專利名稱：切向接觸剛度和阻尼測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種動力學測量技術領域的裝置，具體是一種切向接觸剛度和阻尼測 量裝置。
背景技術：
對任何一個機械系統來說，結合界面都是最常見、也是最復雜的一部分。因為在結合 界面處常常涉及到各種力或力矩的耦合，以及能量的損耗等，所以結合界面的設計將直 接關聯到系統中的摩擦、磨損以及振動等，從而影響到整個系統的性能和可靠性。而在接 合面的動力學建模過程中，最為重要的參數就是接觸剛度和接觸阻尼，這些參數的準確程 度將直接影響到建模仿真結果的可靠性。因此，對結合界面的接觸剛度和阻尼的測量具有 非常明確的工程意義。
目前文獻中對于接觸剛度的報道主要有兩種測量方法 一種是直接法，就是直接測量 接觸面間的負載和位移，然后得到剛度，這種方法的缺點是只能測量接觸剛度，沒法測得 接觸阻尼；另一種方法是間接法，就是測量某個物理量，然后通過該物理量跟接觸剛度之 間的關系間接求得接觸剛度。在間接測量法中，主要又分超聲測量和接觸諧振測量。 Dwyer-Joyce等在機械工程科學雜志的第215期撰文"Measurement of the Stiffness of Joints in Graphite Brick Assembly"指出可以利用超聲的方法測量接觸面積，然后間接測 得接觸剛度，但是這種方法跟直接法一樣不能測得接觸阻尼。本申請人及其合作者曾在振 動和聲學雜志第127期撰文"Measurement and Modeling of Normal Contact Stiffness and Contact Damping at the Meso Scale"，提出通過測量接觸諧振來測量接觸剛度和接 觸阻尼，但那個工作主要是針對垂直向的接觸剛度和阻尼測量。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種切向接觸剛度和阻尼測量裝置，實現 任意兩種不同材料在不同接觸壓力，不同接觸面積，不同切向靜摩擦力大小條件下接合面 的接觸剛度和阻尼測量。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括測試框架、激勵施加裝置、測量裝 置和加載裝置，其中測量裝置和加載裝置分別固定設置于測試框架內，激勵施加裝置固定設置于測試框架的上方正對待測樣品，測量裝置與加載裝置相連接，加載裝置設置于測試框架底部。
所述的激勵施加裝置包括微調螺母、垂直調位臺、鎖緊塊、沖擊針和中空導向管，其中垂直調位臺緊固在測試框架上端面上，中空導向管固定設置于垂直調位臺的中部并正對待測樣品，鎖緊塊固定設置于垂直調位臺并與中空導向管相接觸，微調螺母活動設置于垂直調位臺上，沖擊針活動設置于中空導向管內。
所述的測量裝置包括兩個加速度傳感器和一個三軸力傳感器，其中加速度傳感器分別固定設置于待測樣品上表面的兩側，三軸力傳感器固定設置于加載裝置上。
所述的加載裝置包括丁字掛鉤、水平移動臺、水平導軌、絲杠和調節手柄，其中丁字掛鉤設置于待測樣品的下表面正中，兩個水平移動臺分別活動設置于水平導軌的兩端，絲杠的兩端分別與水平移動臺活動連接用于水平加載，，調節手柄與絲杠的一端相連，加載時通過調節手柄帶動絲杠旋轉并使得左右兩個水平移動臺作相向運動以實現水平加載
本發明利用諧振原理測量接觸剛度和阻尼使得裝置結構比較簡單；該設計采用兩端放置同種測試樣品來夾緊懸空的另一測試樣品，使得振動模型簡單，從而保證動態法分析的可行性和可靠性，實現了切向接觸剛度和阻尼的可靠測量，并且容易控制預緊力和接觸面積大小；當需要研究切向靜摩擦力改變對切向接觸剛度和接觸阻尼大小的影響時，可以通過在不改變接觸面積的前提下改變懸空樣品重量的方式來改變切向靜摩擦力大小；第四，
力傳感器被安置在法向接觸方向，其動力學特性并不影響切向接觸的測量，移動臺在移動后通過螺栓固定，最大限度地減小其振動對測量的影響。
圖l為本發明的示意圖。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括測試框架l、激勵施加裝置2、測量裝置3和加載裝置4，其中測量裝置3和加載裝置4分別固定設置于測試框架1內，激勵施加裝置2固定設置于測試框架1的上方正對待測樣品5，測量裝置3與加載裝置4相連接，加載裝置4設置于測試框架1底部。
所述的激勵施加裝置2包括微調螺母6、垂直調位臺7、鎖緊塊8、沖擊針9和中空導 向管IO，其中垂直調位臺7緊固在測試框架1上端面上，中空導向管10固定設置于垂直調 位臺7的中部并正對待測樣品5，鎖緊塊8固定設置于垂直調位臺7并與中空導向管10相接觸 ，微調螺母6活動設置于垂直調位臺7上，沖擊針9活動設置于中空導向管10內。
所述的測量裝置3包括兩個加速度傳感器11和一個三軸力傳感器12，其中加速度 傳感器11分別固定設置于待測樣品5的上表面的兩側，三軸力傳感器12固定設置于加載裝 置4上。
所述的加載裝置4包括丁字掛鉤13、水平移動臺14、水平導軌15、絲杠16和調節手 柄17，其中丁字掛鉤13設置于待測樣品5的下表面正中用于垂直加載，水平移動臺14、 水平導軌15、絲杠16和調節手柄17用于水平加載，兩個水平移動臺14分別活動設置于水平 導軌l5的兩端，絲杠16的兩端分別與水平移動臺14活動連接，調節手柄17與絲杠16的一端 相連，加載時通過調節手柄17帶動絲杠16旋轉并使得左右兩個水平移動臺14作相向運動以 實現水平加載。
本實施例的操作過程為，將具有特定表面粗糙度的測試樣品放入測試樣品夾持裝置中 ，然后通過轉動手柄施加夾持力，夾持力大小由測量得到，初步將樣品固定后將振動傳感 器粘貼在樣品的上表面，然后接著給樣品施加精確的法向負載，在達到預定的法向負載后 ，將夾持塊和的位置鎖定，然后在上添加預定質量的質量塊施加切向負載，切向力由測 量得到，在法向和切向負載都達到預定值以后，通過旋轉調整激勵導向管到合適的位置， 然后由激勵針施加一個單脈沖激勵，通過測量樣品的振動信號并送入計算機的數據采集系 統，然后利用特征值實現算法對振動信號進行分析提取諧振頻率即對應的阻尼值，得到諧 振頻率后根據下述測量原理中諧振頻率跟切向接觸剛度的關系計算得到切向接觸剛度。
本實施例的測量原理為樣本與兩側樣本接觸時，由于在垂直方向除接觸產生的切向摩 擦外沒有其他支撐，而兩側的摩擦接觸可以看成是兩個并聯的垂直方向的彈簧，其剛度值 等于切向接觸剛度k。這樣，樣品(質量m)跟這兩個并聯的彈簧就構成一個簡單的單自由
度質量彈簧系統，并對應的有一個諧振頻率f ( V")，在一個微小的垂直沖擊下，樣 本將以接觸諧振頻率進行垂直振動，通過加速度傳感器可以測得該振動譜，然后由特征值 實現算法從振動譜中提取出接觸諧振頻率及對應的接觸阻尼，最后根據樣本質量和接觸諧振頻率計算得到接觸剛度。
權利要求
1.一種切向接觸剛度和阻尼測量裝置，其特征在于，包括測試框架、激勵施加裝置、測量裝置和加載裝置，其中測量裝置和加載裝置分別固定設置于測試框架內，激勵施加裝置固定設置于測試框架的上方正對待測樣品，測量裝置與加載裝置相連接，加載裝置設置于測試框架底部。
2.根據權利要求l所述的切向接觸剛度和阻尼測量裝置，其特征是，所述的激勵施加裝置包括微調螺母、垂直調位臺、鎖緊塊、沖擊針和中空導向管，其中垂直調位臺緊固在測試框架上端面上，中空導向管固定設置于垂直調位臺的中部并正對待測樣品，鎖緊塊固定設置于垂直調位臺并與中空導向管相接觸，微調螺母活動設置于垂直調位臺上，沖擊針活動設置于中空導向管內。
3.根據權利要求l所述的切向接觸剛度和阻尼測量裝置，其特征是，所述的測量裝置包括兩個加速度傳感器和一個三軸力傳感器，其中加速度傳感器分別固定設置于待測樣品上表面的兩側，三軸力傳感器固定設置于加載裝置上。
4.根據權利要求l所述的切向接觸剛度和阻尼測量裝置，其特征是，所述的加載裝置包括丁字掛鉤、水平移動臺、水平導軌、絲杠和調節手柄，其中丁字掛鉤設置于待測樣品的下表面正中，兩個水平移動臺分別活動設置于水平導軌的兩端，絲杠的兩端分別與水平移動臺活動連接，調節手柄與絲杠的一端相連用于水平加載，加載時通過調節手柄帶動絲杠旋轉并使得左右兩個水平移動臺作相向運動以實現水平加載。
全文摘要
一種動力學測量技術領域的切向接觸剛度和阻尼測量裝置，包括測試框架、激勵施加裝置、測量裝置和加載裝置，其中測量裝置和加載裝置分別固定設置于測試框架內，激勵施加裝置固定設置于測試框架的上方正對待測樣品，測量裝置與加載裝置相連接，加載裝置設置于測試框架底部。本發明采用兩端放置同種測試樣品來夾緊懸空的另一測試樣品，使得振動模型簡單，從而保證動態法分析的可行性和可靠性，實現了切向接觸剛度和阻尼的可靠測量，并且容易控制預緊力和接觸面積大小，最大限度地減小其振動對測量的影響。
文檔編號G01N29/12GK101666782SQ20091030819
公開日2010年3月10日 申請日期2009年10月12日 優先權日2009年10月12日
發明者熙 史, 朱昌明, 濛 王 申請人:上海交通大學