一种薄壁管件变角度斜向冲击试验夹具

摘要

本发明公开了一种薄壁管件变角度斜向冲击试验夹具，其特征在于：试验夹具包括底座、可旋斜板、限滑支撑块和夹持框；底座上设有双列倒T形直槽轨道，限滑支撑块设置在倒T形直槽轨道上；底座和可旋斜板通过销轴固定并形成可旋斜板与底座之间的转动副；可旋斜板的另一自由端支撑在所述限滑支撑块上；可旋斜板上设有圆形通槽，夹持框中心与圆形通槽中心重合，夹持框固定在可旋斜板上；夹持框内设有第一楔块和第二楔块。本发明提出来的夹具设计方法能够实现不同截面形状薄壁管件在斜向冲击试验中稳定可靠夹持，试验中能够实现截面尺寸可变，受力角度连续可变，从而解决了现有试验夹具试验角度单一、试验管件截面形状单一等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车安全试验装置技术领域，具体地说是一种薄壁管件变角度 斜向冲击试验夹具。

背景技术

目前，薄壁管是指管材的外径与壁厚的比值大于20的管件，汽车车身结构 上有很多部件都是薄壁管结构，例如：汽车前纵梁。众所周知，在汽车安全事 故中，绝大部分事故为斜向碰撞，所以对薄壁管的斜向耐撞性能研究是非常必 要的。在薄壁管斜向冲击试验中，由于薄壁管在斜向会受到较大的压力，所以 需要一种夹具对其进行稳定可靠的夹持。以往的薄壁管斜向冲击试验夹具存在 较多的缺陷。第一，一个夹具只能完成某几个冲击角度试验，不能实现试验角 度的连续变化；第二，试验管件截面形状单一，以往夹具只是针对圆形薄壁管 进行设计的，试验对象受限；第三，试验管件尺寸单一，以往夹具只是针对确 定的薄壁管尺寸设计的，不能够完成变管径试验。以上所述三点缺陷导致现有 的夹具设计不能满足试验的多样化要求。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种薄壁管件变角度斜向冲击试验夹具。 本发明主要考虑汽车吸能管件斜向碰撞试验的需求，在夹具底座的双倒T形直 槽轨道安装可移动式限滑支撑块，通过限滑支撑块的移动实现可旋斜板倾斜角 度变化，从而满足管件试验管件被冲击角度的变化需求；通过夹持框内相互垂 直的两个楔块长宽尺寸不同变化组合，实现试验管件截面形状、尺寸可变，从 而适用于各种工况下薄壁管件的斜向冲击试验，尤其能够提高汽车斜向耐撞性 研究的准确程度。

本发明采用的技术手段如下：

一种薄壁管件变角度斜向冲击试验夹具，其特征在于：所述试验夹具包括 底座、可旋斜板、限滑支撑块和夹持框；

所述底座上设有与试验所用的万能试验机上安装螺纹孔中心距相同的双列 倒T形直槽轨道，所述限滑支撑块通过底面设置的螺纹孔装配到所述倒T形直 槽轨道上；

所述底座和所述可旋斜板在相接触端分别设置有尺寸相同的圆筒，通过销 轴贯穿两部分圆筒将所述可旋斜板装配到所述底座上并形成所述可旋斜板与所 述底座之间的转动副；所述可旋斜板的另一自由端支撑在所述限滑支撑块上， 所述限滑支撑块与所述可旋斜板支撑的一端设有圆弧过渡部；

所述可旋斜板上设有圆形通槽，所述圆形通槽位于所述可旋斜板宽度方向 的对称轴上，距所述可旋斜板与所述底座固定端二分之一处；所述夹持框中心 与所述圆形通槽中心重合，所述夹持框为内、外框截面均为正方形的框体，所 述夹持框的外框长度等于所述圆形通槽的直径，所述夹持框的四角通过螺栓与 设置在所述圆形通槽外周的安装孔固定在所述可旋斜板上；所述夹持框内设有 用于夹持被测管件并过盈配合装配到所述夹持框中的第一楔块和第二楔块。

进一步地，所述限滑支撑块底面的螺纹孔通过与贯穿所述倒T形直槽轨道 的内六角螺栓配合，将所述限滑支撑块固定在所述底座的对应位置上，所述内 六角螺栓的头部沉入所述倒T形直槽轨道的台肩处，所述限滑支撑块与所述底 座的下表面之间无凸起。

试验时，需用普通标准螺栓自上向下通过双列T形直槽轨道将底座固定安 装在万能试验机自带的安装孔上。根据斜向冲击角度要求计算得到限滑支撑块 安装位置参数，然后将内六角螺栓由底座下表面分别贯穿倒T形直槽轨道，进 而通过限滑支撑块上与倒T形直槽轨道对应的螺纹孔，从而将限滑支撑块固定 在底座对应位置上，同时保证内六角螺栓的头部沉入倒T形槽的台肩处，确保 底座的下表面无凸起。

进一步地，所述可旋斜板与所述底座之间的转动副形成的夹角为Δθ，Δθ其 连续可变满足：

θ＝Δθ，

其中：θ为冲击试验所要求的冲击角度，取0°～30°。

进一步地，通过改变限滑支撑块在倒T形直槽轨道上的安装位置实现不同 倾斜角度斜板的支撑，从而实现冲击角度的连续可变。所述限滑支撑块的安装 位置与冲击角度θ之间的关系为：

$b_1=\frac{h_1-h_2}{\tan \theta },$

其中：b₁为所述限滑支撑块到转动副的最近距离，h₁为限滑支撑块的高度， h₂为转动副圆筒的直径(如图10所示)。

进一步地，所述安装孔均匀设置在所述圆形通槽外周与所述圆形通槽同心， 所述夹持框通过与所述安装孔的安装及所述楔块的配合实现对不同尺寸管件的 夹持。

实际操作中，安装孔为均匀分布在所述圆形通槽圆周方向的、共8个螺纹 孔，这些螺纹孔为与夹持框对应的螺栓安装孔。

进一步地，当所述管件为方管时，所述夹持框的边框设置于所述可旋斜板 的边缘平行，通过对应的4个安装孔固定，所述方管和所述第一楔块、第二楔 块过盈装配到所述夹持框内，满足：

a₁＝L-d₁，

其中，L为所述夹持框内框边长，a₁为第一楔块和第二楔块的宽度，d₁为被 夹持方管的边长。

进一步地，当所述管件为圆管时，所述夹持框的夹持方式在所述方管的基 础上旋转45°，所述夹持框与所述可旋斜板通过另外4个安装孔固定安装在一 起，这样可以保证圆管受压时由夹持框的两条边夹持，因而更加稳定。将圆管 与第一楔块、第二楔块过盈装配到所述夹持框内，满足：

a₂＝L-d₂，

其中，a₂为第一楔块和第二楔块的宽度，d₂为被夹持圆管外圆直径。

进一步地，当所述管件为正六边形管时，所述夹持框的边框设置与所述可 旋斜板的边缘平行，通过对应的4个安装孔固定，将所述正六边形管和所述第 一楔块、第二楔块过盈装配到所述夹持框内，满足：

a₃＝L-2d₃，

${a_3}^{\prime }=L-\sqrt{3}{d}_3,$

其中，a₃为第一楔块的宽度，a₃’为第二楔块的宽度，d₃为正六边形边长。

进一步地，当所述管件为椭圆截面管时，所述夹持框的边框设置与所述可 旋斜板的边缘平行，通过对应的4个安装孔固定，将所述椭圆截面管和所述第 一楔块、第二楔块过盈装配到所述夹持框内，满足：

a₄＝L-d₄，

a₄'＝L-d₄'，

其中，a₄为第一楔块的宽度，a₄’为第二楔块的宽度，d₄、d₄'分别为椭圆管 的长轴和短轴长度。

关于本发明涉及到的底座、销轴、限滑支撑块、可旋斜板、夹持框的具体 设计如下：

1)底座设计

底座是一个开有双倒T形直槽轨道的长方形钢板，并且在其一端焊有两段 圆筒，用于与斜板及销轴进行装配。底座设计中的关键尺寸为T形槽的尺寸参 数以及圆筒的尺寸参数。

各关键尺寸参数按如下原则确定：(a)L取值应小于试验所用万能试验机安 装平台宽度；(b)d的取值应与试验所用压机上安装螺纹孔的中心距相等；(c) T形槽的台肩宽度和槽宽度的取值应分别略大于试验压机安装所用螺栓的螺栓 头直径、螺杆直径相等；(d)T形槽的台肩高度取值应不小于所选用内六角螺栓 头部的高度。

2)销轴设计

销轴的相关尺寸按如下原则确定：(a)销轴长度的取值与底座设计中底座 的宽度相等；(b)销轴截面圆半径R的取值应满足以下条件，

$\frac{F}{2{\mathrm{\pi R}}^2}\le \left[\tau \right],$

其中，F为销轴所受最大剪切力，[τ]为所选材料的剪切强度。

3)支撑块设计

支撑块的关键尺寸按如下原则确定：(a)支撑块宽度的取值与底座设计中 底座的宽度相等；(b)支撑块底部螺纹孔中心距应与底座设计中尺寸相等；(c) 支撑块的高度h₁的取值应满足以下条件，

其中，l为底座的长度，θ_max为试验所要求的最大倾斜角度。

4)可旋斜板设计

可旋斜板的关键尺寸按如下原则设计：(a)可旋斜板宽度的取值应与底座 设计中底座的宽度相等；(b)可旋斜板的厚度h₃应满足以下条件，

$w_b=\frac{F_v*l^3}{3EI}\le 1mm,I=\frac{{{\mathrm{bh}}_3}^3}{12};$

其中，w_b为受压点处的变形挠度，F_v为可旋斜板所受的垂直于板面方向的 压力，l为可旋斜板上受力点到支撑块支点的距离，E所选材料的弹性模量，I 为矩形截面的惯性矩，b为可旋斜板的宽度；(c)可旋斜板上圆形槽的直径应 等于试验方管的最大边长的倍，圆槽深度h₄应满足(d)可 旋斜板上圆形槽的圆心位置应处于可旋斜板长度的一半处；可旋斜板上8个螺 纹孔应环绕圆形通槽的圆周方向均匀分布，其分布圆直径约为圆形通槽直径的 1.15倍。

5)夹持框设计

夹持框的关键尺寸应按如下原则设计：(a)正方形内框边长的取值应等于 试验管件的最大管径；(b)夹持框高度h₅的取值应满足以下条件，

h₅+h₄＝0.2H；

其中，h₄为可旋斜板上圆形通槽的深度，H为试验管件的长度；(c)夹持框 四个通孔呈圆周均匀分布，分别位于夹持框的四个顶角处，其分布圆直径与可 旋斜板上8个螺纹孔的分布圆直径相等。

本发明在保证对斜向冲击试验管件稳定可靠的夹持下，相对于现有夹具的 优点如下：

第一，通过改变可旋斜板与底座之间的夹角以及限滑支撑块不同的支撑位 置来实现管件冲击角度的连续可变；第二，通过改变夹持框在可旋斜板上不同 的装配位置来实现对不同截面形状管件的夹持；第三，通过改变装配到夹持框 内楔块尺寸的大小来实现对不同截面尺寸的管件进行夹持。本发明大大提高了 试验夹具的应用范围，满足了薄壁管件斜向冲击试验更多样化的要求。

基于上述理由本发明可在汽车安全试验装置等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的底座的主视图。

图3是本发明的底座的示意图。

图4是本发明的可旋斜板的主视图。

图5是本发明的夹持框的主视图。

图6是本发明的被测管件为方管时的夹持示意图。

图7是本发明的被测管件为圆管时的夹持示意图。

图8是本发明的被测管件为正六边形管时的夹持示意图。

图9是本发明的被测管件为椭圆截面管时的夹持示意图。

图10是本发明的试验原理示意图。

图中：1、底座11、第一倒T形直槽轨道12、第二倒T形直槽轨道13、 第一圆筒14、内六角螺栓2、可旋斜板21、圆形通槽22、安装孔23、第二 圆筒3、限滑支撑块31、圆弧过渡部4、销轴5、夹持框51、第一楔块52、 第二楔块53、螺栓6、管件。

具体实施方式

如图1所示，一种薄壁管件变角度斜向冲击试验夹具，所述试验夹具包括 底座1、可旋斜板2、限滑支撑块3和夹持框5；

所述底座1上设有与试验所用的万能试验机上安装螺纹孔中心距相同的双 列倒T形直槽轨道，分别为第一倒T形直槽轨道11和第二倒T形直槽轨道12， 所述限滑支撑块3通过底面设置的螺纹孔装配到所述倒T形直槽轨道上；

如图2，图3所示，所述限滑支撑块3底面的螺纹孔通过与贯穿所述倒T 形直槽轨道的内六角螺栓14配合，将所述限滑支撑块3固定在所述底座1的对 应位置上，所述内六角螺栓14的头部沉入所述倒T形直槽轨道的台肩处，所述 限滑支撑块3与所述底座1的下表面之间无凸起。

所述底座1和所述可旋斜板2在相接触端分别设置有尺寸相同的圆筒，所 示底座1上设置在端部两个第一圆筒13，所述可旋斜板2在端部中心位置设置 第二圆筒；通过销轴4贯穿两部分圆筒将所述可旋斜板2装配到所述底座1上 并形成所述可旋斜板2与所述底座1之间的转动副；所述可旋斜板2的另一自 由端支撑在所述限滑支撑块3上，所述限滑支撑块3与所述可旋斜板2支撑的 一端设有圆弧过渡部31；

如图4所示，所述可旋斜板2上设有圆形通槽21，所述圆形通槽21位于所 述可旋斜板2宽度方向的对称轴上，距所述可旋斜板2与所述底座1固定端二 分之一处；所述夹持框5中心与所述圆形通槽21中心重合，所述夹持框5(如 图5所示)为内、外框截面均为正方形的框体，所述夹持框5的外框长度等于 所述圆形通槽21的直径，所述夹持框5的四角通过螺栓53与设置在所述圆形 通槽21外周的安装孔22固定在所述可旋斜板2上；所述夹持框5内设有用于 夹持被测管件6并过盈配合装配到所述夹持框5中的第一楔块51和第二楔块52。

所述可旋斜板2与所述底座1之间的转动副形成的夹角为Δθ，Δθ其连续 可变满足：

θ＝Δθ，

其中：θ为冲击试验所要求的冲击角度，取0°～30°。

所述限滑支撑块3的安装位置与冲击角度θ之间的关系为：

$b_1=\frac{h_1-h_2}{\tan \theta },$

其中：b₁为所述限滑支撑块3到转动副的最近距离，h₁为限滑支撑块3的 高度，h₂为转动副圆筒的直径。

所述安装孔22均匀设置在所述圆形通槽21外周与所述圆形通槽21同心， 所述夹持框5通过与所述安装孔22的安装及所述楔块的配合实现对不同尺寸管 件6的夹持。

如图6所示，当所述管件6为方管时，所述夹持框5的边框设置于所述可 旋斜板2的边缘平行，通过对应的4个安装孔22固定，所述方管和所述第一楔 块51、第二楔块52过盈装配到所述夹持框5内，满足：

a₁＝L-d₁，

其中，L为所述夹持框5内框边长，a₁为第一楔块51和第二楔块52的宽度， d₁为被夹持方管的边长。

如图7所示，当所述管件6为圆管时，所述夹持框5的夹持方式在所述方 管的基础上旋转45°，所述夹持框5与所述可旋斜板2通过另外4个安装孔22 固定安装在一起，将圆管与第一楔块51、第二楔块52过盈装配到所述夹持框内， 满足：

a₂＝L-d₂，

其中，a₂为第一楔块51和第二楔块52的宽度，d₂为被夹持圆管外圆直径。

如图8所示，当所述管件6为正六边形管时，所述夹持框5的边框设置与 所述可旋斜板2的边缘平行，通过对应的4个安装孔22固定，将所述正六边形 管和所述第一楔块51、第二楔块52过盈装配到所述夹持框5内，满足：

a₃＝L-2d₃，

${a_3}^{\prime }=L-\sqrt{3}{d}_3,$

其中，a₃为第一楔块51的宽度，a₃’为第二楔块52的宽度，d₃为正六边形 边长。

如图9所示，当所述管件6为椭圆截面管时，所述夹持框5的边框设置与 所述可旋斜板2的边缘平行，通过对应的4个安装孔22固定，将所述椭圆截面 管和所述第一楔块51、第二楔块52过盈装配到所述夹持框5内，满足：

a₄＝L-d₄，

a₄'＝L-d₄'，

其中，a₄为第一楔块51的宽度，a₄’为第二楔块52的宽度，d₄、d₄'分别为 椭圆管的长轴和短轴长度。

实施例

本发明所匹配的压机为Instron万能试验机，夹具选用的材料为45号钢，根 据试验需求，本次设计所涉及的试验管件6为圆管和方管，圆管最大尺寸为直 径110mm，方管最大尺寸为边长110mm，试验冲击角度为0°～30°连续可变。 夹具的各零件具体相关参数设计如下：

1)底座1设计

(a)根据试验所选用的压机宽度尺寸，底座1的宽度取值200mm，整体为 一块400mm*200mm*25mm的钢板。

(b)根据试验所选用万能试验机两固定螺纹孔中心距为50mm，底座上两 T形槽的中心距取值为50mm。

(c)根据试验所选用的压机安装螺纹孔的尺寸大小，确定T形槽的尺寸T 形槽的台肩宽度为20mm、T形槽的槽宽度为12mm。

(d)根据装配所选用的内六角螺栓14尺寸大小，确定T形槽中尺寸13mm。

2)销轴4设计

(a)根据底座1设计中底座1宽度的取值可以确定销轴4的长度取值为 200mm。

(b)销轴4截面圆半径R，本设计中选用材料为45号钢，许用剪切强度[τ] 为178MPa，根据公式得，

$R\ge \sqrt{\frac{F}{2\pi \left[\tau \right]}}=\sqrt{\frac{131700}{2\pi *178}}=10.85mm$

本次设计中取安全系数为1.15，所以R取12.5mm。

3)限滑支撑块3设计

(a)根据底座1设计中底座1宽度的取值可以确定限滑支撑块3的宽度取 值为200mm。

(b)根据底座1上两条T形槽的中心距得，限滑支撑块3底部两个螺纹孔 的中心距为50mm。

(c)限滑支撑块3高度h₁，根据

为了方便加工所以本次设计限滑支撑块3高度h₁取60mm。

4)可旋斜板2设计

(a)根据底座1设计中底座宽度的取值可以确定可旋斜板2的宽度取值为 200mm。

(b)可旋斜板2的厚度h₃，根据

$w_b=\frac{F_v*l^3}{3EI}\le 1mm,I=\frac{{{\mathrm{bh}}_3}^3}{12};$

式中弹性模量E取值210GPa，计算得h₃≥16.24mm，本次设计中安全系 数选取1.23，所以h3取20mm。

(c)可旋斜板2上圆形通槽21的直径为试验方管最大边长的倍，约为 156mm；圆形通槽21的深度满足本次设计中h₄取10mm。

(d)可旋斜板2上8个安装孔22的分布圆直径为圆形通槽21直径的1.15 倍，本次设计中取值180mm。

5)夹持框5设计

(a)夹持框5的正方形内框的边长等于试验管件6的最大管径，本次设计 中取值110mm。

(b)夹持框5的高度h₅满足h₅+h₄＝0.2H，其中h₄为可旋斜板2上圆 形通槽21深度为10mm，H为试验管件6长度，其取值范围150mm～250mm， 所以本次设计中h₅取值25mm。

(c)夹持框5四个通孔呈圆周均匀分布，其分布圆直径与可旋斜板2上8 个安装孔22的分布圆直径相等。由前面设计可得分布圆直径取值180mm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。