CN109142090A - 一种拉压弯扭多轴加载疲劳试验装置 - Google Patents

一种拉压弯扭多轴加载疲劳试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种拉压弯扭多轴加载疲劳试验装置，包括设置在安装底座上的扭矩加载装置和拉压力弯矩联合加载装置。扭矩加载装置中，驱动电机、第一减速器、第一转速转矩传感器和左卡盘之间通过联轴器顺次相连，加载电机、第二减速器、第二转速转矩传感器和右卡盘之间通过联轴器顺次相连，轴类试件被左卡盘和右卡盘夹持；拉压力弯矩联合加载装置包括相对轴类试件对称设置的第一激振装置和第二激振装置，两个激振装置分别通过与之固接的柔性连接杆对两个对称固定在加载轴承外圈的加载块进行加载，加载块和柔性连接杆之间安装有螺杆拉压式传感器。本发明机械结构简单，能完成对轴类试件从拉压、弯曲、扭转单轴到多轴的不同组合情况下的加载。

Description

一种拉压弯扭多轴加载疲劳试验装置
技术领域
本发明涉及一种疲劳试验装置。特别是涉及一种用于对旋转的轴类零件进行拉压弯扭多轴加载的疲劳试验装置。
技术背景
随着航空航天、工程机械、农业机械等行业的不断发展，对轴类零件的安全性与可靠性也提出了更高的要求。为了能够测得关键轴类零件的性能以及估算其疲劳寿命，需要对轴类零件按照加载载荷谱进行加载疲劳试验。现有的疲劳试验加载方法大多只能施加单轴或双轴应力，但在各类机械结构中，关键轴类零件通常会承受复杂的多轴交变载荷，而且这种多轴交变载荷的特性远不同于单轴疲劳加载下的特性，通过利用静强度理论将多轴问题等效成单轴问题再进行单轴疲劳试验加载的传统方法不能准确地反映被测试零件在实际工况下的受力状态，已经远远不能满足要求。所以为了能够完善多轴疲劳理论，准确预测零件的疲劳寿命，研究一种能够对旋转的轴类零件按照加载载荷谱进行拉压、弯曲、扭转的多轴加载疲劳试验装置具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种拉压弯扭多轴加载疲劳试验装置，对旋转轴类零件的扭矩加载、拉压力加载和弯矩加载既可以同时进行，也可以分别进行。
本发明的一种拉压弯扭多轴加载疲劳试验装置，包括加载模型，所述加载模型包括扭矩加载装置和拉压力弯矩联合加载装置；
所述扭矩加载装置包括固定在安装底座左侧的驱动电机和第一减速器，所述驱动电机的输出轴和第一减速器的输入轴通过第一联轴器相连，所述的第一减速器的输出轴与第一转速转矩传感器的输入轴通过第二联轴器相连，在一个左卡盘的左端同轴线设置有左侧轴，所述的左侧轴左端穿过安装在轴承座内的轴承与第一转速转矩传感器的输出轴通过第三联轴器固定相连，所述轴承座固定在安装底座上，所述左侧轴与轴承内圈固定相连，使得所述左侧轴能使轴周向转动但使轴轴向固定，所述左卡盘右端设有夹爪，所述的左卡盘的夹爪夹持被测轴类试件左端，所述被测轴类试件的右端装夹在右卡盘的夹爪上，所述的右卡盘与左卡盘同轴线相对设置，固定在安装底座右侧的加载电机的输出轴和第二减速器的输入轴通过第五联轴器相连，第二转速转矩传感器的输入轴通过第四联轴器与第二减速器的输出轴相连，第二转速转矩传感器的输出轴通过齿式联轴器与右卡盘右端相连；
所述的驱动电机、加载电机、第一转速转矩传感器和第二转速转矩传感器分别与计算机相连，所述的第一转速转矩传感器读取加载过程中被测轴类试件的转速大小并传输给计算机，所述的第二转速转矩传感器读取加载过程中被测轴类试件受到的扭矩大小并传输给计算机，计算机将被测轴类试件的实际转速值与期望输出转速值相减得到转速偏差，并将被测轴类试件的实际扭矩值与期望输出扭矩值相减得到扭矩值的偏差，所述的计算机将转速偏差信号输出给驱动电机，从而调整驱动电机接下来输出转速的大小，所述的计算机将扭矩值的偏差信号输出给加载电机，从而调整加载电机接下来输出扭矩的大小，对被测轴类试件的转速及受到的扭矩起到反馈调节作用；
所述拉压力弯矩联合加载装置的加载结构为：固定在安装底座上的第一激振装置和第二激振装置，所述的第一激振装置的输出轴与第一柔性连接轴的一端同轴线固接，所述的第二激振装置的输出轴与第二柔性连接轴的一端同轴线固接，所述的第一激振装置与第二激振装置相对于被测轴类试件的轴线轴对称设置，在所述的被测轴类试件上套有加载轴承，所述的加载轴承内圈固定在被测轴类试件上，随被测轴类试件一起转动；
在所述的被测轴类试件上固定有结构相同的第一加载块和第二加载块，所述的第一加载块和第二加载块相对于被测轴类试件的轴线轴对称设置，所述第一加载块和第二加载块分别具有受力面以及与被测轴类试件的外壁形状吻合且两者固定相连的底面，在两个受力面上分别开有螺纹孔；
所述的第一柔性连接轴的另一端与第一螺杆拉压式传感器的一端螺纹连接，所述的第一螺杆拉压式传感器的另一端与第一加载块受力面上的螺纹孔螺纹连接且第一柔性连接轴的轴线与第一加载块的受力面垂直设置，所述的第二柔性连接轴的另一端与第二螺杆拉压式传感器的一端螺纹连接，所述的第二螺杆拉压式传感器的另一端与第二加载块受力面上的螺纹孔螺纹连接且第二柔性连接轴的轴线与第二加载块的受力面垂直设置；
所述第一螺杆拉压式传感器、第二螺杆拉压式传感器、第一激振装置和第二激振装置分别和计算机相连，所述第一螺杆拉压式传感器和第二螺杆拉压式传感器用于测量加载过程中第一激振装置和第二激振装置输出力的大小，并反馈到计算机中，计算机分别计算出两个激振装置的实际输出值与期望输出值的偏差大小，并将偏差大小分别输出给第一激振装置和第二激振装置，从而调节第一激振装置和第二激振装置下一次的输出值，起到反馈调节作用。
本发明具有的优点和积极效果：1)本发明中，试验装置的机械结构简单，利用两个对称的激振装置巧妙得解决了对旋转的轴类试件施加轴向力和径向力的问题。2)本发明既可以实现对旋转轴类试件分别进行扭矩、轴向力、弯矩的单轴加载，又可以实现对被测旋转轴类试件进行任意两种载荷组合加载或三种载荷同时加载的多轴加载。3)本发明可以很大限度地模拟汽车关键轴类零件在实际工况下的受力状态，使关键轴类零件的疲劳理论分析更加准确。
附图说明
图1是本发明的多轴加载疲劳试验装置结构示意图；
图2是图1所示的装置中的第一加载块和第二加载块的三维示意图；
图3是图1中A-A向剖视结构示意图；
图4是本发明中拉压力弯矩联合加载装置受力分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细描述。
参阅图1，一种拉压弯扭多轴加载疲劳试验装置，包括加载模型，所述加载模型包括扭矩加载装置和拉压力弯矩联合加载装置。
所述扭矩加载装置包括固定在安装底座22左侧的驱动电机1和第一减速器3，所述驱动电机1的输出轴和第一减速器3的输入轴通过第一联轴器2相连，所述的第一减速器3的输出轴与第一转速转矩传感器5的输入轴通过第二联轴器4相连，在一个左卡盘8的左端同轴线设置有左侧轴，所述的左侧轴左端穿过安装在轴承座7内的轴承与第一转速转矩传感器5的输出轴通过第三联轴器6固定相连，所述轴承座7固定在安装底座22上，所述左侧轴与轴承内圈固定相连，使得所述左侧轴能使轴周向转动但使轴轴向固定。所述左卡盘8右端设有夹爪，所述的左卡盘8的夹爪夹持被测轴类试件9左端。所述被测轴类试件9的右端装夹在右卡盘15的夹爪上，所述的右卡盘15与左卡盘8同轴线相对设置。被测轴类试件9被左卡盘8与右卡盘15夹持，无法周向错动与轴向错动。驱动电机1经过第一减速器3的减速后，带动左卡盘8旋转，使被测轴类试件9具有一定的转速。固定在安装底座22右侧的加载电机21的输出轴和第二减速器19的输入轴通过第五联轴器20相连，第二转速转矩传感器17的输入轴通过第四联轴器18与第二减速器19的输出轴相连，第二转速转矩传感器17的输出轴通过齿式联轴器16与右卡盘15右端相连。
所述的驱动电机1、加载电机21、第一转速转矩传感器5和第二转速转矩传感器17分别与计算机相连，所述的第一转速转矩传感器5读取加载过程中被测轴类试件9的转速大小并传输给计算机，所述的第二转速转矩传感器17读取加载过程中被测轴类试件9受到的扭矩大小并传输给计算机，计算机将被测轴类试件9的实际转速值与期望输出转速值相减得到转速偏差，并将被测轴类试件9的实际扭矩值与期望输出扭矩值相减得到扭矩值的偏差，所述的计算机将转速偏差信号输出给驱动电机1，从而调整驱动电机1接下来输出转速的大小，所述的计算机将扭矩值的偏差信号输出给加载电机21，从而调整加载电机21接下来输出扭矩的大小，对被测轴类试件9的转速及受到的扭矩起到反馈调节作用。
加载电机21用于根据扭矩加载载荷谱对旋转的被测轴类试件9施加交变扭矩载荷。所述的加载载荷谱(包括扭矩加载载荷谱、轴向力加载载荷谱和径向力加载载荷谱)的确定方法可以参见文献(刘彦龙.汽车传动系动态载荷谱提取与台架试验载荷谱编制[D].重庆：重庆理工大学，2015.)。第一联轴器2、第二联轴器4、第三联轴器6、第四联轴器18和第五联轴器20使得各自连接的两个轴能够发生周向转动，不能轴向移动。齿式联轴器16既可以使连接的两个轴能够进行周向转动，且能够进行轴向移动，可以使轴在受到轴向力加载时没有轴向约束。
所述拉压力弯矩联合加载装置的加载结构为：固定在安装底座22上的第一激振装置14和第二激振装置25，所述的第一激振装置14的输出轴与第一柔性连接轴13的一端同轴线固接，所述的第二激振装置25的输出轴与第二柔性连接轴24的一端同轴线固接，所述的第一激振装置14与第二激振装置25相对于被测轴类试件9的轴线轴对称设置。在所述的被测轴类试件9上套有加载轴承10，所述的加载轴承10内圈固定在被测轴类试件9上，随被测轴类试件9一起转动。
在所述的被测轴类试件9上固定有结构相同的第一加载块11和第二加载块23，所述的第一加载块11和第二加载块23相对于被测轴类试件9的轴线轴对称设置。所述第一加载块11和第二加载块23分别具有受力面27以及与被测轴类试件9的外壁形状吻合且两者固定相连的底面28，在两个受力面27上分别开有螺纹孔。
所述的第一柔性连接轴13的另一端与第一螺杆拉压式传感器12的一端螺纹连接，所述的第一螺杆拉压式传感器12的另一端与第一加载块受力面上的螺纹孔螺纹连接且第一柔性连接轴13的轴线与第一加载块的受力面垂直设置，所述的第二柔性连接轴24的另一端与第二螺杆拉压式传感器26的一端螺纹连接，所述的第二螺杆拉压式传感器26的另一端与第二加载块受力面上的螺纹孔螺纹连接且第二柔性连接轴24的轴线与第二加载块的受力面垂直设置。
所述第一螺杆拉压式传感器12、第二螺杆拉压式传感器26、第一激振装置14和第二激振装置25分别和计算机相连，所述第一螺杆拉压式传感器12和第二螺杆拉压式传感器26用于测量加载过程中第一激振装置14和第二激振装置25输出力的大小，并反馈到计算机中，计算机分别计算出两个激振装置的实际输出值与期望输出值的偏差大小，并将偏差大小分别输出给第一激振装置14和第二激振装置25，从而调节第一激振装置14和第二激振装置25下一次的输出值，起到反馈调节作用。
根据加载载荷谱对旋转轴类试件进行疲劳加载试验，方法如下：
1)扭矩加载：加载电机直接根据扭矩加载载荷谱对被测轴类试件9进行扭矩加载。
2)拉压力和弯矩加载：将轴向力加载载荷谱和径向力加载载荷谱通过受力分析可以计算出第一激振装置14与第二激振装置25所需要输出的力加载载荷谱。第一激振装置14与第二激振装置25按照计算得到的力加载载荷谱分别通过第一加载块11和第二加载块23对加载轴承10施加一个合力，从而使被测轴类试件9受到一个合力，此合力可以分解为轴向力与径向力，径向力会使被测轴类试件9弯曲，从而对被测轴类试件9施加一个弯矩。两个激振装置将由轴向力加载载荷谱和径向力加载载荷谱转化而成的力加载载荷谱，等效加载到被测轴类试件9上，最终达到联合施加轴向拉压力和弯矩的目的。
图4所示为拉压力弯矩联合加载装置中第一加载块11和第二加载块23的受力分析图，可列出下式：
式中：
F轴——被测轴类试件9需要受到的轴向合力；
F径——被测轴类试件9需要受到的径向合力；
F1轴——第一激振装置14需要输出的水平分力；
F2轴——第二激振装置25需要输出的的水平分力；
F1径——第一激振装置14需要输出的垂直分力；
F2径——第二激振装置25需要输出的垂直分力。
每一个分力的大小分别为：
式中：
F1——第一激振装置14根据力加载载荷谱需要输出的力；
F2——第二激振装置25根据力加载载荷谱需要输出的力；
θ——第一加载块11受力面的角度；
β——第二加载块23受力面的角度。
将(2)式代入(1)式得：
在对被测轴类试件9进行加载试验之前，轴向力加载载荷谱和径向力加载载荷谱已经获得，所以被测轴类试件9需要受到的轴向力F轴和需要受到的径向力F径为已知，两个方程可以解出两个未知量F1和F2，从而得到第一激振装置14和第二激振装置25所需要输出载荷的大小，然后通过第一激振装置14和第二激振装置25再将F1和F2的加载载荷谱加载到被测轴类试件9上，从而使被测轴类试件9受到大小为F轴的轴向合力与大小为F径的径向合力，实现拉压力和弯矩联合加载的目的。
扭矩加载装置和拉压力弯矩联合加载装置共同构成拉压弯扭联合加载装置，并且可以实现对被测旋转轴类试件分别进行扭矩、轴向力、弯矩的单轴加载，又可以实现对被测旋转轴类试件进行任意两种载荷组合加载或三种载荷同时加载的多轴加载。

Claims (1)

1.一种拉压弯扭多轴加载疲劳试验装置，其特征在于：包括加载模型，所述加载模型包括扭矩加载装置和拉压力弯矩联合加载装置；
所述扭矩加载装置包括固定在安装底座(22)左侧的驱动电机(1)和第一减速器(3)，所述驱动电机的输出轴和第一减速器的输入轴通过第一联轴器相连，所述的第一减速器的输出轴与第一转速转矩传感器(5)的输入轴通过第二联轴器(4)相连，在一个左卡盘(8)的左端同轴线设置有左侧轴，所述的左侧轴左端穿过安装在轴承座(7)内的轴承与第一转速转矩传感器(5)的输出轴通过第三联轴器(6)固定相连，所述轴承座(7)固定在安装底座上，所述左侧轴与轴承内圈固定相连，使得所述左侧轴能使轴周向转动但使轴轴向固定，所述左卡盘(8)右端设有夹爪，所述的左卡盘的夹爪夹持被测轴类试件(9)左端，所述被测轴类试件的右端装夹在右卡盘(15)的夹爪上，所述的右卡盘与左卡盘同轴线相对设置，固定在安装底座右侧的加载电机(21)的输出轴和第二减速器(19)的输入轴通过第五联轴器(20)相连，第二转速转矩传感器(17)的输入轴通过第四联轴器(18)与第二减速器(19)的输出轴相连，第二转速转矩传感器(17)的输出轴通过齿式联轴器(16)与右卡盘(15)右端相连；
所述的驱动电机、加载电机、第一转速转矩传感器和第二转速转矩传感器分别与计算机相连，所述的第一转速转矩传感器读取加载过程中被测轴类试件的转速大小并传输给计算机，所述的第二转速转矩传感器读取加载过程中被测轴类试件受到的扭矩大小并传输给计算机，计算机将被测轴类试件的实际转速值与期望输出转速值相减得到转速偏差，并将被测轴类试件的实际扭矩值与期望输出扭矩值相减得到扭矩值的偏差，所述的计算机将转速偏差信号输出给驱动电机，从而调整驱动电机接下来输出转速的大小，所述的计算机将扭矩值的偏差信号输出给加载电机，从而调整加载电机接下来输出扭矩的大小，对被测轴类试件的转速及受到的扭矩起到反馈调节作用；
所述拉压力弯矩联合加载装置的加载结构为：固定在安装底座上的第一激振装置(14)和第二激振装置(25)，所述的第一激振装置(14)的输出轴与第一柔性连接轴(13)的一端同轴线固接，所述的第二激振装置的输出轴与第二柔性连接轴(24)的一端同轴线固接，所述的第一激振装置与第二激振装置相对于被测轴类试件的轴线轴对称设置，在所述的被测轴类试件上套有加载轴承(10)，所述的加载轴承内圈固定在被测轴类试件上，随被测轴类试件一起转动；
在所述的被测轴类试件上固定有结构相同的第一加载块(11)和第二加载块(23)，所述的第一加载块和第二加载块相对于被测轴类试件的轴线轴对称设置，所述第一加载块和第二加载块分别具有受力面(27)以及与被测轴类试件的外壁形状吻合且两者固定相连的底面(28)，在两个受力面上分别开有螺纹孔；
所述的第一柔性连接轴(13)的另一端与第一螺杆拉压式传感器(12)的一端螺纹连接，所述的第一螺杆拉压式传感器的另一端与第一加载块受力面上的螺纹孔螺纹连接且第一柔性连接轴的轴线与第一加载块的受力面垂直设置，所述的第二柔性连接轴(24)的另一端与第二螺杆拉压式传感器(26)的一端螺纹连接，所述的第二螺杆拉压式传感器的另一端与第二加载块受力面上的螺纹孔螺纹连接且第二柔性连接轴的轴线与第二加载块的受力面垂直设置；
所述第一螺杆拉压式传感器、第二螺杆拉压式传感器、第一激振装置和第二激振装置分别和计算机相连，所述第一螺杆拉压式传感器和第二螺杆拉压式传感器用于测量加载过程中第一激振装置和第二激振装置输出力的大小，并反馈到计算机中，计算机分别计算出两个激振装置的实际输出值与期望输出值的偏差大小，并将偏差大小分别输出给第一激振装置和第二激振装置，从而调节第一激振装置和第二激振装置下一次的输出值，起到反馈调节作用。
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