CN107764566B - 一种汽车零部件模态测试支撑系统 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种测量精度高、固有频率及刚度可调的汽车零部件模态测试支撑系统。该支撑系统由龙门架、电动葫芦、气体弹簧、千斤顶等组成；电动葫芦为悬挂式模态测试提供了垂直起吊点，配套的微调器使得被测件在测试时能保持基本的水平状态，弹簧组件能通过调节弹簧的串并联来改变自身刚度；气体弹簧为搁置式模态测试提供了水平搁置点，配套的千斤顶使得被测件在测试时能基本保持水平状态，气体弹簧能根据被测件的不同通过调节充气压力来改变自身刚度，可精确控制气体弹簧本身的温度，提高了测量精度。

Description

一种汽车零部件模态测试支撑系统

技术领域

本发明涉及汽车零部件模态检测技术领域，具体涉及一种汽车零部件模态测试支撑系统。

背景技术

对汽车进行模态分析不仅能考察汽车结构的整体刚度特性，而且可以指导人们对汽车结构进行优化以及响应分析。在进行模态试验时，零件的支撑位置及支撑结构对最终实验结果有较大影响；在进行实验模态测试时，由于同一结构在不同的边界条件下会具有不同的模态参数，所以为了得到一组满意的频响函数测量数据，被测件的支撑方式的选取是非常重要的。

目前常用的支撑方式有以下两种：地面支撑，自由支撑。地面支撑是将结构上的某些点与地面固定连接，这在理论上很容易实现，即简单的将对应点的坐标删去即可，但在做实验时很难提供一个基础或地基固定实验构件。故而我们采用自由支撑的方式，自由支撑式是将被测对象自由的支撑在空间当中，在这种状态下结构将呈现由其质量和惯性所决定的刚体模态，既无弯曲又无变形，由此我们可以确定其刚体模态，以及质量和惯性特性。在实验中我们通常是将试件支撑在一个很软的“弹簧”上(搁置)，或者用橡胶绳将试件吊起(悬挂)，来将试件置于一种近似与自由支撑的状态下。

因此对于自由支撑的结构有两方面要求：一是悬挂或支撑点应选择尽可能多的模态节点；二是悬挂绳或支撑装置要足够软，保证刚体共振频率低于第一阶弹性共振频率(通常要求小于10％)。通过查阅相关文献及专利可知，在现存的相关模态测试支撑系统专利中大多只提供了固定的支撑点，无法满足实际的测试需求，且固定支撑点的刚度通常无法调节，也无法保证测试精度。

为了保证测试精度，要求被测件的最高频率占到支撑结构最低弹性模态固有频率的1/3以下，所以当被测件不同，支撑结构所具有的固有频率也应该不同，因此要求模态测试支撑系统必须能够调整整套支撑系统的固有频率。而在以往的相关模态测试支撑系统专利中并未提供此类功能，这也将极大地影响测试精度。

另外，为了获得尽量精确的测试数据，需要被测件尽量保持水平状态，而这在以往的相关专利中均未涉及此类结构设计。

传统的气体弹簧的原理是在密闭的压力缸内充入惰性气体(空气弹簧)使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动，或者液体与气体分别冲入两个相互接触的密闭气室(油气弹簧)，由于原理上的根本不同，气体弹簧比普通弹簧有着很显著的优点：速度相对缓慢、动态力变化不大、容易控制。由于气体弹簧中的油气弹簧自身刚度较大，很难满足一些低刚度使用要求的应用环境(如模态测试领域)，所以此处着重讨论空气弹簧，当气体被频繁压缩时，由于有一部分的气体会转化为热能，使得空气弹簧内部的气体温度发生变化，在密闭环境下，当气体温度发生变化时，其压强也会发生变化，进而直接引起弹簧的整体刚度发生变化。而传统空气弹簧是通过直接调节气室内部空气的流入与流出量，或者改变固有气体的体积来改变弹簧的刚度变化，并没有将弹簧内部空气的温度变化这一量考虑在内，也无法通过控制气体的流入与流出量来控制弹簧内部的温度变化，这在许多需要精确利用空气弹簧变刚度特性的领域如(模态测试)是难以忽视的缺陷。而在模态测试领域中需要空气弹簧能够提供较大的刚度变化范围，并且刚度的变化还要易于控制。并且将此类空气弹簧应用到模态测试领域，还与要配套提供空压机来实时调节空气弹簧内部气体压强，这就提高了测试成本。

发明内容

本发明目的是提供一种测量精度高、固有频率及刚度可调的汽车零部件模态测试支撑系统。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种汽车零部件模态测试支撑系统，所述的支撑系统包括龙门架，龙门架包括下固定纵梁与下固定横梁构成的下矩形框架，下固定纵梁与下固定横梁的端头分别通过紧固螺钉与盘形底座固联在一起；下矩形框架的四角位置设置立柱，立柱的上端与上矩形框架连接，上矩形框架由上固定纵梁、上固定横梁构成，上固定纵梁的上表面上架设导轨，导轨上设置可沿其滚动的滚轮，滚轮的转轴可旋转的套在空心的上活动横梁的端部，上活动横梁架设在两条上固定纵梁之间；上活动横梁的下底面沿其长度方向设置T型滑槽，T型滑槽内安装滚动导轮，滚动导轮中穿过一根支承轴，支承轴上安装骑梁钢叉，骑梁钢叉下方的支撑轴上安装电动葫芦，电动葫芦的下端挂有垂向位移微调器；垂向位移微调器的下端与变刚度弹簧组件连接；两个下固定纵梁之间设置可沿下固定纵梁长度方向滑动的下活动横梁；下活动横梁上架设机械式手动千斤顶；机械式手动千斤顶上架设饱和蒸气压变刚度气体弹簧。

优选的，所述立柱为矩形管，立柱的上端设置竖直圆管，圆管上端与水平设置的圆盘连接，圆盘上表面设置耳座，所述上固定纵梁、上固定横梁各自的端面设置楔型钢销，楔型钢销插入圆盘上设置的耳座中。

优选的，所述盘形底座与立柱之间、立柱与下固定横梁、立柱与下固定纵梁之间分别通过侧面带有通孔的L型加强板使用螺栓紧固连接在一起。

优选的，所述下活动横梁沿其长度方向设置多组用于安装机械式手动千斤顶的安装孔，下活动横梁的两端下表面有T型滑块，T型滑块与下固定纵梁上设置的纵向滑槽配合。

优选的，所述机械式手动千斤顶与饱和蒸气压变刚度气体弹簧、机械式手动千斤顶与下活动横梁之间分别使用螺栓或插销构成式可拆卸连接。

优选的，所述的变刚度弹簧组件包括吊环，吊环挂在垂向位移微调器的下端，吊环与其下方水平设置的上挂板固定连接，上挂板的下方间隔设置多个水平设置的连接板，上挂板与连接板之间、相邻连接板之间分别设置弹簧组，每个弹簧组包括多个并联设置的螺旋弹簧。

优选的，所述的垂向位移微调器包括两根同轴设置的带环螺杆，带环螺杆各自的螺杆部分分别插入带螺纹孔的螺孔保持架中。

优选的，所述立柱的上部侧面与倾斜设置的加强肋梁的一端通过螺栓连接，加强肋梁的另一端与上固定纵梁的底面通过螺栓连接，所述的加强肋梁为两端带有法兰板的矩形方管。

优选的，所述的饱和蒸气压变刚度气体弹簧包括上盖板，上盖板的下表面安装气压传感器；上盖板的下表面与密闭的橡胶气室的上表面接触，橡胶气室包括连通的上气室、下气室，下气室内注入液体；下气室底部安装有加热电阻、液温传感器；加热电阻与外部电源线相联。

本发明具有以下有益效果：龙门架可悬吊被测件，膜片式空气弹簧可搁置被测件，使被测件可以在两个状态下测试；且两种状态可以分别测试也可以联合测试，大大提高工作效率；垂向位移微调器和机械式手动千斤顶配合，使得被测件在悬挂和搁置两种被测状态下都能够精确调节垂向位置，以尽量获得最佳的被测状态，同时尽量保持被测件始终位于水平状态；饱和蒸气压变刚度气体弹簧与弹簧组件配合使用，使得被测件在悬挂和搁置两种被测状态下都能够改变支撑结构的固有频率，且操作便捷；饱和蒸气压变刚度气体弹簧在改变刚度的同时改变了橡胶气室中橡胶层的温度，以及橡胶气室内空气的温度，因此该饱和蒸气压变刚度气体弹簧可以用于模拟普通空气弹簧在长时间或剧烈动作的情况，与汽车实际行驶情况更接近，测量带有空气弹簧悬架的汽车车身模态相关参数时精度大大提高。

附图说明

图1为汽车零部件模态测试支撑系统总装配图；

图2为变刚度弹簧组件示意图；

图3为上挂板俯视图；

图4为连接板俯视图

图5为连接板正视图；

图6为加强肋梁安装示意图；

图7为上活动横梁与滚动轴安装示意图；

图8为电动葫芦与上活动横梁安装示意图；

图9为垂向位移微调器的正视图；

图10为膜片式气体弹簧的剖视图。

附图1-附图10中各零部件名称如下：1-上固定纵梁；2-上活动横梁；3-立柱；4-下固定纵梁；5-底座；6-下固定横梁；7-下活动横梁；8-机械式手动千斤顶；9-饱和蒸气压变刚度气体弹簧；10-变刚度弹簧组件；11-垂向位移微调器；12-加强肋梁；13-微型电动葫芦；14-上固定横梁；21-圆环挂钩；22-弹簧；23-上挂板；24-连接板；51-楔型钢销；64-滚动轴；65-滚轮；74-滚动导轮；75-支承轴；76-骑梁钢叉；81-带环螺杆；82-螺孔保持架；91-气压传感器；92-液体；93-加热电阻；94-上盖板；95-液温传感器；96-外部电源线。

具体实施方式

如图1-图10所示的汽车零部件模态测试支撑系统，包括龙门架，龙门架包括下固定纵梁4与下固定横梁6构成的下矩形框架，下固定纵梁4与下固定横梁6的端头分别通过紧固螺钉与盘形底座5固联在一起；下矩形框架的四角位置设置立柱3，立柱3的上端与上矩形框架连接，上矩形框架由上固定纵梁1、上固定横梁14构成，上固定纵梁1的上表面上架设导轨，导轨上设置可沿其滚动的滚轮65，滚轮65的转轴可旋转的套在空心的上活动横梁2的端部，上活动横梁2架设在两条上固定纵梁1之间；所述上活动横梁2的侧壁沿其长度方向均布多个调整螺孔，上活动横梁2的下底面沿其长度方向设置T型滑槽，T型滑槽内安装滚动导轮74，滚动导轮74中穿过一根支承轴75，支承轴75上安装骑梁钢叉76，骑梁钢叉下方的支撑轴上安装电动葫芦13，电动葫芦13的下端挂有垂向位移微调器11；垂向位移微调器11的下端与变刚度弹簧组件10连接；

两个下固定纵梁4之间设置可沿下固定纵梁4长度方向滑动的下活动横梁7；下活动横梁7上架设机械式手动千斤顶8；机械式手动千斤顶8上架设饱和蒸气压变刚度气体弹簧9。

所述立柱3为矩形管，立柱3的上端设置竖直圆管，圆管上端与水平设置的圆盘连接，圆盘上表面设置耳座，所述上固定纵梁1、上固定横梁14各自的端面设置楔型钢销51，楔型钢销51插入圆盘上设置的耳座中。

所述盘形底座5与立柱3之间、立柱3与下固定横梁4、立柱3与下固定纵梁6之间分别通过侧面带有通孔的L型加强板使用螺栓紧固连接在一起。

所述下活动横梁7沿其长度方向设置多组用于安装机械式手动千斤顶8的安装孔，下活动横梁7的两端下表面有T型滑块，T型滑块与下固定纵梁4上设置的纵向滑槽配合。

所述机械式手动千斤顶8与饱和蒸气压变刚度气体弹簧9、机械式手动千斤顶8与下活动横梁7之间分别使用螺栓或插销构成式可拆卸连接。

所述的变刚度弹簧组件10包括吊环21，吊环21挂在垂向位移微调器11的下端，吊环21与其下方水平设置的上挂板23固定连接，上挂板23的下方间隔设置多个水平设置的连接板24，上挂板23与连接板24之间、相邻连接板24之间分别设置弹簧组，每个弹簧组包括多个并联设置的螺旋弹簧。

所述的垂向位移垂向位移微调器11包括两根同轴设置的带环螺杆81，带环螺杆81各自的螺杆部分分别插入带螺纹孔的螺孔保持架82中。

所述立柱3的上部侧面与倾斜设置的加强肋梁12的一端通过螺栓连接，加强肋梁12的另一端与上固定纵梁1的底面通过螺栓连接，所述的加强肋梁12为两端带有法兰板的矩形方管。

所述的膜片式气体弹簧9包括上盖板94，上盖板94的下表面安装气压传感器91；上盖板94的下表面与橡胶气室的上表面接触，橡胶气室包括连通的上气室、下气室，下气室内注入液体92；下气室底部安装有加热电阻93、液温传感器95；加热电阻93与外部电源线96相联。

测试零部件的时候，根据零部件的具体尺寸与结构，以及具体的测试要求选择支撑方式即悬挂式或搁置式。当选择悬挂式时，将被测件移入支撑系统中的龙门架下方，若被测件不方便移动，也可就地在被测件上方布置支撑系统，根据测试要求，在被测件上选择一到四个悬置点，移动上活动横梁2使其沿上固定纵梁1的长度方向移动，同时可以调整电动葫芦13的位置使电动葫芦13横向移动；将本系统的四个起吊点移动到被测件选定的悬挂点上方，根据刚体模态最高频率占到结构最低弹性模量固有频率的1/3原则，选定变刚度弹簧组件10中合适的弹簧组的数量以及每个弹簧组中弹簧的数量，然后将变刚度弹簧组件10的下端与被测件使用螺栓或挂钩连接，最后用微型电动葫芦13将被测件悬挂起来。为了尽量保持被测件的水平姿态，先通过电动葫芦13进行大致的高度调节，最后通过拧动垂向位移微调器11上的带环螺杆81来进行被测件的水平姿态的微调，进而保证测试精度。

当选择搁置式时，先根据测试要求，在被测件上选择一到四个搁置点。当被测件质量较小时，可将机械式手动千斤顶8调整到合适位置，再将被测件放上去；当被测件质量较大时，可以通过电动葫芦13将被测件吊起，再放到饱和蒸气压变刚度气体弹簧9的盖板94上，然后将饱和蒸气压变刚度气体弹簧9的内部压强调整至适当位置。为了尽量保持被测件的水平姿态，可通过调节机械式手动千斤顶8的三叉摇臂来调节搁置平台的各自垂直高度，从而使得被测件尽量保持水平姿态，进而保证测试精度。

所述饱和蒸气压变刚度气体弹簧9的刚度调整方法为：选择一个合适的目标气压值，液温传感器95开始检测液体温度并向控制器提供先反馈，气压传感器91开始检测气室内部压强并向控制器提供先反馈。此时控制器根据该液体的饱和蒸汽压拟合公式，再根据目标气压值，命令电源提供一个适当的输入电压值，进而控制加热电阻93的放热量，由于液体92在不同的温度下有不同的饱和蒸汽压，并随着温度的升高而增大，此时基于饱和蒸气压原理的变刚度气体弹簧9的气室内部压强开始变化；当气压传感器91实时检测到气室的内部压强达到目标气压值后，加热电阻93停止加热；当上气室内部的温度略微下降，其内部的蒸气会重新转变为液体。此时气压传感器91检测到气室内部压强低于目标值后重复上述步骤，使得饱和蒸气压变刚度气体弹簧9的内部压强始终处于适当位置。

饱和蒸气压变刚度气体弹簧9不通过充放气来改变内部气体压强，而是通过控制液体92的温度进而改变内部的压强，不需要额外配备空压机，降低了测试成本，并且具有低刚度，刚度变化范围广以及刚度可控性强等特点。其基本原理为在密闭条件中，在一定温度下，与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压强称为饱和蒸气压，同一物质在不同温度下有不同的饱和蒸气压，并随着温度的升高而增大，并且许多液体的饱和蒸气压与温度的关系前人已经进行了大量研究，已经具有了精度较高的拟合公式，而这也就方便了控制策略的设计，另外纯溶剂的饱和蒸气压大于溶液的饱和蒸气压；对于同一物质，固态的饱和蒸气压小于液态的饱和蒸气压，所述液体92可以是纯液体，也可以是固液混合剂。

由于饱和蒸气压变刚度气体弹簧9在改变刚度的同时改变了橡胶气室中橡胶层的温度，以及橡胶气室内空气的温度，因此该饱和蒸气压变刚度气体弹簧9可以用于模拟普通空气弹簧在长时间或剧烈适用情况下，温度升高从而导致的普通空气弹簧刚度改变的情况，与汽车实际行驶情况更接近，测量带有空气弹簧悬架的汽车车身模态相关参数时精度大大提高。

Claims (6)

1.一种汽车零部件模态测试支撑系统，其特征在于：所述的支撑系统包括龙门架，龙门架包括下固定纵梁(4)与下固定横梁(6)构成的下矩形框架，下固定纵梁(4)与下固定横梁(6)的端头分别通过紧固螺钉与盘形底座(5)固联在一起；下矩形框架的四角位置设置立柱(3)，立柱(3)的上端与上矩形框架连接，上矩形框架由上固定纵梁(1)、上固定横梁(14)构成，上固定纵梁(1)的上表面上架设导轨，导轨上设置可沿其滚动的滚轮(65)，滚轮(65)的转轴可旋转的套在空心的上活动横梁(2)的端部，上活动横梁(2)架设在两条上固定纵梁(1)之间；上活动横梁(2)的下底面沿其长度方向设置T型滑槽，T型滑槽内安装滚动导轮(74)，滚动导轮(74)中穿过一根支承轴(75)，支承轴(75)上安装骑梁钢叉(76)，骑梁钢叉下方的支撑轴上安装电动葫芦(13)，电动葫芦(13)的下端挂有垂向位移微调器(11)；垂向位移微调器(11)的下端与变刚度弹簧组件(10)连接；两个下固定纵梁(4)之间设置可沿下固定纵梁(4)长度方向滑动的下活动横梁(7)；下活动横梁(7)上架设机械式手动千斤顶(8)；机械式手动千斤顶(8)上架设饱和蒸气压变刚度气体弹簧(9)；

所述的变刚度弹簧组件(10)包括吊环(21)，吊环(21)挂在垂向位移微调器(11)的下端，吊环(21)与其下方水平设置的上挂板(23)固定连接，上挂板(23)的下方间隔设置多个水平的连接板(24)，上挂板(23)与连接板(24)之间、相邻连接板(24)之间分别设置弹簧组，每个弹簧组包括多个并联设置的螺旋弹簧；

所述的垂向位移微调器(11)包括两根同轴设置的带环螺杆(81)，带环螺杆(81)各自的螺杆部分分别插入带螺纹孔的螺孔保持架(82)中；

所述的饱和蒸气压变刚度气体弹簧(9)包括上盖板(94)，上盖板(94)的下表面安装气压传感器(91)；上盖板(94)的下表面与密闭的橡胶气室的上表面接触，橡胶气室包括连通的上气室、下气室，下气室内注入液体(92)；下气室底部安装有加热电阻(93)、液温传感器(95)；加热电阻(93)与外部电源线(96)相联。

2.根据权利要求1所述的汽车零部件模态测试支撑系统，其特征在于：所述立柱(3)为矩形管，立柱(3)的上端设置竖直圆管，圆管上端与水平设置的圆盘连接，圆盘的上表面上设置耳座，所述上固定纵梁(1)、上固定横梁(14)各自的端面设置楔型钢销(51)，楔型钢销(51)插入圆盘上设置的耳座中。

3.根据权利要求1所述的汽车零部件模态测试支撑系统，其特征在于：所述盘形底座(5)与立柱(3)之间、立柱(3)与下固定横梁(6)、立柱(3)与下固定纵梁(4)之间分别通过侧面带有通孔的L型加强板使用螺栓紧固连接在一起。

4.根据权利要求1所述的汽车零部件模态测试支撑系统，其特征在于：所述下活动横梁(7)沿其长度方向设置多组用于安装机械式手动千斤顶(8)的安装孔，下活动横梁(7)的两端下表面设有T型滑块，T型滑块与下固定纵梁(4)上设置的纵向滑槽配合。

5.根据权利要求1所述的汽车零部件模态测试支撑系统，其特征在于：所述机械式手动千斤顶(8)与饱和蒸气压变刚度气体弹簧(9)、机械式手动千斤顶(8)与下活动横梁(7)之间分别使用螺栓或插销构成式可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的汽车零部件模态测试支撑系统，其特征在于：所述立柱(3)的上部侧面与倾斜设置的加强肋梁(12)的一端通过螺栓连接，加强肋梁(12)的另一端与上固定纵梁(1)的底面通过螺栓连接，所述的加强肋梁(12)为两端带有法兰板的矩形方管。

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