CN114397176A - 一种转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，包括：上拉伸机构，其设有上拉伸臂；下拉伸机构，其设有下拉伸臂；L形回转臂，L形回转臂的中部与下拉伸臂转动连接，L形回转臂包括第一回转臂和第二回转臂；第一连接装置，第一回转臂通过第一连接装置与上拉伸臂转动连接，且第一连接装置的连接位置能够调整；横移滑块，其能够沿着下拉伸臂左右滑动；第二连接装置，横移滑块通过第二连接装置与第二回转臂滑动和转动连接；以及夹持机构，上拉伸机构、下拉伸机构和每个横移滑块上均设有夹持机构。采用本发明的试验夹具能将上夹头施加的竖直方向位移载荷同步转换为水平方向的位移载荷，且能调整竖直方向与水平方向的转向位移载荷比。

Description

一种转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具

技术领域

本发明涉及疲劳试验机的试验夹具设备领域，特别涉及一种转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具。

背景技术

实际工作中的机械材料或零件受力形式复杂多样，基于工况的变化以及加载点切换时传力路径的改变，如汽车车身焊点、铆接、粘接等接头处，所承受的一般为典型的多方向动载荷，焊点等接头结构在多向力的共同作用下处于多轴变应力状态，因此焊缝易出现高频疲劳失效问题。针对接头试件开展多轴疲劳耐久性试验是安全寿命评估的有效措施，疲劳试验中，若仅考虑单向加载，则可能高估接头的寿命，造成对总成部件寿命估计的严重偏差。而目前国内外大多数疲劳试验机和通用夹具仅支持单向位移加载，仅有少数专用的结构复杂的疲劳试验机能实现多向加载功能，但造价和试验成本非常高。因此在应用现有的常规疲劳试验机的基础上，需设计开发一种能适应多工况下不同横纵向加载比例的，且集成度高、尺寸小的十字加载专用疲劳夹具。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，从而克服现有大多数疲劳试验机和通用夹具仅支持单向位移加载，以及支持多向位移加载疲劳试验机结构复杂的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，包括：上拉伸机构，其顶部与疲劳试验机的上夹头连接，所述上拉伸机构设有左右对称分布的上拉伸臂，所述上拉伸臂的外端从内往外向下倾斜；下拉伸机构，其底部与疲劳试验机的下夹头连接，所述下拉伸机构设有左右对称分布的下拉伸臂，所述下拉伸臂与所述上拉伸臂一一对应分布；L形回转臂，每个所述下拉伸臂的端部连接有所述L形回转臂，所述L形回转臂的中部通过转轴与对应的所述下拉伸臂的端部转动连接，所述L形回转臂包括第一回转臂和第二回转臂，所述第一回转臂与对应所述上拉伸臂的外端前后平行设置；第一连接装置，每个所述第一回转臂通过该第一连接装置与对应的所述上拉伸臂的外端转动连接，且所述第一连接装置与所述第一回转臂的连接位置能够调整；横移滑块，每个所述下拉伸臂的端部在与所述第二回转臂对应的位置上设有该横移滑块，每个所述横移滑块能够沿着对应的所述下拉伸臂左右滑动；第二连接装置，每个所述横移滑块通过所述第二连接装置与对应的所述第二回转臂转动连接，且每个所述第二连接装置能够相对于对应的所述第二回转臂的长度方向滑动；以及夹持机构，所述上拉伸机构的底部、所述下拉伸机构的顶部、以及每个所述横移滑块的内端均设有该夹持机构，且上下两个所述夹持机构的连线和左右两个所述夹持机构的连线呈“十”字状分布。

优选地，上述技术方案中，所述上拉伸机构与所述夹持机构之间、所述下拉伸机构与所述夹持机构之间、每个所述横移滑块与所述夹持机构之间均通过万向节连接。

优选地，上述技术方案中，所述第一连接装置包括：滑轨块，其能够沿着所述上拉伸臂的长度方向滑动并通过第一固定机构固定，所述滑轨块的中部设有凹槽；以及铰接块，其能够沿着所述第一回转臂的长度方向滑动并通过第二固定机构固定；所述铰接块的中部设有与所述凹槽配合转动连接的凸轴。

优选地，上述技术方案中，所述第一固定机构包括第一调节槽、第一螺栓和第一螺母，所述上拉伸臂设有至少两个平行分布的所述第一调节槽，且所述第一调节槽的长度沿所述上拉伸臂的长度方向分布，所述滑轨块在与每个所述第一调节槽的对应的位置上开设有第一通孔，所述第一螺栓穿过对应的所述第一通孔和所述第一调节槽并通过所述第一螺母紧固连接；所述第二固定机构包括第二调节槽、第二螺栓和第二螺母，所述第一回转臂沿其长度方向设有所述第二调节槽，所述铰接块在与所述第二调节槽对应的位置上开设有至少两个间隔分布的第二通孔，每个所述第二通孔与所述第二连接槽之间采用所述第二螺栓和所述第二螺母紧固连接。

优选地，上述技术方案中，所述第二连接装置包括滑柱和滑槽，所述第二回转臂沿其长度方向设有所述滑槽，所述横移滑块凸设有与所述滑槽配合滑动和转动的滑柱。

优选地，上述技术方案中，所述上夹头和所述下夹头均凹设有连接槽，所述连接槽呈燕尾状，所述上拉伸机构的顶部和所述下拉伸机构的底部均凸设有与所述连接槽配合连接的连接块。

优选地，上述技术方案中，每个所述夹持机构包括连接部和两个夹块，两个所述夹块前后对称设置，且每个所述夹块的一端与所述连接部前后转动连接，两个所述夹块的另一端均开设有供销轴穿过的销孔，且两个所述夹块的另一端通过紧固螺栓进行紧固连接。

优选地，上述技术方案中，疲劳试验机上端夹持机构的位移加载量s₁满足以下比例关系：

式中，s₂表示左侧夹持机构或右侧夹持机构的单向位移；l₁为第一回转臂和上拉伸臂相对转动铰接点中心与转轴轴线的距离；l₂为横移滑块与第二回转臂相对转动铰接点中心与转轴轴线的距离；α为第一回转臂和上拉伸臂相对转动铰接点的圆周速度v_t与竖直方向y轴的夹角。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的试验夹具能够适用于常规的单向疲劳试验机，通过L形回转臂和横移滑块的作用，能够将疲劳试验机的上夹头施加的竖直方向位移载荷同步转换为水平向位移载荷，满足对十字形试件的多轴应力加载要求，结构简单；并可通过调节上拉伸臂与L形回转臂的第一回转臂的连接位置来调整竖直方向与水平方向的转向位移载荷比，调整方式灵活方便。

附图说明

图1是根据本发明的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具的三维结构示意图。

图2是根据本发明的的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具的二维结构示意图。

图3是根据本发明的L形回转臂的连接结构示意图。

图4是根据本发明的上拉伸机构的结构示意图。

图5是根据本发明的下拉伸机构的结构示意图。

图6是根据本发明的试件的结构示意图。

图7是根据本发明的l₁、l₂、v_t、α和y轴的结构示意图。

主要附图标记说明：

1-上夹头，2-上拉伸机构，3-万向节，4-销轴，5-夹持机构，6-紧固螺栓，7-滑轨块，8-第一螺栓，9-铰接块，10-第二螺栓，11-L形回转臂，12-转轴，13-横移滑块，14-导轨，15-连接槽，16-下拉伸机构，17-下夹头，18-连接块，19-上拉伸臂，20-第二调节槽，21-滑槽，22-滑柱，23-下拉伸臂，24-第二回转臂，25-第一调节槽，26-接头，27-销孔，28-第一回转臂。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1至图7显示了根据本发明优选实施方式的一种转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具的结构示意图，该实验夹具包括上拉伸机构2、下拉伸机构16、L形回转臂11、第一连接装置、横移滑块13、第二连接装置与夹持机构5。

参考图1至图5，上拉伸机构2的顶部与疲劳试验机的上夹头1连接，上拉伸机构2设有左右对称分布的上拉伸臂19，上拉伸臂19的外端从内往外向下倾斜。下拉伸机构16的底部与疲劳试验机的下夹头17连接，下拉伸机构16设有左右对称分布的下拉伸臂23，下拉伸臂23与上拉伸臂19一一对应分布，便于十字形试件的安装。其中，拉伸机构与疲劳试验机的夹头之间可为螺栓或销轴等结构连接，优选地，上夹头1和下夹头17均凹设有连接槽15，连接槽15呈燕尾状，上拉伸机构2的顶部和下拉伸机构16的底部均凸设有与连接槽15配合连接的连接块18，即连接块18的形状也呈燕尾状，便于连接块18与连接槽15相互锁定，避免在疲劳试验机加载的过程中，拉伸机构脱离疲劳试验机的夹头。

参考图1至图3，每个下拉伸臂23的端部连接有L形回转臂11，L形回转臂11的中部通过转轴12与对应下拉伸臂23的端部转动连接，即L形回转臂11的直角端通过转轴12与对应下拉伸臂23的端部转动连接。其中，下拉伸臂23的上端可凸设有该转轴12，L形回转臂11的中部开设有与该转轴12转动连接的通孔。L形回转臂11包括第一回转臂28和第二回转臂24，即第一回转臂28的下端和第二回转臂24的上端固定连接，形成L形状。且第一回转臂28和第二回转臂24最好为一体成型结构，提高结构强度。第一回转臂28与对应的上拉伸臂19的外端前后平行设置。

参考图1至图4，每个第一回转臂28通过第一连接装置与对应的上拉伸臂19的外端转动连接，以使第一回转臂28能够相对于上拉伸臂19转动。且第一连接装置与第一回转臂28的连接位置能够调整，即第一连接装置能够沿着第一回转臂28的长度方向移动，以使该试验夹具能够通过调节上拉伸臂19与L形回转臂11的第一回转臂28的连接位置来调整竖直方向与水平方向的转向位移载荷比。优选地，第一连接装置包括滑轨块7和铰接块9，滑轨块7能够沿着上拉伸臂19的长度方向滑动并通过第一固定机构固定，以将滑轨块7固定在所需位置上。滑轨块7的中部设有凹槽。铰接块9能够沿着第一回转臂28的长度方向滑动并通过第二固定机构固定，以将铰接块9固定在所需位置上。铰接块9的中部设有与凹槽配合转动连接的凸轴，以使铰接块9能够相对滑轨块7转动，通过铰接块9和滑轨块7的滑动，能够在不移动拉伸机构的情况下，调整第一回转臂28与上拉伸臂19的连接位置，调整方式简单方便。其中，第一固定机构和第二固定机构可包括多个设置在第一回转臂28和上拉伸臂19上的连接孔，滑轨块7与铰接块9通过螺栓选择连接对应位置上的连接孔并通过螺母紧固连接；或者，第一固定机构和第二固定机构可包括调节槽、螺栓或螺母等结构。进一步优选地，第一固定机构包括第一调节槽25、第一螺栓8和第一螺母，上拉伸臂19设有至少两个平行分布的第一调节槽25，且第一调节槽25的长度沿上拉伸臂19的长度方向分布，滑轨块7在与每个第一调节槽25的对应的位置上开设有第一通孔，第一螺栓8穿过对应的第一通孔和第一调节槽25并通过第一螺母紧固连接，以将滑轨块7固定在所需位置。第二固定机构包括第二调节槽20、第二螺栓10和第二螺母，第一回转臂28沿其长度方向设有第二调节槽20，铰接块9在与第二调节槽20对应的位置上开设有至少两个间隔分布的第二通孔，每个第二通孔与第二连接槽15之间采用第二螺栓10和第二螺母紧固连接，以将铰接块9固定在所需位置上。铰接块9和滑轨块7均通过螺栓在调节槽内滑动，移动位置，并通过螺母进行紧固，能够将第一连接装置的移动到调节槽的任意位置。

参考图1至图3和图5，每个下拉伸臂23的端部在与第二回转臂24对应的位置上设有横移滑块13，每个横移滑块13能够沿着对应的下拉伸臂23左右滑动，即可在下拉伸臂23上设有用于安装横移滑块13的导轨14，便于横移滑块13的左右滑动。

参考图1至图3，每个横移滑块13通过第二连接装置与对应的第二回转臂24转动连接，且每个第二连接装置能够相对于对应的第二回转臂24的长度方向滑动，以将第二回转臂24的转动力转换为驱动横移滑块13左右滑动的驱动力，即当疲劳试验机对上拉伸机构2进行拉压时，通过上拉伸臂19驱动第一回转臂28左右转动，从而带动第二回转臂24左右转动，进而驱动横移滑块13左右滑动，对试件进行多向拉压试验。其中，第二连接装置可包括滑块，滑块设有供第二回转臂24通过的通孔，以使滑块能够沿着第二回转臂24滑动，且滑块与横移滑块13转动连接；第二连接装置也可为滑柱22和滑槽21等结构。进一步优选地，第二连接装置包括滑柱22和滑槽21，第二回转臂24沿其长度方向设有滑槽21，横移滑块13凸设有与滑槽21配合滑动和转动的滑柱22，以使L形回转臂11的转动能够驱动横移滑块13左右滑动。

参考图1至图6，上拉伸机构2的底部、下拉伸机构16的顶部、以及每个横移滑块13的内端均设有夹持机构5，即左侧横移滑块13的右端和右侧横移滑块13的左端均设有夹持机构5，且上下两个夹持机构5的连线和左右两个夹持机构5的连线呈“十”字状分布，以对十字状的试件进行夹持和拉压试验。其中，夹持机构5可为夹块和螺栓等紧固夹持结构；可为夹块、螺栓和销轴4等紧固夹持结构；还可为其它能够夹持紧固试件的结构。优选地，每个夹持机构5包括连接部和两个夹块，两个夹块前后对称设置，且每个夹块的一端与连接部前后转动连接，两个夹块的另一端均开设有供销轴4穿过的销孔，试件的在与夹块销孔对应的位置上也开设有销孔27，且两个夹块的另一端通过紧固螺栓6进行紧固连接。夹持试件时，将十字状的试件的四个端部各与一个夹持机构5连接，将试件端部夹设在对应两个夹块之间，采用销轴4连接试件和两个夹块的销孔，并采用紧固螺栓6紧固连接，连接质量稳定可靠。

参考图1和图2，优选地，上拉伸机构2与夹持机构5之间、下拉伸机构16与夹持机构5之间、每个横移滑块13与夹持机构5之间均通过万向节3连接，以使拉伸机构的施力方向能够始终与试件竖直方向和水平方向保持一致。

参考图1至图7，优选地，疲劳试验机上端夹持机构5的位移加载量s₁满足以下比例关系：

式中，s₂表示左侧夹持机构5或右侧夹持机构5的单向位移；l₁为第一回转臂28和上拉伸臂19相对转动铰接点中心与转轴12轴线的距离，即l₁实际作用臂长等于铰接块9的凸轴轴线与转轴12轴线的距离；l₂为横移滑块13与第二回转臂24相对转动铰接点中心与转轴12轴线的距离，即l₂为横移滑块13上滑柱22轴线与转轴12轴线的距离；α为第一回转臂28和上拉伸臂19相对转动铰接点的圆周速度v_t与竖直方向y轴的夹角，即α为铰接块9的凸轴中心的圆周速度v_t与竖直方向y轴的夹角。

参考图1至图7，进行试件加载疲劳实验时，按照以下步骤进行操作：

步骤一，试件制备：将两块铝材质的长方形板材按图6所示的形状进行焊接操作，焊接方法为搅拌摩擦焊，最终形成十字搭接接头的试件，试件每个端部都设有销孔27，中心位置为接头26。

步骤二，试件安装：采用销轴4和紧固螺栓6将试件的端部安装在对应的夹持机构5上，从而将试件固定在试验夹具上。

步骤三，调整加载比例：可根据需要调整第一连接装置的位置，从而调整试件上下和左右两端的位移加载比例。例如，移动铰接块9和滑轨块7，将铰接块9移动至第一调节槽25的某一位置，移动到位后，固定铰接块9和滑轨块7；将滑槽21与滑柱22相配合，此时载荷比为

位移载荷加载量根据公式

加载。

步骤四，试验机装配：将上拉伸机构2顶部的连接块18与疲劳试验机上夹头1的连接槽15相连，将下拉伸机构16底部的连接块18与疲劳试验机下夹头17的连接槽15相连。

步骤五，进行加载试验：启动疲劳试验机进行疲劳试验。

采用本发明的实验夹具结构简单，能够将疲劳试验机施加的竖直方向位移载荷同步转换为水平向的位移载荷，对十字形试件进行多向应力加载；且能够调整竖直方向与水平方向的转向位移载荷比，调整方式灵活方便。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，其特征在于，包括：

上拉伸机构，其顶部与疲劳试验机的上夹头连接，所述上拉伸机构设有左右对称分布的上拉伸臂，所述上拉伸臂的外端从内往外向下倾斜；

下拉伸机构，其底部与疲劳试验机的下夹头连接，所述下拉伸机构设有左右对称分布的下拉伸臂，所述下拉伸臂与所述上拉伸臂一一对应分布；

L形回转臂，每个所述下拉伸臂的端部连接有所述L形回转臂，所述L形回转臂的中部通过转轴与对应的所述下拉伸臂的端部转动连接，所述L形回转臂包括第一回转臂和第二回转臂，所述第一回转臂与对应所述上拉伸臂的外端前后平行设置；

第一连接装置，每个所述第一回转臂通过该第一连接装置与对应的所述上拉伸臂的外端转动连接，且所述第一连接装置与所述第一回转臂的连接位置能够调整；

横移滑块，每个所述下拉伸臂的端部在与所述第二回转臂对应的位置上设有该横移滑块，每个所述横移滑块能够沿着对应的所述下拉伸臂左右滑动；

第二连接装置，每个所述横移滑块通过所述第二连接装置与对应的所述第二回转臂转动连接，且每个所述第二连接装置能够相对于对应的所述第二回转臂的长度方向滑动；以及

夹持机构，所述上拉伸机构的底部、所述下拉伸机构的顶部、以及每个所述横移滑块的内端均设有该夹持机构，且上下两个所述夹持机构的连线和左右两个所述夹持机构的连线呈“十”字状分布。

2.根据权利要求1所述的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，其特征在于，所述上拉伸机构与所述夹持机构之间、所述下拉伸机构与所述夹持机构之间、每个所述横移滑块与所述夹持机构之间均通过万向节连接。

3.根据权利要求1所述的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，其特征在于，所述第一连接装置包括：

滑轨块，其能够沿着所述上拉伸臂的长度方向滑动并通过第一固定机构固定，所述滑轨块的中部设有凹槽；以及

铰接块，其能够沿着所述第一回转臂的长度方向滑动并通过第二固定机构固定；所述铰接块的中部设有与所述凹槽配合转动连接的凸轴。

4.根据权利要求3所述的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，其特征在于，所述第一固定机构包括第一调节槽、第一螺栓和第一螺母，所述上拉伸臂设有至少两个平行分布的所述第一调节槽，且所述第一调节槽的长度沿所述上拉伸臂的长度方向分布，所述滑轨块在与每个所述第一调节槽的对应的位置上开设有第一通孔，所述第一螺栓穿过对应的所述第一通孔和所述第一调节槽并通过所述第一螺母紧固连接；

所述第二固定机构包括第二调节槽、第二螺栓和第二螺母，所述第一回转臂沿其长度方向设有所述第二调节槽，所述铰接块在与所述第二调节槽对应的位置上开设有至少两个间隔分布的第二通孔，每个所述第二通孔与所述第二连接槽之间采用所述第二螺栓和所述第二螺母紧固连接。

5.根据权利要求1所述的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，其特征在于，所述第二连接装置包括滑柱和滑槽，所述第二回转臂沿其长度方向设有所述滑槽，所述横移滑块凸设有与所述滑槽配合滑动和转动的滑柱。

6.根据权利要求1所述的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，其特征在于，所述上夹头和所述下夹头均凹设有连接槽，所述连接槽呈燕尾状，所述上拉伸机构的顶部和所述下拉伸机构的底部均凸设有与所述连接槽配合连接的连接块。

7.根据权利要求1所述的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，其特征在于，每个所述夹持机构包括连接部和两个夹块，两个所述夹块前后对称设置，且每个所述夹块的一端与所述连接部前后转动连接，两个所述夹块的另一端均开设有供销轴穿过的销孔，且两个所述夹块的另一端通过紧固螺栓进行紧固连接。

8.根据权利要求1所述的转向载荷比可调式的十字加载疲劳实验夹具，其特征在于，疲劳试验机上端夹持机构的位移加载量s₁满足以下比例关系：

式中，s₂表示左侧夹持机构或右侧夹持机构的单向位移；l₁为第一回转臂和上拉伸臂相对转动铰接点中心与转轴轴线的距离；l₂为横移滑块与第二回转臂相对转动铰接点中心与转轴轴线的距离；α为第一回转臂和上拉伸臂相对转动铰接点的圆周速度v_t与竖直方向y轴的夹角。

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