汽车扭转类零件载荷标定装置设计
目录
1 前言 1
2载荷标定装置结构方案 3
3装置主要零部件的设计 5
3.1固定机构 5
3.2加载结构 10
3.3位置调节机构 12
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1 前言
扭转试验可在试验机上进行，根据不同工件和各国不同的试验标准进行扭矩加载试验，并处理试验数据。利用试验机试验时，试件所承受的力矩通常不能从载荷传感器中直接读出，也难以根据设计参数精确计算出，而必须通过载荷标定来确定。随着国内汽车行业的迅速发展,汽车试验也在近年来得到快速发展,各类用于汽车零部件检测的装备以及载荷标定装置的研究也开始受到重视,并开始投入大量的研发。目前,在国内的一些相关研究机构,已研发生产出了大量用于汽车相关模拟试验的试验机。按照力学性能试验进行划分，试验机可以分为静态试验机和动态试验机两大类。
在试验机不断发展的同时,试验机的主要机械结构即夹具也得到了研究人员的高度关注。夹具种类繁多，按照自动化程度可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具。手动夹紧的方式虽然操作方便,且制造手动夹具的成本也较低,零件形状简单加工容易,但是在手动夹紧的过程中夹具体很容易有横向摆动的趋势,从而使试样产生一个扭矩,不仅使试验结果误差大,更易使脆性材料发生严重的破坏。气动夹紧的方式操作比较简单,夹紧试样的速度快,可缩短试验周期,提高工作效率,且结构也比较简单,工艺性也比较好，但是夹具气动易产生噪音。液压夹具夹紧试样可产生较大的夹紧力,从而基本没有了采用手动夹具和气动夹具时的一些不足。但由于液压夹具结构较为复杂加工精度也较高，不可避免的液压油漏油现象也比较麻烦。
2006年,卢长城根据GB 4156-84《金属杯突试验方法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
》研制了一种新型杯突试验夹具,并将其应用在伺服万能试验机以及微机控制压力试验机上。在试验机开始运行加载之前,先将杯突冲头与试样接触,并对试样的周边施加大小为10KN的夹紧力,然后进行加载试验。2009年,宋章领等人根据液压原理提出了一种液压式夹具的改革设计。其设计的夹具是通过电磁换向阀来控制油液方向,其动力驱动系统则由减速系统、交流伺服系统以及交流伺服电机构成,用来实现高效、平稳的传动,从而实现对夹具的夹紧和松开。中国空空导弹研究院根据振动夹具设计要求,从夹具体材料的选择、结构的形式等方面对振动夹具改进的一系列方法进行了细致的探讨。提出采用铸造法、焊接法、螺接法、层叠法、以及利用转接板来连接夹具,从而避免衬套从振动台面上突出的危险以及对台上衬的套磨损程度,并且克服振动台面与试验件之间存在的连接问题。这些已研制开发的夹具产品,作为国内汽车行业试验装备方面的先行者,为国内汽车的零部件开发、试验研究提供了不可或缺的促进作用。我国试验机的夹具虽然取得了很大的发展，但与国外相比总体上仍然处于低端的发展阶段，我国的试验机夹具必须要学会自主创新，积极学习国外先进技术，把握发展方向，逐步走向高端试验机夹具制造领域。
七十年代末八十年代初,国外就已经出现了计算机测控的材料试验机,并形成产品系列,如英国INSTRON公司的Instran8000系列,美国MTS公司的Alpha系列,日本岛津公司的AG系列等。其夹具也是较为先进的，从而实现了材料试验的自动化、智能化,大大减轻了试验人员的劳动强度,减少试验周期提高了试验效率,扩充了试验范围,并使试验精度大幅度提高。
根据以前经验和查阅有关资料可知，以汽车横向稳定杆为主的汽车扭转类零件具有较高的扭转强度和硬度，因此在选用的所设计装置的材料应该满足较高的硬度要求。不锈钢类材料不仅耐腐蚀而且具有较高的强度和硬度。
目前常用的分类方法是按钢的组织结构特点和钢的化学成分特点以及两者相结合的方法分类。一般分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化型不锈钢等，或分为铬不锈钢和镍不锈钢两大类。
双相不锈钢是指铁素体与奥氏体各约占50%,一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%-28%，Ni含量在3%-10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。双相不锈钢从20世纪40年代在美国诞生以来，已经发展到第三代。本次设计根据设计条件可选用该材料。
为保证装置的可靠性需要对装置进行校核验证。从力学上，构件组合在一起称为机构，机构就会承受相应的载荷作用。为保证装置的工作性能，各个组合构件必须具有足够的强度、刚度、稳定性。强度是构件在外载荷作用下，抵抗破坏的能力。要求构件在承受外力的工作中，从受力的角度不至于发生工作失效甚至发生破坏的情况；刚度是构件在外载荷作用下，抵抗变形和恢复原形的能力。虽然不破坏，但变形过大，即“|强度有余，刚度不足”，也是不能接受的。稳定性是构件在某种外载荷作用下，保持其原有平衡状态的能力。例如，受压细长杆在压力增大到一定程度时，会突然变弯，不再单纯的承受压力了(7)。
由于行驶路面的复杂路况,汽车在行驶时将不断受到各种载荷的冲击。因为其结构本身的复杂性,受到系统本身因为扭转因素而产生的随机附加载荷, 且该附加载荷往往是其工作载荷的几倍。横向稳定杆等汽车扭转类零部件长时间受到随机交变载荷的作用,其性能将受到严重影响,同时可能产生疲劳损坏,甚至出现裂纹或者断裂。在汽车扭转类零件试验中,为了减少试验周期，增加工作效率，就需要一种具有针对性的载荷标定装置。为更好地完成对汽车扭转类零件的可靠性的检测并在国内由于现有研究水平和试验设备均相对落后,而汽车扭转类零件可靠性试验势在必行的情况下，本文就汽车扭转类零件载荷标定装置研究作探讨。
2 载荷标定装置结构方案
经过查阅资料和老师指导设计出扭转载荷标定装置结构图如图1。
图1 扭转类零件载荷标定装置
（1）标定装置结构
该装置主要由试件固定夹头、支撑架、位置调节机构、液压加载装置、法兰连接件等等组成。
（2）标定装置工作原理
本装置适用于汽车扭转类零件的载荷标定试验。将汽车扭转类零件夹紧在本装置的夹头上，根据不同大小形状的扭转零件的要求，对夹头和位置调节机构进行调节，从而保证试件的固定。通过加力杆端的液压千斤顶来施加循序渐进的载荷，进行载荷标定试验。加载端和试件等部位安装传感器以便通过传感器信号进行有关的数据处理。
（3）标定装置的优点
该装置可以适应不同大小、形状的汽车扭转类零件的载荷标定的试验要求，对于这类零件，试验效率较高；
该装置可以通过液压千斤顶施加循序渐进且稳定的力，通过加力杆转变为试验所需的扭力达到载荷标定试验的目的；
试验时通过液压千斤顶加载可以减小劳动强度，增加试验效率。
（4）载荷标定方法
目前常用的载荷标定方法有位移法和应变法两种。都是属于利用“静标动测”的原理，即采用大小相等的静、动态力矩可使摆臂产生的静、动态位移相等（位移法），或使试件某部位所产生的静、动态应变相等(应变法)，同时以静载为基准通过位移或应变等中间量来标定动载。因此载荷标定包含两大步骤：首先是载荷静标定，以建立静力矩与静位移或静应变间的关系，然后进行行动载校准，根据动位移或应变直接确定动力矩的大小（机械激振式装置），或通过动应变—加速度—动力矩的关系，间接得出动力矩的数值（电动谐振式装置）。标定所引起的载荷误差 可表达为
1 前言 1
2载荷标定装置结构方案 3
3装置主要零部件的设计 5
3.1固定机构 5
3.2加载结构 10
3.3位置调节机构 12
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1 前言
扭转试验可在试验机上进行，根据不同工件和各国不同的试验标准进行扭矩加载试验，并处理试验数据。利用试验机试验时，试件所承受的力矩通常不能从载荷传感器中直接读出，也难以根据设计参数精确计算出，而必须通过载荷标定来确定。随着国内汽车行业的迅速发展,汽车试验也在近年来得到快速发展,各类用于汽车零部件检测的装备以及载荷标定装置的研究也开始受到重视,并开始投入大量的研发。目前,在国内的一些相关研究机构,已研发生产出了大量用于汽车相关模拟试验的试验机。按照力学性能试验进行划分，试验机可以分为静态试验机和动态试验机两大类。
在试验机不断发展的同时,试验机的主要机械结构即夹具也得到了研究人员的高度关注。夹具种类繁多，按照自动化程度可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具。手动夹紧的方式虽然操作方便,且制造手动夹具的成本也较低,零件形状简单加工容易,但是在手动夹紧的过程中夹具体很容易有横向摆动的趋势,从而使试样产生一个扭矩,不仅使试验结果误差大,更易使脆性材料发生严重的破坏。气动夹紧的方式操作比较简单,夹紧试样的速度快,可缩短试验周期,提高工作效率,且结构也比较简单,工艺性也比较好，但是夹具气动易产生噪音。液压夹具夹紧试样可产生较大的夹紧力,从而基本没有了采用手动夹具和气动夹具时的一些不足。但由于液压夹具结构较为复杂加工精度也较高，不可避免的液压油漏油现象也比较麻烦。
2006年,卢长城根据GB 4156-84《金属杯突试验方法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
》研制了一种新型杯突试验夹具,并将其应用在伺服万能试验机以及微机控制压力试验机上。在试验机开始运行加载之前,先将杯突冲头与试样接触,并对试样的周边施加大小为10KN的夹紧力,然后进行加载试验。2009年,宋章领等人根据液压原理提出了一种液压式夹具的改革设计。其设计的夹具是通过电磁换向阀来控制油液方向,其动力驱动系统则由减速系统、交流伺服系统以及交流伺服电机构成,用来实现高效、平稳的传动,从而实现对夹具的夹紧和松开。中国空空导弹研究院根据振动夹具设计要求,从夹具体材料的选择、结构的形式等方面对振动夹具改进的一系列方法进行了细致的探讨。提出采用铸造法、焊接法、螺接法、层叠法、以及利用转接板来连接夹具,从而避免衬套从振动台面上突出的危险以及对台上衬的套磨损程度,并且克服振动台面与试验件之间存在的连接问题。这些已研制开发的夹具产品,作为国内汽车行业试验装备方面的先行者,为国内汽车的零部件开发、试验研究提供了不可或缺的促进作用。我国试验机的夹具虽然取得了很大的发展，但与国外相比总体上仍然处于低端的发展阶段，我国的试验机夹具必须要学会自主创新，积极学习国外先进技术，把握发展方向，逐步走向高端试验机夹具制造领域。
七十年代末八十年代初,国外就已经出现了计算机测控的材料试验机,并形成产品系列,如英国INSTRON公司的Instran8000系列,美国MTS公司的Alpha系列,日本岛津公司的AG系列等。其夹具也是较为先进的，从而实现了材料试验的自动化、智能化,大大减轻了试验人员的劳动强度,减少试验周期提高了试验效率,扩充了试验范围,并使试验精度大幅度提高。
根据以前经验和查阅有关资料可知，以汽车横向稳定杆为主的汽车扭转类零件具有较高的扭转强度和硬度，因此在选用的所设计装置的材料应该满足较高的硬度要求。不锈钢类材料不仅耐腐蚀而且具有较高的强度和硬度。
目前常用的分类方法是按钢的组织结构特点和钢的化学成分特点以及两者相结合的方法分类。一般分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化型不锈钢等，或分为铬不锈钢和镍不锈钢两大类。
双相不锈钢是指铁素体与奥氏体各约占50%,一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%-28%，Ni含量在3%-10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素
为保证装置的可靠性需要对装置进行校核验证。从力学上，构件组合在一起称为机构，机构就会承受相应的载荷作用。为保证装置的工作性能，各个组合构件必须具有足够的强度、刚度、稳定性。强度是构件在外载荷作用下，抵抗破坏的能力。要求构件在承受外力的工作中，从受力的角度不至于发生工作失效甚至发生破坏的情况；刚度是构件在外载荷作用下，抵抗变形和恢复原形的能力。虽然不破坏，但变形过大，即“|强度有余，刚度不足”，也是不能接受的。稳定性是构件在某种外载荷作用下，保持其原有平衡状态的能力。例如，受压细长杆在压力增大到一定程度时，会突然变弯，不再单纯的承受压力了(7)。
由于行驶路面的复杂路况,汽车在行驶时将不断受到各种载荷的冲击。因为其结构本身的复杂性,受到系统本身因为扭转因素而产生的随机附加载荷, 且该附加载荷往往是其工作载荷的几倍。横向稳定杆等汽车扭转类零部件长时间受到随机交变载荷的作用,其性能将受到严重影响,同时可能产生疲劳损坏,甚至出现裂纹或者断裂。在汽车扭转类零件试验中,为了减少试验周期，增加工作效率，就需要一种具有针对性的载荷标定装置。为更好地完成对汽车扭转类零件的可靠性的检测并在国内由于现有研究水平和试验设备均相对落后,而汽车扭转类零件可靠性试验势在必行的情况下，本文就汽车扭转类零件载荷标定装置研究作探讨。
2 载荷标定装置结构方案
经过查阅资料和老师指导设计出扭转载荷标定装置结构图如图1。
图1 扭转类零件载荷标定装置
（1）标定装置结构
该装置主要由试件固定夹头、支撑架、位置调节机构、液压加载装置、法兰连接件等等组成。
（2）标定装置工作原理
本装置适用于汽车扭转类零件的载荷标定试验。将汽车扭转类零件夹紧在本装置的夹头上，根据不同大小形状的扭转零件的要求，对夹头和位置调节机构进行调节，从而保证试件的固定。通过加力杆端的液压千斤顶来施加循序渐进的载荷，进行载荷标定试验。加载端和试件等部位安装传感器以便通过传感器信号进行有关的数据处理。
（3）标定装置的优点
该装置可以适应不同大小、形状的汽车扭转类零件的载荷标定的试验要求，对于这类零件，试验效率较高；
该装置可以通过液压千斤顶施加循序渐进且稳定的力，通过加力杆转变为试验所需的扭力达到载荷标定试验的目的；
试验时通过液压千斤顶加载可以减小劳动强度，增加试验效率。
（4）载荷标定方法
目前常用的载荷标定方法有位移法和应变法两种。都是属于利用“静标动测”的原理，即采用大小相等的静、动态力矩可使摆臂产生的静、动态位移相等（位移法），或使试件某部位所产生的静、动态应变相等(应变法)，同时以静载为基准通过位移或应变等中间量来标定动载。因此载荷标定包含两大步骤：首先是载荷静标定，以建立静力矩与静位移或静应变间的关系，然后进行行动载校准，根据动位移或应变直接确定动力矩的大小（机械激振式装置），或通过动应变—加速度—动力矩的关系，间接得出动力矩的数值（电动谐振式装置）。标定所引起的载荷误差 可表达为
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