CN114414414A - 一种基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机及其工作过程 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机及其工作过程，包括电动机、联轴器、磁场调制型齿轮齿条结构、连接块和实验台；电动机通过螺栓A固定在电动机支座上，电动机输出轴通过联轴器与磁性齿轮输入轴连接；利用调磁装置导磁部分将上气隙处磁密谐波的磁极对数调制成下气隙处磁密谐波的磁极对数，使磁性齿轮与磁性齿条等磁极耦合；故磁性齿轮在电动机的带动下作往复转动，产生的驱动力带动磁性齿条做往复直线运动；进而通过连接块带动实验台上的试件做往复直线运动，同时液压泵施加载荷，达到测量试件摩擦磨损的目的。本发明能够有效改善直线实验机在极限位置的振动、噪声问题，减少了维护成本，提高了直线实验机的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及实验机技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机及其工作过程。
背景技术
往复直线实验机是一种测量试件摩擦磨损的重要机器。目前直线实验机多用摆动电机和曲柄滑块机构实现往复直线传动，该类结构在传动极限位置时振动、噪声较大，对输出的直线运动平稳性有影响。相比于机械式齿轮齿条，磁性齿轮齿条具有振动、噪声小，传动无接触，无需润滑等优势，尤其在极限位置处稳定性较高。并且伴随着高性能稀土永磁材料的广泛应用以及新型磁性齿轮拓扑结构的出现，磁场调制型齿轮齿条结构应运而生，相较于传统磁性齿轮齿条，磁场调制型齿轮齿条在具备其各项优势的同时，提高了永磁体利用率与输出力，并且在航空航天、军事、医疗器械、食品加工、化工设备和潮汐能开发等领域有潜在应用。
发明内容
根据上述提出的现有往复直线实验机在极限位置振动、噪声大，寿命短和维护成本高的技术问题，而提供一种基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机及其工作过程。本发明主要通过引入磁场调制型齿轮齿条结构，利用调磁装置导磁部分将上气隙处磁密谐波的磁极对数调制成下气隙处磁密谐波的磁极对数，使磁性齿轮与磁性齿条等磁极耦合，故磁性齿轮在电动机的带动下作往复转动，产生的驱动力带动磁性齿条做往复直线运动，进而通过连接块带动实验台上的试件做往复直线运动，同时液压泵施加载荷，达到测量试件摩擦磨损的目的，从而改善往复直线实验机在极限位置振动、噪声大，寿命短和维护成本高的问题。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，包括：依次连接的电动机、联轴器、磁场调制型齿轮齿条结构、连接块、实验台、支撑台、机座、液压泵和支架；所述磁场调制型齿轮齿条结构包括磁性齿轮、调磁装置、磁性齿条、导轨F、导轨G、导轨H、滑块I和滑块J；
所述电动机通过螺栓A固定在电动机支座上，所述电动机的输出轴与所述磁性齿轮的输入轴通过联轴器连接，所述磁性齿条与连接块的一端焊接连接，所述连接块的另一端与实验台焊接连接，所述实验台通过导轨M与支撑台相连，所述导轨M通过螺栓C固定在支撑台上，试件通过夹具和螺栓E固定在实验台上；所述支撑台安装在机座的底部，所述机座的顶部安装有液压泵，所述液压泵上焊接有支架，所述支架用于对夹具挟持的试件施加载荷；
所述导轨F通过螺栓B固定在电动机支座上，所述滑块I和所述滑块J呈上下安装在导轨F上，分别在导轨F上进行上下往复直线运动；所述导轨G安装在滑块I内，所述导轨H安装在滑块J内；所述调磁装置与导轨G固定连接，并位于所述磁性齿轮下方；所述磁性齿条位于所述调磁装置下方且与导轨H固定连接，通过导轨H使磁性齿条在滑块J上做往复直线运动，带动实验台带着试件在导轨M上进行往复直线运动，同时支架施加载荷，实现试件摩擦磨损的测量。
进一步地，所述磁性齿轮包括磁性齿轮背铁、磁性齿轮永磁体和磁性齿轮永磁体挡板；所述磁性齿轮背铁通过圆键与磁性齿轮的输入轴连接；所述磁性齿轮永磁体通过磁力吸引在所述磁性齿轮背铁上；所述磁性齿轮永磁体挡板和所述磁性齿轮背铁通过双头螺柱固定在一起。
进一步地，所述磁性齿条包括磁性齿条背铁和磁性齿条永磁体；所述磁性齿条背铁通过焊接固定在导轨H上；所述磁性齿条永磁体通过磁力吸引在所述磁性齿条背铁上。
进一步地，所述调磁装置包括导磁部分及非导磁体部分，所述导磁部分为导磁体，所述非导磁体部分为非导磁体，所述调磁装置由所述导磁体与所述非导磁体相互间隔拼接构成，所述调磁装置通过焊接固定在导轨G上。
进一步地，所述磁性齿轮永磁体的磁极对数为P1；所述磁性齿条永磁体的磁极对数为P2；所述调磁装置的级数为Pad。
进一步地，所述磁性齿轮永磁体的磁极对数P1、所述磁性齿条永磁体的磁极对数P2及所述调磁装置的极数Pad，满足如下关系：Pad＝P1/2+P2。
进一步地，所述磁性齿轮、所述调磁装置和所述磁性齿条之间均设有空气隙，所述磁性齿轮与所述调磁装置之间形成上气隙，所述调磁装置与所述磁性齿条之间形成下气隙。
进一步地，所述滑块I通过限位装置L安装在导轨F上，使滑块I在导轨F上滑动及固定。
进一步地，所述滑块J通过限位装置K安装在导轨F上，使滑块J在导轨F上滑动及固定。
本发明还提供了一种基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机的工作过程，包括如下步骤：
步骤一、电动机通过螺栓A固定在电动机支座上，电动机的输出轴通过联轴器与磁性齿轮的输入轴连接，磁性齿轮的输入轴通过圆键与磁性齿轮背铁连接；
步骤二、通过电动机的往复转动带动磁性齿轮作往复转动，利用调磁装置导磁部分将上气隙处磁密谐波的磁极对数调制成下气隙处磁密谐波的磁极对数，使磁性齿轮与磁性齿条的磁极耦合；
步骤三、通过磁性齿轮往复转动产生的驱动力带动磁性齿条做往复直线运动；进而通过连接块带动实验台上的试件做往复直线运动，同时液压泵上的支架对试件施加载荷，达到测量试件摩擦磨损的目的。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机及其工作过程，能够有效地改善直线实验机在极限位置的振动、噪声问题，减少了维护成本，提高了直线实验机的可靠性和稳定性。
2、本发明提供的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机及其工作过程，利用调磁装置导磁部分将上气隙处磁密谐波的磁极对数调制成下气隙处磁密谐波的磁极对数，使磁性齿轮与磁性齿条等磁极耦合，故磁性齿轮在电动机的带动下作往复转动，产生的驱动力带动磁性齿条做往复直线运动，进而通过连接块带动实验台上的试件做往复直线运动，同时液压泵施加载荷，从而达到测量试件摩擦磨损的目的。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有往复直线实验机在极限位置振动、噪声大，寿命短和维护成本高的问题。
基于上述理由本发明可在往复直线实验机等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明往复直线实验机的整体结构示意图。
图2为本发明磁场调制型齿轮齿条结构示意图。
图3为本发明磁场调制型齿轮齿条结构空气隙示意图。
图4为本发明调磁装置结构示意图。
图中：1、双头螺柱；2、磁性齿轮永磁体挡板；3、磁性齿轮永磁体；4、电动机；5、螺栓A；6、电动机支座；7、导轨H；8、调磁装置；9、磁性齿条背铁；10、磁性齿条永磁体；11、导轨F；12、螺栓B；13、磁性齿轮背铁；14、机座；15、连接块；16、螺栓C；17、实验台；18、试件；19、支撑台；20、夹具；21、导轨M；22、螺栓E；23、支架；24、液压泵；25、螺栓D；26、滑块J；27、限位装置K；28、导轨G；29、滑块I；30、限位装置L；31、联轴器；32、上气隙；33、下气隙；34、导磁体；35、非导磁体；36、磁性齿轮；37、磁性齿条。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明的目的是通过引入磁场调制型齿轮齿条结构，研制一种新型往复直线实验机，改善往复直线实验机在极限位置振动、噪声大，维护成本高的问题。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供了一种基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，包括电动机4、电动机支座6、磁场调制型齿轮齿条结构、连接块15、机座14及支撑台19。磁场调制型齿轮齿条结构通过连接块15与实验台17连接。磁场调制型齿轮齿条结构包括磁性齿轮36、调磁装置8、磁性齿条37、导轨F11、导轨G28、导轨H7、滑块I29和滑块J26。磁性齿轮36包括磁性齿轮背铁13、磁性齿轮永磁体3和磁性齿轮永磁体挡板2。磁性齿条37包括磁性齿条背铁9和磁性齿条永磁体10。磁性齿轮36、调磁装置8和磁性齿条37从上至下依次设置，磁性齿轮36、调磁装置8和磁性齿条37之间均设有空气隙，磁性齿轮36与所述调磁装置8之间形成上气隙32，调磁装置8与磁性齿条37之间形成下气隙33。
电动机4通过螺栓A5安装在电动机支座6上，电动机4的输出轴通过联轴器31与磁性齿轮36的输入轴连接，实现动力传递。导轨F11通过螺栓B12固定在电动机支座6上；滑块I29通过限位装置L30安装在导轨F11上，可使滑块I29在导轨F11上滑动、固定；滑块J26通过限位装置K27安装在导轨F11上，可使滑块J26在导轨F11上滑动、固定；调磁装置8固连在滑块I29内的导轨G28上，可使调磁装置8在导轨F11上滑动、固定，达到调节上、下气隙宽度的目的；磁性齿条背铁9通过焊接固定在滑块J26内的导轨H7上，可使磁性齿条在滑块J26上做往复直线运动。磁性齿条背铁9通过焊接与连接块15一端相连，连接块15另一端通过焊接与实验台17固连，可使磁性齿条37带动实验台17做往复直线运动。
磁性齿轮36的输入轴通过圆键与磁性齿轮背铁13连接，磁性齿轮永磁体3通过磁力吸引在磁性齿轮背铁13上，磁性齿轮永磁体挡板2和磁性齿轮背铁13通过双头螺柱1固定。调磁装置8包括导磁体34及非导磁体35，调磁装置8由导磁体34与非导磁体35相互间隔拼接构成，本实施例中，多个导磁体34的顶部构成弧形，磁性齿轮36的永磁体极对数可随对应的调磁装置8导磁部分弧长的改变而改变。磁性齿条永磁体10通过磁力吸引在磁性齿条背铁9上。磁性齿轮永磁体3的磁极对数为P1，磁性齿条永磁体10的磁极对数为P2，调磁装置8的级数为Pad。磁性齿轮永磁体3的磁极对数P1、磁性齿条永磁体10的磁极对数P2及调磁装置8的极数Pad，满足如下关系：Pad＝P1/2+P2。
机座14顶部安装有液压泵24(液压泵24通过螺栓D25与机座14固定连接)，底部安装有支撑台19，液压泵24上焊接有支架23。支撑台19的上表面安装有导轨M21和实验台17，导轨M21通过螺栓C16固定在支撑台19上，试件18通过夹具20与螺栓E22固定在实验台17上。支架23对夹具20挟持的试件18施加载荷。导轨M21可使实验台17在导轨M上做往复直线运动。
本发明往复直线实验机运行状态如下：
电动机4通过螺栓A5固定在电动机支座6上，电动机4的输出轴通过联轴器31与磁性齿轮36的输入轴连接，磁性齿轮36的输入轴通过圆键与磁性齿轮背铁13连接。电动机4的往复转动带动磁性齿轮作往复转动，利用调磁装置8导磁部分将上气隙32处磁密谐波的磁极对数调制成下气隙33处磁密谐波的磁极对数，使磁性齿轮36与磁性齿条37的磁极耦合。进而磁性齿轮36往复转动产生的驱动力带动磁性齿条37做往复直线运动。进而通过连接块15带动实验台17上的试件18做往复直线运动，同时液压泵24上的支架23对试件18施加载荷，达到测量试件18摩擦磨损的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，包括：依次连接的电动机(4)、联轴器(31)、磁场调制型齿轮齿条结构、连接块(15)、实验台(17)、支撑台(19)、机座(14)、液压泵(24)和支架(23)；所述磁场调制型齿轮齿条结构包括磁性齿轮(36)、调磁装置(8)、磁性齿条(37)、导轨F(11)、导轨G(28)、导轨H(7)、滑块I(29)和滑块J(26)；
所述电动机(4)通过螺栓A(5)固定在电动机支座(6)上，所述电动机(4)的输出轴与所述磁性齿轮(36)的输入轴通过联轴器(31)连接，所述磁性齿条(37)与连接块(15)的一端焊接连接，所述连接块(15)的另一端与实验台(17)焊接连接，所述实验台(17)通过导轨M(21)与支撑台(19)相连，所述导轨M(21)通过螺栓C(16)固定在支撑台(19)上，试件(18)通过夹具(20)和螺栓E(22)固定在实验台(17)上；所述支撑台(19)安装在机座(14)的底部，所述机座(14)的顶部安装有液压泵(24)，所述液压泵(24)上焊接有支架(23)，所述支架(23)用于对夹具(20)挟持的试件(18)施加载荷；
所述导轨F(11)通过螺栓B(12)固定在电动机支座(6)上，所述滑块I(29)和所述滑块J(26)呈上下安装在导轨F(11)上，分别在导轨F(11)上进行上下往复直线运动；所述导轨G(28)安装在滑块I(29)内，所述导轨H(7)安装在滑块J(26)内；所述调磁装置(8)与导轨G(28)固定连接，并位于所述磁性齿轮(36)下方；所述磁性齿条(37)位于所述调磁装置(8)下方且与导轨H(7)固定连接，通过导轨H(7)使磁性齿条(37)在滑块J(26)上做往复直线运动，带动实验台(17)带着试件(18)在导轨M(21)上进行往复直线运动，同时支架(23)施加载荷，实现试件(18)摩擦磨损的测量。
2.根据权利要求1所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，所述磁性齿轮(36)包括磁性齿轮背铁(13)、磁性齿轮永磁体(3)和磁性齿轮永磁体挡板(2)；所述磁性齿轮背铁(13)通过圆键与磁性齿轮(36)的输入轴连接；所述磁性齿轮永磁体(3)通过磁力吸引在所述磁性齿轮背铁(13)上；所述磁性齿轮永磁体挡板(2)和所述磁性齿轮背铁(13)通过双头螺柱(1)固定在一起。
3.根据权利要求2所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，所述磁性齿条(37)包括磁性齿条背铁(9)和磁性齿条永磁体(10)；所述磁性齿条背铁(9)通过焊接固定在导轨H(7)上；所述磁性齿条永磁体(10)通过磁力吸引在所述磁性齿条背铁(9)上。
4.根据权利要求1所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，所述调磁装置(8)包括导磁部分及非导磁体(35)部分，所述导磁部分为导磁体(34)，所述非导磁体(35)部分为非导磁体(35)，所述调磁装置(8)由所述导磁体(34)与所述非导磁体(35)相互间隔拼接构成，所述调磁装置(8)通过焊接固定在导轨G(28)上。
5.根据权利要求3所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，所述磁性齿轮永磁体(3)的磁极对数为P1；所述磁性齿条永磁体(10)的磁极对数为P2；所述调磁装置(8)的级数为Pad。
6.根据权利要求5所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，所述磁性齿轮永磁体(3)的磁极对数P1、所述磁性齿条永磁体(10)的磁极对数P2及所述调磁装置(8)的极数Pad，满足如下关系：Pad＝P1/2+P2。
7.根据权利要求3或6所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，所述磁性齿轮(36)、所述调磁装置(8)和所述磁性齿条(37)之间均设有空气隙，所述磁性齿轮(36)与所述调磁装置(8)之间形成上气隙(32)，所述调磁装置(8)与所述磁性齿条(37)之间形成下气隙(33)。
8.根据权利要求1所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，所述滑块I(29)通过限位装置L(30)安装在导轨F(11)上，使滑块I(29)在导轨F(11)上滑动及固定。
9.根据权利要求1所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机，其特征在于，所述滑块J(26)通过限位装置K(27)安装在导轨F(11)上，使滑块J(26)在导轨F(11)上滑动及固定。
10.一种如权利要求1-9任意一项权利要求所述的基于磁场调制型齿轮齿条的往复直线实验机的工作过程，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、电动机(4)通过螺栓A(5)固定在电动机支座(6)上，电动机(4)的输出轴通过联轴器(31)与磁性齿轮(36)的输入轴连接，磁性齿轮(36)的输入轴通过圆键与磁性齿轮背铁(13)连接；
步骤二、通过电动机(4)的往复转动带动磁性齿轮(36)作往复转动，利用调磁装置(8)导磁部分将上气隙(32)处磁密谐波的磁极对数调制成下气隙(33)处磁密谐波的磁极对数，使磁性齿轮(36)与磁性齿条(37)的磁极耦合；
步骤三、通过磁性齿轮(36)往复转动产生的驱动力带动磁性齿条(37)做往复直线运动；进而通过连接块(15)带动实验台(17)上的试件(18)做往复直线运动，同时液压泵(24)上的支架(23)对试件(18)施加载荷，达到测量试件(18)摩擦磨损的目的。
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2022
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