CN114838770A - 形状记忆合金扭簧力学性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，包括主轴、转盘、角位移传感器、扭矩传感器、加热元件、测温元件、限位件；转盘套装在主轴上并与其转动配合，扭簧能套设在主轴上，主轴上及转盘端面均设置有用于固定扭簧端部的夹具；角位移传感器与主轴同轴连接；扭矩传感器安装在主轴上；加热元件与扭簧相连接；测温元件与扭簧相连接；所述限位件与转盘相连接用以限制转盘旋转；本测试装置能对扭簧的转矩、角度、温度进行控制和测量，调节方便，能够同时检测温度、转角、扭矩任意两个参数间的关系，既能灵活调整NiTi扭簧预扭转角度，又能利用限位件保证扭簧输出转矩至主轴端。
Description
技术领域
本发明涉及力学性能测试领域，具体涉及一种形状记忆合金扭簧力学性能测试装置。
背景技术
扭转弹簧（Torsion Spring）为所有弹簧类别中设计原理较为复杂的一种，型式的变化亦相当活泼。扭转弹簧属于螺旋弹簧。扭转弹簧的端部被固定到其他组件，当其他组件绕着弹簧中心旋转时，该弹簧将它们拉回初始位置，产生扭矩或旋转力。扭转弹簧可以存储和释放角能量或者通过绕簧体中轴旋转力臂以静态固定某一装置。这类弹簧通常是密身的，但是，簧圈之间有节距以减少摩擦。它们对旋转或旋转外力产生阻力。根据应用要求，设计扭转弹簧的旋向（顺时针或逆时针），从而确定弹簧的旋向。各圈或是紧密围绕或是分开围绕，能适任扭转负荷（与弹簧轴线成直角）；弹簧之末端可绕成钩状或直扭转臂。
对于镍钛形状记忆合金扭簧来说，现有的扭簧测试装置利大多针对不锈钢弹簧的转矩测量，无法应用于镍钛合金弹簧多参数测量；现有镍钛合金弹簧测试装置大多针对扭矩输出基本功能的实现，不涉及具体扭矩及相关参数的测量。同时，现有的扭簧转矩测试装置结构冗赘，零部件互换性差。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种形状记忆合金扭簧力学性能测试装置。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，包括主轴、转盘、角位移传感器、扭矩传感器、加热元件、测温元件、限位件；
所述转盘套装在主轴上并与其转动配合，扭簧能套设在主轴上，主轴上及转盘端面均设置有用于固定扭簧端部的夹具；
所述角位移传感器与主轴同轴连接用以检测主轴的旋转角度；
所述扭矩传感器安装在主轴上用以检测主轴的扭矩；
所述加热元件与扭簧相连接用以对扭簧进行加热；
所述测温元件与扭簧相连接用以测量的扭簧温度；
所述限位件与转盘相连接用以限制转盘旋转。
进一步的，所述角位移传感器、扭矩传感器、加热元件、测温元件均通过数据线连接PC采集卡，PC采集卡通过数据线连接PC端。
进一步的，所述加热元件包括电性连接的可调电源、电热膜，电热膜包裹在扭簧表面。
进一步的，所述电热膜为PI加热膜。
进一步的，所述测温元件为热电偶。
进一步的，所述转盘为涡轮，限位件为与涡轮啮合的蜗杆。
进一步的，所述蜗杆一端安装有手轮。
进一步的，所述夹具为连接柱，连接柱上开设有容纳扭簧端部的插孔，连接柱上开设有连通插孔的螺纹孔，螺纹孔内安装有锁紧螺钉。
进一步的，所述主轴、蜗杆、限位件均安装在底板上。
一种镍钛形状记忆合金扭簧力学性能测试方法，包括以下步骤：
S1:将待测扭簧套装在主轴上，将扭簧两端分别与主轴及转盘上的夹具连接；
S2: 将扭矩传感器一端通过刚性联轴器连接主轴一端，将扭矩传感器另一端固定，将角位移传感器固定，角位移传感器通过柔性联轴器连接主轴另一端，将加热元件、测温元件连接扭簧；
S3: 进行扭簧无扭矩参数测试，旋转转盘，改变扭簧圈数，使扭簧发生伪塑性变形，调整到预定角度然后，松开刚性联轴器，并通过加热元件对扭簧进行加热；扭簧受热发生相变并逐渐恢复到原来的形状，扭簧的温度由测温元件通过数据传输线传到PC端，扭簧的转角信息由角位移传感器通过数据传输线传到PC端，分析扭簧在自由变形状态下扭转角度和温度的关系；
S4: 在室温下对扭簧进行转角与扭矩关系测试，将刚性联轴器锁紧，使扭簧产生的扭矩能够传递到扭矩传感器，通过转动转盘改变扭簧圈数，测得室温下扭簧转角与转矩的参数，将采集到的转角信息、扭矩信息传输至PC端，分析转角与扭矩间的关系；
S5: 对扭簧进行温度与扭矩参数测试，将刚性联轴器锁紧，使扭簧产生的扭矩能够传递到扭矩传感器，转动转盘将扭簧转至预定角度后，通过限位件对转盘进行限位，通过加热元件对扭簧进行加热，将采集到的温度信息、扭矩的变化信息传输至PC端，分析加热过程中的温度和扭矩的关系；停止对扭簧加热，将采集到的温度信息、扭矩的变化信息传输至PC端，分析冷却过程中扭簧的温度和扭矩的关系。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：能对扭簧的转矩、角度、温度进行控制和测量，调节方便，能够同时检测温度、转角、扭矩任意两个参数间的关系，既能灵活调整NiTi 扭簧预扭转角度，又能利用限位件保证扭簧输出转矩至主轴端。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为测试装置的结构示意图。
图2为蜗轮蜗杆啮合状态示意图。
图3为蜗轮蜗杆啮合分离状态示意图。
图4为加热元件的结构示意图。
图中：1-底板；2-扭矩端固定座；3-刚性联轴器；4-扭矩传感器；5-主轴；6-扭簧；7-主轴处夹具；8-转盘处夹具；9-手轮；10-测温元件；11-蜗杆固定板；12-数据线；13- PC采集卡；14-角位移传感器；15-角位移端固定座；16-柔性联轴器；17-转盘；18-限位件；19-电热膜；20-基座；21-基座盖；22-电热膜导线；23-可调电源。
具体实施方式
下面将结合本发明发明实施例中的附图，对本发明发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
如图1、4所示，一种形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，包括主轴5、转盘17、角位移传感器14、扭矩传感器4、加热元件、测温元件10、限位件18；
所述转盘套装在主轴上并与其转动配合，扭簧6能套设在主轴上，主轴上及转盘端面均设置有用于固定扭簧端部的夹具7、8；
所述角位移传感器与主轴同轴连接用以检测主轴的旋转角度；
所述扭矩传感器安装在主轴上用以检测主轴的扭矩；
所述加热元件与扭簧相连接用以对扭簧进行加热；
所述测温元件与扭簧相连接用以测量的扭簧温度；
所述限位件与转盘相连接用以限制转盘旋转。
在本实施例中，所述角位移传感器、扭矩传感器、加热元件、测温元件均通过数据线12连接PC采集卡13，PC采集卡通过数据线连接PC端。
在本实施例中，所述加热元件包括电性连接的可调电源23、电热膜19，电热膜包裹在扭簧表面。
在本实施例中，扭簧的加热可以采用分段电流加热或者热电阻丝贴片进行加热，在热电偶的辅助下，可以实时反馈温度T和扭矩τ、温度T和转角θ以及扭矩τ和转角θ的关系，大大简化了装备且丰富了功能性。
在本实施例中，所述电热膜为PI加热膜，当NiTi弹簧丝直径大于0.5mm时，截面积增大导致电阻急剧减小，很难通过丝材电阻热提升NiTi扭簧温度。因此通过在NiTi弹簧丝表面贴敷电热膜方式来进行加热。为直接获取NiTi弹簧丝表面温度，在电热膜间隙粘贴k型贴片温度传感器作为测温元件。
本测试装置主要用于形状记忆合金扭簧转矩、角度、温度的实时控制和测量，以及NiTi 扭簧马氏体相变温度、奥氏体相变温度、马氏体杨氏模量、奥氏体杨氏模量等参数的表征；热定型状态的 NiTi 记忆合金弹簧经历伪塑性扭转变形后，一旦将其升温至奥氏体相变温度以上，弹簧将试图恢复至未变形状态从而输出转矩；通过控制贴敷在扭簧表面电热膜输入电流的大小来间接控制 NiTi 扭簧的温度，通过安装扭矩传感器和角位移传感器来检测 NiTi 扭簧扭转角度和输出力矩的实时数值，实现扭矩的闭环控制。
实施例2，如图1-3所示，实施例2提供一种转盘与限位件的具体配合结构。
在本实施例中，所述转盘为涡轮，限位件为与涡轮啮合的蜗杆，利用蜗轮蜗杆自锁功能保证扭簧输出转矩至主轴端，利用蜗轮蜗杆能够实现连续的角度调节满足实验需求，且通过分离和啮合蜗轮蜗杆能够取消和实现蜗轮蜗杆的自锁，方便进行不同参数的测试。
在本实施例中，所述蜗杆一端安装有手轮9。
实施例3，如图1-3所示，实施例2提供一种夹具的具体结构。
在本实施例中，所述夹具为连接柱，连接柱上开设有容纳扭簧端部的插孔，连接柱上开设有连通插孔的螺纹孔，螺纹孔内安装有锁紧螺钉。
实施例4，如图1-3所示，实施例3提供一种各组件的具体安装方式。
在本实施例中，所述主轴、蜗杆、蜗杆均安装在底板1上，底板上安装在基座20，扭矩传感器一端通过刚性联轴器3连接主轴一端，扭矩传感器另一端通过扭矩端固定座2安装在底座上，主轴另一端安装在基座上表面，基座上表面设置有基座盖21，基座盖限制主轴除旋转以外的位移的基座盖，基座盖通过螺栓固定于基座上，主轴与基座、基座盖转动配合，基座、基座盖共同组成与主轴配合的轴座，蜗杆两端经蜗杆固定板11连接基座，蜗杆固定板下端经螺栓与基座可拆连接，这种蜗轮蜗杆可分离设计实现了调节过程中的自锁与反自锁，蜗杆与蜗杆固定板转动配合，角位移传感器通过柔性联轴器16连接主轴另一端，角位移传感器经角位移端固定座15安装在底板上。
一种镍钛形状记忆合金扭簧力学性能测试方法，包括以下步骤：
S1:将待测扭簧套装在主轴上，将扭簧两端分别与主轴及转盘上的夹具连接；
S2: 将扭矩传感器一端通过刚性联轴器连接主轴一端，将扭矩传感器另一端固定，将角位移传感器固定，角位移传感器通过柔性联轴器连接主轴另一端，将加热元件、测温元件连接扭簧；
S3: 进行扭簧无扭矩参数测试，旋转转盘，改变扭簧圈数，使扭簧发生伪塑性变形，调整到预定角度然后，松开刚性联轴器，并通过加热元件对扭簧进行加热；扭簧受热发生相变并逐渐恢复到原来的形状，扭簧的温度由测温元件通过数据传输线传到PC端，扭簧的转角信息由角位移传感器通过数据传输线传到PC端，分析扭簧在自由变形状态下扭转角度和温度的关系；
S4: 在室温下对扭簧进行转角与扭矩关系测试，将刚性联轴器锁紧，使扭簧产生的扭矩能够传递到扭矩传感器，通过转动转盘改变扭簧圈数，测得室温下扭簧转角与转矩的参数，将采集到的转角信息、扭矩信息传输至PC端，分析转角与扭矩间的关系；
S5: 对扭簧进行温度与扭矩参数测试，将刚性联轴器锁紧，使扭簧产生的扭矩能够传递到扭矩传感器，转动转盘将扭簧转至预定角度后，通过限位件对转盘进行限位，通过加热元件对扭簧进行加热，将采集到的温度信息、扭矩的变化信息传输至PC端，分析加热过程中的温度和扭矩的关系；停止对扭簧加热，将采集到的温度信息、扭矩的变化信息传输至PC端，分析冷却过程中扭簧的温度和扭矩的关系。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：包括主轴、转盘、角位移传感器、扭矩传感器、加热元件、测温元件、限位件；
所述转盘套装在主轴上并与其转动配合，扭簧能套设在主轴上，主轴上及转盘端面均设置有用于固定扭簧端部的夹具；
所述角位移传感器与主轴同轴连接用以检测主轴的旋转角度；
所述扭矩传感器安装在主轴上用以检测主轴的扭矩；
所述加热元件与扭簧相连接用以对扭簧进行加热；
所述测温元件与扭簧相连接用以测量的扭簧温度；
所述限位件与转盘相连接用以限制转盘旋转。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：所述角位移传感器、扭矩传感器、加热元件、测温元件均通过数据线连接PC采集卡，PC采集卡通过数据线连接PC端。
3.根据权利要求1所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：所述加热元件包括电性连接的可调电源、电热膜，电热膜包裹在扭簧表面。
4.根据权利要求3所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：所述电热膜为PI加热膜。
5.根据权利要求1所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：所述测温元件为热电偶。
6.根据权利要求1所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：所述转盘为涡轮，限位件为与涡轮啮合的蜗杆。
7.根据权利要求6所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：所述蜗杆一端安装有手轮。
8.根据权利要求1所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：所述夹具为连接柱，连接柱上开设有容纳扭簧端部的插孔，连接柱上开设有连通插孔的螺纹孔，螺纹孔内安装有锁紧螺钉。
9.根据权利要求1所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于：所述主轴、蜗杆、限位件均安装在底板上。
10.一种镍钛形状记忆合金扭簧力学性能测试方法，采用如据权利要求1-9任意一项所述的形状记忆合金扭簧力学性能测试装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1:将待测扭簧套装在主轴上，将扭簧两端分别与主轴及转盘上的夹具连接；
S2: 将扭矩传感器一端通过刚性联轴器连接主轴一端，将扭矩传感器另一端固定，将角位移传感器固定，角位移传感器通过柔性联轴器连接主轴另一端，将加热元件、测温元件连接扭簧；
S3: 进行扭簧无扭矩参数测试，旋转转盘，改变扭簧圈数，使扭簧发生伪塑性变形，调整到预定角度然后，松开刚性联轴器，并通过加热元件对扭簧进行加热；扭簧受热发生相变并逐渐恢复到原来的形状，扭簧的温度由测温元件通过数据传输线传到PC端，扭簧的转角信息由角位移传感器通过数据传输线传到PC端，分析扭簧在自由变形状态下扭转角度和温度的关系；
S4: 在室温下对扭簧进行转角与扭矩关系测试，将刚性联轴器锁紧，使扭簧产生的扭矩能够传递到扭矩传感器，通过转动转盘改变扭簧圈数，测得室温下扭簧转角与转矩的参数，将采集到的转角信息、扭矩信息传输至PC端，分析转角与扭矩间的关系；
S5: 对扭簧进行温度与扭矩参数测试，将刚性联轴器锁紧，使扭簧产生的扭矩能够传递到扭矩传感器，转动转盘将扭簧转至预定角度后，通过限位件对转盘进行限位，通过加热元件对扭簧进行加热，将采集到的温度信息、扭矩的变化信息传输至PC端，分析加热过程中的温度和扭矩的关系；停止对扭簧加热，将采集到的温度信息、扭矩的变化信息传输至PC端，分析冷却过程中扭簧的温度和扭矩的关系。
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