一种车架扭转刚度实验测量装置及方法

1.本技术涉及刚度测量技术领域，尤其涉及一种车架扭转刚度实验测量装置及方法。


背景技术：

2.赛车在跑动过程中需要承受来自车上各总成的载荷以及地面所带来的振动冲击。车架刚度是衡量车架在各种载荷下抵抗变形的能力的指标，刚度越大，其承受载荷的能力就越强，产生的变形就越小，如果车架的刚度不足，那么赛车在比赛中承受各种载荷时，车架会产生较大的变形，很可能会使车手受到伤害或损害赛车上的部件及总成，因此，车架的刚度仿真和实验对于赛车整体性能的提升具有重要的意义。
3.目前，大部分赛车车架的扭转刚度测量方法只是停留在仿真计算方面，并且由于实际加工工艺的影响，导致赛车的车架扭转刚度必然会与仿真结果产生一定的偏差，因此评价赛车的车架扭转刚度仍需要车架的实验数据资料进行支撑。为此，本发明提出一种车架扭转刚度实验测量装置及方法。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种车架扭转刚度实验测量装置及方法，使得能够准确地测量得到车架的扭转刚度，并且结构简单，操作方便且成本较低。
5.本技术第一方面提供了一种车架扭转刚度实验测量装置，包括：焊接平台、车架和载荷施加装置，所述车架通过固定支座悬空设置在所述焊接平台上，所述固定支座位于所述车架的后悬位置，所述车架从前部至后部依次排列安装有至少五个激光笔，所述载荷施加装置包括施力方向相反的第一施力组件和第二施力组件，所述第一施力组件和所述第二施力组件对称连接于所述车架前悬位置的左右两侧。
6.可选地，还包括：用于记录各所述激光笔所射出光点的坐标的网格纸，所述网格纸设置在刚性墙上。
7.可选地，所述第一施力组件包括固定框架、设置在所述固定框架内顶部的滑轮、设置在所述滑轮上的第一钢丝绳以及与所述第一钢丝绳一端连接的第一砝码，所述第一钢丝绳的另一端与所述车架前悬一侧的管件连接；所述第二施力组件包括第二钢丝绳和第二砝码，所述第二钢丝绳的一端与所述第二砝码连接，另一端与所述车架前悬另一侧的管件连接；所述第一砝码与所述第二砝码的重量相等。
8.可选地，所述第一钢丝绳和所述第二钢丝绳分别套设在所述车架前悬两侧的管件上，并通过固定夹固定。
9.可选地，所述固定框架由铝型材和角码相互连接组成矩形框体结构。
10.可选地，所述激光笔的位置至少包括车架前隔板平面、车架前悬平面、车架前环平面、车架后悬平面以及车架最后平面。
11.可选地，所述激光笔通过固定支架固定在所述车架的管件上。
12.可选地，所述固定支架为插装式固定支架或套管式固定支架。
13.可选地，所述固定支座的数量为多个，且多个所述固定支座均与所述焊接平台螺栓连接。
14.本技术第二方面提供了一种基于上述的车架扭转刚度实验测量装置的测量方法，该方法具体包括以下步骤：
15.s101、准备实验工具、场地，将车架移至实验场地中；
16.s102、利用固定支座将所述车架后悬部分固定到焊接平台上，使所述车架悬空；
17.s103、将激光笔分别安装在所述车架的前隔板平面、前悬平面、前环平面、后悬平面以及最后平面，测量各个平面之间的距离li，同时在远处的刚性墙上放置网格纸；
18.s104、打开所述激光笔并调整所述激光笔的位置，使各所述激光笔均投影至刚性墙上，并保证所有光点都落在网格纸上；
19.s105、记录此时各所述激光笔与所述网格纸之间的距离li和各所述光点位于所述网格纸上的坐标(xi,yi)；
20.s106、利用第一施力组件和第二施力组件在车架前悬位置两侧施加大小相等方向相反的力f，并测量加载点之间的距离l；
21.s107、记录此时各所述光点位于所述网格纸上的坐标(xi',yi')，并计算得到δyi；
22.s108、利用三角函数公式计算各所述激光笔安装平面的扭转角度θi；
23.s109、根据得到的li和θi插值计算得到前悬平面和后悬平面的扭转角度θf和θr，并利用公式计算扭转刚度kb。
24.从以上技术方案可以看出，本技术实施例具有以下优点：本车架扭转刚度实验测量装置通过在车架上设置激光笔和载荷施加装置，利用光路的直线性，将车架微小的角度变化转变为激光在远处一刚性墙上投影光点的位移距离，通过测量光点移动的距离和激光笔与刚性墙之间的距离，即可利用函数关系求得车架的扭转刚度。其结构简单，操作方便且成本较低，能够准确地测量得到车架的扭转刚度，同时，利用仿真的方法对比实验结果，能够验证实验的准确性和流程的可靠性。
附图说明
25.图1为本技术实施例中车架扭转刚度实验测量装置的结构示意图；
26.图2为本技术实施例中固定支座的安装结构示意图；
27.图3为本技术实施例中激光笔的安装位置示意图；
28.图4为本技术实施例中固定支架的结构示意图；
29.图5为本技术实施例中载荷施加装置的结构示意图；
30.图6为本技术实施例中车架扭转刚度实验测量装置使用时的结构示意图；
31.图7为本技术实施例中车架扭转刚度实验测量方法的操作流程图；
32.图8为本技术实施例中测量车架扭转刚度时的原理图；
33.图9为本技术实施例中利用有限元分析软件ansys对车架进行仿真后的仿真结果图；
34.其中，附图标记为：
35.1-车架，2-焊接平台，3-固定支座，4-激光笔，5-套管式固定支架，6-插装式固定支
架，7-铝型材，8-角码，9-第一砝码，10-第一钢丝绳，11-挂钩支架，12-滑轮支架，13-滑轮，14-固定夹，15-网格纸，16-刚性墙，17-第二砝码，18-第二钢丝绳。
具体实施方式
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
37.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
39.发明人发现：由于赛车的车架扭转刚度必然会与仿真结果产生偏差，因此需要通过实验的方法验证车架的扭转刚度，同时也为检验车架扭转刚度的仿真模型的正确性提供了数据的指导。此外，由于各高校车队条件的限制，需要一种成本较低、操作相对简便、实验结果较为精确的扭转刚度实验方法。
40.本技术提供了一种车架扭转刚度实验测量装置的一个实施例，具体请参阅图1。
41.本实施例中的车架扭转刚度实验测量装置包括：焊接平台2、车架1和载荷施加装置，车架1通过固定支座3悬空设置在焊接平台2上，固定支座3位于车架1的后悬位置，车架1从前部至后部依次排列安装有至少五个激光笔4，载荷施加装置包括施力方向相反的第一施力组件和第二施力组件，第一施力组件和第二施力组件对称连接于车架1前悬位置的左右两侧。
42.需要说明的是：本车架扭转刚度实验测量装置通过在车架1上设置激光笔4和载荷施加装置，利用光路的直线性，将车架1微小的角度变化转变为激光在远处一刚性墙16上投影光点的位移距离，通过测量光点移动的距离和激光笔4与刚性墙16之间的距离，即可利用函数关系求得车架1的扭转刚度。其结构简单，操作方便且成本较低，能够准确地测量得到车架1的扭转刚度，同时，利用仿真的方法对比实验结果，能够验证实验的准确性和流程的可靠性。
43.以上为本技术实施例提供的一种车架扭转刚度实验测量装置的实施例一，以下为本技术实施例提供的一种车架扭转刚度实验测量装置的实施例二，具体请参阅图1至图9。
44.本实施例中的车架扭转刚度实验测量装置包括：焊接平台2、车架1和载荷施加装置，车架1通过固定支座3悬空设置在焊接平台2上，即车架1与焊接平台2之间具有一定距离；固定支座3位于车架1的后悬位置，车架1从前部至后部依次排列安装有至少五个激光笔4，载荷施加装置包括施力方向相反的第一施力组件和第二施力组件，第一施力组件和第二
施力组件对称连接于车架1前悬位置的左右两侧。
45.如图6所示，还包括：用于记录各激光笔4所射出光点的坐标的网格纸15，网格纸15设置在刚性墙16上。
46.具体的，如图5所示，第一施力组件包括固定框架、设置在固定框架内顶部的滑轮13、设置在滑轮13上的第一钢丝绳10以及与第一钢丝绳10一端连接的第一砝码9，第一钢丝绳10的另一端与车架1前悬一侧的管件连接；第二施力组件包括第二钢丝绳18和第二砝码17，第二钢丝绳18的一端与第二砝码17连接，另一端与车架1前悬另一侧的管件连接；第一砝码9与第二砝码17的重量相等。
47.可以理解的是，第一砝码9通过第一钢丝绳10和滑轮13的配合可以对车架1前悬一侧的管件施加向上的拉力，而第二砝码17通过第二钢丝绳18直接与车架1前悬另一侧的管件相连，利用自身重力对其施加向下的拉力，通过在车架1前悬位置两侧施加大小相等、方向相反的力使车架1发生扭转变形。
48.需要说明的是：通过采用激光笔4、滑轮13、砝码等成本较低的工具，有效降低了装置的成本，并提高了装置的可操作性。
49.第一钢丝绳10和第二钢丝绳18分别套设在车架1前悬两侧的管件上，并通过固定夹14固定。可以理解的是，第一钢丝绳10和第二钢丝绳18也可以采用固定夹14与第一砝码9和第二砝码17连接，具体的，第一钢丝绳10和第二钢丝绳18分别套设在第一砝码9和第二砝码17上，并通过固定夹14固定。
50.具体的，固定框架由铝型材7和角码8相互连接组成矩形框体结构。位于上方的铝型材7上设置有挂钩支架11，滑轮13安装在滑轮支架12上，滑轮支架12挂接在挂钩支架11上。
51.如图3所示，激光笔4的位置至少包括车架1前隔板平面、车架1前悬平面、车架1前环平面、车架1后悬平面以及车架1最后平面。
52.激光笔4可以通过固定支架固定在车架1的管件上。具体的，如图4所示，固定支架可以为插装式固定支架6或套管式固定支架5，其中，插装式固定支架6通过插装在车架1的管件上进行固定；套管式固定支架5通过套在车架1的管件上进行固定。
53.需要说明的是：由于车架1前隔板、前环这两个位置的管件是水平方向的，若需要安装激光笔4，则最简单的方法是采用套管式固定支架5对激光笔4进行安装，而在前悬、后悬和最后平面的管件是竖直的，此时采用插装式固定支架6会比较合适，可根据需要选择使用。
54.如图2所示，固定支座3的数量为多个，且多个固定支座3均与焊接平台2螺栓连接，使车架1固定在焊接平台2上。
55.如图7所示，本技术还提供了一种基于上述的车架扭转刚度实验测量装置的测量方法，该方法具体包括以下步骤：
56.s101、准备实验工具、场地，将车架1移至实验场地中；
57.s102、利用固定支座3将车架1后悬部分固定到焊接平台2上，使车架1悬空；
58.s103、将激光笔4分别安装在车架1的前隔板平面、前悬平面、前环平面、后悬平面以及最后平面，测量各个平面之间的距离li，同时在远处的刚性墙16上放置网格纸15；
59.s104、打开激光笔4并调整激光笔4的位置，使各激光笔4均投影至刚性墙16上，并
保证所有光点都落在网格纸15上；
60.s105、记录此时各激光笔4与网格纸15之间的距离li和各光点位于网格纸15上的坐标(xi,yi)；
61.s106、利用第一施力组件和第二施力组件在车架1前悬位置两侧施加大小相等方向相反的力f，并测量加载点之间的距离l；
62.s107、记录此时各光点位于网格纸15上的坐标(xi',yi')，并计算得到δyi；
63.s108、利用三角函数公式计算各激光笔4安装平面的扭转角度θi；
64.s109、根据得到的li和θi插值计算得到前悬平面和后悬平面的扭转角度θf和θr，并利用公式计算扭转刚度kb。
65.具体实施时，首先，用铝型材7和角码8拼装组成固定框架，将挂钩支架11连接在铝型材7上，将滑轮13与滑轮支架12通过轴进行连接，使滑轮13可以在滑轮支架12上绕滑轮13中心转动，然后将滑轮支架12通过悬挂的方式挂在挂钩支架11上。
66.接着，将车架1放置在焊接平台2上，并利用固定支座3将车架1后悬部分固定在焊接平台2上，固定支座3与焊接平台2之间采用螺栓连接，使固定支座3不能相对于焊接平台2任意移动，同时，固定支座3套在车架1后悬的管件上，并用螺栓锁紧，使固定支座3不能相对于车架1任意移动。至此使车架1完全固定在焊接平台2上，不能相对于焊接平台2任意移动。
67.将套管式固定支架5套在车架1的平面上，并采用螺栓进行固定，同时将插装式固定支架6插在车架1的管件上，将激光笔4套在套管式固定支架5和插装式固定支架6上。安装完成后测量各安装激光笔4平面之间的距离li，同时在远处的刚性墙16上放置网格纸15。
68.打开激光笔4并调整射出光点的位置，保证所有光点都落在网格纸15上，如图6所示。记录此时各激光笔4与网格纸15之间的距离li和各光点位于网格纸15上的坐标(xi,yi)。
69.将第一砝码9和第二砝码17分别用第一钢丝绳10和第二钢丝绳18套住，并用固定夹14固定。将套好第二砝码17的第二钢丝绳18套在车架1前悬一侧的管件上，并用固定夹14固定；将套好第一砝码9的第一钢丝绳10绕过滑轮13并套在车架1前悬另一侧的管件上，并用固定夹14固定。
70.完成装置搭建后使车架1前悬部分悬空，同时使前悬两侧的第一砝码9和第二砝码17悬空，由于在车架1前悬位置两侧各施加了大小相等方向相反的力f，因此车架1会发生扭转，此时测量两钢丝绳与车架1连接点之间的距离l，并记录此时各光点位于网格纸15上的坐标(xi',yi')，计算得到δyi。
71.利用三角函数公式计算各个激光笔4安装平面的扭转角度θi，最后根据得到的li和θi插值计算得到前悬平面和后悬平面的扭转角度θf和θr，并利用公式计算扭转刚度kb。
72.本车架扭转刚度实验测量方法的计算推导过程如下：
73.在第一砝码9和第二砝码17未悬空时，对车架1两侧并没有加载力，此时光点位于网格纸15上的坐标(xi,yi)，在第一砝码9和第二砝码17悬空时，对车架1两侧加载了大小相等方向相反的一对力，此时车架1受到扭转会发生形变，因此激光笔4会产生一定的扭转角度θi，通过记录此时网格纸15上的坐标(xi',yi')，可计算得到δyi，由测量得到的激光笔4与网格纸15之间的距离li，可以根据三角函数公式(1)计算得到各激光笔4的扭转角度θi为：
74.75.根据测量得到的平面之间的距离li、前悬平面与激光笔4之间的距离lf、后悬平面与激光笔4之间的距离lr及各激光笔4的扭转角度θi，可以根据公式(2)和公式(3)插值计算得到前悬与后悬的扭转角度θf和θr：
[0076][0077][0078]
由第一砝码9和第二砝码17的重量m和重力加速度g可以得到在车架1两端加载的力的大小为：f＝mg。
[0079]
根据测量得到的第一砝码9和第二砝码17在车架1上的加载点之间的距离l可以计算得到在车架1前悬施加的扭矩：t＝fl
[0080]
对于扭转刚度，可以通过将车架1等效为一理想等直圆杆，当其扭转时，任取两个横截面，定义两个横截面的相对扭转角为θ，选取一横截面为研究对象，通过测量其相对扭转角和施加扭矩计算车架1的扭转刚度，如图8所示。故由公式(4)可以计算得到车架1的扭转刚度kb：
[0081][0082]
本车架扭转刚度实验测量方法经仿真验证其准确性如下所述：
[0083]
在有限元分析软件ansys中对车架1的后悬部分，即固定支架安装位置进行固定约束，对前悬部分，即第一钢丝绳10和第二钢丝绳18与车架1连接点位置分别施加一大小相等方向相反的力f，其中f＝mg。仿真结果如图9所示，代入公式(4)计算得到车架1的扭转刚度kb'＝1728.2n
·
m。
[0084]
采用本车架扭转刚度实验测量方法计算得到的扭转刚度kb＝1657.5n
·
m，由此可以得到与仿真值的相对误差为：
[0085][0086]
可以看出误差在工程允许的范围内，实现了低成本测量车架1扭转刚度的目的。
[0087]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。