一种高频扭转疲劳试验台及其扭转工装的振幅调节方法

技术领域

本发明涉及一种高频扭转疲劳试验台及其扭转工装的振幅调节方法，属于橡胶制品疲劳试验技术领域。

背景技术

疲劳试验台通常是用于测试疲劳力学性能的设备，可用于测试金属、合金材料和橡胶制品等产品的疲劳特性和疲劳寿命。其中橡胶制品多由金属-橡胶-金属的复合结构形成，可承受牵引、悬挂、隔振、缓冲作用，被广泛应用于轨道交通、高速车辆、汽车、轮船或飞机的减振系统中，当机体承受径向、扭转和偏转等复杂载荷工况时，通过橡胶制品的变形来承受偏扭转角度和径向载荷，防止车体在运行时侧翻，提高司乘人员乘坐的舒适性。在对橡胶制品进行设计研发时，为了保证车体运行的稳定性，通常需要使用疲劳试验设备对橡胶制品的扭转疲劳性能进行检测。现有技术中，有如下试验设备涉及包括橡胶制品在内的力学产品的扭转疲劳性能测试：

1、公开号为“CN112014087A”，专利名称为“一种基于拉杆的橡胶节点三向疲劳试验装置”的发明专利申请，该疲劳试验装置具体包括垂向加载装置、角度调节装置、横向加载装置、纵向偏置装置和拉杆装置，拉杆装置包括上连接装置、下连接装置和两端安装有球铰的拉杆。该发明通过采用拉杆方案，可同时实现橡胶球铰径向、偏转和扭转三向疲劳试验，可以同时做2个球铰的试验，可提高试验效率和可信度，避免因球铰个体差异造成的试验离散性及误差。但该专利存在如下不足：

1）该专利中对橡胶球铰进行扭转试验是通过油缸来实现的，通常在工程实际中，扭转工况由于加载位移较大，加载频率一般不超过5Hz，但部分产品要求可以做到10Hz以上的加载频率，通过油缸加载，很难实现10Hz以上的加载频率；

2）该专利中虽然涉及了振幅调节装置，即说明书中所指的角度调节装置，具体为第一角度调节板，第二角度调节板和角度检测装置，但该角度调节装置结构较复杂，可调整的角度范围有限。

2、公开号为“CN109406124A”，专利名称为“一种板簧扭转试验检测设备”的发明专利，该检测设备包括底座、设置在底座上的板簧固定机构和驱动板簧运动的驱动机构，板簧固定机构包括相对设置在底座两端的板簧固定座和板簧安装座，板簧固定座上沿底座长度方向设置有矩形固定孔A，板簧安装座包括相对间隔设置的安装座A和安装座B，安装座A和安装座B上均对应设置有安装孔，安装座A和安装座B的安装孔内设置有扭转轴，扭转轴上沿其轴线方向设置有矩形固定孔B，矩形固定孔B与矩形固定孔A相对设置并位于同一轴线上，扭转轴上固定连接有连杆。该发明结构简单紧凑，可通过电机带动连杆机构摆动从而带动板簧往复转动，实现对板簧的扭转疲劳测试，结构简单，便于操作。但是该专利仍然存在如下缺点：

1）该专利中的检测设备虽然不再使用现有技术1中的油缸驱动，而是通过电机驱动，在一定程度上可以实现更高的加载频率，但是该检测设备是对板簧进行扭转疲劳试验检测的，并未涉及橡胶制品的疲劳试验检测，是否能对橡胶制品进行高频扭转疲劳试验检测尚有待考究；

2）该专利中电机与飞轮盘之间的距离不可调，电机和飞轮盘的整体位置也不可调，可适用的试验工况有限，通用性不强；

3）该专利的说明书中虽然公开了“根据设置飞轮、摆杆与连杆的连接位置和尺寸可对扭转轴的往复转动角度进行调节，实现对板簧扭转角度的控制，该方案中扭转摆动的角度为±35°”，但是并未公开飞轮、摆杆与连杆的连接位置和角度调节方法，且专利中限定的扭转摆动角度为±35°，可调整范围过窄。

综上所述，如何设计一种可通过电机驱动对橡胶制品进行高频扭转试验，同时可根据实际工况需求调整扭转工装的振幅，且振幅调整范围大的疲劳试验装置，是当下亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供的高频扭转疲劳试验台，可根据实际工况通过驱动组件、加载组件和摆动组件相配合来调整扭转工装的振幅，振幅调整范围大，且可通过电机驱动对橡胶制品进行高频扭转试验。本发明还提供了一种高频扭转疲劳台扭转工装的振幅调节方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高频扭转疲劳试验台，包括上平台和下平台；上平台上设有活动式加载组件，加载组件包括放置橡胶制品并带着橡胶制品进行扭转加载的扭转工装，扭转工装外侧设有用于支撑橡胶制品的活动式支撑工装；下平台上设有包括驱动电机的活动式驱动组件；加载组件和驱动组件之间连接有可与驱动组件和加载组件相配合调节扭转工装扭转振幅的摆动组件。

优选的，加载组件包括滑动设于上平台上的固定台，扭转工装通过扭转轴一和扭转轴二活动连接于固定台上部内侧；橡胶制品固定置于扭转工装上。

优选的，支撑工装包括支撑座和设于支撑座上端的支撑杆；支撑座滑动设于上平台上，支撑杆与扭转台上的橡胶制品固定连接。

优选的，驱动组件包括活动设于下平台上的驱动板和设于驱动板外侧的驱动盘，驱动电机设于驱动板上且通过驱动轴与驱动盘固定连接；驱动盘上远离驱动轴的一侧沿径向设有调节槽一。

优选的，摆动组件包括与驱动盘连接的连杆一和与扭转轴一连接的连杆二；连杆一远离驱动盘的一端和连杆二远离扭转轴一的一端转动连接，连杆二上设有调节槽二；连杆一与驱动盘之间设有连接块一，连接块一可在调节槽一内滑动；连杆一与连杆二之间设有连接块二，连接块二可在调节槽二内滑动；扭转轴与连杆二之间设有连接块三，连接块三可在调节槽二内滑动。

一种高频扭转疲劳试验台扭转工装的振幅调节方法，用于对上述试验台驱动工装的扭转振幅进行调节，具体为：通过调节连接块一与驱动盘中心点O的偏心距L1和连接块二与连接块三之间的距离L2，以此根据实际工况调节扭转工装的振幅。

优选的，调节振幅的设定原则一为：连接块一位于调节槽一在驱动盘中心点O一侧方的中部，以此可确定L1的理论数值；调节振幅的设定原则二为：调节槽一处于垂直于地平面的垂直位上，此时，连接块二与驱动盘的中心点O位于同一垂直线上，且连杆二处于摆动幅度的最高点a处或最低点b处。

优选的，调节步骤如下：

S1：计算出L2的数值；

S2：根据L2确定扭转工装的位置，并移动扭转工装至所确定的位置；

S3：将倾角仪吸附在连杆二上，当连杆二平行于地平面时，倾角仪显示为0°；

S4：转动驱动盘，使得调节槽一位于垂直位上，此时倾角仪显示为“+t°”或“-t°”；

S5：调节连接块一在调节槽一内的位置，使得t=e，再锁紧连接块一；其中e为扭转工装的目标扭转角度值。

优选的，步骤S1中所指计算出L2的数值，计算步骤如下：

S11：设连杆二摆动幅度的最高点a和最低点b之间的距离为X，设L1为理论数值，此时X=2*L1；连杆二与水平线L3之间的夹角为e，连杆二的摆动幅度为“+e°”或“-e°”；其中L1和e均为已知，L1经测量得出，e为实际工况下扭转工装所需的目标扭转角度值；

S12：根据三角函数公式求出L2的数值：

优选的，步骤S5中所指调节连接块一在调节槽一内的位置，具体如下：

若t值小于目标角度值e，敲击、推动连接块一或转动驱动盘，使连接块一在调节槽一内远离驱动盘的中心点O滑动，观察倾角仪的示值，当连接块一处于合适的位置使得t=e时，锁紧连接块一；

若t值大于目标角度值，敲击、推动连接块一或转动驱动盘，使连接块一在调节槽一内朝向驱动盘的中心点O滑动，观察倾角仪的示值，当连接块一处于合适的位置使得t=e时，锁紧连接块一。

发明的有益效果是：

1、本发明可通过驱动组件、加载组件和摆动组件相配合来调整扭转工装及橡胶制品的振幅且振幅调整范围大，具体为：

1）驱动组件可整体在下平台上滑动来调整驱动组件的整体位置；

2）驱动组件中的驱动盘上设有调节槽一，摆动组件中的连杆一可通过调节槽一在驱动盘上滑动调整位置；

3）连杆二上设有调节槽二，将扭转工装整体在上平台上滑动，以使得扭转轴一在调节槽二内滑动来调节扭转轴一与连杆二之间的位置；

4）某些工况下，根据实际需求，还可将连杆一在调节槽二内滑动，调整连杆一与连杆二之间的位置。

2、本发明中的试验台通过驱动电机驱动对橡胶制品进行疲劳试验，驱动电机可控制转速，通过驱动电机调节驱动盘的扭转频率，可实现10Hz以上的加载频率。

3、本发明通过驱动电机驱动驱动盘转动，带动摆动组件按照预设摆动角度进行摆动，进而通过扭转轴一带动扭转工装进行扭转，以此实现对扭转工装上的橡胶制品的扭转疲劳试验。

4、本发明中的振幅调节方法，通过先设定连接块一与驱动盘中心点O的偏心距L1为理论数值，即连接块一位于调节槽一在驱动盘中心点O一侧方的中部时的数值；再设定连杆杆一、调节槽一及驱动盘的中心点O位于同一垂直线上，且连杆二位于摆动幅度的最高点a或最低点b；再根据公式求出连接块二与连接块三之间的距离L2；再根据倾角仪的示值，将连接块一在调节槽一内调整至合适的位置使得倾角仪所示角度t=e，其中e为扭转工装的目标扭转角度。该调节方法操作简便，振幅的调整范围大，通用性强。

附图说明

图1为实施例一中试验台的整体结构示意图。

图2为实施例一中试验台的俯视图。

图3为实施例一中试验台的正视图。

图4为实施例一中固定台、扭转工装及橡胶制品的结构示意图。

图5为实施例二中振幅调节的示意图一（此时连接块一位于驱动轴中心点O的右侧）。

图6为实施例二中振幅调节的示意图二（此时连接块一位于驱动轴中心点O的左侧）。

图7为实施例二中振幅调节的示意图二（此时连杆一、驱动轴中心点O及调节槽一在同一垂直线上）。

附图标记包括：上平台1、下平台2、支撑柱3、扭转工装4、橡胶制品5、固定台6、底支座7、侧支座一8、侧支座二9、连接孔一10、下板11、上板一12、上板二13、支撑板14、扭转轴一15、橡胶体16、金属体一17、金属体二18、支撑座19、支撑杆20、减重通孔21、调整槽22、驱动板23、驱动电机24、驱动轴26、轴承座27、横向滑槽28、驱动盘29、调节槽一30、支撑架一31、调节孔32、连杆一33、连杆二34、连接块一35、调节槽二36、连接块二37、连接块三38。

具体实施方式

下面结合附图1-7对本发明的实施例做详细说明：下述横向为图2中M所示方向，纵向为图2中N所示方向，垂向为与地平面垂直的方向。

实施例一

一种高频扭转疲劳试验台，如图1所示，包括上平台1和下平台2，上平台1和下平台2由支撑柱3支撑，上平台1位于支撑柱3的上端，下平台2位于支撑柱3之间并位于上平台1的下方。上平台1上设有活动式加载组件，加载组件包扭转工装4，当进行疲劳试验时，橡胶制品5置于扭转工装4上进行扭转加载。加载组件外侧设有用于支撑橡胶制品5的活动式支撑工装。下平台2上设有驱动组件，加载组件和驱动组件之间连接有摆动组件。

加载组件包括固定台6，如图4所示，固定台6包括滑动连接于上平台1上的底支座7，底支座7的上端面在横向上的两侧部相对设有两个侧支座，两侧支座分别为侧支座一8和侧支座二9，侧支座一8和侧支座二9的上部分别设有连接孔一10和连接孔二。

如图1所示，扭转工装4位于底支座7上方且设于侧支座一8和侧支座二9之间。如图4所示，扭转工装4包括下板11和位于下板11上端靠近侧支座一8一侧的上板一12，下板11上端相对于上板一12的另一侧设有上板二13，上板二13靠近侧支座二9设置；上板一12和上板二13上分别设有扭转轴一15和扭转轴二，扭转工装4通过扭转轴一15和扭转轴二活动连接于固定台6上部内侧；其中扭转轴二穿过连接孔二并与其他支撑部件相连接，连接孔二内设有连接在扭转轴二上的轴承二。

如图4所示，本实施例中的橡胶制品5包括位于下部的金属体一17、位于上部的金属体二18和硫化在金属体一17和金属体二18之间的橡胶体16，金属体一17固定连接在下板11上以使得橡胶体16和金属体一17可随着下板11做扭转以进行疲劳试验。

如图1所示，支撑工装包括支撑座19和设于支撑座19上端的支撑杆20；支撑座19滑动设于上平台1上，支撑杆20与橡胶制品5的金属体二18固定连接对橡胶制品5的位置进行限定，以对橡胶制品5进行支撑并辅助扭转加载的进行。如图4所示，上板一12和上板二13远离支撑座19的另一侧连接有支撑板14；支撑板14在横向上与上板一12和上板二13在垂向上呈90°，支撑板14的一侧端与上板一12固定连接，支撑板14的另一侧端与上板二13固定连接，以对上板一12和上板二13进行稳定支撑，进一步提高扭转工装整体连接的牢固性，增加疲劳检测的准确性。

下板11上设有若干减重通孔21，减重通孔21可节省材料，也可减少扭转工装4的整体重量，便于扭转运动的进行，同时对于某些形状不规则的异形橡胶制品5的检测，减重通孔21还能便于异形橡胶制品5在下板11上的安装，进一步提高加载组件的通用性。本实施例中一共在下板11上均布有4个矩形减重通孔21，4个减重通孔21的中部还设有橡胶制品5的安装孔；本领域技术人员也可以根据实际工况，在下板11上设置其他数量、其他形状和其他排布的减重通孔21，同时，在必要时，减重通孔21也可以作为异形橡胶制品5的安装孔使用。

如图2所示，上平台1在横向和竖向上均设有若干调整槽22，底支座7下端和支撑座19下端设有与调整槽22相匹配的滑块，因此底支座7和支撑座19均可通过滑块和调整槽22在上平台1上滑动；本领域技术人员可根据实际工况将固定台6和支撑座19整体在上平台1上沿着调整槽22朝图2中的左侧、右侧或上侧、下侧移动；当要对较大规格的橡胶制品5进行疲劳试验时，可将支撑座19整体在上平台1上朝图2中的左侧移动，以满足大规格橡胶制品5的空间容纳要求，再将支撑杆20的自由端与橡胶制品5的金属体二18固定连接，本领域技术人员也可根据实际工况将支撑座19整体在加载平台上沿着调整槽22朝图2中的右侧、上侧或下侧移动，以对不同规格的橡胶制品5进行固定并辅助完成疲劳试验检测。底支座7在横向上的宽度为上平台1在横向上宽度的1/3-2/3，以保证固定台6上有足够的加载空间，同时在上平台1上有足够的活动调整空间，本实施例中具体为底支座7在横向上的宽度为上平台1在横向上宽度的2/3；下板11在横向上的宽度不小于底支座7在横向上宽度的1/2，使得下板11可容纳下不同规格大小的橡胶制品5，增强加载组件的通用性，本实施例中具体为下板11在横向上的宽度为底支座7在横向上宽度的2/3。

如图1所示，驱动组件包括活动设于下平台2上的驱动板23、设于驱动板23上端的驱动电机24和设于下平台2外侧的驱动盘29；驱动电机24靠近驱动盘29的一侧设有联轴器，联轴器与驱动盘29之间固定有驱动轴26，联轴器使得驱动电机24与驱动轴26之间为柔性连接，可提高驱动电机24的使用性能和使用寿命；驱动盘29由驱动电机24驱动并在下平台2的外侧旋转；驱动板23上设有横向滑槽28，驱动电机24可沿着横向滑槽28在驱动板23上横向滑动；驱动轴26上设有至少一个支撑轴承组件，本实施例中具体设置了两个支撑轴承组件，支撑轴承组件的轴承座27连接在驱动板23上对驱动轴26进行支撑；支撑轴承组件可保证驱动电机24、驱动轴26和驱动盘29之间的中心轴线一致，以为驱动轴26提供良好的支撑作用；同时通过横向滑槽28可调整支撑轴承组件在驱动板23上的位置，也可以调整驱动电机24在驱动板23上的位置。驱动电机24可控制转速，以此通过驱动电机24调节驱动盘29的扭转频率，进而实现某些工况所需的10Hz以上的加载频率。

如图1所示，下平台2包括位于纵向的支撑架一31和位于横向的支撑架二，支撑架一31上沿纵向均布有多个调节孔32，驱动板23上设有与调节孔32连接的固定件；调节孔32为销孔或螺纹孔，固定件为与调节孔32相匹配的固定销或固定螺栓，本实施例中的调节孔32为螺纹孔，固定件为固定螺栓；可根据不同橡胶制品5的加工要求，将驱动板23安装在不同的调节孔32处，以此调整驱动板23在下平台2纵向上的安装位置，进而来调整驱动组件的驱动位置。驱动盘29上远离驱动轴26的一侧沿径向设有调节槽一30，调节槽一30为T型槽，驱动盘29的中心点O位于调节槽一30的中部。

如图1和图3所示，摆动组件包括与驱动盘29连接的连杆一33和与扭转轴一15连接的连杆二34；连杆一33远离驱动盘29的一端和连杆二34远离扭转轴一15的一端转动连接；连杆一33上设有可滑动连接于调节槽一30内的T型连接块一35，通过T型连接块一35在T型调节槽一30内滑动可调整连杆一33与驱动盘29之间的位置。连杆二34上设有调节槽二36，连杆一33上远离驱动盘29的另一端设有可在调节槽二36内滑动的连接块二37，在某些工况下，可通过连接块二37调整连杆一33与连杆二34之间的位置。连杆二34上与连杆一33相对的一侧通过扭转轴一15与扭转工装4相连，扭转轴一15通过连接孔一10连接于上板一12和连杆二34之间，连接孔一10内设有连接在连接孔一10内的轴承一，轴承一可为扭转轴一15带着扭转工装4扭转提供良好的支撑力，提高部件的使用寿命，提高疲劳试验的准确度；扭转轴一15上设有连接块三38，通过将固定台6在上平台1上滑动，可使连接块三38在调节槽三内滑动，以调整连杆二34与扭转轴一15之间的位置。

实施方式：

将驱动板23通过调节孔32安装在支撑架一31上；根据实际工况得出橡胶产品所需的扭转振幅，通过将连接块一35在调节槽一30内滑动来调整连杆一33与驱动盘29之间的位置、通过将固定台6在上平台1上滑动以使得连接块三38在调节槽二36内滑动来调整扭转轴一15与连杆二34之间的位置以匹配橡胶产品5所需的扭转振幅；启动驱动电机24，驱动电机24驱动驱动盘29旋转，驱动盘29带动连杆一33旋转摆动，连杆一33带动连杆二34旋转摆动，进而连杆二34通过扭转轴一15带动扭转工装4及橡胶制品5按照所需的扭转振幅进行加载，以此对橡胶制品5进行扭转疲劳试验。

实施例二

一种高频扭转疲劳试验台扭转工装的振幅调节方法，用于对实施例一中试验台的驱动工装4及其上端的橡胶制品5的扭转振幅进行调节，如图1所示，通过调节连接块一35与驱动盘29中心点O的偏心距L1和连接块二37与连接块三38之间的距离L2，以此根据实际工况调节扭转工装4的扭转振幅。

调节振幅包括两个设定原则：

设定原则一为：连接块一35位于调节槽一30在驱动盘29中心点O一侧方的中部，以使得在调节连杆一33与驱动盘29之间的位置时，连接块一35在调节槽一30的左右两侧均具有充足的调节空间；如图5所示，连接块一35可位于驱动盘29中心点的右侧，如图6所示，连接块一35也可位于驱动盘29中心点的左侧，以此可确定L1的理论数值；

L1的理论数值即当连接块一35位于调节槽一30在驱动盘29中心点O左侧中部或右侧中部时的数值；L1的理论数值与L1的实际数值之间通常存在一定的偏差，故需按照下述调节步骤，将L1从理论数值调整至实际数值。

设定原则二为：如图7所示，当调节槽一30处于垂直于地平面的垂直位时，连接块二37与驱动盘29的中心点O位于同一垂直线上，且连杆二34处于摆动幅度的最高点a处或最低点b处，最高点a和最低点b相对于扭转盘的中心点O相互对称，可符合一般产品对扭转振幅（扭转角度）对称的要求。

振幅的具体调节步骤如下：

S1：计算出L2的数值，具体为：

S11：设连杆二34摆动幅度的最高点a和最低点b之间的距离为X，设L1为理论数值，此时X=2*L1；连杆二34与水平线L3之间的夹角为e，连杆二34的摆动幅度为“+e°”或“-e°”；其中L1和e均为已知，L1为连接块一35位于扭转轴的中心点O一侧中部时的理论数值，可经测量得出，e为实际工况下扭转工装4及橡胶制品5所需的目标扭转角度值；

S12：根据三角函数公式求出L2：如图7所示，

S2：连接头二37固定不动，根据L2确定扭转工装4的位置，并移动固定台6进而带动扭转工装4在上平台1上滑动至所确定的位置并将扭转工装4固定在上平台1上；此步骤为粗调，具体为滑动固定台6来使得连接块三38在调节槽二36内滑动，以此调整扭转轴一15与连杆二34之间的位置，来满足L2的要求；由于连杆二34很长，调节空间较大，且固定台6和扭转工装4较重，不适合精确调节，故先将扭转工装4按满足上述计算出来的L2为基准置于上平台1上，此时连杆二34的摆动幅度在橡胶制品5的目标扭转角度值附近；

S3：将倾角仪吸附在连杆二34上，当连杆二34平行于地平面时，即平行于水平线L3时，倾角仪显示为0°；

S4：转动驱动盘29，使得调节槽一30位于垂直位上，此时倾角仪显示为“+t°”或“-t°”；

S5：调节连接块一35在调节槽一30内的位置，使得t=e，再锁紧连接块一35。此步骤主要是根据目标扭转角度值e来求出L1的实际数值，是通过将连接块一35在调节槽一30内滑动进行的，此步骤为精调，连接块一35体积小，重量轻，移动简单方便，适用于精确控制。

若t值小于目标角度值e，敲击、推动连接块一35或转动驱动盘29，使连接块一35在调节槽一30内远离驱动盘29的中心点O滑动，观察倾角仪的示值，当连接块一35处于合适的位置使得t=e时，锁紧连接块一35；

若t值大于目标角度值e，敲击、推动连接块一35或转动驱动盘29，使连接块一35在调节槽一30内朝向驱动盘29的中心点O滑动，观察倾角仪的示值，当连接块一35处于合适的位置使得t=e时，锁紧连接块一35。

上述得出的连接块一35与驱动盘29的中心点O之间的距离为L1的实际数值，e为橡胶制品5所需的目标扭转振幅值，扭转工装4的振幅调节完成，橡胶制品5所需的目标扭转角度值也调节完毕。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明内容的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。