文档介绍：第一部分：总体方案设计
1加载方案
：
图1 多轴加载疲劳试验机结构原理图
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，实现疲劳试验机的弯曲疲劳。旋紧螺母通过丝杠结构给试件轴向加载预拉力。通过齿轮齿条结构和导轨上的扭簧给试件实现扭矩的疲劳加载。试验机又平台作为支撑结构，平台通过地脚螺栓固定，支撑起整个试验机的重量。

电动机选择可以调速的变频式电动机，以适应不同频率下的疲劳测试，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的共同作用，实现试件的弯曲、扭转疲劳试验，在此之前给定试件一个轴向的预拉力，实现了多轴加载情况下的疲劳测试。
曲柄滑块机构
带轮
电动机
导轨的扭转弹簧
齿轮齿条
试件
图3 载荷传递流程图

对试件施加的扭矩和弯矩通过在试件上的贴的应变片连接动态应变仪通过PC机输出显示，而试件的寿命通过电机计数器测得试件的疲劳寿命。
应变片
试验机机械本体
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试件材料的机械性能和尺寸
试验中通常用的材料是Cr12、40Cr、45钢等，由于45钢应用的普遍性以及其很高的机械性能，考虑试验机要有一定的裕度，所以选择
45钢为材料的试件。
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
对于试件的尺寸采用标准的光滑圆柱试件进行疲劳试验。试件上加载扭矩和弯曲部分的尺寸和形状必须完全相同，而端部采用圆柱形便于夹头的装夹，过渡区域倒圆角，防止应力集中而影响试验的准确性，试件的尺寸如下图：
图5 标准试件结构尺寸
3疲劳应力循环
在疲劳试验中，试件的应力将随时间作周期性变化，这种随时间做周期性变化的力称为循环应力，在我国又经常称为交变应力。
完成一个应力循环所需的时间称为一个周期，以和分别表示循环中的最大和最小应力，比值
称为交变应力的循环特征或应力比。和的代数和的二分之一称为平均应力，即
和代数差的二分之一称为应力幅，即
图6 交变应力循环图
当这种情况下称为对称循环，其他的情况都属于不对称循环。
若应力循环中的 (或者),表示交变应力变动于某一应力与零之间，即或者这种情况称为脉动循环。
当把试件的初始位置放置于试验机的零点位置，即可以实现对称循环，其他不对称循环可以由其初始位置的不同选择，对应的应力变化则有时间上的应变片连接的动态应变仪测出。
4扭矩的加载计算
根据试验机的要求，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
在最小的扭矩下，试件单位长度的扭转角
对于时间的实验部分是100mm长，故试件的最小扭转角:
考虑到多轴加载疲劳试验机要实现加载后应力的对称与脉动循环，扭转弹簧的工作扭矩就要从到，再结合扭簧的尺寸设计，取最大工作扭角为，初选齿轮的直径为，则由曲柄滑块机构形成的弯曲疲劳的行程为：
5弯矩的加载
对于弯曲疲劳，对称循环疲劳极限，由材料力学可知
由于齿轮的扭矩由齿条提供，且试件在受力过程中必须保持平行前进，左右受力一样的，故可得试件的受力图如下：
故
由图可知最大弯矩处的
所以满足弯曲疲劳条件。
图7 受力示意图
图8 弯矩图

对于如图所示的对心曲柄滑块机构，多轴加载疲劳试验机的施力装置就相当于滑块形成驱动力。记曲柄OA的长度为R，连杆AB的长度为L, 由连杆带动在滑块在滑槽内做直线往复运动。
假设曲柄的角速度为ω，与中心线的初始夹角为ａ，以曲柄走过的最低点为原点，用X表示滑块的走过的行程，利用几何关系可以得到：
由于故
得到滑块的速度公式为
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个周期下行程、速度、加速度随时间变化的曲线图，由图可知其行程、速度和加速度均满足正弦曲线，分别在滑块的两个极点滑块的加速度的绝对值最大，速度的绝对值为零。由牛顿第二定律可知：，此时对滑块所施加的力最大，且由曲线的形状可看出试件受到的力F呈正弦曲线变化，因此试件在弯曲试验中，所施加的是正弦波形的应力。