明所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，采用分步加载的方式对刚度计算公式进行修正，保证了测试的扭转刚度的数据可靠性。
附图说明
图1为本发明所述方程式赛车车架扭转刚度试验台架的结构示意图。
图2为本发明所述待测车架的结构示意图。
图3为本发明所述锁定装置的结构示意图。
图4为本发明所述锁定装置的结构示意图。
图5为本发明所述锁定装置的结构示意图。
图6为本发明所述的待测车架的受力示意图。
图7为本发明所述的扭转角的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1-2所示，本发明提供一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架，包括：底座100；以及相互平行的前固定梁110和后固定梁120，其可移动地设置在所述底座100上，所述前固定梁110的高度低于所述后固定梁120；旋转支座130，固定设置在所述前固定梁110的中心位置；旋转梁140，其中心可旋转的支撑在所述旋转支座130上，能够绕所述旋转支座130相对转动；当所述旋转梁140平行于所述后固定梁120时，所述旋转梁140和所述后固定梁120的高度基本一致。本实施例中，所述旋转梁140与所述旋转支座130之间通过螺栓和螺母可拆卸地连接，但并不限于上述结构；固定支座，可移动地设置在所述旋转梁140和后固定梁120上，用于连接固定待测车架200。所述固定支座为4个，旋转梁140上设置2个，分别151、152，后固定梁上设置两2个，分别为153、154。在所述旋转梁140的一端悬挂有一铁球160，用于对所述待测车架200施加负载。可以通过改变铁球160的重量来改变对所述待测车架200施加负载的大小，从而改变待测车架200前部与试验台架100的连接点处的力矩，实现不同力矩下测试待测车架200的扭转刚度，施加力矩的方向沿正负竖直垂直后固定梁径向的方向(Y方向)。所述固定支座151-154与待测车架200的轮毂通过螺栓连接固定。本实施例中，还包括悬架连杆210，所述悬架连杆210通过所述固定支座151-154与所述待测车架200的轮毂连接固定，从而固定待测车架200。所述固定支座153、154通过后固定梁120与底座100刚性连接，保证在测试过程中，后固定梁120与底座100之间没有相对位移；所述固定支座151、152与旋转梁140刚性连接，所述旋转梁140通过旋转支座130与前固定梁110相连接，前固定梁110与底座110刚性连接，使得旋转梁140可绕旋转支座130与底座100产出相对转动(绕Z轴方向)。所述固定支架153、154可沿所述后固定梁120在所述后固定梁径向方向(X方向)移动，当然，所述固定支架151、152也可沿所述旋转梁140在所述旋转梁径向方向(X方向)移动，所述前固定梁110和后固定梁120可沿所述底座100在水平垂直所述旋转梁径向的方向(Z方向)移动，可以满足不同赛车车架的测试。还包括锁定装置170，用于固定可移动的前固定梁110和后固定梁120以及所述后固定梁120和旋转梁140上的可移动的固定支座151-154。如图3-5所示，所述锁定装置170包括固定螺杆171和螺母172，所述底座100为中空方管，所述中空方管与所述前固定梁110固定连接一面设置有两道滑槽173，所述滑槽173的宽度与所述固定螺杆171的直径相对应，使得固定螺杆171能够在滑槽173中滑动，以方便前固定梁110相对底座100移动。所述固定螺杆171套设在所述滑槽173中，穿过所述前固定梁110的对应螺孔，另一端拧入螺母172，从而固定所述前固定梁110。当需要移动前固定梁110时，拧松螺母172，并移动前固定梁110至理想位置，再拧紧螺母172固定即可。所述后固定梁120上以及固定支座151-154上的锁定装置与上述结构相同，工作原理也相同，在此不做赘述。应当理解的是，本发明所述的旋转梁130的一端并不限于悬挂一铁球，也可以悬挂其他重物，只要能提供一定重量，能够在待测车架前部与试验台架的连接点处，施加力矩即可。
本发明所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架，结构简单，操作方便，能够实际测出方程式赛车车架的扭转刚度，为赛车车架设计提供数据支持；本发明所述的试验台架的前、后固定梁和固定支座可以相对底座移动，以适应不同大小尺寸的方程式赛车，使得本发明所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架具有更好的通用性，降低了制作成本；并且，所悬挂铁球的重量可以改变，进而改变待测车架200施加负载的大小，从而改变待测车架200前部与试验台架100的连接点处的力矩，实现不同力矩下测试待测车架200的扭转刚度，保证测试的扭转刚度的数据可靠性。
本发明还提供一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：保证约束点在竖直垂直所述旋转梁径向方向(Y方向)的坐标值为零；同时约束待测车架后部与试验台架的连接点在所述后固定梁径向方向(X方向)，水平垂直后固定梁径向的方向(Z方向)和竖直垂直后固定梁径向的方向(Y方向)的平动自由度。
步骤2：在旋转梁一端悬挂一铁球，在待测车架前部与试验台架的连接点处，施加力矩，方向沿正、负竖直垂直后固定梁径向的方向(Y方向)。
步骤3：如图6、7所示，计算扭转刚度。
施加力矩为：
T＝(F1+F2)ω＝mgL
在力矩作用下，旋转梁转动的角度为：
待测车架的扭转刚度为：
其中，F1、F2为待测车架200前部与试验台架100的连接点处所受的作用力；ω为旋转梁140上的固定支座到旋转支座130的水平距离；m为铁球的质量；L为铁球与旋转支座之间的水平距离；T为施加力矩；θ为旋转梁转动的角度；a、b为旋转梁转动后两侧距离地面的距离；S为旋转梁140的长度；K为扭转刚度。
步骤4：采用分步加载的方式，对上述刚度计算公式进行修正：
ΔT＝(m'-m)gL
其中，ΔT为分步加载时变化的力矩；Δθ为分步加载后旋转梁扭转角的变化量；m为初始加载铁球的质量，m'为分步加载后铁球的质量；a'、b'为旋转梁分步加载转动后两侧距离地面的距离；K'为分步加载时的扭转刚度。
由于在实际中，扭转刚度分析和试验方法评价的是车架整体刚度，需要去除扭转刚度中约束点处局部刚度对整体刚度的影响。因此，计算时需要对扭转角和弯曲变形结果进行处理，以消除上述影响，获得真正刚度值。
本实施例中，通过改变悬挂铁球的质量改变待测车架前部与试验台架的连接点处的施加力矩，实现不同力矩下测试待测车架200的扭转刚度，即一步一步的改变待测车架200的施加力矩，以便测得其扭转刚度。
本发明所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，采用分步加载的方式，对刚度计算公式进行修正，保证了测试的扭转刚度的数据可靠性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，包括一种方程式赛车车架扭转刚度试验台架，包括：
底座；以及
相互平行的前固定梁和后固定梁，其分别可移动地设置在所述底座上；所述前固定梁的高度低于所述后固定梁；
旋转支座，其固定在所述前固定梁的中心位置；
旋转梁，其中心可旋转的支撑在所述旋转支座上，能够绕所述旋转支座相对转动；当所述旋转梁平行于所述后固定梁时，所述旋转梁和所述后固定梁的高度基本一致；
两个第一固定支座，其可移动地设置在所述旋转梁，用于连接固定待测车架前部；
两个第二固定支座，其可移动地设置在所述后固定梁，用于连接固定待测车架后部；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：约束待测车架前部中间处，保证约束点在竖直垂直所述旋转梁径向的方向的坐标值为零；同时约束待测车架后部与试验台架的连接点在所述后固定梁径向方向，水平垂直后固定梁径向的方向和竖直垂直后固定梁径向的方向的平动自由度；
步骤2：在旋转梁一端悬挂一铁球，在待测车架前部与试验台架的连接点处，施加力矩，方向沿正、负竖直垂直后固定梁径向的方向；
步骤3：计算旋转梁转动的角度为：
待测车架的扭转刚度为：
其中，m为铁球的质量；L为铁球与旋转支座之间的水平距离；T为施加力矩；θ为旋转梁转动的角度；a、b为旋转梁转动后两侧距离地面的距离；S为旋转梁的长度；K为扭转刚度；
步骤4：采用分步加载的方式，对刚度计算公式进行修正：
△T＝(m'-m)gL
其中，△T为分步加载时变化的力矩；△θ为分步加载后旋转梁扭转角的变化量；m为初始加载铁球的质量，m'为分步加载后铁球的质量；a'、b'为旋转梁分步加载转动后两侧距离地面的距离；K'为分步加载时的扭转刚度。
2.如权利要求1所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，其特征在于，所述步骤2包括：通过改变悬挂铁球的质量改变待测车架前部与试验台架的连接点处的施加力矩。
3.如权利要求1所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，其特征在于，所述旋转梁一端悬挂有一铁球，用于对所述待测车架施加负载。
4.如权利要求1所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，其特征在于，所述固定支座与待测车架轮毂通过螺栓连接固定。
5.如权利要求4所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，其特征在于，还包括悬架连杆，其通过所述固定支座与所述待测车架轮毂连接固定。
6.如权利要求1所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，其特征在于，所述前、后固定梁与所述底座刚性连接，所述固定支座与所述旋转梁和后固定梁刚性连接。
7.如权利要求1所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，其特征在于，所述两个第一固定支座可沿所述旋转梁径向方向移动，所述两个第二固定支座可沿所述后固定梁径向方向移动，所述前、后固定梁可沿水平垂直所述旋转梁径向的方向移动，并通过锁定装置固定。
8.如权利要求7所述的方程式赛车车架扭转刚度试验台架的试验方法，其特征在于，所述锁定装置包括固定螺杆和螺母。
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