CN104297091B - 人工髋关节摩擦试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工髋关节摩擦试验机，包括载荷机构、扭矩测试仪、球头和臼杯以及球头旋转装置，所述球头旋转装置包括旋转Ⅰ轴和旋转Ⅱ轴，所述旋转Ⅰ轴于球头下方通过中、下层平台上的Ⅰ轴上轴承位和Ⅰ轴下轴承位安装，所述旋转Ⅱ轴斜向设于旋转Ⅰ轴旁，旋转Ⅱ轴上端连接球头，旋转Ⅱ轴下端于斜台上的Ⅱ轴承位安装，所述斜台于旋转盘上安装，所述旋转盘同轴空套于旋转Ⅰ轴并通过中层平台的转盘轴承位安装，旋转Ⅰ轴和旋转Ⅱ轴之间由啮合的锥形齿轮和圆柱齿轮连接，所述锥形齿轮安装于旋转Ⅰ轴上，圆柱齿轮安装于旋转Ⅱ轴上。本发明可适应不同年龄、地域及运动状态等复杂工况的摩擦性研究，使得人工髋关节摩擦性能测试结果进一步接近真实工况。

Description

人工髋关节摩擦试验机

技术领域

本发明涉及机械设计及材料摩擦研究，具体为一种人工髋关节摩擦试验机，其能够为新型材料摩擦性能测试提供多工况且可靠的测试。

背景技术

据统计，60岁以上老年人罹患关节退变性疾病的比例高达90％以上，其中髋关节骨折是其最主要创伤之一，从2009～2011年，欧洲骨科与创伤协会、美国整形外科医学会及中华医学会骨科专业分会先后将“植入物的安全性、耐磨性及耐久性”作为该领域里最重要的议题之一。

针对人工髋关节植入生物体内试验研究复杂、风险大、成本高及周期长的特点，髋关节摩擦试验机应运而生。目前，髋关节摩擦试验机按模拟运动方式可分为：销盘型、摆轴型及多轴型：销盘型是通过圆盘与销状试样之间形成的相对滑动来研究材料摩擦润滑性能；多轴型是将不同轴系形成的单个运动进行合成来模拟人工髋关节的运动形态；摆轴型是依靠基座与斜面底座之间的相对运动来模拟髋关节三个不同平面的摆动动作。

美国专利[授权公告号US6199424B1]涉及一种适应橡胶及胎面的销盘摩擦试验机，能够调节滑动速率、接触压力、方向及接触面来测试更为复杂工况。其主要包括负载单元、力测量装置、驱动机构、摩擦盘及测试样夹持器等，便于调整和测试不同工况条件下橡胶制品的摩擦性能；但其接触和运动方式与人工髋关节的运动方式差别较大。

中国专利[授权公告号CN101975707B]涉及一种基于钢丝绳传动的髋关节试验机。其为多轴型结构，采用伸缩及拉伸弹簧、凸轮、定滑轮及钢丝绳组成的传动机构，实现与其连接动平台上的关节球头完成交叉状的多向复合滑动及旋转运动。该结构采用以上传统机械零件代替了价格昂贵的进口电动缸，降低了试验成本和机台适应性；但其功能性单一，摩擦面控制稳定性差。

中国专利[授权公告号CN101243998B]涉及一种多功能摩擦学实验装置的设计。其在摇轴型髋关节试验机的基础上，将销盘型功能集成到该试验机上，使得单台试验机具有较强的兼容性和改进功能，易于拆卸和操作；但由于该试验机在设计原理上并没有进行改进，虽增加了测试功能，但对调节髋关节结构参数对其生物摩擦学性能影响方面却无提高。

发明内容

针对现有技术的不足(球头自转速度与锥面旋转速度有关联性及锥面旋转角调节不便)，本发明的目的在于对其旋转中心机构(旋转装置)在设计原理上进行创新设计，提出了一种能够无级调节球头的自转速度和锥面旋转速度，并方便调节锥面旋转角度的人工髋关节摩擦试验机。

能够实现上述目的人工髋关节摩擦试验机，其技术方案包括载荷机构、扭矩测试仪、相配装的下方球头和上方臼杯以及球头旋转装置，所述载荷机构设于载荷平台上，所述臼杯通过扭矩测试仪向上连接载荷机构，与现有技术不同的是所述球头旋转装置包括旋转Ⅰ轴和旋转Ⅱ轴，所述旋转Ⅰ轴于球头下方通过中层平台上的Ⅰ轴上轴承位和下层平台上的Ⅰ轴下轴承位垂直安装，所述旋转Ⅱ轴斜向设于旋转Ⅰ轴旁，旋转Ⅱ轴的上端连接球头，旋转Ⅱ轴的下端于斜台上的Ⅱ轴轴承位安装，所述斜台于旋转盘上安装，所述旋转盘同轴空套于旋转Ⅰ轴并通过中层平台上的转轴轴承位安装，旋转Ⅰ轴和旋转Ⅱ轴之间由相互啮合的锥形齿轮和圆柱齿轮连接，所述锥形齿轮安装于旋转Ⅰ轴上，所述圆柱齿轮安装于旋转Ⅱ轴上。

上述结构中，所述旋转Ⅰ轴通过锥形齿轮——圆柱齿轮——旋转Ⅱ轴的运动传递，实现球头的自转；所述旋转Ⅱ轴在旋转盘的带动下，实现球头于锥面上的旋转。

所述旋转盘的传动机构可采用旋转Ⅱ轴电机带动的皮带轮传动副，为简化结构，此时的旋转盘作为皮带轮传动副中的从动皮带轮使用。

所述旋转Ⅰ轴的传动机构可采用旋转Ⅰ轴电机带动的皮带轮传动副。

所述斜台的斜角度数选择为16°～30°，即可更换不同斜角度数的斜台，配合更换不同锥度配合的锥形齿轮和圆柱齿轮，以改变球头的锥面旋转角度。

大多数情况下，所述斜台的斜角度数优选27°。

本发明与现有技术相比有以下突出效果：

本发明人工髋关节摩擦试验机在分析传统髋关节摩擦试验机的旋转中心机构设计原理基础上，将旋转中心机构的旋转作用进行创新性机构分离，从而实现对髋关节球头自转速度的无级调速；同时采用不同的机构模块和装配实现球头旋转锥形角调节，从而适应不同年龄、地域及运动状态等复杂工况的摩擦性研究，使得人工髋关节摩擦性能测试结果进一步接近真实工况。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的立体结构示意图。

图2是图1实施方式的主视图。

图3是图1实施方式的中心机构主视图。

图号标识：1、载荷机构；2、扭矩测试仪；3、球头；4、臼杯；5、上层平台；6、旋转Ⅰ轴；7、旋转Ⅱ轴；8、中层平台；9、下层平台；10、斜台；11、旋转盘；12、锥形齿轮；13、圆柱齿轮；14、旋转Ⅱ轴电机；15、旋转Ⅰ轴电机；16、机台框架；17、Ⅰ轴上轴承位；18、Ⅰ轴下轴承位；19、Ⅱ轴轴承位；20、转盘轴承位。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明人工髋关节摩擦试验机包括基于机台框架16的前侧竖直框板安装的上层平台5、中层平台8和下层平台9，所述上层平台5上方设有载荷机构1，所述载荷机构1的中心轴贯通(间隙配合)上层平台5，载荷机构1与上层平台5通过机台框架16的限位孔道进行旋转限制，上层平台5下方设有相配装的下方球头3和上方臼杯4，所述臼杯4通过扭矩测试仪2连接载荷机构1的中心轴(定位螺钉的连接方式)，所述球头3向下连接球头旋转装置，如图1、图2、图3所示。

所述球头旋转装置包括旋转Ⅰ轴6和旋转Ⅱ轴7以及驱动旋转Ⅰ轴6和旋转Ⅱ轴7的传动机构，所述旋转Ⅰ轴6于球头3的下方垂直设置，并通过中层平台8上的Ⅰ轴上轴承位17(设于旋转Ⅰ轴6与中层平台8之间的滚动轴承)和下层平台9上的Ⅰ轴下轴承位18(滚珠轴承和平面滚针轴承)垂直安装(旋转Ⅰ轴6与载荷机构1的中心轴同轴线)，旋转Ⅰ轴6顶部同轴安装(直齿)锥形齿轮12，旋转盘11设于中层平台8上并通过转盘轴承位20(设于旋转盘11与中层平台8之间的向心滚针轴承和平面滚针轴承)定位安装，所述旋转盘11的中心孔套装于旋转Ⅰ轴6；所述旋转Ⅱ轴7斜向设于锥形齿轮12旁，旋转Ⅱ轴7的上端通过定位螺钉连接球头3，旋转Ⅱ轴7的下端通过斜台10上的Ⅱ轴轴承位19(设于旋转Ⅱ轴7与斜台10之间的滚珠轴承和平面滚针轴承)定位安装，所述斜台10安装在旋转盘11上端面的外围圆周上，与锥形齿轮12位置对应的旋转Ⅱ轴7上同轴固装(直齿)圆柱齿轮13，所述(直齿)圆柱齿轮13与(直齿)锥形齿轮12啮合，(直齿)锥形齿轮12的锥角与斜台10的斜角度数相同，斜台10的斜角度数决定了旋转Ⅰ轴6与旋转Ⅱ轴7的夹角度数，更换不同斜角角度的斜台10，可以调节旋转Ⅰ轴6与旋转Ⅱ轴7的夹角度数为16°～30°(优选斜角角度为27°)，如图1、图2、图3所示。

所述旋转Ⅰ轴6的传动机构为旋转Ⅰ轴电机15带动的皮带轮传动副，所述旋转Ⅰ轴电机15安装于机台框架16的前、后侧竖直框板之间的下部，皮带轮传动副中的主动皮带轮安装于旋转Ⅰ轴电机15的输出轴上，从动皮带轮安装于中、下层平台8、9之间的旋转Ⅰ轴6上，所述主、从动皮带轮之间由皮带连接，如图2、3所示。

所述旋转Ⅱ轴7的传动机构为旋转Ⅱ轴电机14带动的皮带轮传动副，所述旋转Ⅱ轴电机14安装于机台框架16的前、后侧竖直框板之间的上部，皮带轮传动副中的主动皮带轮安装于旋转Ⅱ轴电机14的输出轴上，从动皮带轮用旋转盘11替代(旋转盘11的圆周面上开设皮带槽)，主动皮带轮与旋转盘11之间由皮带连接，如图2、3所示。

本发明的运行方式：

1、所述旋转Ⅱ轴电机14带动旋转盘11进行周向旋转，使得旋转Ⅱ轴7上固定的球头3绕锥面旋转，并通过旋转Ⅱ轴电机14控制旋转速度。

2、所述旋转Ⅰ轴电机15带动旋转Ⅰ轴6旋转，(直齿)锥形齿轮12同步旋转，(直齿)锥形齿轮12带动(直齿)圆柱齿轮13转动，从而驱动旋转Ⅱ轴7转动而实现球头3的自转，并通过旋转Ⅰ轴电机15控制其自转速度和方向。

3、上述两种运动方式的协同工作，从而完成人工髋关节摩擦性能测试试验。

Claims (5)

1.人工髋关节摩擦试验机，包括载荷机构(1)、扭矩测试仪(2)、相配装的下方球头(3)和上方臼杯(4)以及球头旋转装置，所述载荷机构(1)设于上层平台(5)上，所述臼杯(4)通过扭矩测试仪(2)向上连接载荷机构(1)，其特征在于：所述球头旋转装置包括旋转Ⅰ轴(6)和旋转Ⅱ轴(7)，所述旋转Ⅰ轴(6)设于球头(3)下方并通过中层平台(8)上的Ⅰ轴上轴承位(17)和下层平台(9)上的Ⅰ轴下轴承位(18)垂直安装，所述旋转Ⅱ轴(7)斜向设于旋转Ⅰ轴(6)旁，旋转Ⅱ轴(7)的上端连接球头(3)，旋转Ⅱ轴(7)的下端安装于斜台(10)上的Ⅱ轴轴承位(19)，所述斜台(10)安装于旋转盘(11)上，所述旋转盘(11)同轴空套于旋转Ⅰ轴(6)并通过中层平台(8)上的转盘轴承位(20)安装，旋转Ⅰ轴(6)和旋转Ⅱ轴(7)之间由相互啮合的锥形齿轮(12)和圆柱齿轮(13)连接，所述锥形齿轮(12)安装于旋转Ⅰ轴(6)上且其锥角与斜台(10)的斜角度数相同，所述圆柱齿轮(13)安装于旋转Ⅱ轴(7)上。

2.根据权利要求1所述的人工髋关节摩擦试验机，其特征在于：所述旋转盘(11)的传动机构为旋转Ⅱ轴电机(14)带动的皮带轮传动副，旋转盘(11)作为皮带轮传动副中的从动皮带轮。

3.根据权利要求1所述的人工髋关节摩擦试验机，其特征在于：所述旋转Ⅰ轴(6)的传动机构为旋转Ⅰ轴电机(15)带动的皮带轮传动副。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的人工髋关节摩擦试验机，其特征在于：所述斜台(10)的斜角度数为16°～30°。

5.根据权利要求4所述的人工髋关节摩擦试验机，其特征在于：所述斜台(10)的斜角度数为27°。