1、第一部分：总体方案设计1 加载方案1.1 多轴加载疲劳试验机的机械结构原理图：连 杆轴 承 座曲 轴小 带 轮大 带 轮电 机平 台扭 簧导 轨滑 块施 力 装 置试 件夹 头齿 轮 齿 条支 架图 1 多轴加载疲劳试验机结构原理图试件由左、右夹头夹持，电机带动带轮通过曲柄滑块机构作用于施力装置，实现疲劳试验机的弯曲疲劳。旋紧螺母通过丝杠结构给试件轴向加载预拉力。通过齿轮齿条结构和导轨上的扭簧给试件实现扭矩的疲劳加载。试验机又平台作为支撑结构，平台通过地脚螺栓固定，支撑起整个试验机的重量。1.2 机械部分载荷传递电动机选择可以调速的变频式电动机，以适应不同频率下的疲劳测试，电动机带动带轮将动力
2、传递给曲柄滑块机构，结合齿轮齿条和扭转弹簧的共同作用，实现试件的弯曲、扭转疲劳试验，在此之前给定试件一个轴向的预拉力，实现了多轴加载情况下的疲劳测试。图 3 载荷传递流程图1.3 疲劳试验机的测控系统对试件施加的扭矩和弯矩通过在试件上的贴的应变片连接动态应变仪通过 PC 机输出显示，而试件的寿命通过电机计数器测得试件的疲劳寿命。图 4 测控系统原理图2 试件材料的机械性能和尺寸电动机 带轮 曲柄滑块机构试件 齿轮齿条导轨的扭转弹簧试验机机械本体应变片 动态应变仪 PC 机电机计数器器信号放大器 显示仪器试验中通常用的材料是 Cr12、40Cr、45 钢等，由于 45 钢应用的普遍性以及其很高的
3、机械性能，考虑试验机要有一定的裕度，所以选择 45 钢为材料的试件。屈服强度（s ）抗拉强度（b）弯曲疲劳极限扭转疲劳极限伸长率（% ）断面收缩率（% ）硬度（HB ）353 598 257 150 16 40 197对于试件的尺寸采用标准的光滑圆柱试件进行疲劳试验。试件上加载扭矩和弯曲部分的尺寸和形状必须完全相同，而端部采用圆柱形便于夹头的装夹，过渡区域倒圆角，防止应力集中而影响试验的准确性，试件的尺寸如下图：1 . 6142 51 0 01 5 0R28R2图 5 标准试件结构尺寸3 疲劳应力循环在疲劳试验中，试件的应力将随时间作周期性变化，这种随时间做周期性变化的力称为循环应力，在我国又
4、经常称为交变应力。完成一个应力循环所需的时间称为一个周期，以 和 分别maxin表示循环中的最大和最小应力，比值 minaxr称为交变应力的循环特征或应力比。 和 的代maxF30N导 轨齿 轮数和的二分之一称为平均应力，即 in1()2和 代数差的二分之一称为应力幅，即 maxinamaxin()otaamaxmmin图 6 交变应力循环图当 这种情况下称为对称循环，其他的情况都属于mamxr1,0,不对称循环。若应力循环中的 (或者 ),表示交变应力变动于某一min0max0应力与零之间，即 或者 这种a1r,2amin1r,2情况称为脉动循环。当把试件的初始位置放置于试验机的零点位置，即
5、可以实现对称循环，其他不对称循环可以由其初始位置的不同选择，对应的应力变化则有时间上的应变片连接的动态应变仪测出。4 扭矩的加载计算根据试验机的要求，选用 45 钢为材料，对称扭转疲劳极限，即150Mpamin150pa由材料力学公式可知： 3tIRDW216tTw故 minitT15N在最小的扭矩下，试件单位长度的扭转角 mini 94p27GI8013D对于时间的实验部分是 100mm 长，故试件的最小扭转角:, miniL27.考虑到多轴加载疲劳试验机要实现加载后应力的对称与脉动循环，扭转弹簧的工作扭矩就要从 到 ，再结合扭簧的尺寸设计，25NA0m取最大工作扭角为 ，初选齿轮的直径为
6、，则由曲柄滑块4D1机构形成的弯曲疲劳的行程为： 45s3605 弯矩的加载对于弯曲疲劳，对称循环疲劳极限， 由材料力学可1257Mpa知 MW3wd23minwdNmA由于齿轮的扭矩由齿条提供，且试件在受力过程中必须保持平行前进，左右受力一样的，故可得试件的受力图如下： 3D2T15TF 0N2故 F30N导 轨齿 轮由图可知最大弯矩处的 3minMFL051NMA所以满足弯曲疲劳条件。施加力导轨反力 齿轮反力5 0 m m 5 0 m m图 7 受力示意图M m a x图 8 弯矩图6.弯矩加载循环应力波形对于如图所示的对心曲柄滑块机构，多轴加载疲劳试验机的施力装置就相当于滑块形成驱动力。
7、记曲柄 OA 的长度为 R，连杆 AB的长度为 L, 由连杆带动在滑块在滑槽内做直线往复运动。假设曲柄的角速度为 ，与中心线的初始夹角为，以曲柄走过的最低点为原点，用 X 表示滑块的走过的行 程，利用几何关系可以得到： 22XR1cosLRsin由于 故tXXttdv2X2dRsincosiLi得到滑块的速度公式为 22cosvsin(1)Rin进而得到加速度公式vvtt222 3ddaR(Lcossin)cossvasav2 图 10 对心曲柄滑块机构运动曲线图由以上公式可以绘制出一个周期下行程、速度、加速度随时间OAB X图 9 对心曲柄滑块示意图变化的曲线图，由图可知其行程、速度和加速度
8、均满足正弦曲线，分别在滑块的两个极点滑块的加速度的绝对值最大，速度的绝对值为零。由牛顿第二定律可知： ，此时对滑块所施加的力最大，maF且由曲线的形状可看出试件受到的力 F 呈正弦曲线变化，因此试件在弯曲试验中，所施加的是正弦波形的应力。第二部分 机械系统设计1. 曲轴的设计由激震方式的不同，选择在低频疲劳的情况下，由下表选择110Hz 的试验机工作频率，最高工作频率为 10Hz，通过调节电动机的转速来改变试件的加载频率。激振方式项目磁致伸缩式曲柄偏心式恒载荷加荷式压缩空气式电气液压式载荷能力 小 中 大 小 大频率变化范围高频 5-5000低 频1-10中频 5-100低 频 中低频 0-5
9、00振幅变化范围13mm 10-100mm 3mm 小 10-150mm波形 正弦波不规则波正弦波 正弦波 正弦波 正弦、三角波方波不规则波振动波形情况良好 高频不良 低频不良 不良 良好频率与振幅关系定振幅、定速度、定振幅 定加速度 定振幅、定速度、定加速度 定加速度噪音 小 高频大 小 大 小2. 施力装置的设计施力装置由两个半圆组成，在需要更换试件便于拆卸。半圆形施力装置由三部分组成：实力圆盘、实力尖端、弹簧。两个半圆实力圆盘通过两个螺栓组成一个整体，外面通过定位螺钉与导轨相连，从而形成轴向运动副。施力圆盘与施力尖端通过梯形槽连接，起到定位作用，施力圆盘和施力尖端内开有圆柱形孔，里面放有
10、圆柱螺旋压缩弹簧，在施力过程中起到缓冲作用，同时也会起到定位 作用，防止施力尖端的周向相对运动。同时把施力装置分成两部分，通过仅仅改变施力尖端的形状就可以实现对不同直径或者各种矩形试件经行试验，大大节约了材料，而且更加便于加工。施力圆盘施力尖端弹簧3. 扭转弹簧的设计根据国标 GB 1222，选择热轧弹簧钢，材料为 65Mn,适用于 5-80mm 的直径，材料的机械性能为： 278,197,35,430bsGMpaEGMpapa扭转弹簧的安装扭矩为 ，工作扭矩为 ，工作扭角取5NmA0NmA（1） 弹簧材料的直径 d ： 取 ，由式可知1K取 10mm 与假设基本相符，并符合3330.21.0
11、10.845KTdGB/T 1358 系列值（2）计算弹簧中径 D：选取绕比 ;则弹簧中径 符合国标 GB/T 13588C810cdm系列值。 则内径： 7外径： 8019Ddm（3）弹簧刚度和扭转变形角： 21125.6()40.659.TNTA（4）弹簧的有效圈数：安装自由角度 ，取434321970912.036085EdnTD 012圈（5）弯曲应力 ，试验扭矩430sMpa3310422ssdTNmA试验扭矩下的变形角 3434670875197ssDnEd（6）计算导杆直径 5.32s m取导杆直径 10.9()0.9(71.)6.D62D（8）确定寿命： 32max345104
12、58TMpad31in3 2max4580.6273bminax0.5r由图可看出， 和 r 的交点在 作用次数下，表明此弹簧的疲劳axb71寿命 次满足条件要求。710N扭转弹簧选用热轧钢 GB 1222,65Mn，直径 端部形式中10dm心臂扭转弹簧。4. 电机的选择选择电磁调速电机，其特点是输出扭矩是恒定的，可以通过电磁转差离合器改变电机输出转速。这样也可以方便做对比试验，比如说载荷相同的情况下的不同速度的工况下对工件的影响对比测试，这对实际是很重要的一个参数。第三部分 测试系统的设计1. 拉力、扭矩、弯矩的测量方法a. 电阻应变片式传感器的工作原理将电阻应变片粘贴于被测试件的表面，施加
13、外力时试件受力变形，电阻应变片的敏感栅也随之产生相同的应变，其电阻值发生变化，这样就把敏感栅轴线方向上的应变转化为测量电阻应变片的电阻值的变化。因此研究应变转化为电阻变化的关系。金属细丝的电阻 R 与丝的长度 L 成正比，而与其截面面积成反比，按物理学有下列公式： LRA式中， 是金属的电阻率，当细丝因受拉力而伸长时，其电阻发生变化，此变化可由对上式的微分求的 dRLdA细丝伸长由泊松效应（ 为泊松比）引起截面变化： ，2dL代入上式有： 12dRdL据高压下金属丝性能研究发现有： dVm式中，为金属细丝的初始体积 ，为比例系数，在一定范AL围内，对特定材料和加工方法，是常数，由细丝轴向应变 dL得出 ，12dVdL012()RmK12()m在一定应变范围内 是常数，因此 也是常数，即电阻相对变化,与应变成比例， 称为金属丝的灵敏系数。0K电阻应变片接入电桥个桥臂，电桥由电流电压供源，电压输出桥示意图如下，个桥臂电阻分别为 ， ， ， ，供源电压为1R234R，电桥输出为 ，则1U0U240 1123()()()()2U134()4Kb.扭矩的测量用全桥接线的方式，如下图的连接，全桥连接可以增大桥臂系数，同时选择这样对面 180 度，沿 45 度和 135 度线垂直贴应变片还可以抵消拉压和弯曲载荷带来的影响。R 1R 2R 3R 4检测扭转时应变片的粘贴示意图
