專利名稱：一種高穩(wěn)定性的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及物理參數(shù)測試臺，特別是一種高穩(wěn)定性的采用三線扭擺振動理論進行剛體動力學參數(shù)測試的測試臺。
背景技術：
剛體動力學參數(shù)是進行剛體或多體系統(tǒng)動力學性能理論設計、仿真分析、虛擬試驗等現(xiàn)代設計分析方法所需的基本、必要輸入參數(shù)。在工業(yè)制造中需要進行剛體動力學參數(shù)測試的待測物通常是由多種零部件、多種材料組成，體積大，質量大，形體不規(guī)則的復雜剛體。例如在汽車等制造業(yè)上，汽車發(fā)動機總成、變速器總成、發(fā)動機與變速器剛性裝配在一起的動力總成等，就是復雜剛體的典型代表。準確獲得汽車上若干復雜剛體的動力學參數(shù)，是建設汽車正向設計開發(fā)能力的必要條件。以汽車動力總成為例，其動力學參數(shù)是進行動力總成隔振設計，整車耐撞性、操縱穩(wěn)定性以及平順性分析的基本輸入參數(shù)。由于其中的零部件數(shù)目多、材料種類多，采用三維數(shù)字模型用數(shù)值方法計算其動力學參數(shù)時，或因沒有三維數(shù)字模型，或因三維數(shù)字模型不完整或不準確，或因難以收集所有零件的準確的材料密度等，難以得到動力學參數(shù)的準確結果。直接測試物理樣機從而準確獲得其剛體動力學參數(shù)是目前行業(yè)通用做法。測試剛體動力學參數(shù)的方法較多，根據測試原理不同可分三類:基于繞定軸轉動的落體測試法，基于繞定軸振動的振擺測試法如單線扭擺法、雙線復擺法、三線扭擺法，以及基于實驗模態(tài)分析的參數(shù)識別法。但快速、高效測試復雜剛體的動力學參數(shù)并能夠判斷測量結果的可靠性與精確性，在操作上一直是一個世界級的難題。大量理論研究和實踐表明，基于三線扭擺振動理論的三線扭擺法是目前精度最高的方法，但它需要設計精巧的測試臺、良好的測試方案、操作技巧、數(shù)據處理和數(shù)據判斷能力。
傳統(tǒng)的三線擺測試臺通常僅用于測量質量小的物體，三線擺支架包括一個底座和一個支撐架，三線擺測試臺的托盤通過擺線吊掛在支撐架頂端，或是支撐架頂端用于吊掛頂盤，托盤再通過擺線吊掛在頂盤下，例如:CN201120209051.7 (三線擺轉動慣量試驗儀)、CN201120000335.5 (電磁制動式三線擺)。在被測物體質量小的情況下，底座及支撐架能夠保證測試臺的平衡，不會影響測試結果，然而針對大質量、大體積的被測物體的剛體動力學參數(shù)測試并不適合在上述測試臺中進行；此外，當被測物體質量過大時，如4(T2000 kg，不適合人工搬動，需要借助起重設備才能放置到測試臺上或從測試臺取下，而外置起重設備如龍門架在起吊及移動過程中容易傾斜，帶來極大的安全隱患。

實用新型內容本實用新型旨在至少解決上述技術缺陷之一提出一種高穩(wěn)定性的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺。本實用新型中的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，包括底盤(2)、三根立柱(8)和頂盤(11)，其特征在于:所述底盤(2)結構以一個正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊；所述頂盤(11)結構以另一正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊，且頂盤(11)的延長邊與底盤(2)的延長邊位于各自中心正三角形的相反側；每根立柱(8 )兩端分別連接底盤(2 )中心三角形一個延長邊頂端和頂盤(11)中心三角形一個延長邊頂端。優(yōu)選地，底盤(2)中心正三角形邊長大于或等于頂盤(11)中心正三角形邊長，且底盤外接圓半徑大于或等于頂盤外接圓半徑。優(yōu)選地，所述測試臺還包括起重架，所述起重架是由三根相同長度的起重梁(9)兩端兩兩相連構成的正三角形結構，所述起重架位于底盤(2)與頂盤(11)之間，且平行于頂盤和頂盤。優(yōu)選地，所述起重梁(9)兩端的兩兩連接方式是焊接、鉚接或螺栓連接。優(yōu)選地，立柱(8)兩端連接有立柱加強板(I )，并通過所述立柱加強板(I)與底盤
(2)、頂盤(11)連接。優(yōu)選地，立柱兩端與立柱加強板(I)的連接方式為焊接、鉚接或螺栓方式；立柱兩端的所述立柱加強板(I)與底盤(2)、頂盤(11)的連接方式為螺栓連接。優(yōu)選地，三根立 柱(8 )均垂直向上擺放或均向底盤與頂盤的中心軸線傾斜，傾斜角度的范圍在0-30°之間。優(yōu)選地，所述立柱(8)長度范圍為1000-15000 mm。優(yōu)選地，所述正三角形結構的起重架各頂點以及三根立柱(8)上分別焊有起重梁加強板(7)，起重架各頂點的起重梁加強板分別與立柱上的起重梁加強板通過螺栓連接。

圖1為本實用新型實施例中的三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺。圖2為本實用新型實施例中三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的支架。圖3為本實用新型實施例中三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的振擺系統(tǒng)。圖4為本實用新型實施例中三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的平衡系統(tǒng)。圖5a和圖5b為本實用新型實施例中三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的托盤示意圖。圖6為本實用新型實施例中三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的托盤升降及定心裝置。I立柱加強板；2底盤；3托盤加強筋；4托盤；5配重塊；6擺線；7起重梁加強板；8立柱；9起重梁；10傳感器；11頂盤；12升降裝置；13定心裝置；14托盤參考標識；15托盤圓形通孔。
具體實施方式
下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。本實用新型中的三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺主要包括四個部分:支架、振擺系統(tǒng)、主動平衡系統(tǒng)、托盤升降及定心裝置。一:三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的支架三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的支架包括底盤2、立柱8、起重梁9和頂盤11。本實用新型中三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的支架底盤2呈放射狀，底盤結構以一個正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊。支架頂盤11與底盤2類似，同樣呈放射狀，頂盤結構同樣以一個正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊，為了給托盤升降裝置12預留安裝空間，頂盤延長邊相對于底盤延長邊位于中心三角形的相反側。例如，底盤中心三角形各邊是沿各邊長的左側延伸，則頂盤中心三角形各邊是沿各邊長的右側延伸，如圖2所示。為了加強支架的穩(wěn)定，底盤2中心正三角形邊長大于或等于頂盤11的中心正三角形邊長，且底盤外接圓半徑大于或等于頂盤外接圓半徑。底盤2和頂盤11是利用型材或槽鋼組成，連接方式可以采用焊接、鉚接、螺栓等。支架包括三根立柱8，立柱可以利用型材、鋼管或無縫鋼管經過截斷加工而成。每根立柱8兩端分別連接底盤中心三角形一個延長邊頂端和頂盤中心三角形一個延長邊頂端，每根立柱下端連接于底盤2中心三角形一個延長邊頂端，上端連接于頂盤11中心三角形對應延長邊頂端；立柱兩端可以通過焊接、鉚接或螺栓方式連接立柱加強板1，立柱兩端的加強板I與底盤2、頂盤11的連接方式可以采用螺栓連接，以方便安裝、拆卸和散件運輸；底盤外接圓半徑大于或等于頂盤外接圓半徑，三根立柱均垂直向上擺放或均向支架中心線(即底盤或頂盤的中軸線)傾斜一定角度，以保證本實用新型所述測試臺支架作為起吊被測剛體的支架時的穩(wěn)定性，便于起吊被測剛體，也無需地腳螺栓固定。為了適應于大體積，大質量的復雜剛體的測量，立柱8長度范圍可以設置在1000^15000 mm之間；立柱向支架中心線的傾角范圍在0 30°之間。支架包括起重架，起重架是由三根相同長度的起重梁9兩端兩兩相連構成的正三角形結構，如圖1所示，其中兩兩連接方式可以是焊接、鉚接或螺栓等；三根起重梁分別位于三根立柱的兩兩之間，可利用型材(如:方鋼、工字鋼等)切斷而成，正三角形起重架上的每一頂點焊有一起重梁加強板7，與焊接于立柱中部的起重梁加強板7通過螺栓連接，以方便安裝、拆卸和散件運輸；起重架位于底盤2與頂盤11之間，且平行于頂盤和頂盤，用于懸掛起重設備如手拉葫蘆或電動葫蘆(可以采用橋式電動葫蘆)，以便將被測剛體吊上托盤4或吊離托盤4。借助于該支架，可以安裝三線擺振擺系統(tǒng)，可以安裝托盤4的升降裝置12，可以安裝被測剛體起吊裝置，同時該支架可以穩(wěn)定地放置于水平地面而無需地腳螺栓固定。二:三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的振擺系統(tǒng)如圖3所示，三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的振擺系統(tǒng)包括三根擺線6、托盤4、托盤加強筋3。托盤4 為圓盤，可以通過型材加工而成，例如用鋼板通過切割加工成的圓盤。[0041]托盤加強筋3固定于托盤下方，托盤加強筋3為等邊三角形結構，或者是與本實用新型中底盤結構或頂盤結構類似，即以一個正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊。若為后者，托盤加強筋中心正三角形的三條延長邊相對于底盤中心正三角形的延長邊位于相反側，例如，底盤中心三角形各邊是沿各邊長的左側延伸，則托盤加強筋中心三角形各邊是沿各邊長的右側延伸。托盤加強筋3通過槽鋼等型材焊接而成。托盤加強筋3與其上的托盤4通過焊接或鉚接或螺栓剛性連接在一起，以增加托盤的翹曲剛度，提高測試精度。托盤加強筋3的懸點所在圓周的半徑等于或大于托盤4的外圓半徑，從而擴展測試臺可測試剛體的形體尺寸上限，同時又不用增大托盤的質量及其轉動慣量，進而擴展測試臺可測試剛體的質量下限。三根擺線6長度相等；擺線上端通過力傳感器10懸掛于三線擺測試臺的頂盤11的三個呈圓周均勻分布的上懸點上，擺線下端懸掛于托盤4或托盤加強筋3的三個呈圓周均勻分布的下懸點上；三根擺線的上懸點所在圓周半徑與下懸點所在圓周半徑相等。三根擺線上懸點所在圓半徑與下懸點所在圓半徑相等時，相較于上、下懸點半徑不等的情形，轉動慣量計算公式簡單，測量參數(shù)少，因而測量精度高。本實用新型中，可以在托盤上開鑿若干圓形通孔15(如圖3所示)，通孔是在以托盤中心點為圓心的圓周上均勻分布，以便在托盤剛度滿足要求的情況下，減輕托盤自身重量，從而擴展測試臺可測試剛體的質量下限。三:三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺的主動平衡系統(tǒng)主動平衡系統(tǒng)包括力傳感器10、配重塊5以及托盤參考標識14。如圖4所示，主動平衡系統(tǒng)中的力傳感器10共三只，分別位于三根擺線的上端，擺線6通過力傳感器10剛性固定于頂盤11的三個呈圓周均勻分布的上懸點上?？衫昧鞲衅鳒y量被測物體的質量。另外，由于在進行轉動慣量的測量時，需要滿足對心的要求，進而保證托盤在扭擺過程中質心僅做上下運動，而力傳感器則可在用于被測物體質量測量的同時，還用來判斷三根擺線 拉力是否相等，當三只力傳感器測量數(shù)值一致時，表明三根擺線拉力相同，滿足了對心的要求，而當三只力傳感器測量數(shù)值不一致時，表明三根擺線拉力不同，托盤受力不均衡，不滿足對心要求，此時，可以進行被測物體的位置、配重塊的位置或大小的調整。其中，三個上懸點或下懸點所在圓的直徑為200-5000mm。主動平衡系統(tǒng)包括若干配重塊5，用于被測剛體在托盤4上因偏置，導致被測剛體不對心(三根擺線6拉力不相等)時，將合適的配重塊5放置于托盤4上，調整其位置，直至三根擺線6拉力相等，從而使被測剛體+配重塊5的質心與托盤中心共鉛垂線，滿足三線擺測試臺的對心要求。其中，托盤4上所放置的配重塊5的質心位置將通過托盤4上表面的參考標識點來確定。所述配重塊5是已知質量及繞其質心鉛垂軸的轉動慣量的任意形狀的質量塊，例如圓盤形質量塊，因其形體規(guī)則，其質心即其中心。繞其質心鉛垂軸的轉動慣量可直接基于理論公式計算，準確，精度高，從而確保三線擺的測試精度。圓盤形配重塊5中心可以開設一通孔(比如直徑20 mm),以便觀察并用記號筆標記其質心在托盤上的投影點；圓盤形質量塊的外圓直徑和厚度因而質量可以任意設定，例如，外圓直徑250 mm、厚度約60 mm的20 kg質量塊,外圓直徑250 mm、厚度約30 mm的10kg質量塊,外圓直徑145 mm、厚度約40 mm的5 kg質量塊,外圓直徑95 mm、厚度約40 mm的2 kg質量塊；質量塊的形狀不僅僅限于圓盤形質量塊，還可以是圓臺形、立方體形等。托盤參考標識14是位于托盤表面的位置標識。如圖5a所示，托盤參考標識可以是標注在托盤表面的以托盤中心為原點的極坐標系141，以托盤中心為原點標識出多個不同半徑的圓環(huán)，基于此，可以確定托盤上任一點的位置信息，從而確定配重塊5的放置位置。可替換地，托盤參考標識也可以以托盤中心為圓心、不同半徑圓周上均勻分布的若干個標記點142,如圖5b所示,標記點為直徑1mm、深Imm的錐孔,標記點在不同半徑的圓周上均勻分布，每個圓周上分布的標記點個數(shù)點分別為四、八、十二等。托盤4上所放置的配重塊5的質量及其繞扭擺軸線的轉動慣量將從整個扭擺系統(tǒng)(即托盤加強筋3+托盤4+被測剛體+配重塊5)的質量及其繞扭擺軸線的轉動慣量中扣除。因為托盤加強筋3+托盤4的質量及繞扭擺軸線的轉動慣量可以預先獲得，此外，配重塊5的質量Ma及繞其質心鉛垂軸的轉動慣量Ja已知,配重塊5繞扭擺軸線的轉動慣量可由托盤參考 標示所確定的配重塊質心投影點到托盤中心的距離r計算得到:Ja+Ma*r2，因而只需一次測試即可獲得被測剛體繞扭擺軸線的轉動慣量Jb，(即將測得的整個扭擺系統(tǒng)繞扭擺軸線的轉動慣量減去托盤加強筋、托盤、配重塊繞扭擺軸線的轉動慣量)，無需卸載被測剛體后再次專門測量配重塊的轉動慣量，以提高測試效率，縮短測試時間，減少誤差環(huán)節(jié)，提聞測量精度。四:三線扭擺法復雜剛體動力學參數(shù)測試臺托盤升降及定心裝置如圖6所示，升降及定心裝置包括升降裝置12、定心裝置13。升降裝置12，由三個千斤頂組成，三個千斤頂屬于同步千斤頂，分別安裝于三線擺測試臺的底盤2上，呈圓周均勻分布。千斤頂?shù)念愋涂梢愿鶕枰`活選擇，如自鎖型同步千斤頂、液壓自鎖同步千斤頂、電動液壓自鎖同步千斤頂?shù)?。定心裝置13包括一個千斤頂，千斤頂活塞上端安裝一定心軸，可以隨活塞一起上升或下降。定心軸上端有5x5倒角，起擺前定心軸隨活塞上升穿過托盤4的中心孔使托盤定位，以便于托盤起擺；起擺后落下定心軸以消除其與托盤4中心孔壁間的摩擦，減小扭擺振動的阻尼，提高周期測量精度。其中，定心裝置可以是手動或電動的液壓千斤頂；相應地，在三線擺測試臺振擺系統(tǒng)中的托盤4的中心設一通孔，以便穿入上述的定心軸，保證托盤僅繞中心鉛垂軸線做純扭擺振動，而不會出現(xiàn)混擺或圓錐運動，確保周期測量精度。盡管已經示出和描述了本實用新型的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求1.一種高穩(wěn)定性的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，所述測試臺包括底盤(2)、三根立柱(8)和頂盤(11)，其特征在于: 所述底盤(2)結構以一個正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊； 所述頂盤(11)結構以另一正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊，且頂盤(11)的延長邊與底盤(2)的延長邊位于各自中心正三角形的相反側； 每根立柱(8 )兩端分別連接底盤(2 )中心三角形一個延長邊頂端和頂盤(11)中心三角形一個延長邊頂端。
2.如權利要求1所述的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，其特征在于，底盤(2)中心正三角形邊長大于或等于頂盤(11)中心正三角形邊長，且底盤外接圓半徑大于或等于頂盤外接圓半徑。
3.如權利要求1所述的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，其特征在于，所述測試臺還包括起重架，所述起重架是由三根相同長度的起重梁(9 )兩端兩兩相連構成的正三角形結構，所述起重架位于底盤(2 )與頂盤(11)之間，且平行于頂盤和頂盤。
4.如權利要求3所述的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，其特征在于，所述起重梁(9)兩端的兩兩連接方式是焊接、鉚接或螺栓連接。
5.如權利要求1所述的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，其特征在于，立柱(8)兩端連接有立柱加強板(I)，并通過所述立柱加強板(I)與底盤(2 )、頂盤(11)連接。
6.如權利要求5所述的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，其特征在于，立柱兩端與立柱加強板(I)的 連接方式為焊接、鉚接或螺栓方式；立柱兩端的所述立柱加強板(I)與底盤(2)、頂盤(11)的連接方式為螺栓連接。
7.如權利要求1所述的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，其特征在于，三根立柱(8)均垂直向上擺放或均向底盤(2 )與頂盤(11)的中心軸線傾斜，傾斜角度的范圍在0-30 °之間。
8.如權利要求1所述的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，其特征在于，所述立柱(8)長度范圍為1000-15000 mm。
9.如權利要求1所述的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，其特征在于，所述正三角形結構的起重架各頂點以及三根立柱(8)上分別焊有起重梁加強板(7)，起重架各頂點的起重梁加強板分別與立柱上的起重梁加強板通過螺栓連接。
專利摘要本實用新型提出一種高穩(wěn)定性的三線扭擺法剛體動力學參數(shù)測試臺，包括底盤(2)、三根立柱(8)和頂盤(11)底盤(2)結構以一個正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊；頂盤(11)結構以另一正三角形為中心，正三角形每條邊沿同一側延長相同長度的延長邊，且頂盤(11)的延長邊與底盤(2)的延長邊位于各自中心正三角形的相反側；每根立柱(8)兩端分別連接底盤(2)中心三角形一個延長邊頂端和頂盤(11)中心三角形一個延長邊頂端。采用本實用新型中的測試臺，無需其他附加固定設施，即能保證測試大質量剛體時的穩(wěn)定性；測試臺安裝、拆卸、運輸方便，且便于大型被測物體在測試臺上的裝卸，提高測試操作的安全性。
文檔編號G01M99/00GK203116982SQ20132008505
公開日2013年8月7日 申請日期2013年2月25日 優(yōu)先權日2013年2月25日
發(fā)明者范讓林 申請人:北京科技大學