CN114705408B - 用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法，针对用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧，从静强度和疲劳强度两个方面出发，包括特性试验和疲劳试验两部分，特性试验主要是测试弹簧的刚度特性、应力水平，疲劳试验主要是验证弹簧的疲劳寿命；通过静态加载，校核刚度曲线以及静强度应力水平；基于材料SN曲线，计算给出给定疲劳台架试验寿命所对应的载荷谱，经过多轮的应用，并逐渐成为螺旋弹簧台架试验的依据。

Description

用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法

技术领域

本发明涉及多轴重型特种车辆技术领域，尤其涉及一种用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法。

背景技术

在特种运输领域，针对大重量的上装设备，多轴超重型底盘应用广泛。随着国家对环保排放要求的提高、以及电动化程度的发展，多轴超重型特种车辆底盘也逐渐采用电驱动型式。电驱动底盘对模块化、通用化、免维护等的要求高，因此，用于超重型底盘悬架系统的重载大行程螺旋弹簧技术及产品应运而生。

用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧，载荷大、行程大、布置空间有限，设计约束条件多，因此，在完成螺旋弹簧的设计、生产之后，如何验证其是否满足使用要求是一个需要重点研究的方向。现有的螺旋弹簧相关设计标准、手册、技术条件，也提到了螺旋弹簧台架试验的相关内容，试验内容没有针对性，但试验方法不够明确，比如没有给出疲劳台架试验的加载载荷谱。因此，如何设计一种用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验的方案成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法，包括：将螺旋弹簧固定在垂向加载的龙门架与液压作动器之间；在根据预设方式计算得到的所述螺旋弹簧容易出现断裂的丝径处贴应变片；将所述螺旋弹簧从自由状态加载至压并状态，获取整个过程中的所述液压作动器输出力和位移，计算所述螺旋弹簧的弹性力与位移的关系；通过所述螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，获取不同寿命所对应的加载载荷谱；将所述螺旋弹簧预压至中位，以预设幅值和频率的正弦载荷谱进行疲劳试验，评判循环次数是否能够满足理论寿命。

其中，所述将所述螺旋弹簧固定在垂向加载的龙门架与液压作动器之间包括：将所述螺旋弹簧上端通过第一支座与力传感器、第一过渡件一并固定在所述龙门架上，将所述螺旋弹簧下端通过第二支座、第二过渡件与所述液压作动器连接，所述液压作动器固定在底座上；其中，所述螺旋弹簧上端的第一支座和所述螺旋弹簧下端的第二支座轴心在同一垂向直线上且与所述螺旋弹簧中心线在同一直线上，所述螺旋弹簧大端为下端，所述螺旋弹簧变径端为上端。

其中，所述在根据预设方式计算得到的所述螺旋弹簧容易出现断裂的丝径处贴应变片包括：根据测试加载过程中采集得到所述螺旋弹簧丝径的应变，计算得到丝径所受的剪切应力，根据所述剪切应力将所述应变片主按照应力方向与丝径螺旋方向成45°角进行粘贴。

其中，所述螺旋弹簧容易出现断裂的丝径包括：0.5圈处、1.5圈处和4.5圈处。

其中，所述将所述螺旋弹簧从自由状态加载至压并状态，获取整个过程中的所述液压作动器输出力和位移，计算所述螺旋弹簧的弹性力与位移的关系包括：加载时，控制所述液压作动器缓慢上升，在所述力传感器有数值时，测量此时的高度作为加载的初始高度，以所述高度数值修改第1级加载的螺旋弹簧长度数值；按照预设方式逐步缓慢压缩至设定的弹簧高度，按预设加载速度进行压缩，加载至每一级停顿预设时间，载荷稳定后获取当前数据，直到所述螺旋弹簧长度为压并长度，控制所述液压作动器缓慢回位，至所述螺旋弹簧伸长回到自由长度；重复执行预设次数，将获取的数据写入弹簧加载位移及载荷记录表，所述弹簧加载位移及载荷记录表至少包括：自由长度位置、下限位位置、满载长度位置、上限位位置、压并位置。

其中，每一级加载的螺旋弹簧为在两个节点之间按照预设距离进行插值取点。

其中，所述预设距离为5～10mm。

其中，通过所述螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，获取不同寿命所对应的加载载荷谱；通过所述螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，在所述极限应力图中画出目标寿命次数所对应的最大应力、最小应力取值区域，得到不同寿命次数对应的加载载荷；根据被试弹簧的参数计算得到疲劳试验加载的载荷谱中位长度和正弦载荷谱的幅值。

其中，将所述螺旋弹簧预压至中位，以预设幅值和频率的正弦载荷谱进行疲劳试验，评判循环次数是否能够满足理论寿命包括：将所述螺旋弹簧压缩至长度为第一工况中位，所述第一支座和所述第二支座弹簧支撑面距离为第一工况值，按照第一工况正弦波进行加载，往复循环第一预设次，在位移、载荷读数稳定后，按照第二工况正弦波进行疲劳试验，直至全部工况试验完毕；其中，试验中每隔第二预设次测量满载负荷、满载高度及自由高度，并继续试验；试验过程中记录相关数据，所述相关数据包括：液压作动器的位移、力传感器信号、应变信号的时间历程；若循环次数未达到要求就发生了断裂，则所述螺旋弹簧的疲劳试验结束，表明未达到理论疲劳寿命要求；若试验循环次数达到要求的寿命次数未发生断裂，表明所述螺旋弹簧满足理论疲劳寿命要求。

所述第一预设次为100次，所述第二预设次为5万次。

由此可见，通过本发明提供的用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法，针对用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧，从静强度和疲劳强度两个方面出发，包括特性试验和疲劳试验两部分，特性试验主要是测试弹簧的刚度特性、应力水平，疲劳试验主要是验证弹簧的疲劳寿命；通过静态加载，校核刚度曲线以及静强度应力水平；基于材料SN曲线，计算给出给定疲劳台架试验寿命所对应的载荷谱，经过多轮的应用，并逐渐成为螺旋弹簧台架试验的依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的螺旋弹簧台架试验原理简图；

图2为本发明实施例提供的螺旋弹簧应变测点位置示意图；

图3为本发明实施例提供的可靠度为99％下的S-N曲线；

图4为本发明实施例提供的极限应力图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1为本发明实施例提供的螺旋弹簧台架试验原理简图，结合图1至图4，对本发明实施例提供的用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法进行说明。

本发明实施例提供的用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法，包括：

S1，将螺旋弹簧固定在垂向加载的龙门架与液压作动器之间。

具体地，螺旋弹簧弹簧台架试验，为单机产品的验证试验，试验的目的是对螺旋弹簧的刚度、应力、疲劳寿命进行测试，验证理论设计的正确性、产品的可靠性。本发明螺旋弹簧两端通过支座固定在龙门架与液压作动器之间，通过垂向加载达到试验目的。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，将螺旋弹簧固定在垂向加载的龙门架与液压作动器之间包括：将螺旋弹簧上端通过第一支座与力传感器、第一过渡件一并固定在龙门架上，将螺旋弹簧下端通过第二支座、第二过渡件与液压作动器连接，液压作动器固定在底座上；其中，螺旋弹簧上端的第一支座和螺旋弹簧下端的第二支座轴心在同一垂向直线上且与螺旋弹簧中心线在同一直线上，螺旋弹簧大端为下端，螺旋弹簧变径端为上端。具体地，螺旋弹簧台架试验为两端固定的垂向加载，台架试验安装示意图如图1所示。弹簧上端通过支座与力传感器、过渡件一并固定在龙门架上，力传感器的作用是采集对弹簧加载的载荷，与作动器内置的力传感器采集的载荷进行对比校正；弹簧下端通过过渡件与作动器连接；上下两端的支座轴心应确保在同一垂向直线上；将螺旋弹簧大端与作动器一端的支座相连接，螺旋弹簧变径端与龙门架一侧的支座相连接，连接后须确保上下支座轴心与螺旋弹簧中心线在同一直线上。

S2，在根据预设方式计算得到的螺旋弹簧容易出现断裂的丝径处贴应变片。

具体地，通过前期的有限元计算及疲劳台架试验经验，在容易出现断裂的丝径处贴应变测点，测试加载过程中弹簧丝径的剪切应力。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，在根据预设方式计算得到的螺旋弹簧容易出现断裂的丝径处贴应变片包括：根据测试加载过程中采集得到螺旋弹簧丝径的应变，计算得到丝径所受的剪切应力，根据剪切应力将应变片主按照应力方向与丝径螺旋方向成45°角进行粘贴。优选的，螺旋弹簧容易出现断裂的丝径包括：0.5圈处、1.5圈处和4.5圈处。具体地，通过前期的有限元计算结果及疲劳台架试验经验，弹簧支撑圈、变径段的丝径处容易出现断裂，在容易出现断裂的丝径处和中间的等丝径段贴应变测点，即0.5圈处、1.5圈处、4.5圈处(可根据弹簧的总圈数取在中间圈数附近)，如图2所示，测试加载过程中采集得到弹簧丝径的应变，计算得到丝径所受的剪切应力。由材料力学理论分析和弹簧的疲劳试验经验可知，弹簧丝径的45°切面为主应力方向，大多的断裂都发生在此方向的断面，因此，在贴片时，应变片主应力方向应与丝径螺旋方向成45°角。

S3，将螺旋弹簧从自由状态加载至压并状态，获取整个过程中的液压作动器输出力和位移，计算螺旋弹簧的弹性力与位移的关系。

具体地，从自由状态加载至压并状态，记录整个过程中的作动器输出力和位移，即可得出螺旋弹簧弹性力与位移的关系。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，将螺旋弹簧从自由状态加载至压并状态，获取整个过程中的液压作动器输出力和位移，计算螺旋弹簧的弹性力与位移的关系包括：加载时，控制液压作动器缓慢上升，在力传感器有数值时，测量此时的高度作为加载的初始高度，以高度数值修改第1级加载的螺旋弹簧长度数值；按照预设方式逐步缓慢压缩至设定的弹簧高度，按预设加载速度进行压缩，加载至每一级停顿预设时间，载荷稳定后获取当前数据，直到螺旋弹簧长度为压并长度，控制液压作动器缓慢回位，至螺旋弹簧伸长回到自由长度；重复执行预设次数，将获取的数据写入弹簧加载位移及载荷记录表，弹簧加载位移及载荷记录表至少包括：自由长度位置、下限位位置、满载长度位置、上限位位置、压并位置。优选的，每一级加载的螺旋弹簧为在两个节点之间按照预设距离进行插值取点。可选的，预设距离为5～10mm。

具体地，螺旋弹簧从自由状态加载至压并状态，记录整个过程中的作动器输出力和位移，即可得出螺旋弹簧弹性力与位移的关系。加载时，作动器缓慢上升，在力传感器有数值时，说明两端支座已与弹簧压紧，测量此时的高度作为加载的初始高度，以此数修改第1级加载的弹簧长度数值，然后按照表1逐步缓慢压缩至设定的弹簧高度，加载速度为1mm/s，加载至每一级停顿10s，载荷稳定后记录数据，直到弹簧长度为表1中的压并长度，作动器缓慢回位，直到螺旋弹簧伸长回到自由长度。此加载过程往复重复三次。其中表1弹簧加载位移及载荷记录表，要包含弹簧关键位置的长度及记录信息，主要包括自由长度位置、下限位位置、满载长度位置、上限位位置、压并位置，两个节点之间可按5～10mm进行插值取点，保证整个加载过程的数据点数不少于10个。过程中检查试验件、工装是否有干涉、卡滞等情况，并检测各测点信号是否正常。

表1弹簧加载位移及载荷记录表

S4，通过螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，获取不同寿命所对应的加载载荷谱。

具体地，通过螺旋弹簧材料的SN曲线，得到应力与寿命的关系，画出极限应力图，进而得到给定寿命所对应的加载载荷谱。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，通过螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，获取不同寿命所对应的加载载荷谱；通过螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，在极限应力图中画出目标寿命次数所对应的最大应力、最小应力取值区域，得到不同寿命次数对应的加载载荷；根据被试弹簧的参数计算得到疲劳试验加载的载荷谱中位长度和正弦载荷谱的幅值。

具体地，根据螺旋弹簧材料60Si2CrVa可靠度99％情况下的疲劳SN曲线，绘制得到极限应力图，如图3、4所示。在极限应力图中画出目标寿命次数所对应的最大应力、最小应力取值区域，得到不同寿命次数对应的加载载荷，如表2所示。根据被试弹簧的参数计算得到疲劳试验加载的载荷谱中位长度a和正弦载荷谱的幅值b。

表2不同工况下的加载载荷

S5，将螺旋弹簧预压至中位，以预设幅值和频率的正弦载荷谱进行疲劳试验，评判循环次数是否能够满足理论寿命。

具体地，将螺旋弹簧预压至中位，以一定的幅值和频率的正弦载荷谱进行疲劳试验，以试验循环次数是否能够满足理论寿命作为疲劳试验的评定标准。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，将螺旋弹簧预压至中位，以预设幅值和频率的正弦载荷谱进行疲劳试验，评判循环次数是否能够满足理论寿命包括：将螺旋弹簧压缩至长度为第一工况中位，第一支座和第二支座弹簧支撑面距离为第一工况值，按照第一工况正弦波进行加载，往复循环第一预设次，在位移、载荷读数稳定后，按照第二工况正弦波进行疲劳试验，直至全部工况试验完毕；其中，试验中每隔第二预设次测量满载负荷、满载高度及自由高度，并继续试验；试验过程中记录相关数据，相关数据包括：液压作动器的位移、力传感器信号、应变信号的时间历程；若循环次数未达到要求就发生了断裂，则螺旋弹簧的疲劳试验结束，表明未达到理论疲劳寿命要求；若试验循环次数达到要求的寿命次数未发生断裂，表明螺旋弹簧满足理论疲劳寿命要求。可选的，第一预设次为100次，第二预设次为5万次。

具体地，以工况1为例对螺旋弹簧疲劳试验的操作步骤进行说明：

(a)将螺旋弹簧压缩至长度为a1上、下支座弹簧支撑面距离为a，然后以0.5Hz/±b1正弦波进行加载，往复循环100次，观察位移、载荷读数是否稳定，待稳定后按照3Hz/±b1正弦波进行疲劳试验。

(b)试验每隔5万次测量满载负荷、满载高度及自由高度，继续试验。

(c)试验应连续进行，除改变工况、正常检查外不得任意停机。停机原因及时间应作记录。

(d)观察试验过程并实时记录相关数据，数据内容包含：作动器的位移、力传感器信号、应变信号的时间历程。

(e)若循环次数未达到表2的要求就发生了断裂，则该子样的疲劳试验结束，表明该子样未达到理论疲劳寿命要求。

(f)若试验循环次数达到表2要求的寿命次数未发生断裂，表明该子样满足理论疲劳寿命要求。

(g)每个子样的名称、加载的载荷、循环的次数应做好统计。

(h)其它子样按照上述步骤开展相同的疲劳试验。

由此可见，本发明实施例提供的用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法，针对用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧，从静强度和疲劳强度两个方面出发，包括特性试验和疲劳试验两部分，特性试验主要是测试弹簧的刚度特性、应力水平，疲劳试验主要是验证弹簧的疲劳寿命；通过静态加载，校核刚度曲线以及静强度应力水平；基于材料SN曲线，计算给出给定疲劳台架试验寿命所对应的载荷谱，经过多轮的应用，并逐渐成为螺旋弹簧台架试验的依据。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种用于超重型底盘悬架系统的螺旋弹簧台架试验方法，其特征在于，包括：

将螺旋弹簧固定在垂向加载的龙门架与液压作动器之间；

在根据预设方式计算得到的所述螺旋弹簧容易出现断裂的丝径处贴应变片；

将所述螺旋弹簧从自由状态加载至压并状态，获取整个过程中的所述液压作动器输出力和位移，计算所述螺旋弹簧的弹性力与位移的关系；

通过所述螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，获取不同寿命所对应的加载载荷谱；

将所述螺旋弹簧预压至中位，以预设幅值和频率的正弦载荷谱进行疲劳试验，评判循环次数是否能够满足理论寿命；

所述将所述螺旋弹簧固定在垂向加载的龙门架与液压作动器之间包括：

将所述螺旋弹簧上端通过第一支座与力传感器、第一过渡件一并固定在所述龙门架上，将所述螺旋弹簧下端通过第二支座、第二过渡件与所述液压作动器连接，所述液压作动器固定在底座上；其中，所述螺旋弹簧上端的第一支座和所述螺旋弹簧下端的第二支座轴心在同一垂向直线上且与所述螺旋弹簧中心线在同一直线上，所述螺旋弹簧大端为下端，所述螺旋弹簧变径端为上端；

将所述螺旋弹簧预压至中位，以预设幅值和频率的正弦载荷谱进行疲劳试验，评判循环次数是否能够满足理论寿命包括：

将所述螺旋弹簧压缩至长度为第一工况中位，所述第一支座和所述第二支座弹簧支撑面距离为第一工况值，按照第一工况正弦波进行加载，往复循环第一预设次，在位移、载荷读数稳定后，按照第二工况正弦波进行疲劳试验，直至全部工况试验完毕；

其中，试验中每隔第二预设次测量满载负荷、满载高度及自由高度，并继续试验；

试验过程中记录相关数据，所述相关数据包括：液压作动器的位移、力传感器信号、应变信号的时间历程；

若循环次数未达到要求就发生了断裂，则所述螺旋弹簧的疲劳试验结束，表明未达到理论疲劳寿命要求；若试验循环次数达到要求的寿命次数未发生断裂，表明所述螺旋弹簧满足理论疲劳寿命要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在根据预设方式计算得到的所述螺旋弹簧容易出现断裂的丝径处贴应变片包括：

根据测试加载过程中采集得到所述螺旋弹簧丝径的应变，计算得到丝径所受的剪切应力，根据所述剪切应力将所述应变片主应力方向与丝径螺旋方向成45°角进行粘贴。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述螺旋弹簧容易出现断裂的丝径包括：0.5圈处、1.5圈处和4.5圈处。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述螺旋弹簧从自由状态加载至压并状态，获取整个过程中的所述液压作动器输出力和位移，计算所述螺旋弹簧的弹性力与位移的关系包括：

加载时，控制所述液压作动器缓慢上升，在所述力传感器有数值时，测量此时的高度作为加载的初始高度，以所述高度数值修改第1级加载的螺旋弹簧长度数值；

按照预设方式逐步缓慢压缩至设定的弹簧高度，按预设加载速度进行压缩，加载至每一级停顿预设时间，载荷稳定后获取当前数据，直到所述螺旋弹簧长度为压并长度，控制所述液压作动器缓慢回位，至所述螺旋弹簧伸长回到自由长度；

重复执行预设次数，将获取的数据写入弹簧加载位移及载荷记录表，所述弹簧加载位移及载荷记录表至少包括：自由长度位置、下限位位置、满载长度位置、上限位位置、压并位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，每一级加载的螺旋弹簧为在两个节点之间按照预设距离进行插值取点。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设距离为5~10mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，获取不同寿命所对应的加载载荷谱；

通过所述螺旋弹簧材料的SN曲线，绘制极限应力图，在所述极限应力图中画出目标寿命次数所对应的最大应力、最小应力取值区域，得到不同寿命次数对应的加载载荷；

根据被试弹簧的参数计算得到疲劳试验加载的载荷谱中位长度和正弦载荷谱的幅值。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设次为100次，所述第二预设次为5万次。