CN105784347A - 一种螺旋弹簧动态特性测试系统和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋弹簧动态特性测试系统，包括基座、垂直振动台、位移传感器、弹簧夹具、用于与待测螺旋弹簧两端接触的两组力传感器、固定在待测螺旋弹簧各圈簧条上的加速度传感器及与各传感器相连的信号采集处理装置，垂直振动台和弹簧夹具均固定在基座上，垂直振动台的激励端及弹簧夹具上分别设有第一承载平台和第二承载平台，通过调节二者的距离对待测螺旋弹簧进行预压缩，位移传感器设置在第二承载平台上，两组力传感器分别设置在第一承载平台和第二承载平台上。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、装夹工序简洁和激励频带宽等优点，可实现螺旋弹簧不同预压缩量不同振动幅值下动态参数的测定。

Description

一种螺旋弹簧动态特性测试系统和测试方法

技术领域

本发明涉及动态特性测试技术领域，尤其是涉及一种螺旋弹簧动态特性(包括弹簧两端动刚度及其模态参数)测试系统与方法。

背景技术

在目前车辆动力学建模中，所有螺旋弹簧单元均以无质量简化的恒定静刚度值参数来表示，这在针对20Hz以下的动力学分析是适用的。然而，随着运行速度的不断提高，激励频率不断加大，振动频带加宽，车辆结构所受到的振动激励频率也大幅度提高，以往的弹簧静刚度参数模型不再能够准确表达系统特性，因而十分有必要对悬挂系统的螺旋弹簧的动态特性进行试验测定，以便为车辆动力学仿真提供准确的悬挂动态特性参数，更好的用于车辆动力学性能的计算与评估，为车辆设计尤其是高速车辆设计提供依据。

如今有许多学者从理论和动力学软件仿真角度对螺旋弹簧的动态特性进行了不同程度不同角度的研究，如建立了由不同簧丝制作而成的圆柱螺旋弹簧的动力学模型，并利用该模型推断出各圈螺旋弹簧的变形量及其速度和加速度的时间历程曲线，并通过特定试验证明该类型的仿真模型可以为螺旋弹簧的设计提供理论支持。在簧丝直径与弹簧中径的比值较小的情况下，对已有螺旋弹簧的动力学微分方程进行了渐进性分析，确定有关波动方程的显著系数。这些研究为螺旋弹簧的动态特性分析提供了理论基础，但目前，对于车辆悬挂螺旋弹簧的刚度测试仍停留在低频范围内，且没有较规范的对螺旋弹簧的动态特性进行测试的方法和系统。另外，有关文献也公开了动态刚度的测试方法与系统，这些测试方法和系统只针对特定结构(如钢轨、道岔等)是有效的，通用性不强，至今鲜有人提出专门针对轨道车辆悬挂系统及汽车悬架系统中螺旋弹簧预压缩量可调的动态特性的测试方法与系统。除此之外，由于螺旋弹簧存在波动效应，在激励下其自身内部产生共振导致弹簧两端的动态刚度值不一样，目前尚无人考虑该因素。基于此，本发明提出了一种可以测定螺旋弹簧动态特性参数的系统与方法，主要用于各种螺旋弹簧，主要包括轨道车辆一系悬挂结构中的螺旋压缩钢弹簧的动态特性参数的测定。

中国专利CN101666730B披露了一种振动特性测试仪器及其测试方法，其技术方案为：测试空气弹簧振动特性的设备，包括电动式激振器、激光位移传感器、加速度传感器和力传感器；信号发生器和功率放大器依次与电动式激振器通过电讯号连接；激光位移传感器、加速度传感器和力传感器将其信号传递到电荷放大器进行信号放大后，然后储存于计算机；电动式激振器悬空设置；电荷放大器的信号先进入数据采集系统，再经数据采集系统进入所述计算机。该专利针对空气弹簧系统，采用电动激振器对空簧一端进行力激励，分别安装2个加速度传感器、1个力传感器与2个位移传感器，仅得到空簧一端位移及加速度响应。其采用质量块通过质量块大小来调节弹簧预压缩值程序繁琐且不够精确。在空簧一端加载力测试该处位移与加速度值，由于弹簧整体的形状及高度，仅得到一端的振动响应就代表了整个空气弹簧的振动特性并不准确，过于简化。该专利存在的缺陷包括：仅针对空气弹簧系统，预压缩量调节不够准确，测试目标仅为空气弹簧一端的位移及加速度响应，不能反映出弹簧整体振动特性，无法得到包括弹簧动刚度值在内的弹簧固有特性参数，更不能为其所安装的机械结构进一步分析研究提供所需动态特性参数。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有适用范围广、装夹工序简洁和激励频带宽等优点的螺旋弹簧动态特性测试系统和测试方法，可实现螺旋弹簧不同预压缩量不同振动幅值下动态参数的测定。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种螺旋弹簧动态特性测试系统，用于测试不同长度及预压缩量的螺旋弹簧的动态性能，包括基座、垂直振动台、位移传感器、弹簧夹具、用于与待测螺旋弹簧两端接触的两组力传感器、固定在待测螺旋弹簧各圈簧条上的加速度传感器及与各传感器相连的信号采集处理装置，所述的垂直振动台和弹簧夹具均固定在基座上，所述的垂直振动台的激励端及弹簧夹具上分别设有第一承载平台和第二承载平台，通过调节二者之间的距离对待测螺旋弹簧进行预压缩，所述的位移传感器设置在第二承载平台上，两组力传感器分别设置在第一承载平台和第二承载平台上。

所述的弹簧夹具包括横梁和侧梁，侧梁的一端固定在基座上，另一端通过螺栓及厚度可变的连接板与横梁连接，通过改变连接板的厚度调节第一承载平台和第二承载平台之间的距离。

所述的横梁由两根H型钢并列焊接形成。

所述的侧梁为由四根槽钢焊接形成的日字形结构。

所述的第一承载平台和第二承载平台分别通过螺栓固定在垂直振动台的激励端和横梁上。

每组力传感器均由三个力传感器组成，三个力传感器呈品字形排列，沿待测螺旋弹簧端圈均匀分布。

所述的位移传感器为激光位移传感器，与第一承载平台相对设置。

所述的加速度传感器为三向振动加速度传感器。

一种采用所述的螺旋弹簧动态特性测试系统进行测试的方法，包括以下步骤：

(1)将加速度传感器分别固定在待测螺旋弹簧各圈簧条上，然后将待测螺旋弹簧置于第一承载平台和第二承载平台之间，两端分别与设置在各承载平台上的力传感器接触，通过调节第一承载平台和第二承载平台之间的距离对待测螺旋弹簧的预压缩量进行调节；

(2)控制垂直振动台使激励端产生随机正弦振动，信号采集处理装置对待测螺旋弹簧两端力响应、激励端位移输入、各圈簧条垂向和径向振动加速度响应信号进行采集及后处理，得到待测螺旋弹簧的两端动刚度特性及约束工况下的弹簧模态振型与模态频率值。

垂直振动台的激励端的随机正弦振动的振幅为0.025～51mm、频率为5～2500Hz，振动的振幅小于待测螺旋弹簧的预压缩量。

本发明测试对象为螺旋弹簧，测试目标为螺旋弹簧上下两端处的点刚度与传递刚度两个动态刚度值，而不是弹簧自身一端的振动响应，并且同时可以测试得到两端固定边界条件下的弹簧模态参数。其次，本发明提出采用横梁及侧梁连接组成的弹簧夹具对待测螺旋弹簧进行约束，并利用可变厚度的连接片装置来设置弹簧的预加载量达到精确调节待测弹簧预压缩高度的目的。除此之外，本发明采用的是垂直振动激励系统直接位移输入，在螺旋弹簧上下两端分别设置3个力传感器沿弹簧一圈均匀对称分布呈品字形，达到弹簧端圈3点与力传感器接触平衡的效果，尽量减小测试系统所采集到的载荷数据误差，进一步提高测试精度。

本发明为保证待测螺旋弹簧一端固定，一端自由能够输入位移激励振动，利用H型钢梁作为横梁，槽型钢梁作为侧梁，横梁和侧梁之间采用高强度的螺栓连接，侧梁与基座之间采用高强度的地脚螺栓连接。通过改变侧梁和横梁之间连接板的厚度来调节第一承载平台和第二承载平台之间距离，实现对待测螺旋弹簧不同的压缩量的调节，通过预压缩量大于正弦振动的幅值来保证螺旋弹簧整个试验过程中均处于压缩状态。

本发明中的位移激光传感器位于弹簧夹具上的第二承载平台上，在测试过程中保持固定，与第一承载平台配合，测得两个承载平台之间的相对位移，从而可以测得螺旋弹簧两端之间的相对位移；力传感器分别位于用于测得螺旋弹簧两端的力响应；加速度传感器位于各圈簧条上，可以测得该工况下各圈簧条垂向和径向的振动响应。

本测试系统通过垂直振动台的激励端，可以对待测螺旋弹簧底部施加特定峰值、特定频率的正弦位移激励，通过与第二承载平台固接的激光位移传感器和螺旋弹簧上下两端处的力传感器来采集弹簧下端实际位移x和上下两端力信号F₁和F₂，通过下式可以得出螺旋弹簧的动态刚度(点刚度K_p和传递刚度K_t)值曲线：

$K_p=\frac{F_2}{x}$

$K_t=\frac{F_1}{x}$

本套测试系统通过垂直振动台的激励端，可以对待测螺旋弹簧底部施加特定峰值、特定频率的正弦位移激励，通过与待测螺旋弹簧各圈簧条固结的三向振动加速度传感器可以得到该工况下各圈簧条振动响应和基于底部位移的传递函数，进而可以求出该工况下待测螺旋弹簧的弹性模态参数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)适用范围广：本发明适用于各种轨道车辆及汽车系统中的螺旋弹簧(组)元件的动态特性(弹簧两端动态刚度值和弹性模态参数)的测定。

(2)装夹工序简洁：由于位移传感器位于支架上的第二承载平台上，测量过程中固定，测量精度高；力传感器安装方式简单，这使得螺旋弹簧装夹工序少，便于操作；第一承载平台和第二承载平台分别与垂直振动台的激励端和横梁通过螺栓连接，在便于拆卸的同时本套专用夹具工装适用不同螺旋弹簧动态特性的测定，在专用的基础上又有一定的通用灵活性。

(3)激励频带宽：本发明中的电动振动试验系统激励范围为5～2500Hz，可根据不同预压缩量弹簧进行调节，可以保证足够的螺旋弹簧动态频率使用范围。

(4)试验精度高：本发明的垂直振动台为电动垂直振动台，激励频率最小单位为0.005Hz，激光位移传感器分辨率为0.005mm，试验激励和测试结果精度高。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2-1为本发明的主视结构示意图；

图2-2为第一承载平台上的一组力传感器的分布示意图；

图3为本发明的横梁的结构示意图；

图4为本发明的横梁的左视结构示意图；

图5为本发明的侧梁的结构示意图；

图6为本发明的侧梁的俯视结构示意图；

图7为第二承载平台的结构示意图；

图8为本发明实施例1的螺旋弹簧测试时的力、位移信号时域和频域试验结果图；

图9为本发明实施例1的螺旋弹簧的动态点刚度值曲线；

图10为本发明实施例1的螺旋弹簧的动态传递刚度值曲线；

图11为本发明实施例1的螺旋弹簧的某一阶模态振型图(含模态参数)。

图中，1为垂直振动台，2为横梁，21为H型钢，3为侧梁，31为槽钢，4为基座，5为连接板，6为第二承载平台，7为第一承载平台，8为待测螺旋弹簧，9为力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种螺旋弹簧动态特性测试系统，用于测试螺旋弹簧的动态性能，工作原理图如图1所示，组成结构示意图如图2-1所示，包括基座4、垂直振动台1、位移传感器、专用夹具、用于与待测螺旋弹簧8两端接触的两组力传感器9、固定在待测螺旋弹簧8各圈簧条上的加速度传感器及与各传感器相连的信号采集处理装置。其中，垂直振动台1固定在基座4上，垂直振动台1的激励端通过螺栓固定有第一承载平台7，专用夹具包括横梁2和侧梁3，横梁2由两个H型钢21并列焊接形成，其上通过螺栓固定有第二承载平台6，第一承载平台7和第二承载平台6相对设置，侧梁3为由四根槽钢31焊接形成的日字形结构，一端通过地脚螺栓和底部连接板固定在基座4上，另一端通过螺栓及厚度可变的连接板5与横梁2连接，连接板5设置在横梁2和侧梁3之间，通过控制连接板5的厚度调节第一承载平台7和第二承载平台6之间的距离。位移传感器为激光位移传感器，与第一承载平台7相对设置，反映第一承载平台7和第二承载平台6之间的距离变化，从而可以测得待测螺旋弹簧8两端之间的相对位移，两组力传感器9分别设置在第一承载平台7和第二承载平台6上，每组力传感器9均由三个力传感器9组成，三个力传感器呈品字形排列，沿待测螺旋弹簧端圈均匀分布，第一承载平台7上的力传感器9分布如图2-2所示，加速度传感器采用三向振动加速度传感器，用来测量各圈簧条垂向和径向的振动响应。

本实施例中的待测螺旋弹簧8为某型高速列车一系悬挂系统轴箱内圈弹簧。

本实施例中的H型钢21型号为200mm×200mm，使用时两根并列对焊，形成的横梁2的截面尺寸为400mm×200mm，如图3～4所示；槽钢31型号为14#a，截面尺寸140mm×58mm，使用时四根对焊，形成的侧梁3呈日字形结构，截面尺寸280mm×116mm，横梁2两端各设一根，如图5～6所示；侧梁3与基座4之间的底部连接板的截面尺寸为200mm×400mm，厚度10mm，一端与侧梁3焊接，另外一端与基座4通过地脚螺栓相固结；连接板5尺寸为200mm×400mm，厚度10mm，与横梁2及侧梁3通过螺栓相连接；第一承载平台7尺寸为400mm×400mm，厚度10mm，一端与垂直振动台1的激励端通过内六角螺钉相连接，另一端与待测螺旋弹簧8下端处的力传感器9相互挤压接触；第二承载平台6尺寸为400mm×400mm，厚度10mm，如图7所示，一端与横梁2通过螺栓相连接，另外一端与待测螺旋弹簧8上端处的力传感器9相互挤压接触。

该测试系统的工作原理如图1所示，信号采集处理装置包括数据采集卡和计算机，垂直振动台的激励端的振动通过信号发生器、控制仪和功率放大器控制，信号发生器产生激励信号，通过控制仪和功率放大器，作用到垂直振动台上，垂直振动台的激励端产生振动，待测螺旋弹簧隔圈簧条上的加速度传感器以及位移传感器将信号传递至数据采集卡，力传感器将信号经过前端放大器放大后传递至数据采集卡，然后各数据进入计算机系统进行处理。

采用该螺旋弹簧动态特性测试系统进行测试的方法，包括以下步骤：

(1)将加速度传感器分别刚性固定在待测螺旋弹簧8各圈簧条上，然后将待测螺旋弹簧8置于第一承载平台7和第二承载平台6之间，两端分别与设置在各承载平台上的力传感器接触，调节第一承载平台7和第二承载平台6之间的距离对待测螺旋弹簧8的预压缩量进行调节；

(2)控制垂直振动台1使激励端产生振幅为0.025～51mm、频率为5～2500Hz的随机正弦振动，且振动的振幅小于待测螺旋弹簧的预压缩量，信号采集处理装置对待测螺旋弹簧8两端力响应、激励端位移输入、各圈簧条垂向和径向振动加速度响应信号进行采集及后处理，得到待测螺旋弹簧8的两端动刚度特性及约束工况下的弹簧模态振型与模态频率值。

图8为某频率某激励幅值下，螺旋弹簧下端、上端力信号、下端位移信号的时域与频域结果。从图8可以得到用于数据处理的信号经过滤波处理后的频率单一的力和位移信号，这样可以保证采集到的数据通过刚度计算公式得到图9和图10动刚度值曲线的准确性。

从图9和图10分别为螺旋弹簧的点及传递动刚度，由图可见在低频段内(约20Hz)螺旋弹簧的动态刚度(点刚度和传递刚度值)较静刚度值变化较小，随着激励频率的提高，动态刚度值呈现多个数量级的剧烈波动变化，弹簧的高频动态特性参数通过该测试得到，这为整车动力学性能计算提供了试验参数。

图11为螺旋弹簧在预压缩且两端固定的边界条件下的模态测试结果，对应于其中的某阶模态振型图及其模态频率值、模态阻尼比结果。

Claims (10)

1.一种螺旋弹簧动态特性测试系统，用于测试不同长度及预压缩量的螺旋弹簧的动态性能，其特征在于，包括基座、垂直振动台、位移传感器、弹簧夹具、用于与待测螺旋弹簧两端接触的两组力传感器、固定在待测螺旋弹簧各圈簧条上的加速度传感器及与各传感器相连的信号采集处理装置，所述的垂直振动台和弹簧夹具均固定在基座上，所述的垂直振动台的激励端及弹簧夹具上分别设有第一承载平台和第二承载平台，通过调节二者之间的距离对待测螺旋弹簧进行预压缩，所述的位移传感器设置在第二承载平台上，两组力传感器分别设置在第一承载平台和第二承载平台上。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋弹簧动态特性测试系统，其特征在于，所述的弹簧夹具包括横梁和侧梁，侧梁的一端固定在基座上，另一端通过螺栓及厚度可变的连接板与横梁连接，通过改变连接板的厚度调节第一承载平台和第二承载平台之间的距离。

3.根据权利要求2所述的一种螺旋弹簧动态特性测试系统，其特征在于，所述的横梁由两根H型钢并列焊接形成。

4.根据权利要求2所述的一种螺旋弹簧动态特性测试系统，其特征在于，所述的侧梁为由四根槽钢焊接形成的日字形结构。

5.根据权利要求2所述的一种螺旋弹簧动态特性测试系统，其特征在于，所述的第一承载平台和第二承载平台分别通过螺栓固定在垂直振动台的激励端和横梁上。

6.根据权利要求1所述的一种螺旋弹簧动态特性测试系统，其特征在于，每组力传感器均由三个力传感器组成，三个力传感器呈品字形排列，沿待测螺旋弹簧端圈均匀分布。

7.根据权利要求1所述的一种螺旋弹簧动态特性测试系统，其特征在于，所述的位移传感器为激光位移传感器，与第一承载平台相对设置。

8.根据权利要求1所述的一种螺旋弹簧动态特性测试系统，其特征在于，所述的加速度传感器为三向振动加速度传感器。

9.一种采用权利要求1～8任一所述的螺旋弹簧动态特性测试系统进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将加速度传感器分别固定在待测螺旋弹簧各圈簧条上，然后将待测螺旋弹簧置于第一承载平台和第二承载平台之间，两端分别与设置在各承载平台上的力传感器接触，通过调节第一承载平台和第二承载平台之间的距离对待测螺旋弹簧的预压缩量进行调节；

(2)控制垂直振动台使激励端产生随机正弦振动，信号采集处理装置对待测螺旋弹簧两端力响应、激励端位移输入、各圈簧条垂向和径向振动加速度响应信号进行采集及后处理，得到待测螺旋弹簧的两端动刚度特性及约束工况下的弹簧模态振型与模态频率值。

10.根据权利要求9所述的一种采用螺旋弹簧动态特性测试系统进行测试的方法，其特征在于，垂直振动台的激励端的随机正弦振动的振幅为0.025～51mm、频率为5～2500Hz，振动的振幅小于待测螺旋弹簧的预压缩量。