CN103915021A - 便携式多功能材料力学教具 - Google Patents

Abstract

本发明公开的便携式多功能材料力学教具，包括机架，机架顶面连接第一支撑板，第一支撑板下方设有第二支撑板，驱动装置设在第二支撑板下方；传动装置位于第一支撑板和第二支撑板之间，驱动装置与传动装置连接；夹持装置包括：位于第一支撑板上方的支撑头，支撑头与第一支撑板之间设有支撑立柱、与支撑头连接的上夹具座、穿过第一支撑板与传动装置输出端连接的下夹具座、一套与上夹具座、下夹具座可拆卸连接的夹具；设在第二支撑板上的控制下夹具座旋转的离合装置。通过下夹具座的轴向位移和旋转，再配合不同类型的夹具，即可完成拉伸、压缩、弯曲、扭转等多种实验和挠度演示实验，并得出用不同材料实验件相应的力学性能指标，操作简单，方便灵活。

Description

便携式多功能材料力学教具

技术领域

本发明涉及一种材料力学课堂教具，尤其是集小型化和多功能于一身的便携式多功能材料力学教具。

背景技术

在材料力学的教学中通常会涉及到五种实验：拉伸实验、压缩实验、扭转实验、弯曲实验和挠度演示实验。目前，对于拉伸和压缩实验，在材料力学实验室中常采用电子万能实验机来完成这两个实验；对于扭转实验，采用扭转实验机来完成实验；对于弯曲实验，采用弯曲实验机来完成实验，挠度演示实验目前并无相关演示实验平台。然而，这些现有的力学实验机体积庞大、笨重、价格昂贵，具有一定的危险性，且功能较为单一，需要在特定的实验室进行，不便于老师在课堂上及时给同学们演示，无法收到应有的教学辅助效果。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种通过简单的机构转换，即可完成实验室内压缩、拉伸、弯曲、扭转实验和挠度演示实验的便携式多功能材料力学教具，并且在实现多种功能的同时，保证其体积小巧、变化灵活。

为达到上述目的，本发明设计的便携式多功能材料力学教具，其特殊之处在于：包括机架、驱动装置、传动装置、夹持装置和离合装置；所述机架顶面连接第一支撑板，所述第一支撑板下方设有第二支撑板，所述驱动装置设在第二支撑板下方；所述传动装置位于所述第一支撑板和第二支撑板之间，所述驱动装置的输出端穿过所述第二支撑板与传动装置的输入端连接；所述夹持装置包括位于第一支撑板上方的支撑头，所述支撑头与第一支撑板之间设有多个支撑立柱；所述夹持装置还包括与支撑头底面连接的上夹具座、穿过所述第一支撑板与所述传动装置输出端连接的下夹具座；所述夹持装置还包括一套夹具，所述夹具与上夹具座、下夹具座可拆卸连接；所述第二支撑板上设有控制所述下夹具座旋转的所述离合装置。

作为优选方案，所述传动装置包括转轴和传动管；所述转轴与第一支撑板、第二支撑板转动连接，所述转轴上设有主动齿轮，所述主动齿轮位于第一支撑板和第二支撑板之间；所述传动管与第一支撑板、第二支撑板转动连接，所述传动管上设有从动齿轮，所述从动齿轮位于第一支撑板和第二支撑板之间；所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合；所述下夹具座穿过所述第一支撑板和传动管，并与所述传动管螺纹连接。这样，通过齿轮传动和螺纹传动，在驱动装置的驱动下下夹具座沿轴向上下运动，从而完成拉伸、压缩、扭转、弯曲实验件。

进一步地，所述传动管与所述从动齿轮一体成型。

进一步地，所述离合装置包括伸入下夹具座内部的芯棒，套设在下夹具座上并与与第二支撑板底部连接的离合器外壳，所述芯棒底部与所述离合器外壳底面固定；所述芯棒上部设有径向第一通槽，所述第一通槽内对称设有一组凸块，所述每个凸块的一端通过第一销轴与所述芯棒转动连接，所述第一销轴上设有扭簧；所述下夹具座上也设有径向第二通槽，所述第二通槽的长度大于所述第一通槽的长度；所述芯棒内设有滑芯，所述滑芯一端与所述凸块侧壁接触，另一端与手柄卡合；所述手柄一端与所述凸块卡合，另一端伸出所述离合器外壳，且所述手柄中部与所述离合器外壳通过第二销轴转动连接。这样，向下转动手柄，手柄推动滑芯向上运动，滑芯进而将凸块从第一通槽内顶出，凸块伸入第二通槽内，从而将下夹具座与芯棒卡死，故下夹具座只能轴向上下运动不能旋转。

进一步地，所述上夹具座顶部、下夹具座顶部均设有梯形槽，所述梯形槽较窄的一端靠近上夹具座、下夹具座的顶面；所述夹具设有与所述梯形槽配合的连接部。这样，通过连接部与梯形槽的限位配合，实现夹具方便快捷可靠的可拆卸连接。

再进一步地，所述夹具包括拉伸夹具，所述拉伸夹具包括左夹块和右夹块，所述左夹块和右夹块螺栓连接；所述左夹块和右夹块下部设有向外倾斜的倾斜段，所述倾斜段配合形成连接部；所述左夹块和右夹块内侧设有竖直的半圆孔，所述半圆孔内壁设有锯齿段。这样，将拉伸夹具夹持在实验件的两端，然后再将连接部从梯形槽一侧插入梯形槽，即可开始拉伸实验。

再进一步地，所述夹具包括扭转夹具，所述扭转夹具包括连接部，所述连接部的顶面设有方形扭转孔。这样，扭转夹具安装在梯形槽后，将实验件的两端放入扭转孔内，接口开始扭转实验。

再进一步地，所述夹具包括弯曲夹具，所述弯曲夹具包括安装在上夹具座上的上弯曲夹具和安装座下夹具座上的下弯曲夹具；所述上弯曲夹具包括连接部，所述连接部顶面设有顶杆，所述顶杆顶端为尖头；所述下弯曲夹具包括连接部，所述连接部顶面设有支撑杆，支撑杆顶面设有支撑板，支撑板顶面的两端设有支撑架，支撑架上部设有凹槽。这样，安装好上、下弯曲夹具，将实验件的两端放入凹槽中，即可开始弯曲实验。

进一步地，所述第一支撑板与第二支撑板之间设有多个支撑套筒，所述支撑套筒与第一支撑板、第二支撑板栓接；所述支撑套筒的高度大于所述主动齿轮、从动齿轮的宽度。这样，防止齿轮端面与支撑板端面的磨损。

作为另一优选方案，便携式多功能材料力学教具还包括控制显示系统，所述控制显示系统包括传感器、控制系统和显示系统；所述传感器的信号输出端连接所述控制系统；所述控制系统处理分析所述传感器的信号，将处理结果发送至显示系统显示。

进一步地，所述传感器至少包括：夹持在所述支撑立柱上的摄像头、安装在电机上的扭力传感器、至少一个嵌设在所述支撑立柱内的拉压力传感器、安装在第一支撑板顶面或支撑头底面的光栅尺位移传感器中的一种。

本发明的有益效果是：通过离合装置控制下夹具座的是做旋转运动，还是仅做轴向的直线运动，然后再配合不同类型的夹具，即可完成拉伸、压缩、弯曲、扭转等多种基本实验和挠度演示实验，并得出用不同材料实验件相应的力学性能指标，操作简单，方便灵活。

附图说明

图1为本发明便携式多功能材料力学教具主视图的剖视示意图；

图2为图1的A-A剖视示意图；

图3为本发明便携式多功能材料力学教具拉伸夹具的立体示意图，

图4为本发明便携式多功能材料力学教具拉伸夹具右夹块的立体示意图；

图5为本发明便携式多功能材料力学教具扭转夹具的立体示意图；

图6为本发明便携式多功能材料力学教具上弯曲夹具的立体示意图，

图7为本发明便携式多功能材料力学教具下弯曲夹具的立体示意图；

图中：机架1、第一支撑板2、第二支撑板3、电机4、减速器5、转轴6、传动管7、主动齿轮8、从动齿轮9、支撑头10、支撑立柱11、上夹具座12、下夹具座13（第二通槽13.1）、芯棒14（第一通槽14.1）、离合器外壳15、凸块16、第一销轴17、滑芯18、手柄19、第二销轴20、夹具21（连接部21.1）、拉伸夹具22（左夹块22.1、右夹块22.2、倾斜段22.3、半圆孔22.4、锯齿段22.5）、扭转夹具23（方形扭转孔23.1）、弯曲夹具24（上弯曲夹具24.1、下弯曲夹具24.2、顶杆24.11、支撑杆24.21、支撑板24.22、支撑架24.23、凹槽24.24）、支撑套筒25。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1和图2所述，本发明设计的便携式多功能材料力学教具包括机架1、驱动装置、传动装置和夹持装置；所述机架1顶面连接第一支撑板2，所述第一支撑板2下方设有第二支撑板3，所述驱动装置设在第二支撑板3下方；

所述驱动装置包括电机4和减速器5；电机4的输出端经减速器5与所述传动装置连接；

所述传动装置包括转轴6和传动管7；所述转轴6与第一支撑板2、第二支撑板3转动连接，所述转轴6上设有主动齿轮8，所述主动齿轮8位于第一支撑板2和第二支撑板3之间；所述传动管7与第一支撑板2、第二支撑板3转动连接，所述传动管8上设有从动齿轮9，所述从动齿轮9位于第一支撑板2和第二支撑板3之间；所述主动齿轮8与所述从动齿轮9啮合；所述驱动装置的输出端也即是减速器5的输出端穿过所述第二支撑板3与转轴6连接。进一步地，所述传动管7与所述从动齿轮9一体成型；

所述夹持装置包括位于第一支撑板2上方的支撑头10，所述支撑头10与第一支撑板2之间设有多个支撑立柱11；所述夹持装置还包括与支撑头10底面连接的上夹具座12、穿过所述第一支撑板2与所述传动装置输出端——也即是传动管7连接的下夹具座13；所述下夹具座13穿过所述第一支撑板2和传动管7，并与所述传动管7螺纹连接；所述夹持装置还包括一套夹具21，所述夹具21与上夹具座12、下夹具座13可拆卸连接。

这样，通过齿轮传动和螺纹传动，在驱动装置的驱动下下夹具座沿轴向上下运动，从而完成拉伸、压缩、扭转、弯曲实验件。

作为优选方案，所述第二支撑板3上设有控制所述下夹具座13旋转的离合装置；所述离合装置包括伸入下夹具座13内部的芯棒14，套设在下夹具座13上并与与第二支撑板3底部连接的离合器外壳15，所述芯棒14底部与所述离合器外壳15底面固定；所述芯棒14上部设有径向第一通槽14.1，所述第一通槽14.1内对称设有一组凸块16，所述每个凸块16的一端通过第一销轴17与所述芯棒14转动连接，所述第一销轴17上设有用于是凸块16复位的扭簧；所述下夹具座13上也设有径向第二通槽13.1，所述第二通槽13.1的长度大于所述第一通槽14.1的长度；所述芯棒14内设有滑芯18，所述滑芯18一端与所述凸块16侧壁接触，另一端与手柄19卡合；所述手柄19一端与所述凸块16卡合，另一端伸出所述离合器15外壳，且所述手柄19中部与所述离合器外壳15通过第二销轴20转动连接。这样，向下转动手柄19，手柄19推动滑芯18向上运动，滑芯18进而将凸块16从第一通槽14.1内顶出，凸块16伸入第二通槽13.1内，从而将下夹具座13与芯棒14卡死，故下夹具座13只能轴向上下运动不能旋转，如此在做拉伸、压缩、弯曲实验，以及挠度演示实验的时候，防止下夹具座13的旋转从而影响实验结果。

进一步地，所述上夹具座12顶部设有梯形槽，所述梯形槽较窄的一端靠近上夹具座12顶面；所述夹具21设有与所述梯形槽配合的连接部21.1；在下夹具座13上同样设有这样的梯形槽，在此不累述。这样，通过连接部21.1与梯形槽的限位配合，实现夹具21方便快捷可靠的可拆卸连接。

如图3和图4所示，所述夹具21包括拉伸夹具22，所述拉伸夹具22包括左夹块22.1和右夹块22.2，所述左夹块22.1和右夹块22.2螺栓连接；所述左夹块22.1和右夹块22.2下部设有向外倾斜的倾斜段22.3，所述倾斜段22.3配合形成连接部21.1；所述左夹块22.1和右夹块22.2内侧设有竖直的半圆孔22.4，所述半圆孔22.4内壁设有锯齿段22.5。这样，将拉伸夹具22夹持在实验件的两端，然后再将连接部从梯形槽一侧插入梯形槽，即可开始拉伸实验。

如图5所示，所述夹具21包括扭转夹具23，所述扭转夹具23包括连接部21.1，所述连接部21.1的顶面设有方形扭转孔23.1。这样，扭转夹具23安装在梯形槽后，将实验件的两端放入扭转孔内，接口开始扭转实验。

如图6和图7所示，所述夹具21包括弯曲夹具24，所述弯曲夹具24包括安装在上夹具座12上的上弯曲夹具24.1和安装座下夹具座13上的下弯曲夹具24.2；所述上弯曲夹具24.1包括连接部21.1，所述连接部21.1顶面设有顶杆24.11，所述顶杆24.11顶端为尖头；所述下弯曲夹具24.2包括连接部21.1，所述连接部21.1顶面设有支撑杆24.21，支撑杆24.21顶面设有支撑板24.22，支撑板24.22顶面的两端设有支撑架24.23，支撑架24.23上部设有凹槽24.24。这样，安装好上、下弯曲夹具，将实验件的两端放入凹槽24.24中，即可开始弯曲实验。

如图2所示，进一步地，所述第一支撑板2与第二支撑板3之间设有多个支撑套筒25，所述支撑套筒25与第一支撑板2、第二支撑板3栓接；所述支撑套筒25的高度大于所述主动齿轮8、从动齿轮9的宽度。这样，防止齿轮端面与支撑板端面的磨损。

压缩实验：直接将实验件放置在下夹具座13上，向下扳动手柄19，启动电机4；下夹具座13在电机4的驱动下向上运动，当实验件与上夹具座12接触时开始压缩实验件。

拉伸实验：将拉伸夹具22固定在实验件的两端，调整下夹具座13的高度，将拉伸夹具22放入夹具座中；向下扳动手柄19，滑芯18将凸块16顶出，从而将下夹具座13与芯棒14锁定，启动电机4，此时电机4的转向与压缩实验电机的转向相反；在电机4的驱动下下夹具座13向下运动，拉伸实验件。

弯曲实验：将上弯曲夹具24.1安装在上夹具座12上，将下弯曲夹具24.2安装在下夹具座13上，向下扳动手柄19启动电机4适当调整下夹具座13的的高度，关闭电机4将实验件的两端放置在下弯曲夹具24.2的凹槽24.24内；再次启动电机4此时电机的转向与压缩实验电机的转向相同，实验件随着下夹具座13上述，随着上升的高度在顶杆24.11的作用下弯曲。

扭转实验：将手柄19向上扳动，凸块16在扭簧的作用下收回到芯棒14的第一通槽14.1内，启动电机4，是下夹具座13向下运动至极限位置，此时电机的转向与拉伸实验的转向相同；安装扭转夹具23，并将实验件的两端置于方形扭转孔23.1内；保持手柄19处于向上位置，再次启动电机4，此时电机的转向与拉伸实验的转向相同，实验件在电机4的驱动下发生扭曲。

挠度演示实验的实验步骤同弯曲实验，采用的也是弯曲夹具，再次就不做赘述。

作为另一优选方案，便携式多功能材料力学教具还包括控制显示系统，所述控制显示系统包括传感器、控制系统和显示系统；所述传感器的信号输出端连接所述控制系统；所述控制系统处理分析所述传感器的信号，将处理结果发送至显示系统显示。所述传感器至少包括：夹持在所述支撑立柱11上的摄像头、安装在电机4上的扭力传感器、至少一个嵌设在所述支撑立柱11内的拉压力传感器、安装在第一支撑板2顶面或支撑头10底面的光栅尺位移传感器中的一种。

摄像头即时捕捉实验过程中实验件的画面，并将视频信号传递给控制系统，控制系统控制该视频信号在显示系统上的显示。

扭力传感器测量电机4的扭力，在实验件受到扭矩作用时，产生微量弹性形变，传感器将输出与应变量成正比的电压信号，

将电压信号传递给控制系统，控制系统采用ADC0809数模转换芯片将传感器值转换为数字量，最终通过串口通信将数据传递给计算机进行数据存储和显示。

采用光电编码盘测量扭角，光电编码盘上均匀的分布着明暗相间的扇形区域，光电对管通过采集明暗条纹的数目确定试样的扭转角度，根据实验件承受的扭力和扭转角度绘出试样受扭力过程中扭矩与扭转角之间的力学性能曲线。

拉压实验时，拉压力传感器测量立柱11内部所受的拉力或者压力F₀，由于四根立柱对称分布，则试样所受到的拉压力按照F=4F₀处理得到试验件所承受的拉压力；光栅尺位移传感器通过对脉冲技术采集位移信息，当一端电平由低变高（即出现上升沿）时，若另一端为低电平时，则计数器减1，相反，若另一端电平为高电平则计数器加1。软件可以直接对计数器进行读书得到光栅尺运动时计数脉冲数m，再将脉冲数乘以栅距d即可得到光栅尺的形成S，S=m×d。然后计算机根据接收的数据信息，绘制出力和位移的曲线F-s。

弯曲实验时，弯曲梁沿高度方向上贴3～5个应变片，采用全桥电路，弯曲梁收载荷时发生弹性形变引起电桥电阻值变化，应变片将测量到的内应力转换为电信号传递给数据采集仪，数据采集仪对多传感器通道进行扫描，将扫描得到的电信号通过放大电路进行放大，并进行数字转换，转换成数字量，并将数据通过USB传送给电脑。绘制出弯曲正应力沿梁高度方向上的分布曲线图。

Claims (10)

1.一种便携式多功能材料力学教具，包括机架（1）、驱动装置、传动装置、夹持装置和离合装置，其特征在于：所述机架（1）顶面连接第一支撑板（2），所述第一支撑板（2）下方设有第二支撑板（3），所述驱动装置设在第二支撑板（3）下方；所述传动装置位于所述第一支撑板（2）和第二支撑板（3）之间，所述驱动装置的输出端穿过所述第二支撑板（3）与传动装置的输入端连接；所述夹持装置包括位于第一支撑板（2）上方的支撑头（10），所述支撑头（10）与第一支撑板（2）之间设有多个支撑立柱（11）；所述夹持装置还包括与支撑头（10）底面连接的上夹具座（12）、穿过所述第一支撑板（2）与所述传动装置输出端连接的下夹具座（13）；所述夹持装置还包括一套夹具（21），所述夹具（21）与上夹具座（12）、下夹具座（13）可拆卸连接；所述第二支撑板（3）上设有控制所述下夹具座（13）旋转的所述离合装置。

2.根据权利要求1所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：所述传动装置包括转轴（6）和传动管（7）；所述转轴（6）与第一支撑板（2）、第二支撑板（3）转动连接，所述转轴（6）上设有主动齿轮（8），所述主动齿轮（8）位于第一支撑板（2）和第二支撑板（3）之间；所述传动管（7）与第一支撑板（2）、第二支撑板（3）转动连接，所述传动管（7）上设有从动齿轮（9），所述从动齿轮（9）位于第一支撑板（2）和第二支撑板（3）之间；所述主动齿轮（8）与所述从动齿轮（9）啮合；所述下夹具座（13）穿过所述第一支撑板（2）和传动管（7），并与所述传动管（7）螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：所述离合装置包括伸入下夹具座（13）内部的芯棒（14），套设在下夹具座（13）上并与与第二支撑板（3）底部连接的离合器外壳（15），所述芯棒（14）底部与所述离合器外壳（15）底面固定；所述芯棒（14）上部设有径向第一通槽（14.1），所述第一通槽（14.1）内对称设有一组凸块（16），所述每个凸块（16）的一端通过第一销轴（17）与所述芯棒（14）转动连接，所述第一销轴（17）上设有扭簧；所述下夹具座（13）上也设有径向第二通槽（13.1），所述第二通槽（13.1）的长度大于所述第一通槽（14.1）的长度；所述芯棒（14）内设有滑芯（18），所述滑芯（18）一端与所述凸块（16）侧壁接触，另一端与手柄（19）卡合；所述手柄（19）一端与所述凸块（16）卡合，另一端伸出所述离合器外壳（15），且所述手柄（19）中部与所述离合器外壳（15）通过第二销轴（20）转动连接。

4.根据权利要求1所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：所述上夹具座（12）顶部、下夹具座（13）顶部均设有梯形槽，所述梯形槽较窄的一端靠近上夹具座（12）、下夹具座（13）的顶面；所述夹具（21）设有与所述梯形槽配合的连接部（21.1）。

5.根据权利要求4所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：所述夹具（21）包括拉伸夹具（22），所述拉伸夹具（22）包括左夹块（22.1）和右夹块（22.2），所述左夹块（22.1）和右夹块（22.2）螺栓连接；所述左夹块（22.1）和右夹块（22.2）下部设有向外倾斜的倾斜段（22.3），所述倾斜段（22.3）配合形成连接部（21.1）；所述左夹块（22.1）和右夹块（22.2）内侧设有竖直的半圆孔（22.4），所述半圆孔（22.4）内壁设有锯齿段（22.5）。

6.根据权利要求4所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：所述夹具（21）包括扭转夹具（23），所述扭转夹具（23）包括连接部（21.1），所述连接部（21.1）的顶面设有方形扭转孔（23.1）。

7.根据权利要求4所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：所述夹具（21）包括弯曲夹具（24），所述弯曲夹具（24）包括安装在上夹具座（12）上的上弯曲夹具（24.1）和安装座下夹具座（13）上的下弯曲夹具（24.2）；所述上弯曲夹具（24.1）包括连接部（21.1），所述连接部（21.1）顶面设有顶杆（24.11），所述顶杆（24.11）顶端为尖头；所述下弯曲夹具（24.2）包括连接部（21.1），所述连接部（21.1）顶面设有支撑杆（24.21），支撑杆（24.21）顶面设有支撑板（24.22），支撑板（24.22）顶面的两端设有支撑架（24.23），支撑架（24.23）上部设有凹槽（24.24）。

8.根据权利要求2所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：所述第一支撑板（2）与第二支撑板（3）之间设有多个支撑套筒（25），所述支撑套筒（25）与第一支撑板（2）、第二支撑板（3）栓接；所述支撑套筒（25）的高度大于所述主动齿轮（8）、从动齿轮（9）的宽度。

9.根据权利要求1所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：还包括控制显示系统，所述控制显示系统包括传感器、控制系统和显示系统；所述传感器的信号输出端连接所述控制系统；所述控制系统处理分析所述传感器的信号，将处理结果发送至显示系统显示。

10.根据权利要求9所述的便携式多功能材料力学教具，其特征在于：所述传感器至少包括：夹持在所述支撑立柱（11）上的摄像头、安装在电机（4）上的扭力传感器、至少一个嵌设在所述支撑立柱（11）内的拉压力传感器、安装在第一支撑板（2）顶面或支撑头（10）底面的光栅尺位移传感器中的一种。