CN113392482A - 变扭转刚度装置及扭转刚度修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供变扭转刚度装置及扭转刚度修正方法，装置部分包括用于对扭转刚度进行无级调节的扭转刚度调节机构、用于降低输入扭矩的降扭矩传动机构。本发明的第一弹簧施力结构和第二弹簧施力结构采用对称式设计，确保装置在受力时的稳定性；降扭矩传动机构为有限转角传动机构，传动动力为拉力，传动过程无弹性滑动，并针对弹性变形进行误差补偿，保证传动比的准确性从而确保对扭转刚度的准确模拟；本发明采用基于杠杆原理的扭转刚度调节机构结合降扭矩传动机构，能对真实工况中较大的扭转刚度进行准确的模拟，保证实验的准确性。

Description

变扭转刚度装置及扭转刚度修正方法

技术领域

本发明涉及测试装置领域，特别涉及变扭转刚度装置及扭转刚度修正方法。

背景技术

随着工业的飞速发展，人类探索领域向着更高更远更深处发展，设备运行时的工况日益复杂，这对设备的测试和实验提出了更高的要求。在测试和实验中，经常需要对真实工况中的扭转刚度进行模拟，以保证实验的准确性。

在工程中通常采用外接扭矩弹簧的方法，扭矩弹簧作为一般标准件，改变扭转刚度只能通过换更换弹簧实现，不能进行扭转刚度的无级调节，因此难以对真实工况做到准确的模拟。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供变扭转刚度装置及扭转刚度修正方法。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明一方面提供一种变扭转刚度装置，包括用于对扭转刚度进行无级调节的扭转刚度调节机构、用于降低输入扭矩的降扭矩传动机构；

扭转刚度调节机构包括具有相同结构的第一弹簧施力结构和第二弹簧施力结构、用于改变第一弹簧施力结构的力臂的第一力臂杆、用于改变第二弹簧施力结构的力臂的第二力臂杆、旋转底板；旋转底板用于通过输入扭矩产生旋转，进而对第一弹簧施力结构和第二弹簧施力结构施加扭转力；

第一弹簧施力结构与第二弹簧施力结构均通过滑块-滑轨结构与旋转底板的上表面连接，共同用于作为输出端，产生扭转刚度，第一弹簧施力结构或第二弹簧施力结构沿滑轨进行滑动时，改变在第一力臂杆或第二力臂杆上的作用点，进而改变扭转力的力臂大小；

降扭矩传动机构的输入端与外部扭矩设备固定连接，输出端与旋转底板固定连接；降扭矩传动机构包括用于降低输入扭矩的一级钢带传动机构、用于进一步降低输入扭矩的二级钢带传动机构、用于连接一级钢带传动机构和外部扭矩设备的输入轴、用于连接二级钢带传动机构和旋转底板的输出轴；输入扭矩依次经过输入轴、一级钢带传动机构、二级钢带传动机构、输出轴，传递至旋转底板；

一级钢带传动机构和二级钢带传动机构的相同结构，均包括用于连接上一级输出端的主动带轮、用于连接下一级输入端的从动带轮、用于将扭矩从主动带轮传递至从动带轮的钢带、用于限制钢带发生弹性滑动的压块。

优选地，旋转底板上表面的滑轨相对旋转底板的旋转中心成中心对称，输入扭矩的输入位置为旋转底板的旋转中心。

优选地，一级钢带传动机构和二级钢带传动机构均为有限转角传动机构，传动过程无弹性滑动。

优选地，还包括用于固定扭转刚度调节机构和降扭矩传动机构的机架，扭转刚度调节机构和降扭矩传动机构均与机架固定连接。

优选地，机架包括底架、立柱、第一承重钢板、第二承重钢板、第三承重钢板、用于连接外部扭矩设备与输入轴的法兰联轴器；底架和立柱共同用于形成支架结构，立柱、第一力臂杆和第二力臂杆均固定连接在底架的上表面，旋转底板与底架的上表面可旋转连接，可绕自身旋转中心进行旋转；第一承重钢板、第二承重钢板和第三承重钢板共同用于承重，均与立柱连接固定；

法兰联轴器固定在第一承重钢板与法兰联轴器相适配的通孔中，两端分别连接外部扭矩设备的输出端和输入轴；一级钢带传动机构置于第一承重钢板和第二承重钢板之间，并与第一承重钢板和第二承重钢板固定连接；二级钢带传动机构置于第二承重钢板和第三承重钢板之间，并与第二承重钢板和第三承重钢板固定连接。

本发明另一方面提供根据变扭转刚度装置的扭转刚度修正方法，包括以下步骤：

S1、计算一级钢带传动机构中紧边和松边的作用力，并根据紧边和松边的作用力得到松边的伸长量与输入扭矩之间的关系；

一级钢带传动机构满足以下公式(1)-(4)，联立公式(1)-(4)，得到紧边和松边的作用力与输入扭矩和主动带轮的半径之间的关系公式(5)，进而得到松边的伸长量与输入扭矩之间的关系公式(6)：

(F₁-F₂)R＝T₀ (1)

ΔL₁+ΔL₂＝0 (4)

其中，F₁为紧边的作用力，F₂为松边的作用力，R为主动带轮的半径，T₀为输入扭矩，l为相邻两个压块之间的钢带的长度，E为钢带的弹性模量，S为钢带的截面积，ΔL₁为松边的伸长量，也是一级钢带传动机构中的钢带的伸长量，ΔL₂为紧边的伸长量；

S2、根据一级钢带传动机构中的钢带的伸长量，计算一级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角和二级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角；

计算公式如公式(7)-(9)：

其中，θ₁为一级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角，Δl₂为二级钢带传动机构中的钢带的伸长量，r为从动带轮的半径，θ₂为二级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角；

S3、计算二级钢带传动机构中的从动带轮的转角，并根据一级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角和二级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角，计算一级钢带传动机构中的从动带轮的转角、一级钢带传动机构中的主动带轮的转角，进而计算修正后的降扭矩传动机构的实际传动比；

计算公式如公式(10)-(13)：

其中，K_a为理论扭转刚度，α₂为二级钢带传动机构中的从动带轮的转角，α₁为一级钢带传动机构中的从动带轮的转角，θ为一级钢带传动机构中的主动带轮的转角，i为降扭矩传动机构的实际传动比；

S4、根据修正后的降扭矩传动机构的实际传动比，计算实际扭转刚度，计算公式如公式(14)：

其中，K_N为实际扭转刚度。

本发明能够取得以下技术效果：

(1)第一弹簧施力结构和第二弹簧施力结构采用对称式设计，确保装置在受力时的稳定性；降扭矩传动机构为有限转角传动机构，传动动力为拉力，传动过程无弹性滑动，并针对弹性变形进行误差补偿，保证传动比的准确性从而确保对扭转刚度的准确模拟；

(2)本发明采用基于杠杆原理的扭转刚度调节机构结合降扭矩传动机构，其结构紧凑，体积小，能对真实工况中较大的扭转刚度进行准确的模拟，降低实验成本，保证实验的准确性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的变扭转刚度装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的扭转刚度调节机构的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的一级钢带传动机构的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的扭转刚度调节机构的原理示意图；

图5是根据本发明实施例的扭转刚度修正方法的流程图。

其中的附图标记包括：扭转刚度调节机构1、降扭矩传动机构2、第一弹簧施力结构11、第二弹簧施力结构12、第一力臂杆13、第二力臂杆14、旋转底板15、一级钢带传动机构21、二级钢带传动机构22、输入轴23、输出轴24、底架31、立柱32、第一承重钢板33、第二承重钢板34、第三承重钢板35、法兰联轴器36、一级主动带轮211、一级从动带轮212、一级钢带213、一级压块214。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1-3所示，本发明实施例提供的变扭转刚度装置，包括用于对扭转刚度进行无级调节的扭转刚度调节机构1、用于降低输入扭矩的降扭矩传动机构2；

扭转刚度调节机构1包括具有相同结构的第一弹簧施力结构11和第二弹簧施力结构12、用于改变第一弹簧施力结构11的力臂的第一力臂杆13、用于改变第二弹簧施力结构12的力臂的第二力臂杆14、旋转底板15；旋转底板15用于通过输入扭矩产生旋转，旋转底板15进行旋转时，带动第一弹簧施力结构11和第二弹簧施力结构12进行旋转，使第一弹簧施力结构11和第二弹簧施力结构12的弹簧在第一力臂杆13和第二力臂杆14的作用下产生作为扭转力的弹力，相对旋转底板15的旋转中心产生扭矩，与输入扭矩平衡；

第一弹簧施力结构11与第二弹簧施力结构12均通过滑块-滑轨结构与旋转底板15的上表面连接，共同用于作为输出端，连接外部元件，产生扭转刚度作用在连接的外部元件，第一弹簧施力结构11或第二弹簧施力结构12沿滑轨进行滑动时，改变弹簧与第一力臂杆13或第二力臂杆14的接触点，从而改变第一弹簧施力结构11或第二弹簧施力结构12在第一力臂杆13或第二力臂杆14上的作用点，进而改变扭转力的力臂大小；

降扭矩传动机构2的输入端与外部扭矩设备固定连接，输出端与旋转底板15固定连接，在输入扭矩传递至旋转底板15前进行降低，防止输入的扭矩过大；降扭矩传动机构2包括用于降低输入扭矩的一级钢带传动机构21、用于进一步降低输入扭矩的二级钢带传动机构22、用于连接一级钢带传动机构21和外部扭矩设备的输入轴23、用于连接二级钢带传动机构22和旋转底板15的输出轴24；输入扭矩依次经过输入轴23、一级钢带传动机构21、二级钢带传动机构22、输出轴24，传递至旋转底板15；钢带传动具有传动比精确，可靠性好等特点，通过两级钢带传动可稳定准确地降低输入扭矩；

一级钢带传动机构21和二级钢带传动机构22的相同结构，均包括用于连接上一级输出端的主动带轮、用于连接下一级输入端的从动带轮、用于将扭矩从主动带轮传递至从动带轮的钢带、用于限制钢带发生弹性滑动的压块，通过压块将钢带固定在主动带轮的从动带轮上；

以一级钢带传动机构21为例，包括连接输入轴23的一级主动带轮211、连接二级钢带传动机构22的二级主动带轮的一级从动带轮212、一级钢带213、一级压块214。

在本发明的一个实施例中，旋转底板15上表面的滑轨相对旋转底板15的旋转中心成中心对称，输入扭矩的输入位置为旋转底板15的旋转中心；确保装置在工作时的稳定性，防止装置受力不均。

在本发明的一个实施例中，一级钢带传动机构21和二级钢带传动机构22均为有限转角传动机构，传动过程无弹性滑动，有限转角的角度为-8°～8°，确保传动过程中的传动比稳定，进而保证扭转刚度稳定准确。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，还包括用于固定扭转刚度调节机构1和降扭矩传动机构2的机架，扭转刚度调节机构1和降扭矩传动机构2均与机架固定连接，通过机架确保扭转刚度调节机构1和降扭矩传动机构2的稳定准确连接，确保装置正常工作。

在本发明的一个实施例中，机架包括底架31、立柱32、第一承重钢板33、第二承重钢板34、第三承重钢板35、用于连接外部扭矩设备与输入轴23的法兰联轴器36；底架31和立柱32共同用于形成支架结构，对各部件进行支撑，立柱32、第一力臂杆13和第二力臂杆14均固定连接在底架31的上表面，且立柱32垂直于底架31，旋转底板15与底架31的上表面可旋转连接，可绕自身旋转中心进行旋转；第一承重钢板33、第二承重钢板34和第三承重钢板35共同用于承重，均与立柱32连接固定，且垂直于立柱32；

法兰联轴器36通过轴承固定在第一承重钢板33与法兰联轴器36相适配的通孔中，两端分别连接外部扭矩设备的输出端和输入轴23，通过法兰联轴器36提高装置的通用性，便于切换外部扭矩设备；一级钢带传动机构21置于第一承重钢板33和第二承重钢板34之间，并与第一承重钢板33和第二承重钢板34固定连接，对一级钢带传动机构21进行承载；二级钢带传动机构22置于第二承重钢板34和第三承重钢板35之间，并与第二承重钢板34和第三承重钢板35固定连接，对二级钢带传动机构22进行承载。

下面结合图4对本发明的扭转刚度调节机构1的具体工作原理进行详细说明：

输入扭矩为T时旋转底板15的转角α如公式(1)：

其中，α为转角，T为输入扭矩，L为第一弹簧施力结构11和第二弹簧施力结构12的转动半径，K为第一弹簧施力结构11和第二弹簧施力结构12的弹簧刚度；

扭转刚度调节机构1的扭转刚度如公式(2)：

其中，K_α为扭转刚度调节机构1的扭转刚度；

将旋转底板15的转角α进行如公式(3)的近似，从而得到简化后的扭转刚度K_α的表达式(4)：

由表达式(4)可看出，通过调整弹簧施力结构在旋转底板15上的位置，改变弹簧施力结构的转动半径L，从而调整扭转刚度K_α。

上述内容详细说明了本发明提供的变扭转刚度装置的结构，与该装置相对应，本发明还提供一种扭转刚度修正方法。

如图3、5所示，本发明实施例根据的扭转刚度修正方法，包括以下步骤：

S1、计算一级钢带传动机构21中紧边和松边的作用力，并根据紧边和松边的作用力得到松边的伸长量与输入扭矩之间的关系；

一级钢带传动机构21在平衡时满足以下公式(5)-(8)，联立公式(5)-(8)，得到紧边和松边的作用力与输入扭矩和主动带轮的半径之间的关系公式(9)，进而得到松边的伸长量与输入扭矩之间的关系公式(10)：

(F₁-F₂)R＝T₀ (5)

ΔL₁+ΔL₂＝0 (8)

其中，F₁为紧边的作用力，F₂为松边的作用力，R为主动带轮的半径，T₀为输入扭矩，l为相邻两个压块之间的钢带的长度，结构设计上尽量减小l，从而减小弹性形变对带轮的影响，E为钢带的弹性模量，在本实施例中，材料选择T10A，弹性模量E＝200Gpa，S为钢带的截面积，ΔL₁为松边的伸长量，也是一级钢带传动机构21中的钢带的伸长量，ΔL₂为紧边的伸长量；

S2、根据一级钢带传动机构21中的钢带的伸长量，计算一级钢带传动机构21中的钢带的伸长量产生的转角和二级钢带传动机构22中的钢带的伸长量产生的转角；

计算公式如公式(11)-(13)：

其中，θ₁为一级钢带传动机构21中的钢带的伸长量产生的转角，Δl₂为二级钢带传动机构22中的钢带的伸长量，r为从动带轮的半径，θ₂为二级钢带传动机构22中的钢带的伸长量产生的转角；

S3、计算二级钢带传动机构22中从动带轮的转角，并根据一级钢带传动机构21中的钢带的伸长量产生的转角和二级钢带传动机构22中的钢带的伸长量产生的转角，计算一级钢带传动机构21中的从动带轮的转角、一级钢带传动机构21中的主动带轮的转角，进而计算修正后的降扭矩传动机构2的实际传动比；

计算公式如公式(14)-(17)：

其中，K_a为理论扭转刚度，α₂为二级钢带传动机构22中的从动带轮的转角，α₁为一级钢带传动机构21中的从动带轮的转角，θ为一级钢带传动机构21中的主动带轮的转角，i为降扭矩传动机构2的实际传动比，i只有一个自变量K_a，根据K_a及其余常数参数即可得到实际传动比i；

S4、根据修正后的降扭矩传动机构2的实际传动比，计算实际扭转刚度，计算公式如公式(18)：

其中，K_N为实际扭转刚度；

将简化后的扭转刚度K_α的表达式(4)代入公式(18)，可得到实际扭转刚度K_N与弹簧施力结构的转动半径L之间的关系公式(19)：

K_N只有一个自变量L，通过调整弹簧施力结构在旋转底板15上的位置，改变弹簧施力结构转动半径L，从而调整装置的实际扭转刚度K_N。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种变扭转刚度装置，其特征在于，包括用于对扭转刚度进行无级调节的扭转刚度调节机构、用于降低输入扭矩的降扭矩传动机构；

所述扭转刚度调节机构包括具有相同结构的第一弹簧施力结构和第二弹簧施力结构、用于改变所述第一弹簧施力结构的力臂的第一力臂杆、用于改变所述第二弹簧施力结构的力臂的第二力臂杆、旋转底板；所述旋转底板用于通过所述输入扭矩产生旋转，进而对所述第一弹簧施力结构和所述第二弹簧施力结构施加所述扭转力；

所述第一弹簧施力结构与所述第二弹簧施力结构均通过滑块-滑轨结构与所述旋转底板的上表面连接，共同用于作为输出端，产生扭转刚度，所述第一弹簧施力结构或所述第二弹簧施力结构沿滑轨进行滑动时，改变在所述第一力臂杆或所述第二力臂杆上的作用点，进而改变所述扭转力的力臂大小；

所述降扭矩传动机构的输入端与外部扭矩设备固定连接，输出端与所述旋转底板固定连接；所述降扭矩传动机构包括用于降低所述输入扭矩的一级钢带传动机构、用于进一步降低所述输入扭矩的二级钢带传动机构、用于连接所述一级钢带传动机构和所述外部扭矩设备的输入轴、用于连接所述二级钢带传动机构和所述旋转底板的输出轴；所述输入扭矩依次经过所述输入轴、所述一级钢带传动机构、所述二级钢带传动机构、所述输出轴，传递至所述旋转底板；

所述一级钢带传动机构和所述二级钢带传动机构的相同结构，均包括用于连接上一级输出端的主动带轮、用于连接下一级输入端的从动带轮、用于将扭矩从所述主动带轮传递至所述从动带轮的钢带、用于限制所述钢带发生弹性滑动的压块。

2.如权利要求1所述的变扭转刚度装置，其特征在于，所述旋转底板上表面的滑轨相对所述旋转底板的旋转中心成中心对称，所述输入扭矩的输入位置为所述旋转底板的旋转中心。

3.如权利要求2所述的变扭转刚度装置，其特征在于，所述一级钢带传动机构和所述二级钢带传动机构均为有限转角传动机构，传动过程无弹性滑动。

4.如权利要求3所述的变扭转刚度装置，其特征在于，还包括用于固定所述扭转刚度调节机构和所述降扭矩传动机构的机架，所述扭转刚度调节机构和所述降扭矩传动机构均与所述机架固定连接。

5.如权利要求4所述的变扭转刚度装置，其特征在于，所述机架包括底架、立柱、第一承重钢板、第二承重钢板、第三承重钢板、用于连接所述外部扭矩设备与所述输入轴的法兰联轴器；所述底架和所述立柱共同用于形成支架结构，所述立柱、所述第一力臂杆和所述第二力臂杆均固定连接在所述底架的上表面，所述旋转底板与所述底架的上表面可旋转连接，可绕自身旋转中心进行旋转；所述第一承重钢板、所述第二承重钢板和所述第三承重钢板共同用于承重，均与所述立柱连接固定；

所述法兰联轴器固定在所述第一承重钢板与所述法兰联轴器相适配的通孔中，两端分别连接所述外部扭矩设备的输出端和所述输入轴；所述一级钢带传动机构置于所述第一承重钢板和所述第二承重钢板之间，并与所述第一承重钢板和所述第二承重钢板固定连接；所述二级钢带传动机构置于所述第二承重钢板和所述第三承重钢板之间，并与所述第二承重钢板和所述第三承重钢板固定连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的变扭转刚度装置的扭转刚度修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算所述一级钢带传动机构中紧边和松边的作用力，并根据所述紧边和所述松边的作用力得到所述松边的伸长量与所述输入扭矩之间的关系；

所述一级钢带传动机构满足以下公式(1)-(4)，联立公式(1)-(4)，得到所述紧边和所述松边的作用力与所述输入扭矩和所述主动带轮的半径之间的关系公式(5)，进而得到所述松边的伸长量与所述输入扭矩之间的关系公式(6)：

(F₁-F₂)R＝T₀ (1)

ΔL₁+ΔL₂＝0 (4)

其中，F₁为紧边的作用力，F₂为松边的作用力，R为所述主动带轮的半径，T₀为所述输入扭矩，l为相邻两个压块之间的所述钢带的长度，E为所述钢带的弹性模量，S为所述钢带的截面积，ΔL₁为松边的伸长量，也是所述一级钢带传动机构中的钢带的伸长量，ΔL₂为紧边的伸长量；

S2、根据所述一级钢带传动机构中的钢带的伸长量，计算所述一级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角和所述二级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角；

计算公式如公式(7)-(9)：

其中，θ₁为所述一级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角，Δl₂为所述二级钢带传动机构中的钢带的伸长量，r为所述从动带轮的半径，θ₂为所述二级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角；

S3、计算所述二级钢带传动机构中的从动带轮的转角，并根据所述一级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角和所述二级钢带传动机构中的钢带的伸长量产生的转角，计算所述一级钢带传动机构中的从动带轮的转角、所述一级钢带传动机构中的主动带轮的转角，进而计算修正后的所述降扭矩传动机构的实际传动比；

计算公式如公式(10)-(13)：

其中，K_a为理论扭转刚度，α₂为所述二级钢带传动机构中的从动带轮的转角，α₁为所述一级钢带传动机构中的从动带轮的转角，θ为所述一级钢带传动机构中的主动带轮的转角，i为所述降扭矩传动机构的实际传动比；

S4、根据修正后的所述降扭矩传动机构的实际传动比，计算实际扭转刚度；

计算公式如公式(14)：

其中，K_N为实际扭转刚度。

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