CN110356594B - 弹性力矩模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性力矩模拟装置，包括用于提供弹性力矩的弹性部件，所述弹性部件沿主轴径向设置，并且其上端与主轴连接，下部设置有用于固定的夹持装置。具有上述结构的弹性力矩模拟装置，其弹性部件采用沿主轴径向设置的方式替代轴向设置方式，使得轴向空间占用大大缩短，让整个设备更加的紧凑。

Description

弹性力矩模拟装置

技术领域

本发明涉及一种航空航天模拟弹性力矩试验台中用于提供弹性力矩的装置。

背景技术

传统航空航天模拟弹性力矩的实验台一般采用弹性部件提供弹性力矩，有扭力和弯曲两种方式，其中扭力占用大量的轴向空间，而负载力模拟试验台所有模拟装置和传感器均是沿着主轴轴向布置，过长的轴向距离不利于转运和现场布置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种弹性力矩模拟装置，改变弹性部件布置方式，缩短整个设备的轴向空间占用。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种弹性力矩模拟装置，包括用于提供弹性力矩的弹性部件，所述弹性部件沿主轴径向设置，并且其上端与主轴连接，下部设置有用于固定的夹持装置。

作为一种改进，所述夹持装置包括平行设置的两个夹持辊，所述弹性部件夹持于两个夹持辊之间。通过夹持辊对弹性部件下端进行夹持，使得弹性部件下端在主轴转动时不产生左右方向的移动，而是随主轴转动产生形变，从而对主轴力臂形成弹性力矩。

作为一种改进，还包括与弹性部件平行设置的滑轨，所述滑轨上设置有可沿轨道滑动的滑块；所述滑块上设置有固定托架和活动托架，所述两个夹持辊分别设置在固定托架和活动托架上；所述固定托架与滑块固定，所述活动托架能够前后运动使得两个夹持辊的间距发生变化；还包括能使活动托架锁定的锁紧装置。两个夹持辊分别设置在固定托架和活动托架上，活动托架可运动用于夹紧或者放松弹性部件。

作为一种优选，所述滑轨为左右两根，并分设于两个夹持辊两侧；所述固定支架两端分别与两根滑轨连接，使得两边受力均匀，整个架构更加的稳固。

作为一种改进，还包括用于将滑块位置锁定的定位装置，避免滑块下滑导致夹持辊位移。定位装置可以选用定位螺栓等，只要能让滑块定位在滑轨上即可。

作为一种改进，所述滑块上设置有导向柱，所述活动托架能沿导向柱运动。导向柱即作为活动托架的支撑，又对其进行导向。

作为一种优选，所述锁紧装置包括固定在滑块上的螺母，还包括与螺母螺纹配合的丝杆；所述丝杆前端抵于活动托架上。通过丝杆与螺母配合用于将活动托架抵紧，即使泄力后活动支架也能保持抵紧状态，无需持续对其施加预紧力。

作为一种改进，所述丝杆后端设置有转盘，用于手持驱动丝杆转动。

作为一种改进，所述主轴上固定有连接件，所述连接件上开有连接槽；所述弹性部件前端卡接于连接槽内并利用螺栓紧固，用于弹性部件和主轴之间的连接。

作为一种改进，所述弹性部件为长条状，由弹簧钢制作；所述弹簧钢为60Si2MnA。

本发明的有益之处在于：具有上述结构的弹性力矩模拟装置，其弹性部件采用沿主轴径向设置的方式替代轴向设置方式，使得轴向空间占用大大缩短，让整个设备更加的紧凑。

与常规弹性力矩模拟装置相比，由于下端夹持辊的存在，上端固定的连接槽使得弹性部件中心与主轴中心相重合，这样弹性部件在弯曲运动过程中产生极小的多余力矩，整个弹性部件所受的力多数用于产生了对主轴力臂的弹性力矩，提供了实验的稳定性和准确性。

夹持辊可沿滑轨运动，改变弹性部件下端形变的起始位置，并通过轨道锁紧装置固定，旋转丝杆可以夹紧弹性部件，从而实现对弹性部件下端位置的任意调节，改变弹性部件的刚度改变弹性力矩的大小，方便快捷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为夹持辊处放大图。

图3为弹性部件弯曲时的示意图。

图4为旋转角度α/输出力矩点线图L＝350mm。

图5为旋转角度α/输出力矩点线图L＝200mm。

图中标记：1主轴、2连接件、3弹性部件、4滑轨、5夹持辊、6滑块、7固定托架、8活动托架、9丝杆、10导向柱、11转盘。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示，本发明包括用于提供弹性力矩的弹性部件3，所述弹性部件3沿主轴1径向设置，并且其上端与主轴1连接。具体地，主轴1上固定有连接件2，所述连接件2上开有连接槽；所述弹性部件3前端卡接于连接槽内并利用螺栓紧固。弹性部件3下部设置有用于固定的夹持装置。

夹持装置包括平行设置的两个夹持辊5，所述弹性部件3夹持于两个夹持辊5之间。还包括与弹性部件3平行设置的滑轨4，所述滑轨4上设置有可沿轨道4滑动的滑块6；所述滑块6上设置有固定托架7和活动托架8，所述两个夹持辊5分别设置在固定托架7和活动托架8上；所述固定托架7与滑块6固定，所述活动托架8能够前后运动使得两个夹持辊的间距发生变化；还包括能使活动托架8锁定的锁紧装置以及用于将滑块位置锁定的定位装置。锁紧装置包括固定在滑块6上的螺母，还包括与螺母螺纹配合的丝杆9；所述丝杆9前端抵于活动托架8上。丝杆9后端设置有转盘11，用于手持驱动丝杆9转动。滑轨4为左右两根，并分设于两个夹持辊5两侧；所述固定支架7两端分别与两根滑轨4连接。滑块6 上设置有导向柱10，所述活动托架8能沿导向柱运动。

使用的时候，将弹性部件3夹持在两个夹持辊5之间，利用丝杆9抵紧活动托架8保持夹持力。然后利用定位装置将滑块6位置固定即可。

所述弹性部件3为长条状，最好为长方体形，由弹簧钢制作；所述弹簧钢为60Si2MnA，其材料特性如下。

如图3所示，

(一)弹性部件载面的面积惯性矩：

I＝H×d³/12；(公式：5.1.1)

其中H为钢板的宽度，d为钢板的厚度；

取H＝0.12m，d＝0.01m；

得到：I＝0.12×(1×10^-2)³/12＝10^-8

(二)弹性部件刚度：

kT＝3EI/h³；(公式：5.1.2)

式中，E为弹性部件弹性模量，I为弹性部件截面的面积惯性矩，h 为夹持点到上端固定点的距离；

其中：

h＝O-K

K＝L×cos α

得到：h＝O-L×cos α

kT＝3×10^-8×2.06×10¹¹/(O-L×cos α)³

＝6.18×10³/(O-L×cos α)³，

(三)弹性部件弹力：

主轴在转角为α时，弹性部件横向移动的距离D的关系式：

D＝L×sinα

F_弹＝kT×D(公式：5.1.3)

得到：F_弹＝kT×D＝L×sin α×6.18×10³/(O-L×cos α)³

(四)弹性力矩：

T＝F_弹×L(公式：5.1.4)

T＝F_弹×L＝L²×sin α×6.18×10³/(O-L×cos α)³(单位：N.m)(公式：5.1.5)

(五)重点分析：T＝L²×sin α×6.18×10³/(O-L×cos α)³(公式：5.1.5)

式中α为主轴旋转角度，取值范围：0°-30°，L为驱动力臂，O为夹持点到主轴心距离，O设计范围暂定为518mm-800mm；

从(公式：5.1.5)公式可预测，α值在从0°变化到30°的过程中转动弹性力矩T不一定按照递增的趋势发展，这取决于变量：sin α/(O-L×cos α)³，我们的设计应保证转动力矩T值随α值的增加而递增；

(六)角度α值在递增过程中转矩T值必须也跟随递增，下面进行分析：

(公式：5.1.5)分母：(O-L×cos α)3，当α值从0°-30°增加时cos α值减小，(O-L×cos α)³分母值增加，转矩值T减小，然而根据要求，角度α值在递增过程中转矩T值必须也跟随递增，所以必须抑制分母中变量α对T值得影响；

(七)极端假设：

当O值取无穷大时，分母角度α在(公式：5.1.5)中对T值的影响最小，所以我们得知，加大O/L比值能够保证设计符合要求，在O值确定的情况下我们应当适当减小力臂L的数值，所以存在一个临界最大L值，超过这个值弹力加载系统不能满足对弹性力矩递增的要求。

(八)取值运算

O值取518mm，L值取350mm带入(公式：5.1.5)，运用Excel进行运算。

如图4所示，当α值上升到25°以后，弹性力矩已经开始下降，不符合要求；

O值取518mm不变，现在减小L值，令L取200mm带入(公式：5.1.5)，运用Excel进行运算。

如图5所示，当L取值降为200mm后，α值从0°上升到30°，弹性力矩跟随递增，当α值上升到30°时，力矩T为最大值3015N·m，基本吻合要求。

(九)结论

钢板弯曲的弹力加载方式需合理的设计力臂h和夹持点到主轴轴心得距离O，否则输出力矩不会随转角α递增。

实际使用中可还可以通过调整钢板厚度d值和夹持点h值更改弹簧刚度和系统的弹性力矩，力臂L取200mm时，夹持距离O可以在512mm-800mm之间进行调整。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种弹性力矩模拟装置，包括用于提供弹性力矩的弹性部件，其特征在于：所述弹性部件沿主轴径向设置，并且其上端与主轴连接，下部设置有用于固定的夹持装置；所述夹持装置包括平行设置的两个夹持辊，所述弹性部件夹持于两个夹持辊之间；还包括与弹性部件平行设置的滑轨，所述滑轨上设置有可沿轨道滑动的滑块；所述滑块上设置有固定托架和活动托架，所述两个夹持辊分别设置在固定托架和活动托架上；所述固定托架与滑块固定，所述活动托架能够前后运动使得两个夹持辊的间距发生变化；还包括能使活动托架锁定的锁紧装置；所述滑轨为左右两根，并分设于两个夹持辊两侧；所述固定托架两端分别与两根滑轨连接；还包括用于将滑块位置锁定的定位装置；所述主轴上固定有连接件，所述连接件上开有连接槽；所述弹性部件前端卡接于连接槽内并利用螺栓紧固。

2.根据权利要求1所述的一种弹性力矩模拟装置，其特征在于：所述锁紧装置包括固定在滑块上的螺母，还包括与螺母螺纹配合的丝杆；所述丝杆前端抵于活动托架上。

3.根据权利要求2所述的一种弹性力矩模拟装置，其特征在于：所述丝杆后端设置有转盘。

4.根据权利要求1所述的一种弹性力矩模拟装置，其特征在于：所述滑块上设置有导向柱，所述活动托架能沿导向柱运动。

5.根据权利要求1所述的一种弹性力矩模拟装置，其特征在于：所述弹性部件为长条状，由弹簧钢制作；所述弹簧钢为60Si2MnA。

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