CN1719227A - 自适应共振式曲轴弯曲疲劳实验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应共振式曲轴弯曲疲劳实验机，包括对称设置的左摆体和右摆体，以及控制电路。所述左摆体和右摆体的下端均设置有传感器和激振器，所述左摆体和右摆体与其上盖之间设置有承载被测曲轴试件的通孔，所述左摆体、右摆体与其上盖之间连接有强力螺栓；所述左摆体及右摆体外侧中部均设置有静标定加力机构，它们内侧中部之间连接有测力计；所述控制电路包括依次连接的传感器、信号处理放大整型电路、主控电路、显示电路、激振器电路和激振器。本发明采用既简单又灵敏的方法，使曲轴弯曲疲劳试验机始终工作在共振区上，结构紧凑，试验精度较高、易于控制，噪声小，工作稳定，系统刚度不变则工作频率也不变。

Description

自适应共振式曲轴弯曲疲劳实验机

技术领域

本发明涉及工件疲劳实验装置，尤其是一种曲轴弯曲疲劳实验机。

背景技术

在选择曲轴的合理结构及工艺方案时，弯曲疲劳强度是曲轴工作可靠性的基本判据。曲轴实物的弯曲疲劳试验能比较全面地反应结构参数和工艺因素对曲轴弯曲疲劳强度的影响，因而得到广泛应用。

曲轴弯曲疲劳试验机是研究曲轴疲劳强度必不可少的设备。而试验费用、试验持续时间、试验数据的可靠性，在很大程度上取决于所用的试验机。当前国内普遍采用的是机械激振式曲轴弯曲疲劳试验机，这种装置具有工作效率低，载荷及试件开裂监测困难，难于实现自动报警，载荷精度差，数据可信度低，工作时噪声大，能耗高等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种试验精度较高的自适应共振曲轴弯曲疲劳试验机，它能始终工作在共振区内。

为了解决上述技术问题，本发明的自适应共振式曲轴弯曲疲劳实验机，包括对称设置的左摆体和右摆体，以及控制电路。所述左摆体和右摆体的下端均设置有传感器和激振器，所述左摆体和右摆体的上端均设置有可打开的上盖，所述左摆体和右摆体与其上盖之间设置有承载被测曲轴试件的通孔，所述左摆体、右摆体与其上盖之间连接有强力螺栓；所述左摆体外侧中部及右摆体外侧中部均设置有静标定加力机构，所述左摆体内侧中部与右摆体内侧中部之间连接有测力计；所述控制电路包括所述的传感器和激振器，以及依次连接在所述传感器与激振器之间的信号处理放大整型电路、主控电路、显示电路和激振器电路；所述传感器用于检测左摆体或右摆体的运动信号，所述激振器用于产生与新的固有频率相适应的同步同相的激振力，使振动系统工作在共振区内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(一)采用既简单又灵敏的方法，使曲轴弯曲疲劳试验机始终工作在共振区上；(二)本发明结构紧凑、特别适用小型曲轴研究，试验精度较高、易于控制，噪声小、规定负荷下仅53dB(A)，大大改善工作环境条件；(三)工作稳定，系统刚度不变则工作频率也不变。(四)工作效率是普通机械激振式的3~5倍，造价低，节能。

附图说明

图1是本发明自适应共振式曲轴弯曲疲劳实验机的结构示意图；

图2是双质点的振动系统图；

图3是曲轴的受力及变形图；

图4是圆角滚压的形状尺寸；

图5是试验曲轴出现裂纹的部位。

附图标记：

1是左上盖      2是左摆体      3是测力计      4是左传感器

5是右上盖      6是曲轴        7是右摆体      8是右传感器

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明的自适应共振式曲轴弯曲疲劳实验机，包括对称设置的左摆体2和右摆体7，以及控制电路。左摆体2的下端设置有左传感器4和激振器，右摆体7的下端设置有右传感器8和激振器。左摆体2的上端设置有可打开的左上盖1，右摆体7的上端设置有可打开的右上盖5。左摆体2和右摆体7与其上盖之间均设置有承载被测曲轴试件6的通孔，左摆体2、右摆体7与其上盖之间均连接有强力螺栓。左摆体2外侧中部及右摆体7外侧中部均设置有静标定加力机构。左摆体2内侧中部与右摆体7内侧中部之间连接有测力计3。控制电路包括左传感器4、右传感器8和激振器，以及依次连接在它们之间的信号处理放大整型电路、主控电路、显示电路和激振器电路。

工作原理：在共振状态下工作的振动机械具有最高的效率。自适应共振方法是利用系统的固有频率反馈控制激振力，使振动系统始终稳定地工作于共振状态的一种方法。如图1。

曲轴弯曲疲劳试验机的基本方法是将被试曲拐作为弹性元件，在曲拐的两侧对称装上两个摆体，激振力施于摆体的一端，使系统产生共振，左右摆体相对摆动时，使曲轴受到对称脉动的弯曲负荷，以此模拟发动机曲轴在工作状态中所承受的弯曲负荷。

由振动学可知机械振动系统的固有频率。

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{K}{J}}---\left(1\right)$

K---系统刚度    J---系统转动惯量

当激振器给出和该系统固有频率相同的激振力时，两摆体被激振，系统进入共振状态，作为弹性元件的曲拐在足够的振幅及振动次数下工作，使该曲拐经受疲劳试验。

由公式(1)可知，在工作过程中，当曲拐出现细微裂纹时，系统的刚度有轻微的下降，并在自振频率上反映出来。自适应控制系统根据传感器检测到的振动系统的运动信号，经电路处理后输入激振器电路，产生与新的固有频率相适应的激振力，使振动系统又在新的共振区上工作。而频率的变化在有小数点前后各两位数的数字频率上显示，具有足够的分辨率，能及时捕捉到细微裂纹的出现，因此早期诊断曲轴裂纹是自适应共振曲轴弯曲疲劳试验机的特有功能。

曲轴弯曲疲劳实验机其结构主要由装有激振器的左、右摆体和曲轴试件组。左、右两个摆体和上盖通过强力螺栓将曲轴试件卡在一起，形成一个振动系统，见图1。

振动系统固有频率的确定：对于本试验机，其振动系统固有频率的确定是很重要的。因为自适应共振系统的激振能耗与频率呈二次方关系，用过高的频率会使能耗增加，激振电磁铁体积也显著增大，这就限制了振动系统固有频率。而用过低的频率会使疲劳试验的时间拉得过长，增加了试验工作量。综合考虑，确定振动系统固有频率按40Hz(2400次/分)左右来设计。

要使由曲轴和摆体组成的共振系统的固有频率达到规定值，显然是一个复杂的问题，计算需要作一些简化，将该系统看成是双质点的振动系统，质点m1和m2通过弹簧连接，对m1激振后m2必然产生大小相等、方向相反的振动。见图2。

其振动系统的固有频率：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{K(J_1+J_2)}{J_1{J}_2}}---\left(2\right)$

K-系统的刚度

J1、J2-左、右摆体的转动惯量

Jm-一个摆体的转动惯量

要使由曲轴和两个摆体组成的共振系统的固有频率达到40Hz，由公式(2)可以看出，当系统的刚度确定以后，系统的固有频率取决于系统的转动惯量。

由于左、右摆体的刚度比曲轴的刚度大的多，因此系统的刚度主要取决于被测曲轴的刚度。而曲轴试件的转动惯量比左右摆体的转动惯量小的多，所以系统的转动惯量主要取决于左右摆体的转动惯量。

系统刚度K的测定：K值的大小主要取决于被试曲轴的结构尺寸及材料。通常，研究单拐曲轴的受力及变形时，按铰支梁来考虑，如图3。

当气缸的燃烧压力经活塞连杆以集中载荷P作用到曲柄销上时，载荷P产生的弯矩M使曲轴产生弯曲变形，其角变形量为θ，则曲轴的刚度K：

$K=\frac{M}{\mathrm{\θ}}$

M-试验弯矩  θ-角变形量

对已有的产品，只要测出在试验弯矩M作用下的角变形量θ，即可求得K。

以下是对经过圆角滚压工艺处理的曲轴的极限承载弯矩进行的试验测定，并对其强度作评价。由委托单位提供的结构参数及夏利376Q汽油机气缸最大爆发压力Pz＝5.3Mpa，确定出夏利376Q汽油机曲轴的工作弯矩M-1＝220N·m。

试验曲轴材料为球墨铸铁，硬度HB275，圆角滚压，形状尺寸如图4。试验曲轴2根，共有6个曲拐，曲轴编号为1-1、1-2、1-3及2-1、2-2、2-3。第二位数1表示自由端，2为中间曲拐，3为飞轮端。

试验结果：由试验数据(表1)得该曲轴的极限承载弯曲疲劳强度Mu-1＝500N·m。

试验数据表1

序号	曲拐编号	试验弯矩M(N.m)	循环次数	裂纹部位
					1	1-1	320	＞5×106
2	1-2	550	2.35×106	D
					3	1-3	400	＞5×106
4	2-1	530	2.57×106	D
					5	2-2	500	＞5×106
6	2-3	500	＞5×106

序号2、4出现裂纹的部位相同，见图5，裂纹未出现在滚压过的圆角上，而是圆角上方约2mm处，说明滚压制止了疲劳源在滚压处形成。

安全系数n

$n=\frac{M_{u-i}}{M_{-1}}=\frac{500}{220}=2.27$

M_u-i-曲轴的试验极限承载弯矩；M_-1-曲轴的工作弯矩。

按JB3258-83《汽车发动机曲轴弯曲疲劳台架试验方法》规定n≥1.3为合格，即认为是安全的。该试验曲轴n＝2.27＞1.3，所以是安全的，可用于夏利376Q汽油机。

通过试验证明了材料相同、结构参数相同而采用不同工艺的曲轴的弯曲强度相差很大。因为本试验机具有试件出现裂纹自动报警停机等功能，所以在试验中不需要专人长时间看守。

各项试验结果表明，本试验机的加力、振幅具有很好的线性及重复性，静态应力标定和动态应力标定结果相对误差小，载荷(力或弯矩)与摆体振幅具有良好的线性特性，动静态应力的误差≤4％。

与机械激振方式的试验机相比本发明具有以下优点：1、结构紧凑、特别适用小型曲轴研究。2、试验精度较高、易于控制。3、噪声小、规定负荷下仅53dB(A)，大大改善工作环境条件。4、工作稳定，系统刚度不变则工作频率也不变。相反，在正常运行中频率下降或突变(如超过0.5Hz)时则予示有裂纹出现的可能，本试验机具有试件出现裂纹自动报警停机等功能。5、工作效率是普通机械激振式的3~5倍。6、造价低，节能。

Claims (1)

1、一种自适应共振式曲轴弯曲疲劳实验机，包括对称设置的左摆体和右摆体，以及控制电路，其特征是，所述左摆体和右摆体的下端均设置有传感器和激振器，所述左摆体和右摆体的上端均设置有可打开的上盖，所述左摆体和右摆体与其上盖之间设置有承载被测曲轴试件的通孔，所述左摆体、右摆体与其上盖之间连接有强力螺栓；所述左摆体外侧中部及右摆体外侧中部均设置有静标定加力机构，所述左摆体内侧中部与右摆体内侧中部之间连接有测力计；所述控制电路包括所述的传感器和激振器，以及依次连接在所述传感器与激振器之间的信号处理放大整型电路、主控电路、显示电路和激振器电路；所述传感器用于检测左摆体或右摆体的运动信号，所述激振器用于产生与新的固有频率相适应的同步同相的激振力，使振动系统工作在共振区内。

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