一种扭力轴疲劳测试装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种扭力轴疲劳测试装置及试验方法，涉及扭力轴疲劳测试技术领域，扭力轴疲劳测试装置包括支架、液压缸、液压控制系统、连接件和磁场辅助装置，支架用于支撑扭力轴，扭力轴的两端分别为固定端和扭转端，固定端固定于支架上，扭转端能够绕自身轴线转动地设置于支架上；液压缸用于向扭力轴提供扭转扭矩；液压控制系统控制液压缸工作；连接件的一端和扭转端转动连接，另一端和液压缸的自由端转动连接，液压缸通过连接件驱动扭转端往复扭转；磁场辅助装置能够对预扭过程中的扭力轴进行磁化。本发明公开的方案方便对扭力轴进行长时间的疲劳测试。

权利要求

1.一种扭力轴疲劳测试装置，其特征在于：包括：

支架，起到承载作用，所述支架用于支撑所述扭力轴，所述扭力轴的两端分别为固定端和扭转端，所述固定端固定于所述支架上，所述扭转端能够绕自身轴线转动地设置于所述支架上；

液压缸，用于向所述扭力轴提供扭转扭矩；

液压控制系统，控制所述液压缸工作；

连接件，所述连接件的一端和所述扭转端转动连接，另一端和所述液压缸的自由端转动连接，所述液压缸通过所述连接件驱动所述扭转端往复扭转；

磁场辅助装置，所述磁场辅助装置能够对预扭过程中的所述扭力轴进行磁滞伸缩；

所述支架用于支撑两个所述扭力轴，所述液压缸的自由端分别通过两个所述连接件与两个所述扭力轴进行连接，且两个所述扭力轴关于第一平面对称设置，两个所述连接件也关于所述第一平面对称设置；所述液压缸的推杆处于初始状态时，所述推杆的自由端高度低于所述扭力轴，且所述连接件与竖直方向之间存在夹角；

所述液压缸的推杆伸出过程中，所述连接件与竖直方向之间的夹角逐渐变大直至呈水平状态，两个所述连接件铰接于所述推杆的自由端的结构相抵接；

所述磁场辅助装置为磁感应线圈装置，导电线圈螺旋围绕于所述扭力轴的外侧。

2.根据权利要求1所述的扭力轴疲劳测试装置，其特征在于：还包括位置传感器、压力传感器和PLC控制系统，所述位置传感器用于检测所述液压缸自由端的位置并传输至所述PLC控制系统中；

所述压力传感器用于检测所述液压缸中无杆腔的油压并传输至所述PLC控制系统中；

所述PLC控制系统控制所述液压控制系统工作。

3.根据权利要求1所述的扭力轴疲劳测试装置，其特征在于：所述固定端套设有第一花键套，所述第一花键套固定于所述支架上；

所述扭转端套设有第二花键套，所述第二花键套通过轴承转动设置于所述支架上；所述第二花键套的外端从所述轴承中伸出且伸出段设置有外花键，所述第二花键套的伸出段外套设有第三花键套，所述第三花键套外壁一侧固定设置有轴环，所述第三花键套通过销轴以及所述轴环与所述连接件转动连接。

4.根据权利要求3所述的扭力轴疲劳测试装置，其特征在于：所述第二花键套和所述第三花键套外壁盖设有端盖，所述端盖通过多个螺钉与所述第二花键套以及所述第三花键套固定连接。

5.根据权利要求3所述的扭力轴疲劳测试装置，其特征在于：所述液压缸的两侧分别设置有两个支撑杆，所述支撑杆位于所述连接件的正下方。

6.根据权利要求1所述的扭力轴疲劳测试装置，其特征在于：所述液压控制系统包括三位四通阀、定向液压马达和油箱，所述油箱通过第一管路和所述三位四通阀的进油口连通，所述定向液压马达设于所述第一管路上，所述三位四通阀的回油口通过第二管路和油箱连通，所述第二管路上设置有溢流阀；所述三位四通阀的两个油缸进出油口分别通过第三管路和第四管路与所述液压缸的有杆腔和无杆腔连通，所述第四管路上设置有单向阀，所述无杆腔通过第五管路和油箱连通，所述第五管路设置有液控单向阀，液控单向阀和所述第三管路通过控制油路连通；所述第四管路还连通有一个蓄能器；

所述三位四通阀工作在左位时，所述定向液压马达启动，所述无杆腔在压力作用下推动推杆上移，单向阀开启，液控单向阀关闭；

所述三位四通阀工作在中位时，所述定向液压马达启动，所述液压缸内继续注入液压油，所述蓄能器起到保压作用，多余的液压油会通过所述溢流阀流回油箱；

所述三位四通阀工作在右位时，所述定向液压马达启动，所述液压缸有杆腔在压力作用下推动推杆下移，液控单向阀开启，单向阀关闭。

7.根据权利要求1所述的扭力轴疲劳测试装置，其特征在于：所述连接件为滑动缸。

8.一种扭力轴疲劳试验方法，其特征在于：采用权利要求1 7任意一项所述的扭力轴疲~劳测试装置进行测试，包括：

步骤一、对扭力轴进行预扭；

步骤二、将预扭完的扭力轴取下，重新安装，使得带有残余角的扭力轴的扭转端置于起始位置，重复疲劳测试直至扭断。

说明书

一种扭力轴疲劳测试装置及试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及扭力轴疲劳测试技术领域，特别是涉及一种扭力轴疲劳测试装置及试验方法。

背景技术

[0002] 特种车辆扭力轴为悬挂系统的关重件。特种车辆在崎岖道路行驶过程中使得扭力轴长期承受交变循环扭转载荷作用，扭力轴材料表面容易产生不可恢复的塑性变形，材料表层或者次表层产生微裂纹，最终发生疲劳断裂，从而影响扭力轴的疲劳寿命，对特种车辆整体造成不可估量的损失。

[0003] 扭力轴制造工艺过程复杂，尤其是高周期的寿命预测是一项技术难题，在特种车辆上进行疲劳寿命检测时间成本较高，可以通过专用的疲劳测试装置预测扭力轴在多工艺加工后的疲劳寿命。

[0004] 因此，亟需一种专用的疲劳测试装置来预测扭力轴在多工艺加工后的疲劳寿命。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种扭力轴疲劳测试装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，方便对扭力轴进行长时间的疲劳测试，且可实现磁滞伸缩预扭过程，实现稳定快速的塑性变形，发生磁滞伸缩效应，产生更加稳定的残余角。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0007] 本发明提供一种扭力轴疲劳测试装置，包括：

[0008] 支架，起到承载作用，所述支架用于支撑所述扭力轴，所述扭力轴的两端分别为固定端和扭转端，所述固定端固定于所述支架上，所述扭转端能够绕自身轴线转动地设置于所述支架上；

[0009] 液压缸，用于向所述扭力轴提供扭转扭矩；

[0010] 液压控制系统，控制所述液压缸工作；

[0011] 连接件，所述连接件的一端和所述扭转端转动连接，另一端和所述液压缸的自由端转动连接，所述液压缸通过所述连接件驱动所述扭转端往复扭转；

[0012] 磁场辅助装置，所述磁场辅助装置能够对预扭过程中的所述扭力轴进行磁滞伸缩。

[0013] 优选的，所述支架用于支撑两个所述扭力轴，所述液压缸的自由端分别通过两个所述连接件与两个所述扭力轴进行连接，且两个所述扭力轴关于第一平面对称设置，两个所述连接件也关于所述第一平面对称设置；所述液压缸的推杆处于初始状态时，所述推杆的自由端高度低于所述扭力轴，且所述连接件与竖直方向之间存在夹角；

[0014] 所述液压缸的推杆伸出过程中，所述连接件与竖直方向之间的夹角逐渐变大直至呈水平状态，两个所述连接件铰接于所述推杆的自由端的结构相抵接。

[0015] 优选的，还包括位置传感器、压力传感器和PLC控制系统，所述位置传感器用于检测所述液压缸自由端的位置并传输至所述PLC控制系统中；

[0016] 所述压力传感器用于检测所述液压缸中无杆腔的油压并传输至所述PLC控制系统中；

[0017] 所述PLC控制系统控制所述液压控制系统工作。

[0018] 优选的，所述磁场辅助装置为磁感应线圈装置，磁感应线圈围绕于所述扭力轴的外侧。

[0019] 优选的，所述固定端套设有第一花键套，所述第一花键套固定于所述支架上；

[0020] 所述扭转端套设有第二花键套，所述第二花键套通过轴承转动设置于所述支架上；所述第二花键套的外端从所述轴承中伸出且伸出段设置有外花键，所述第二花键套的伸出段外套设有第三花键套，所述第三花键套外壁一侧固定设置有轴环，所述第三花键套通过销轴以及所述轴环与所述连接件转动连接。

[0021] 优选的，所述第二花键套和所述第三花键套外壁盖设有端盖，所述端盖通过多个螺钉与所述第二花键套以及所述第三花键套固定连接。

[0022] 优选的，所述液压缸的两侧分别设置有两个支撑杆，所述支撑杆位于所述连接件的正下方。

[0023] 优选的，所述液压控制系统包括三位四通阀、定向液压马达和油箱，所述油箱通过第一管路和所述三位四通阀的进油口连通，所述定向液压马达设于所述第一管路上，所述三位四通阀的回油口通过第二管路和油箱连通，所述第二管路上设置有溢流阀；所述三位四通阀的两个油缸进出油口分别通过第三管路和第四管路与所述液压缸的有杆腔和无杆腔连通，所述第四管路上设置有单向阀，所述无杆腔通过第五管路和油箱连通，所述第五管路设置有液控单向阀，所述液控单向阀和所述第三管路通过控制油路连通；所述第四管路还连通有一个蓄能器；

[0024] 所述三位四通阀工作在左位时，所述定向液压马达启动，所述无杆腔在压力作用下推动推杆上移，所述单向阀开启，所述液控单向阀关闭；

[0025] 所述三位四通阀工作在中位时，所述定向液压马达启动，所述液压缸内还会注入液压油，所述蓄能器起到保压作用，多余的液压油会通过所述溢流阀流回油箱；

[0026] 所述三位四通阀工作在右位时，所述定向液压马达启动，所述液压缸有杆腔在压力作用下推动推杆下移，所述液控单向阀开启，所述单向阀关闭。

[0027] 优选的，所述连接件为滑动缸。

[0028] 本发明还提供了一种扭力轴疲劳试验方法，采用如上所述的扭力轴疲劳测试装置进行测试，包括：

[0029] 步骤一、对扭力轴进行预扭；

[0030] 步骤二、将预扭完的扭力轴取下，重新安装，使得带有残余角的扭力轴置于起始位置，重复疲劳测试直至扭断。

[0031] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

[0032] 本发明提供的扭力轴疲劳测试装置通过液压控制系统控制液压缸驱动扭力轴进行扭转，扭转过程稳定牢靠。

[0033] 进一步的，可一次性对两根扭力轴进行扭转。

[0034] 进一步的，可实现磁滞伸缩预扭过程，实现稳定快速的塑性变形，发生磁滞伸缩效应，产生更加稳定的残余角。

附图说明

[0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的附图。

[0036] 图1为实施例一提供的扭力轴疲劳测试装置的结构示意图；

[0037] 图2为液压控制系统示意图；

[0038] 图3为扭力轴扭转角度原理解析示意图；

[0039] 图4为磁场有限元分析矢量图；

[0040] 图中：1‑支架；2‑扭力轴；3‑磁感应线圈；4‑轴承；5‑第三花键套；6‑第二花键套；7‑轴环；8‑销轴；9‑连接件；10‑位置传感器；11‑液压缸；12‑压力传感器；13‑支撑杆；14‑液压控制系统；15‑PLC控制系统；16‑端盖；17‑时间计时器；18‑磁感应器电源；19‑第一花键套；20‑电磁开关；21‑液控单向阀；22‑三位四通阀；23‑节流阀；24‑减压阀；25‑溢流阀；26‑单向阀；27‑蓄能器；28‑定向液压马达；29‑截止阀。

具体实施方式

[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0042] 本发明的目的是提供一种扭力轴疲劳测试装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，方便对扭力轴进行长时间的疲劳测试。

[0043] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0044] 实施例一

[0045] 本实施例提供一种扭力轴疲劳测试装置，如图1所示，包括：

[0046] 支架1，起到承载作用，支架1用于支撑扭力轴2，扭力轴2的两端分别为固定端和扭转端，固定端固定于支架1上，扭转端能够绕自身轴线转动地设置于支架1上；

[0047] 液压缸11，用于向扭力轴2提供扭转扭矩；

[0048] 液压控制系统14，控制液压缸11工作；

[0049] 连接件9，连接件9的一端和扭转端转动连接，另一端和液压缸11的自由端转动连接，液压缸11通过连接件9驱动扭转端往复扭转；

[0050] 磁场辅助装置，磁场辅助装置能够对预扭过程中的扭力轴2进行磁滞伸缩。

[0051] 其中，如图2所示，液压控制系统14包括三位四通阀22、定向液压马达28和油箱，油箱通过第一管路和三位四通阀22的进油口连通，定向液压马达28设于第一管路上，三位四通阀22的回油口通过第二管路和油箱连通，第二管路上设置有溢流阀；三位四通阀22的两个油缸进出油口分别通过第三管路和第四管路与液压缸11的有杆腔和无杆腔连通，第四管路上设置有单向阀26，无杆腔通过第五管路和油箱连通，第五管路设置有液控单向阀21，液控单向阀21和第三管路通过控制油路连通；第四管路还连通有一个蓄能器27；

[0052] 三位四通阀22工作在左位时，定向液压马达28启动，无杆腔在压力作用下推动推杆上移，单向阀26开启，液控单向阀21关闭；

[0053] 三位四通阀22工作在中位时，定向液压马达28启动，液压缸11内还会注入液压油，蓄能器27起到保压作用，多余的液压油会通过溢流阀流回油箱；

[0054] 当推杆到达顶部位置时，可根据需要结合蓄能器27实现停歇保载运动，使得无杆腔压力恒定。当液压缸11压力过载或扭力轴2扭断时，液压缸11下方的压力传感器12会检测出异常，进而启动截止阀29，液压控制系统14快速泄油，起到自动停止和自我保护功能。

[0055] 三位四通阀22工作在右位时，定向液压马达28启动，液压缸11有杆腔在压力作用下推动推杆下移，液控单向阀21开启，单向阀26关闭。

[0056] 三位四通阀22由PLC控制系统15控制电磁开关20控制，PLC控制系统15控制电磁开关20在触头Ⅰ时，三位四通阀22工作在左位；PLC控制系统15控制电磁开关20作用在触头Ⅱ时，三位四通阀22工作在中位；PLC控制系统15控制电磁开关20作用在触头Ⅲ时，三位四通阀22工作在右位；进行反复的扭力测试时；PLC控制系统15控制电磁开关20在Ⅰ、Ⅲ之间来回切换。

[0057] 本实施例提供的扭力轴疲劳测试装置通过液压控制系统14控制液压缸11驱动扭力轴2进行扭转，扭转过程稳定牢靠。

[0058] 在其他实施例中，也可采用现有技术中的液压控制系统14，只要能够实现液压缸11往复驱动扭力轴2扭转即可。

[0059] 于一些实施例中，支架1用于支撑两个扭力轴2，两个扭力轴2平行且对称设置，液压缸11的自由端分别通过两个连接件9与两个扭力轴2进行连接，且两个扭力轴2关于第一平面对称设置，两个连接件9也关于第一平面对称设置。

[0060] 如图3所示，液压缸11的推杆处于初始状态时，推杆的自由端高度低于扭力轴2，且连接件9与竖直方向之间存在夹角；轴环7到扭力轴2轴心连线与竖直方向夹角为30°，连接件9与竖直方向夹角大于30°，确保两个扭力轴2均向指定方向扭转。

[0061] 液压缸11的推杆伸出过程中，连接件9与竖直方向之间的夹角逐渐变大直至呈水平状态，两个连接件9铰接于推杆的自由端的结构相抵接，以此实现作用下相互抵消的效果，保证了构件的使用寿命。

[0062] 本实施例可一次性对两根扭力轴2进行扭转，如果两根扭力轴2同时做疲劳测试时，可以比较两根扭力轴2的疲劳寿命，当其中一根扭力轴2扭断时液压控制系统14会自动停止，需要将扭断轴拆卸下来，再启动液压控制系统14续扭第二根扭力轴2，直至第二根轴也扭断，液压控制系统14再次停止。

[0063] 在一些实施例中，本实施例提供的扭力轴疲劳测试装置中还包括位置传感器10、压力传感器12和PLC控制系统15，位置传感器10用于检测液压缸11自由端的位置并传输至PLC控制系统15中；

[0064] 压力传感器12用于检测液压缸11中无杆腔的油压并传输至PLC控制系统15中；

[0065] PLC控制系统15控制液压控制系统14工作。

[0066] 进行疲劳测试时，位置传感器10检测到推杆位置下降至所设定的最低位置时，PLC控制系统15即控制推杆停止下降的同时控制推杆上升；当位置传感器10检测到推杆位置上升至所设定的最高位置时，PLC控制系统15即控制推杆停止上升的同时控制推杆下降，以此循环控制；

[0067] 进行预扭时，启动预扭，推杆上升并驱动扭转端扭转，位置传感器检测推杆移动至所设定的最高位置时，PLC控制系统15控制推杆停止上升并保持一段时间后再控制推杆下降，推杆下降时，因扭力轴存在预扭残余角，扭力轴在未达到初始位置时，即推杆还未恢复到初始位置，此时，无杆腔油压降至0，且被压力传感器检测到，PLC控制系统15立刻控制推杆停止下降并控制推杆上升，以此重复上述过程直至完成预扭。

[0068] 通过设置时间计时器17来记录每根轴的疲劳寿命。

[0069] 扭力轴2与支架1的连接方式方式如下：

[0070] 扭力轴2的固定端套设有第一花键套19，第一花键套19固定于支架1上；

[0071] 扭转端套设有第二花键套6，第二花键套6通过轴承4转动设置于支架1上；第二花键套6的外端从轴承4中伸出且伸出段设置有外花键，第二花键套6的伸出段外套设有第三花键套5，第三花键套5外壁一侧固定设置有轴环7，第三花键套5通过销轴8以及轴环7与连接件9转动连接。

[0072] 第二花键套6和第三花键套5外壁盖设有端盖16，端盖16通过多个螺钉与第二花键套6以及第三花键套5固定连接。

[0073] 于一些实施例中，磁场辅助装置为磁感应线圈3电生磁装置，磁感应线圈3螺旋围绕于扭力轴2的外侧，磁场辅助装置用于对扭力轴2进行磁场控制，在磁场辅助作用下实现预扭过程和保载过程，扭力轴2表面在磁场作用下可实现稳定快速的塑性变形，发生磁滞伸缩效应，产生更加稳定的残余角，经有限元分析计算，线圈匝数为50万圈，通电电流为15A时，磁场强度为1.0808T，通电电流为42A时，磁场强度为3.0262T，可实现0T‑3T之间进行恒定磁场调节。

[0074] 于一些实施例中，液压缸11的两侧分别设置有两个支撑杆13，支撑杆13位于连接件9的正下方，液压缸11可以一次扭转两个扭力轴2，也可以拿掉其中一个连接件9上的销轴8，将拿掉销轴8的连接件9置于支撑杆13上，从而实现液压缸11单独扭转一个扭力轴2的效果。

[0075] 于一些实施例中，连接件9为滑动缸，滑动缸可伸缩，以实现扭转端扭转30度的目的。

[0076] 实施例二

[0077] 本实施例提供了一种扭力轴2疲劳试验方法，采用实施例一所述的扭力轴疲劳测试装置进行测试，包括：

[0078] 步骤一、对扭力轴2进行预扭；

[0079] 预扭过程如下：在位置传感器10监测下，电磁开关20在Ⅰ触头位置时，液压缸11无杆腔在油压P1作用下使得推杆上升，一个扭力轴2实现顺时针预扭30°，另一个扭力轴2实现逆时针预扭30°；然后电磁开关20到达Ⅱ触头位置，保持加载时间1‑2分钟；最后电磁开关20到达Ⅲ触头位置，液压缸11有杆腔在油压P2作用下使得推杆下降，压力传感器12为0压时（压力传感器12感受的压力是来自推杆的反作用力，对于扭力轴来说，经过预扭后，残余角会较大，回弹不到起始位置，回弹回程中，液压缸11的溢流阀始终处于溢流状态，在扭力轴回弹使得推杆下降时，压力传感器感受到的是推杆和溢流阀共同作用时的压力，此时扭力轴回弹到残余角度时，将不再回弹，而溢流阀也停止泄油，压力传感器12检测到了液压缸11的0压位置），停止下降，实现一个周期的预扭，然后控制推杆上升进行后续8 10个周期的预~扭；该装置可同时预扭2根轴，且预扭方向相反，产生的残余角度也相反。

[0080] 步骤二、将预扭完的扭力轴2取下，重新安装，使得带有残余角的扭力轴2的扭转端置于起始位置（即起始0°位置，此状态下轴环7到扭力轴2轴心连线与竖直方向夹角为30°），重复疲劳测试直至扭断；

[0081] 重复疲劳测试时扭力轴2在起始0°与30°之间反复扭转，直至两根扭力轴2疲劳扭断，疲劳测试过程也可以根据需要选择是否打开磁场，磁场可在0T‑3T之间进行恒定磁场调节。

[0082] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。