CN106989988B - 一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，由载荷转换传动组件、夹持工作组件、数据采集组件构成，载荷转换传动组件包括支架，设置在支架上的两个主传动臂，分别经短轴承与两个主传动臂连接的传动伞齿轮及飞轮，夹持工作组件包括底盘，设置在底盘内的内齿轮，架设在内齿轮上的工作平台以及盖设在工作平台上的顶盖，数据采集组件包括安装在推头内的力传感器和激光位移传感器。与现有技术相比，本发明能够对金属板料进行复杂应力状态的性能测试，也能对金属板料成形前产生复杂类型的预应变，该装置装配自由，完全可拆卸，设计简洁，功能强大。

Description

一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置

技术领域

本发明属于金属板料加工及性能测试领域，尤其是涉及一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置。

背景技术

在材料性能测试领域，单向拉伸及压缩试验作为获取材料基本力学性能参数的常规方法，得到了广泛的应用，相应地，用作单轴拉伸及压缩的试验机也成为各实验室的常规设备之一。然而针对一些特定的情况，单轴拉伸及压缩试验已经不能满足需求，需采用材料多向拉伸/压缩试验。例如在航空航天方面，大部分构件都是双向甚至多向受力结构，其实际受力状态很复杂，受力方式不尽相同，对这些复合材料的强度特性，非常有必要对其在多轴载荷下的破坏特性进行研究，以保证材料在使用中的安全。又如在土木工程领域，常常采用三向加载的方法来进行材料性能测试。在车身零件的成形过程中，其板料变形规律是错综复杂的，对于这种实际工况中是多应力的复杂应力状态，仅仅采用单轴拉伸的简单变形试验来确定板料的成形性能是远远不够的。而在CAE仿真中，材料性能的数据大大影响着模拟结果的精确性，对于一些特定工况的模拟，非常需要引入这方面数据。

此外，在材料成形领域，往往需要在成形前对板料产生一些预应变，以探究不同的预应变对板料成形的影响，而一般的压力机只能提供单方向的载荷，难以产生的满足需要的多向预应变。

目前可实现多向拉伸及压缩的试验机种类有限，价格昂贵，且专利多掌握在国外厂商手中，因而国内研究单位及企业研发部门极少具备多向拉伸及压缩设备。部分研发单位采用自行研制的装置或机构，结合单轴试验机压力机，产生双向或多向的拉伸或压缩。但现有的技术中，有些只能实现多向拉伸，如公开号为CN102706731A的试验装置，该装置只能对金属板料实现双向的等速等位移的拉伸；有些只能实现多向压缩，如公开号为CN202631363U的加载装置；有些装置对材料的形状尺寸要求非常高，如公开号为CN104316394A的加载装置，该装置只能对矩形试件进行加载，若采用特殊形状的试件就无法得到预期的加载效果；有些装置不能实现不同方向具有不同的拉伸速度，如公开号为CN204903286U的试验夹具，该装置的四个拉伸方向均只能保持同等的速度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种既能提供拉伸载荷又能提供压缩载荷的试验装置，配合压力机及数据采集系统的使用，能够对金属板料进行复杂应力状态的性能测试，也能对金属板料成形前产生复杂类型的预应变，该装置装配自由，完全可拆卸，设计简洁，功能强大。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，由载荷转换传动组件、夹持工作组件、数据采集组件构成，

所述的载荷转换传动组件包括支架，设置在支架上的两个主传动臂，分别经短轴承与两个主传动臂连接的传动伞齿轮及飞轮，两个主传动臂的设计满足了拉伸载荷和压缩载荷的实现，而飞轮主要是为了工作结束后，主传动臂的手动复位，此外，在所需载荷较小时，尤其是压缩的情况下，可以通过飞轮进行手动施载。

所述的夹持工作组件包括底盘，设置在底盘内的内齿轮，架设在内齿轮上的工作平台以及盖设在工作平台上的顶盖，所述的工作平台上设有一与传动伞齿轮啮合连接的伞齿轮、4-10个推头、夹具及直齿轮，所述的夹具设置在推头的前端，将被夹持的试样固定在工作平台的中央，所述的伞齿轮与其中一个推头啮合连接，所述的直齿轮与剩余的推头啮合连接，所述的伞齿轮及直齿轮均与内齿轮连接，

优选地，在工作平台上设有八个推头、八个夹具、一个伞齿轮、七个直齿轮。试样置于工作部分的中央，通过夹具夹持后与推头连结。主传动臂受压运动后，带动传动伞齿轮进而传动到伞齿轮，伞齿轮带动一个推头的平移，同时将转动载荷通过内齿轮传递给了另外七个被动的直齿轮，直齿轮进而带动了七个推头的平移。根据推头向外或向内平移，可得到拉伸或者压缩载荷。

所述的数据采集组件包括安装在推头内的力传感器和激光位移传感器。

所述的主传动臂可在竖直方向上下压，速度可调，整体的拉伸或压缩速度可通过调整主传动臂的下压速度实现。

所述的顶盖上有开口，所述的伞齿轮的上端通过开口伸出，与传动伞齿轮啮合连接。

所述的推头包括

与夹具连接的推头主体，

与伞齿轮或直齿轮啮合的推头齿条，将直齿轮的转动载荷转换成线性载荷，

与工作平台上开设的凹槽配合连接的推头键，使推头在固定的路径上运动，使整个系统更加稳定。

所述的推头主体、推头齿条及推头键通过螺孔螺钉组合连接，通过更换推头齿条可以配合直齿轮的半径，进而得到推头不同的线速度。

所述的力传感器嵌入在推头主体内。

所述的直齿轮外还套设有不同尺寸的齿条，并且配合不同的推头齿条，可以得到不同的拉伸或压缩速度，即在角速度相同的情况下，通过改变半径，得到不同的线速度。

所述的夹具与待加工的板料试样之间通过板料打孔装配，对于拉伸和压缩均适用。

所述的夹具通过螺栓拧紧来固定待加工的板料试样的边界，仅适用于压缩工况。

该装置的载荷传递主要通过齿轮齿条的传动方式，将单向力转化为多向力。将普通拉伸试验机或压力机提供的单向主动压力作用于一个主传动臂，并通过传动伞齿轮可将直线运动转化成转动。通过伞齿轮的转动，带动了底座上的内齿轮的转动，并进一步带动各个方向的直齿轮转动，直齿轮的转动进一步带动推头的平移，进而转化得到拉伸载荷或者压缩载荷。

载荷形式的拉压转变，可以通过选择分别对左右两个主传动臂的施压，其中一个主传动臂引发传动伞齿轮的顺时针转动，另一个引发传动伞齿轮逆时针转动，两者分别导致推头向里或向外运动，从而对夹持的试样产生拉伸或者压缩。此外，可以通过替换某个方向的直齿轮，嵌入不同的齿轮以及更换推头中齿条的部分，则可进而改进拉伸速度或者压缩速度。

在数据采集方面，通过嵌入推头中的力传感器可以得到拉伸或者压缩载荷大小，通过装在推头上方的激光位移传感器可以得到拉伸或者压缩的进给量，从而得到载荷-位移曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明装置可将单方向载荷转化成多方向载荷，且既能实现压缩又能实现拉伸。

(2)本发明装置可以方便地实现不同方向具有不同的压缩或者拉伸比例，实现非均匀加载，达到复杂的施载情况。

(3)本发明装置解释了4轴8个方向的加载，但本发明不限于此。根据本发明原理，亦可简单拓展至更多方向的加载。

(4)本发明装置将拉伸压缩结合在一个装置中，且可自由装卸，简洁方便，易于维护，操作简单易行。

(5)本发明装置对材料没有尺寸及形状的特定要求，适用于多种的材料和试样。

(6)本发明装置处于水平的位置，整个系统在操作时非常稳定，具有较高的试验精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为夹持工作组件的结构示意图；

图3为本发明的加载比例转变原理图。

图中，1-主传动臂，2-飞轮，3-支架，4-短轴承，5-传动伞齿轮，6-顶盖，7-直齿轮，8-长轴承，9-工作平台，10-内齿轮，11-底盘，12-夹具，13-传动伞齿轮，14-推头主体，15-推头齿条，16-推头键，17-大直径齿轮，18-窄推头齿条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其结构如图1所示，由载荷转换传动组件、夹持工作组件、数据采集组件构成。

载荷转换传动组件包括支架3，设置在支架3上的两个主传动臂1，分别经短轴承4与两个主传动臂1连接的传动伞齿轮5及飞轮2，两个主传动臂1的设计满足了拉伸载荷和压缩载荷的实现，而飞轮2主要是为了工作结束后，主传动臂的手动复位，此外，在所需载荷较小时，尤其是压缩的情况下，可以通过飞轮2进行手动施载。

夹持工作组件的结构如图2所示，包括底盘11，设置在底盘11内的内齿轮10，架设在内齿轮10上的工作平台9以及盖设在工作平台9上的顶盖6，顶盖6上有开口，伞齿轮13的上端通过开口伸出，与传动伞齿轮5啮合连接。工作平台9上设有一与传动伞齿轮啮合连接的伞齿轮13、八个推头、八个夹具12、七个直齿轮7。试样置于工作部分的中央，通过夹具12夹持后与推头连结。主传动臂受压运动后，带动传动伞齿轮5进而传动到伞齿轮13，伞齿轮13带动一个推头的平移，同时将转动载荷通过内齿轮传递给了另外七个被动的直齿轮7，直齿轮7均套设在长轴承8上，利用直齿轮7进而带动了七个推头的平移。根据推头向外或向内平移，可得到拉伸或者压缩载荷。

推头包括与夹具12连接的推头主体14，与伞齿轮13或直齿轮7啮合的推头齿条15，将直齿轮7的转动载荷转换成线性载荷，与工作平台9上开设的凹槽配合连接的推头键16，使推头在固定的路径上运动，使整个系统更加稳定。推头主体14、推头齿条15及推头键16通过螺孔螺钉组合连接，通过更换推头齿条可以配合直齿轮的半径，进而得到推头不同的线速度。

数据采集组件包括安装在推头内的力传感器和激光位移传感器，其中力传感器嵌入在推头主体内。。

直齿轮7外还套设有不同尺寸的大直径齿轮17，并且配合不同的窄推头齿条18，可以得到不同的拉伸或压缩速度，即在角速度相同的情况下，通过改变半径，得到不同的线速度，如图3所示。

适应的夹具与待加工的板料试样之间可通过板料打孔装配。，对于拉伸和压缩均适用。另外还可以直接通过螺栓拧紧来固定待加工的板料试样的边界，仅适用于压缩工况。

本发明的载荷传递主要通过齿轮齿条的传动方式，将单向力转化为多向力。将普通拉伸试验机或压力机提供的单向主动压力作用于一个主传动臂，并通过传动伞齿轮可将直线运动转化成转动。通过伞齿轮的转动，带动了底座上的内齿轮的转动，并进一步带动各个方向的直齿轮转动，直齿轮的转动进一步带动推头的平移，进而转化得到拉伸载荷或者压缩载荷。

载荷形式的拉压转变，可以通过选择分别对左右两个主传动臂的施压，其中一个主传动臂引发传动伞齿轮的顺时针转动，另一个引发传动伞齿轮逆时针转动，两者分别导致推头向里或向外运动，从而对夹持的试样产生拉伸或者压缩。此外，可以通过替换某个方向的直齿轮，嵌入不同的齿轮以及更换推头中齿条的部分，则可进而改进拉伸速度或者压缩速度。

在数据采集方面，通过嵌入推头中的力传感器可以得到拉伸或者压缩载荷大小，通过装在推头上方的激光位移传感器可以得到拉伸或者压缩的进给量，从而得到载荷-位移曲线。

实施例2

利用本发明通过双向压缩试验测量材料的性能。卸除四个方向的直齿轮及推头并将装置置于压力机的工作平台上，令主传动臂对准压力机滑块中心以避免产生偏心载荷并使整个系统更加稳定。由于是实现压缩，所以应该下压图1中下侧的主传动臂1。将试样置于工作平台上，通过手动转动飞轮2使推头及夹具达到合适的位置再通过压缩夹具中的垫板约束住试样的边界。完成试样装夹后，输入压力机的挤压行程和挤压速度等，便可开始试验。压力机的滑块下滑，带动主传动臂的下滑进而使横卧在支座上的伞齿轮逆时针转动。通过伞齿轮之间的配合，立于装置主要工作部分的伞齿轮进行了顺时针转动，进而带动底盘上的内齿轮顺时针旋转。而其余三个直齿轮均与底盘上的内齿轮之间有着配合关系，故直齿轮也会进行顺时针旋转。顺时针旋转的直齿轮将会带动推头向内平移，给试件施压。压力传递于推头中的力传感器并记录，而激光位移传感器可以得到推头向内平移的实时数据。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，该装置由载荷转换传动组件、夹持工作组件、数据采集组件构成，

所述的载荷转换传动组件包括支架，设置在支架上的两个主传动臂，分别经短轴承与两个主传动臂连接的传动伞齿轮及飞轮，

所述的夹持工作组件包括底盘，设置在底盘内的内齿轮，架设在内齿轮上的工作平台以及盖设在工作平台上的顶盖，所述的工作平台上设有一与传动伞齿轮啮合连接的伞齿轮、数个推头、夹具及直齿轮，所述的夹具设置在推头的前端，将被夹持的试样固定在工作平台的中央，所述的伞齿轮与其中一个推头啮合连接，所述的直齿轮与剩余的推头啮合连接，所述的伞齿轮及直齿轮均与内齿轮连接，

所述的数据采集组件包括安装在推头内的力传感器和激光位移传感器；

所述的推头包括

与夹具连接的推头主体，

与伞齿轮或直齿轮啮合的推头齿条，

与工作平台上开设的凹槽配合连接的推头键。

2.根据权利要求1所述的一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，所述的主传动臂可在竖直方向上下压，速度可调。

3.根据权利要求1所述的一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，所述的顶盖上有开口，所述的伞齿轮的上端通过开口伸出，与传动伞齿轮啮合连接。

4.根据权利要求1所述的一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，所述的推头主体、推头齿条及推头键通过螺孔螺钉组合连接。

5.根据权利要求1所述的一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，所述的力传感器嵌入在推头主体内。

6.根据权利要求1所述的一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，所述的直齿轮外还套设有不同尺寸的齿条。

7.根据权利要求1所述的一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，所述的推头设有4-10个，均布在工作平台上。

8.根据权利要求1所述的一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，所述的夹具与待加工的板料试样之间通过板料打孔装配。

9.根据权利要求1所述的一种将单向压力转换为多向拉力和压力的装置，其特征在于，所述的夹具通过螺栓拧紧来固定待加工的板料试样的边界。

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