护套强度的测试工装和测试方法

技术领域

本发明涉及纤维护套领域，更具体地涉及一种护套强度的测试工装和测试方法。

背景技术

以新能源汽车的驱动电机为例，电机的转子在高转速下需要承受非常大的离心力，这对转子铁芯的机械强度提出了很高的要求。

专利申请WO2021225902A1公开了一种使用碳纤维缠绕的电机转子。通过在电机转子的外周缠绕碳纤维，形成碳纤维护套，对转子铁芯施加预压力来抵抗离心力，能够增加转子的机械强度。

对于上述方案，如何保证碳纤维护套具有足够的、或者说合适的强度，以保证碳纤维护套能够抵抗转子铁芯受到离心力，是护套设计工艺的一个难点。

现有技术中提供了超速试验机来验证碳纤维护套的强度。该方案需要将碳纤维护套连同转子放入能提供高转速的试验机中，使转子高速转动（例如超过10000rpm）一段时间，之后打开试验机观察碳纤维护套是否发生断裂。该方案通过使转子转动而模拟提供转子受到的离心力，试验设备的制造和运行成本非常高。

发明内容

本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低廉的用于测试护套强度的测试工装和测试方法。

根据本发明的第一方面，提供一种护套强度的测试工装，所述测试工装用于给护套提供环形的缠绕面、并向所述护套提供向所述缠绕面的外周方向撑开的力，所述测试工装包括：

第一顶块，包括第一外锥面，所述第一外锥面是圆锥面的一部分，

第二顶块，包括第二外锥面，所述第二外锥面是圆锥面的一部分，所述第二顶块能与所述第一顶块同轴地设置，

多个环绕片，用于环绕在同轴设置的所述第一顶块和所述第二顶块的外周，多个所述环绕片在周向上分离地设置，多个所述环绕片的外周面形成所述缠绕面，每个所述环绕片的内周面包括第一内锥面和第二内锥面，所述第一内锥面和所述第一外锥面形状锁合，所述第二内锥面和所述第二外锥面形状锁合，

两个箍环，用于套设在多个所述环绕片所形成的环绕面的两端以暂时地固定所述环绕片。

在至少一个实施方式中，所述测试工装还包括连接件，所述连接件用于将所述第一顶块和所述第二顶块以外径较小的一端彼此相对的方式连接在一起，

所述连接件允许所述第一顶块和所述第二顶块在轴向上彼此靠近地移动。

在至少一个实施方式中，所述连接件为螺栓，

所述第一顶块和所述第二顶块的一者设有供所述螺栓穿过的光孔，所述第一顶块和所述第二顶块的另一者设有能与所述螺栓螺合的螺纹孔。

在至少一个实施方式中，所述第一顶块的外周还包括第一圆柱面，所述第一圆柱面与所述第一外锥面相连于所述第一外锥面的外径较小的一端，和/或

所述第二顶块的外周还包括第二圆柱面，所述第二圆柱面与所述第二外锥面相连于所述第二外锥面的外径较小的一端。

在至少一个实施方式中，所述环绕片的内周面还包括内圆柱面，所述内圆柱面在轴向上位于所述第一内锥面和所述第二内锥面之间。

在至少一个实施方式中，所述箍环包括端壁和周壁，所述端壁用于抵靠到所述环绕片的端部，所述周壁用于环绕在所述环绕片的外周。

在至少一个实施方式中，所述端壁形成有多个螺孔。

在至少一个实施方式中，所述环绕片的内周面形成有内定位件，所述第一顶块和所述第二顶块中的至少一者设有外定位件，

所述内定位件和所述外定位件能彼此匹配而形成定位结构。

在至少一个实施方式中，所述内定位件和所述外定位件中的一者为凸部、另一者为凹部，

在所述测试工装进行测试的过程中，所述凸部能够在所述凹部内轴向移动而不互相干涉。

根据本发明的第二方面，提供一种护套强度的测试方法，所述方法包括：

提供多个环绕片，多个所述环绕片能围绕中心轴环绕设置而在外周形成柱状的环绕面；

在所述环绕面的外周缠绕纤维，形成护套；

向多个所述环绕片提供朝外周方向的力，逐渐增加力的大小至设定最大值或者至所述护套被撑破。

在至少一个实施方式中，所述方法使用根据本申请的第一方面提供的测试工装。

根据本发明的测试工装结构简单、运行成本低。根据本申请的测试方法操作简单并能提供用于模拟护套所受的离心力。

附图说明

图1是根据本申请的一个实施方式的测试工装在测试操作过程中的剖开的示意图。

图2是根据本申请的一个实施方式的测试工装在缠绕纤维护套前的装配示意图。

图3是根据本申请的一个实施方式的测试工装的分解示意图。

图4是根据本申请的一个实施方式的测试工装在准备撑开护套时的示意图（此时箍环已被取下）。

图5是根据本申请的一个实施方式的测试工装在测试过程中的位置变化示意图（图中上下两条虚线为对比基准线，用于对比环绕片在径向上的位置变化）。

图6是一种可能的测试工装所模拟的真实转子的剖视图。

附图标记说明：

S 测试工装；10 第一顶块；11 第一定位槽；12 第一外锥面；13 第一圆柱面；14第一外圆柱面；15 螺栓孔；

20 第二顶块；21 第二定位槽；22 第二外锥面；23 第二圆柱面；24 第二外圆柱面；25 光孔；26 导向孔；

30 环绕片；31 定位凸条；301 第一内锥面；302 第二内锥面；303 内圆柱面；

40 箍环；41 端壁；42 周壁；401 螺孔；

50 螺栓；

P 压头；C 护套；C0 真实护套；M1 中部铁芯；M2 外周铁芯；G 隔磁间隔；A1 第一跨距；A2 第二跨距。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

参照图1至图5，以应用于新能源汽车的驱动电机的碳纤维护套为例，介绍根据本申请的一个实施方式的护套强度的测试工装。

该测试工装能在不提供高转速的情况下，模拟护套内部转子所受的离心力，向护套施加朝向径向外侧的力。所模拟的转子例如参照图6。该转子的铁芯包括中部铁芯M1和围绕在中部铁芯M1外周的多个外周铁芯M2，中部铁芯M1和外周铁芯M2之间设有磁钢，真实护套C0环绕在铁芯的外周。

测试工装S包括第一顶块10、第二顶块20、多个（本实施方式中为6个）环绕片30、两个箍环40和螺栓50。

第一顶块10和第二顶块20呈大致圆筒状。螺栓50能将第一顶块10和第二顶块20同轴地连接在一起。

具体地，第一顶块10的中部开设有螺栓孔15。第二顶块20的中部开设有阶梯孔，阶梯孔的朝向螺栓孔15的部分为光孔25，阶梯孔的背离螺栓孔15的部分为导向孔26。

螺栓孔15带有能与螺栓50的外螺纹相螺合的内螺纹。阶梯孔不带有螺纹，其中，光孔25的内径稍大于螺栓50的螺纹部分的外径，导向孔26稍大于螺栓50的头部的外径。螺栓50穿过阶梯孔、再旋入螺栓孔15内，从而能将第一顶块10和第二顶块20同轴地连接在一起。

应当理解，由于阶梯孔不带有螺纹，因此在螺栓50未拧紧、或者说是第一顶块10和第二顶块20之间存在轴向间隙的情况下，第一顶块10和第二顶块20是可以沿轴向彼此靠近的。这种运动自由度在下文介绍工装的工作过程时将更容易被理解。

第一顶块10和第二顶块20的外径尺寸在轴向上是不相同的。

第一顶块10包括在轴向上依次连接的第一圆柱面13、第一外锥面12和第一外圆柱面14。第一圆柱面13的直径小于第一外圆柱面14的直径。第一外锥面12是圆锥面的一部分，或者说是圆台面。以下将第一圆柱面13所在的端部称为第一顶块10的小头，将第一外圆柱面14所在的端部称为第一顶块10的大头。

第二顶块20包括在轴向上依次连接的第二圆柱面23、第二外锥面22和第二外圆柱面24。第二圆柱面23的直径小于第二外圆柱面24的直径。第二外锥面22是圆锥面的一部分，或者说是圆台面。以下将第二圆柱面23所在的端部称为第二顶块20的小头，将第二外圆柱面24所在的端部称为第二顶块20的大头。

第一顶块10和第二顶块20以彼此的小头相对设置的方式连接。第一圆柱面13的外径与第二圆柱面23的外径相同。以下将第一顶块10、第二顶块20和螺栓50形成的整体称为“中部调节体”。

多个环绕片30贴靠在中部调节体的外周设置。每个环绕片30呈瓦片状，其外周面形成为圆柱面的一部分，其内周面能与中部调节体的外周面贴合。

具体地，环绕片30的内周面包括第一内锥面301、第二内锥面302和内圆柱面303。第一内锥面301与第一外锥面12形状锁合，第二内锥面302与第二外锥面22形状锁合，内圆柱面303与第一圆柱面13和第二圆柱面23形状锁合。

在将多个环绕片30环绕中部调节体设置的情况下，多个环绕片30起到了模拟转子铁芯的作用。

参照图6（图6引用自专利公开WO2021225902A1的图4），外周铁芯M2和中部铁芯M1之间在周向上间隔开，形成隔磁间隔G。应当理解，在其它可能的实施方式中，外周铁芯M2和中部铁芯M1之间在周向上也可以相连而形成非常窄的隔磁桥。

在转子高速转动的情况下，铁芯的外周部分（包括外周铁芯M2和中部铁芯M1的外周部分）、尤其是外周铁芯M2，由于受离心力而有向外周方向飞离的趋势。据此，本申请提出三种模拟方法。

以下将外周铁芯M2在周向上的尺寸称为第一跨距A1，将中部铁芯M1的最外周部分在周向上的尺寸称为第二跨距A2，将外周铁芯M2和中部铁芯M1之间的间隔在周向上的尺寸称为隔磁间隔G。

第一种模拟方法：

每个环绕片30用于模拟一个外周铁芯M2，则，每个环绕片30的周向尺寸等于第一跨距A1；相邻的环绕片30之间的间隔等于第二跨距A2+2×隔磁间隔G。

第二种模拟方法：

部分的环绕片30用于模拟外周铁芯M2，以下将这类环绕片30称为第一类环绕片；部分的环绕片30用于模拟中部铁芯M1，以下将这类环绕片30称为第二类环绕片。

第一类环绕片的周向尺寸等于第一跨距A1，第二类环绕片的周向尺寸等于第二跨距A2，相邻的第一类环绕片和第二类环绕片之间的周向尺寸等于隔磁间隔G。

第三种模拟方法：

将整个铁芯作为一个整体，不特别区分中部铁芯M1和外周铁芯M2。这种情况下，相邻的环绕片30之间不设间隔。

应当理解，相邻的环绕片30之间不设间隔并不表示它们固定在一起，此时仍称它们是分离的。相邻的环绕片30彼此紧挨，当受到朝向外周的撑开力时，相邻的环绕片30会分隔开。

参照图3，为了方便环绕片30相对于中部调节体在周向上的定位，环绕片30的内周面部分地向内周方向凸出而形成沿轴向延伸的定位凸条31。

与定位凸条31相配合地，第一顶块10的靠近小头的部分形成有多个第一定位槽11，第二顶块20的靠近小头的部分形成有多个第二定位槽21。

环绕片30的定位凸条31能伸入第一定位槽11和第二定位槽21内，实现环绕片30相对于中部调节体在周向上的定位。

可以理解，一旦第一顶块10和第二顶块20之间的轴向距离确定，则抵靠在第一顶块10和第二顶块20外周的环绕片30的外周面所在的圆柱面的外径也可以确定。

可选地，例如在装配环绕片30之前，通过工装限定第一顶块10和第二顶块20之间的轴向距离。又例如，可以在第一顶块10和第二顶块20上设置刻度标示，并将环绕片30作为标尺，环绕片30的两个端部分别对齐第一顶块10和第二顶块20上的刻度，来确定第一顶块10、第二顶块20和环绕片30彼此之间在轴向上的初始安装位置。

箍环40用于在第一顶块10、第二顶块20和环绕片30的位置大致固定后，分别套设到多个环绕片30形成的圆柱面的两端，暂时地对多个环绕片30的位置进行固定。

箍环40包括端壁41和周壁42。端壁41用于抵靠到环绕片30的轴向端面，周壁42用于环绕在环绕片30的外周。

端壁41还形成有多个螺孔401。螺孔401用于配合螺钉实现下文介绍的取下箍环40的操作。

在箍环40将环绕片30固定箍住后，可以在环绕片30外周缠绕碳纤维，形成护套C，以模拟真实护套C0。

护套C缠绕完成后，环绕片30即被固定，因此可以将暂时固定环绕片30的箍环40取下。

在本实施例中，提供这样的取下方式：使用长度大于端壁41厚度的螺钉，将螺钉旋入螺孔401，直到螺钉抵靠到环绕片30的端面，继续向着拧紧的方向旋拧螺钉，螺纹之间的挤压力使得箍环40在轴向上远离环绕片30直至脱落。

至此，能够得到可模拟真实碳纤维转子的假转子。接着对第一顶块10和第二顶块20施加使得二者彼此靠近的压力，压力作用到环绕片30的分力能推动环绕片30向径向外侧产生微小的位移，护套C将进一步被撑开，类似于转子高速转动时铁芯的离心力使护套C撑开。

具体地，例如将第二顶块20抵靠到基准平面上，使用压头P对第一顶块10施加压力。当压力产生的作用于环绕片30的径向分力超过护套C的预紧力时，护套C发生轻微变形，环绕片30向径向外侧发生轻微的位移，第一顶块10和第二顶块20彼此靠近，例如参照图5所示。

记录压力的变化曲线，直到护套C被撑裂。压力曲线发生突变的点对应护套C被撑开的临界压力。根据第一外锥面12和第二外锥面22的倾斜角度，可以换算得到该临界压力对应的离心力。

当然，在测试过程中，也可以逐渐增加压力，但是不必须加至护套C被撑破，而是提供一个压力的设定最大值。如果在设定最大值的压力下，护套C没有被撑破，则说明护套C的强度能达到设定的要求。

本发明至少具有以下优点中的一个优点：

（i）本发明提供的工装能模拟转子，工装可以在不转动的情况下，通过驱动部件向外周方向移动而模拟离心力。测试工装结构简单，成本低。

（ii）通过具有锥面的第一顶块10和第二顶块20，模拟的离心力能由沿直线作用的压力提供，工装操作简单，运行成本低。

（iii）在保证测试工装安装到位的情况下，箍环能灵活地拆卸，使得工装的使用方便。

当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。例如：

（i）螺栓50可以用其它能对第一顶块10和第二顶块20起到定中心位置的连接件代替。例如螺栓50可以替换成不带螺纹的连接柱。应当理解，这种情况下，需要在装配测试工装S时，给第一顶块10和第二顶块20施加一定的使彼此靠近的预压力。

（ii）在能保证第一顶块10和第二顶块20在装配时保持同轴的情况下，螺栓50或类似的连接件也可以被取消。应当理解，这种情况下，需要在装配测试工装S时，给第一顶块10和第二顶块20施加一定的使彼此靠近的预压力。

（iii）第一定位槽11和第二定位槽21可以仅保留一者。应当理解，在这种情况下，定位凸条31的轴向距离应适应调整，使得在第一顶块10和第二顶块20彼此靠近的过程中，定位凸条31不会和第一顶块10或第二顶块20产生干涉。

（iv）定位凸条和定位槽的设置位置可以对调，例如定位凸条设置在第一顶块和第二顶块，定位槽设置在环绕片。

（v）箍环40也可以借助其它结构或工装取下，而不设置与螺钉配合的螺孔401。

（vi）第一外圆柱面14和第二外圆柱面24不是必须的，可以取消。