2021年疲劳试验机说明指导书.docx

第一某些：总体方案设计
1加载方案
：
图1 多轴加载疲劳实验机构造原理图
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，实现疲劳实验机弯曲疲劳。旋紧螺母通过丝杠构造给试件轴向加载预拉力。通过齿轮齿条构造和导轨上扭簧给试件实现扭矩疲劳加载。实验机又平台作为支撑构造，平台通过地脚螺栓固定，支撑起整个实验机重量。

电动机选取可以调速变频式电动机，以适应不同频率下疲劳测试，电动机带动带轮将动力传递给曲柄滑块机构，结合齿轮齿条和扭转弹簧共同作用，实现试件弯曲、扭转疲劳实验，在此之前给定试件一种轴向预拉力，实现了多轴加载状况下疲劳测试。
曲柄滑块机构
带轮
电动机
导轨扭转弹簧
齿轮齿条
试件
图3 载荷传递流程图

对试件施加扭矩和弯矩通过在试件上贴应变片连接动态应变仪通过PC机输出显示，而试件寿命通过电机计数器测得试件疲劳寿命。
应变片
实验机机械本体
动态应变仪
PC机
电机计数器器
显示仪器
信号放大器
图4 测控系统原理图
2试件材料机械性能和尺寸
实验中通惯用材料是Cr12、40Cr、45钢等，由于45钢应用普遍性以及其很高机械性能，考虑实验机要有一定裕度，因此选取45钢为材料试件。
屈服强度（σs）
抗拉强度（σb）
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
对于试件尺寸采用原则光滑圆柱试件进行疲劳实验。试件上加载扭矩和弯曲某些尺寸和形状必要完全相似，而端部采用圆柱形便于夹头装夹，过渡区域倒圆角，防止应力集中而影响实验精确性，试件尺寸如下图：
图5 原则试件构造尺寸
3疲劳应力循环
在疲劳实验中，试件应力将随时间作周期性变化，这种随时间做周期性变化力称为循环应力，在国内又经常称为交变应力。
完毕一种应力循环所需时间称为一种周期，以和分别表达循环中最大和最小应力，比值
称为交变应力循环特性或应力比。和代数和一半称为平均应力，即
和代数差一半称为应力幅，即
图6 交变应力循环图
当这种状况下称为对称循环，其她状况都属于不对称循环。
若应力循环中 (或者),表达交变应力变动于某一应力与零之间，即或者 这种状况称为脉动循环。
当把试件初始位置放置于实验机零点位置，即可以实现对称循环，其她不对称循环可以由其初始位置不同选取，相应应力变化则有时间上应变片连接动态应变仪测出。
4扭矩加载计算
依照实验机规定，选用45钢为材料，对称扭转疲劳极限，即
由材料力学公式可知：
故
在最小扭矩下，试件单位长度扭转角
对于时间实验某些是100mm长，故试件最小扭转角:
考虑到多轴加载疲劳实验机要实现加载后应力对称与脉动循环，扭转弹簧工作扭矩就要从到，再结合扭簧尺寸设计，取最大工作扭角为，初选齿轮直径为，则由曲柄滑块机构形成弯曲疲劳行程为：
5弯矩加载
对于弯曲疲劳，对称循环疲劳极限，由材料力学可知
由于齿轮扭矩由齿条提供，且试件在受力过程中必要保持平行迈进，左右受力同样，故可得试件受力图如下：
故
由图可知最大弯矩处
因此满足弯曲疲劳条件。
图7 受力示意图
图8 弯矩图

对于如图所示对心曲柄滑块机构，多轴加载疲劳实验机施力装置就相称于滑块形成驱动力。记曲柄OA长度为R，连杆AB长度为L，由连杆带动在滑块在滑槽内做直线往复运动。
假设曲柄角速度为ω，与中心线初始夹角为ａ，以曲柄走过最低点为原点，用X表达滑块走过行程，运用几何关系可以得到：
由于 故
得到滑块速度公式为
进而得到加速度公式
图9 对心曲柄滑块示意图

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种周期下行程、速度、加速度随时间变化曲线图，由图可知其行程、速度和加速度均满足正弦曲线，分别在滑块两个极点滑块加速度绝对值最大，速度绝对值为零。由牛顿第二定律可知：，此时对滑块所施加力最大，且由曲线形状可看出试件受到力F呈正弦曲线变化，因而试件在弯曲实验中，所施加是正弦波形应力。

第二某些 机械系统设计
曲轴设计
由激震方式不同，选取在低频疲劳状况下，由下表选取1～10H