毕业设计（论文）-锭子卷簧扭转弹性测量装置的设计（全套图纸） .doc.doc

锭子卷簧扭转弹性测量装置的设计摘要锭子系统中在纺织工业中起着非常大的作用，是纺织得以实现的前提，而锭子卷簧的性能则能影响纺织产品质量。卷簧在锭子系统中起着支承作用，为了提高纺织产品的质量，就十分有必要对它的刚度进行测量。为此设计一种对卷簧的扭转弹性进行测量的装置。本设计主要内容为：测卷簧所受扭转力的装置的设计，卷簧夹具的设计，传动机构的设计和总体布局的设计，并能实现手动测量与自动测量两种方法能独立完成，在文中有齿轮等零部件的校核和一些参数的设计计算以及一些零件的有关知识介绍。该装置是以弹簧扭转刚度的定义为理论基础，用机械方法分别对卷簧扭力和扭转角进行测量，从而根据理论公式计算出卷簧较为准确的刚度。关键词：卷簧；扭转弹性测量；测量装置；弹性测量全套CAD图纸，联系153893706The measure equipment design of the spindle coil spring torsion elasticityAbstract Spindle system is an important part in the textile industry ,it has the quite tremendous influence to the entire textile products, and coil spring is an important strut of the spindle system.In order to make the work safe and comfortable as well as to obtain the high grade textile products, it is necessary to do its rigid characteristic research. So we need to design a pair of devices for the measurement of spring rolls of flexible reverse . The main feature of the design is: the design of a equipment for the measurement of spring suffered reverse ,the design of spring rolls fixture,and the design of Transmission part and the General layout. It can achieve automatic and manual measurement of the two methods measured independently. The paper includes the check of the gear and the design of other parts of and some of the parameters, some relevant parts are also referred. The device is based on the define of torsional stiffness of the spring as the theoretical basis, Torsion spring rolls and reverse angle are measured by Mechanical methods respectively .Thus, according to the theories spring rolls stiffness will be Calculated more accurately. Key words: coil spring,torsion flexibility measure,measure equipment,spring measure目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景11.1.1 扭矩的测量11.1.2 扭转角度的测量：41.2 检测装置的发展51.2.1 国内测量装置的发展51.2.2 国内试验机的发展61.3 相关工作61.4 本文主要研究内容9第二章 锭子卷簧扭转弹性测量装置的设计102.1 引言102.2 卷簧扭转弹性测量装置的设计112.2.1 根据基础理论，计算卷簧弹性，确定测量范围。112.2.2 方案的拟定142.3 设计卷簧弹性测量装置172.3.1 测扭矩装置的设计172.3.2 角度尺的设计192.3.3 测量过程要素202.4 设计卷簧夹持机构212.4.1 卷簧内外端夹紧装置设计212.4.2 夹紧装置的设计22第三章 传动齿轮的设计计算及离合器的选择233.1 齿轮的初步设计计算233.2 离合器的选择263.2.1 离合器的分类263.2.2 离合器的基本组成和工作原理263.3 离合器的工作原理273.3.1 常用离合器工作原理273.3.2 离合器从动部分293.3.3 扭转减振器29 3.3.4电磁片式摩擦离合器的设计计算.33结 论36致 谢37附录39附录5057第一章 绪论1.1 课题背景根据材料力学推导出弹簧应力和变形的计算公式，若无一定的实际经验，很难设计和制造出高精度的弹簧。根据卷簧弹性计算公式kT/，我想本次设计的装置既然是测量卷簧弹性的装置，那么就应该从两个方面去考虑，第一点我十分关注国内外现有的测量扭矩的方法，第二点是测量转角的工具，那么首先介绍一下我通过查阅所了解的一些测量扭矩的方法。1.1.1 扭矩的测量扭矩由力和力臂的乘积来定义，单位是Nm。扭矩的测量以测量转轴应变和测量转轴两横截面相对扭转角的方法最常用。应变式扭矩测量由材料力学知，当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力max。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45度的方向上有最大正应力1和2，其值为1=2=max。相应的变形为1和2，当测得应变后，便可算出max。测量时应变片沿与轴线成45°的方向粘贴。 若测得沿45°方向的应变1，则相应的剪应变为 （11）式中：E材料的弹性模量；材料的泊松比；于是，轴的扭矩为 （12）式中：Wn材料的抗扭模量。对于实心圆轴测扭时，电阻应变计须沿主应变1及2的方向(与轴线成45°及135°夹角)。应变计的布置及组桥方式应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。图1.1 测量扭矩时应变片的布置和组桥方式图1.1(测量扭矩时应变片的布置和组桥方式)为一轴体的表面展开图，图中给出几种布片及组桥方案。(a)为双片集中轴向对称(横八字)布置，应变片R1及R2互相垂直，其敏感栅中心分别处于同一母线的两个邻近截面的圆周上，组成半桥的相邻两臂。这种布置方式的贴片及引线较为简单，但不能完全抵消弯曲影响，可用于轴体不受弯曲的场合。(b)为双集中径向对称(竖八字)布置，与(a)之不同之处仅在于R1及R2处于同一截面周边的邻近两个点上，其适用条件同(a)。(c)为四片径端对称的双横八字布置，应变片各按(a)的方式分别布置再在同一直径两个端点的邻近部位。在轴体表面展开图中，互相垂直的两个应变片的中心共线，四片可组成半桥或全桥。组成全桥时，输出灵敏度为(a)的二倍。无论组成半桥或全桥皆可抵消拉(压)及弯曲的影响。(d)为四片径端对称的双竖八字布置，可视为(b)的复合。应变片分别处于同一截面同一直径两个端点的邻近部位，且在轴体表面展开图中四个敏感栅的中心共线。(e)为四片均布的双竖八字布置，与(d)的区别仅在于四片圆周均布。(d)与(e)可组成全桥或半桥方式，其灵敏度及抵抗非测力因素的性能同(c)。首先采用自制夹具把卷簧固定在心轴上，让卷簧外端固定在一个固定架上，使心轴转动的时候能够带动卷簧的拉紧，然后用应变片如上述方式组桥安在心轴上，那么就能测量出心轴所受的扭矩的大小，从而能得到卷簧所受的扭矩。还有其他一些液压测扭矩的装置，其中我较为看好的是液压扭力扳手，其优点是结构结单，测量方便，精度也合适本次设计。初步认为测力的方法很多，我个人采用了一个简单的机构来测量其扭矩。试想我们首先要测的是弹簧扭转时产生的扭矩，如果我们用一个悬臂去连接心轴，手动或机动使悬臂绕心轴旋转，这样我们可以固定一个力臂，那么我们只要测出在此力臂处卷簧所受的推或拉力就可以知道我们上面所需要得到的扭矩了，这样一来，原来要测量扭矩的问题也就变成了测力的问题了。我所关心的问题也就由测扭矩方法变成了关心测力的方法了。力的测量 通过对机械零件和机械结构的力、扭矩和压力的测量，可以分析其受力状况和工作状态，验证设计计算，确定工作过程和某些物理现象的机理。对设备的安全运行、自动控制及设计理论的发展等都有重要指导作用。(1) 力的测试方法与测力传感器的选用力值的测试方法可分为两类。一类是直接比较法，即把待测力与基准量直接进行比较。另一类是间接比较法，就是将被测力通过力传感器转换为其它物理量，然后与标定值进行比较。此法不仅适用于静态测试，而且还广泛用于动态力的测试。实现力值测试的关键装置是测力传感器。测力传感器种类繁多，有电容式、压阻式、差动变压器式、压电式、电阻应变式等。在动态力测试中选用时，还应注意传感器的动态特性即幅频特性和相频特性。因为一般的测力传感器进行动态力(如车削力)测试时都存在幅值误差和相位误差，这些误差都与被测对象的变化频率有关，只有当被测力的变化频率远小于测力传感器的固有频率且进行误差补偿时，测力传感器的输出值才接近动态被测力的实际值。此外，多向测力时还应注意各方向力的交叉干扰即一方向的被测力对另一方向被测力测量值的影响。常用的测力传感器有如下几种： 1. 电容式力传感器  其特点是结构简单，灵敏度高，动态响应快，但是由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量 (电容式力传感器的结构原理)。2. 压电式力传感器 前面章节介绍过压电式传感器的原理和压电式振动加速度传感器，测力传感器的结构类似。其特点是体积小，动态响应快，但是也存在电荷泄漏，不适宜静态力的测量。使用中应防止承受横向力和施加予紧力。图1.2 差动变压器式力传感器3. 压磁式测力装置其特点是硅钢材料受力面加大后，可以测量数千吨的力，且输出电势较大，甚至只需滤波整流，无需放大处理。常用于大型轧钢机的轧制力测量。使用中应防止因侧向力干扰而破坏硅钢的叠片结构(压磁式测力装置的工作原理)。4. 差动变压器式测力传感器其特点是工作温度范围较宽,为了减小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。差动变压器式测力传感器的工作原理如图1.1所示。电阻应变式和压电式测力传感器具有灵敏度高、线性度和稳定度好、结构简单、动态特性优良等优点，广泛应用于力的测试中。5电阻应变式力传感器静态和动态力测试广泛应用由应变片与弹性元件组成的力传感器。常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式柱式弹性元件 通过柱式弹性元件表面的拉(压)变形测力。应变片的粘贴和电桥的连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部。柱式力传感器可以测量0.13000吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。梁式弹性元件 类型有等截面梁、等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。环式弹性元件 分为圆环式和八角环式。它也是通过元件的弯曲变形测力，结构较紧凑。实际应用如切削测力仪。轮辐式弹性元件 轮幅式弹性元件受力状态可分为拉压、弯曲和剪切。前两类测力弹性元件经常采用，精度和稳定性已达到一定水平，但是安装条件变化或受力点移动，会引起难于估计的误差。剪切受力的弹性元件具有对加载方式不敏感、抗偏载、侧向稳定、外形矮等特点。1.1.2 扭转角度的测量据我所知，有应用激光传达室感器的，比较精确，不过我个人认为卷簧的扭转角非常容易测出来，只要用一个自制的角度刻盘就可以解决。随着弹簧应用技术的开发，也给设计者提出了很多需要注意和解决的新问题。如材料、压强和喷丸处理对疲劳强度和松弛性能的影响，设计时难以确切计算，要靠实验数据来定；又如按现行设计公式求出的圈数，制成的弹簧刚度均比设计刚度值小，需要减少有效圈数，方可达到设计要求。弹簧应用技术的发展，对材料提出了更高的要求。主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能。其次是根据不同的用途，要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。为此，弹簧材料除开发了新品种外，另外严格控制化学成分，降低非金属夹杂，提高表面质量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效。科技的发展使得弹簧加工技术也加速发展，目前，机械弹簧的加工设备和加工生产线向着数控（NC）和计算机控制（CNC）化的深度和广度发展。但随着弹簧材料和几何形状的变化，加工工艺亦有发展。本设计的装置是一种试验机。（1） 试验机的分类和特点试验机是用于研究和检测材料、零部件、各类产品的力学性能与可靠性的测试仪器。试验机共分为如下十大类：金属袄实验机，平衡机，无损检测仪器，振动台与冲击台，力与变形检测仪器，摩擦磨损，润滑与工艺试验机，包装件试验机，大型结构试验机及汽车专用测试装备。试验机是光机电等一体化技术密集的高科技产品，品种繁多。其中，金属、非金属材料试验机，力与变形检测仪器等具有计量仪器的特性，其技术指标需符合国家相应量值传递准则。每类产品的结构包括机械与电气系统两大部分，但产品外形、体积、工作原理差别极大。通常分为实验室用与生产现场用两大类，前者多用于科研试验，要求准确度高，应用范围广；后者质量控制用，满足批量生产中检测的需要。（2） 试验机的作用和地位试验机广泛应用于科学研究、能源交通、冶金化工、机械电子等各领域，是科研、生产部门必备的基本设备。在材料实验、新型材料开发、产品设计、产品质量监督和控制等方面发挥着重要作用。例如机械和电子工业为了确保产品及其关键零部件或材料的质量和可靠性，需要进行各种性能的检测和测验；金属或非金属材料的力学性能检测；旋转机械及运动机件的平稳性和可靠性检测；锻造件或零部件内部缺陷的无损检测；机电产品部件或整机的耐振性能检测；各种材料的摩擦、磨损机理与定量分析检测；大型设备和建筑机构的整体结构安全性能检测等。所以，试验机是重要的现代科学仪器之一。1.2 检测装置的发展1.2.1 国内测量装置的发展目前，我国已经成功的研制了被称为“世界电子测量仪器之王”的微波毫米波矢量网络分析仪。随着我国新体制电子信息系统和新式武器装备的发展，占领和利用有限的频谱资源已经成为高薪技术发展和军事电子技术及装备发展的一个重要特点，其中充分利用频谱资源中的电磁波幅度、频率、相位和极化信息是现代电子装备的核心特点。而现代电子装备的发展又急需能同时获得被测对象的幅度、相位和群时延特性的测试要求越来越高，因此矢量网络分析仪便成为现代电子装备必备的、关键的测试设备，是其他测试设备无法取代的重要检测手段。另外微波毫米波有源器件CAD技术正在日益普及，而有源CAD的基础是提取有源器件的S参数，当前只有矢量网络分析仪有能力同时获得有源器件的S参数，使CAD的设计结果更接近于实际应用。除此之外，矢量网络分析仪已走出传统的线性网络的应用领域，而在非线性、大功率网络的测试和分析中发挥着重要的作用。另外，以矢量网络分析仪为核心可以组成天线、RCS、大功率、T/R组件等自动测试系统，因此它的应用领域将是非常广阔的。设计要求通过对卷簧扭转弹性的测量装备检测卷簧的扭转弹性，随着科技的发展，测量仪从原来的手动控制到现在的微机自动控制，现今的测量仪都是集机械和电子的高科技仪器。近阶段中科院研究出了一种微扭矩测量仪，其属于精密测量领域，涉及一种输出测量过程简单且便于观测、操作，并同时提高了系统测量精度，还可通过对游丝的更换来调整系统测量范围。微小力矩的精确测量对微小电机在微精密加工、现代医学、精密检测计量等学科领域具有广泛的应用前景。还有目前广泛应用于各种电气、设计制造的一种智能化计量仪器。主要用于检测和校正各种电动风动螺丝批、扭力起子、扭力扳手的扭矩，各种产品涉及拧紧力的测试、零件扭转破坏性试验等。1.2.2 国内试验机的发展1.金属与非金属的试验机（1）新型机电、液电闭环控制的电子万能及液压万能试验机在逐渐取代传统的机械、液压万能试验机。新型电液式万能液压机，采用了比例阀或伺服阀作为加荷速度调控系统的控制元件，形成加荷速度的闭环控制，以满足新试验法的要求，使速度精度达到±0.5%以上。由于采用了新型低惯性力矩电机及先进的直流、交流调频调速系统，使电子万能试验机速度范围扩大到0.0011000mm/min，速度精度达到±(0.10.5)。（2）常规摆垂测力计被新型小摆垂，多杠杆测力计及电阻式、电感式测力计所取代。测力精度达到示值的±(0.10.5)。（3）变形测量仪的原理除电阻式、电感式外，还采用了光栅、磁栅光电技术的新型高精度系统，扩大了使用范围。依次原理的非接触式大变形量仪正推向市场。（4）金属、非金属材料试验机的测量、控制系统的自动化水平不断提高，并向智能化方向发展。（5）非金属材料试验机品种随着各种新材料的出现而日益增多，模拟各种环境条件的附件越来越多，功能多样化，复合应力型试验机将迅速发展。2. 平衡机利用不平行信号控制激光束，在旋转过程中自动去重技术及利用低压大电流使金属爆熔，并在磁场作用下涂镀或喷塑并用紫外光快速干燥在旋子上的自动平衡技术引起广泛重视。往复式机械和杠杆式机械技术仍处在研发阶段。具有各种模拟计算功能（如平面分离、影响系数、硬支承ABC计算等）的智能化平衡电箱越来越普及。应用计算机技术，使平衡机的平衡效率、精度越来越高。直接在生产线上应用的液越来越多。3.振动台随着晶体管大功率放大器的发展，电动台不断加大推力，以适应大负载试验的需要。组合式电动台也是一个方向，它是用单独工作的几个放大器分别与电流反馈装置或各台动圈绕组相连接，以相同信号使之产生同样振幅与相位。大型电液伺服振动台正向多自由度、多功能、提高推力和控制水平方向发展。用计算机进行控制提高了位移、速度、加速度的控制精度、失真度指标。4. 无损检测仪器（1）无损检测仪器不断向小型化、轻量化、小焦点、高分辨率方向发展。气绝缘陶瓷X射线管，高顺式高压变压器得到广泛应用。（2）新型电压材料及新型超声探头的应用（如高分子电压式及高分子复合式超声换能器、电磁声换能器、静电声换能器等）是当前超声探伤仪器的一大趋势。（3）计算机技术的采用，使超声探伤仪器进一步向定量、定位、确定缺陷性质等三维色彩显示成像方向发展。（4）声发射仪的应用领域不断扩大，并向降低成本和提高检测准确度方向发展。（5）各种新型电磁探伤技术、图象处理技术、在线多参量自动探伤技术正迅速发展。1.3 相关工作弹簧的工作原理论述 1. 弹簧特性曲线 （1）、定义：表征弹簧载荷F、T与其变形I之间关系的曲线，称为弹簧特性曲线。 （2）、载荷与变形：对于受压或受拉的弹簧，载荷是指扭矩，变形是指扭角。 （3）、常见类型：按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有如图所示的四种：图a 直线型图1.3 弹簧特性曲线类型 弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试验的依据之一。同时还可在设计弹簧时，利用特性曲线进行载荷与变形关系的分析。2弹簧刚度 （1）弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形的载荷，用C和CT分别表示拉（压）弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度，其表达式如下： 对于拉压弹簧： 对于扭转弹簧： 其中：F弹簧轴向拉（压）力； 弹簧轴向伸长量或压缩量； T扭转弹簧的扭矩； 扭转弹簧的扭转角。（2）弹簧刚度与弹簧特性的关系图1.4弹簧刚度与弹簧特性的关系图a所示的直线型弹簧，其刚度为一常数。这种弹簧的特性曲线越陡，弹簧刚度相应越大，即弹簧越硬；反这则越软。图b所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型，即弹簧随变形量的增大其刚度越大，且在最大或冲击载荷作用时，仍具有较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。图c所示弹簧特性曲线为刚度渐减型，即弹簧刚度随变形量的增大而减小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。1.4 本文主要研究内容本课题研究的是测量纺纱锭子阻尼器（卷簧）的弹性性能的装备。由于卷簧支承对整个锭子系统有相当大的影响，测量设备通过对卷簧扭矩和角位移的测量，通过理论公式的推导得出卷簧的弹性。所以此设计的研究目标是设计一台专门的测卷簧扭转弹性的设备，用来检测生产出来的卷簧是否达到要求的性能。主要内容：（1）根据基础理论，计算卷簧弹性，确定测量范围。 （2）确定卷簧测量装置的原理，进行总体方案的设计。（3）卷簧扭矩测量装置的设计。（4）设计卷簧角位移测量装置的设计。（5）设计卷簧夹持装置的设计。第二章 锭子卷簧扭转弹性测量装置的设计2.1 引言纺织工业用的纱锭是一个典型的高速柔性转子，其工作转速都在一阶临界转速以上，有的甚至在二阶和三阶转速以上运转。为了去确保工作安全舒适以及得到高质量的纺织产品，必须采用十分有效的方法来仰制锭转子的振动，尤其是当锭子通过低阶临界转速而可能产生大振幅的时候。（1） （2） 图21 锭子系统及其前两阶振型图对于锭子系统的动态特性来说，支承的动态行为如刚度系数，阻尼系数等是非常重要的。设计者采用了一个特性的卷簧的支承来解决锭子的振动问题，它提供了很低的刚度系数和很高的阻尼系数，可以有效的调整锭子的低阶颔结转速并抑制振动响应。尤其是对锭子系统通过一阶和二阶临界转速时的不平衡响应均有较良好的仰制作用。图2.1（1）是纺织锭子系统的卷簧的简图，纺锭系统包括一个旋转锭子轴，一个滚子轴承，一个锭子套管，一个卷簧和锭脚等，卷簧由65Mn钢带绕成几何组成，内端接触到锭子套管外臂上，而套管只能平动。整个锭子脚内装上锭子油，可润滑锭子下端处，而且在卷簧中间形成很薄的连续的油膜，当卷簧振动时可产生阻尼力。这下锭子系统有两个支承，一个是滚子轴承的刚性支承，一个是充满卷簧的弹性阻尼支承。对于锭子系统可以通过模态分析得到振动的低阶固有振型及特征值，图2.1（2）表示在下端支承处有不同刚度的整个锭子系统的振型。从图中可以看出，当锭子下端的刚度足够大有时候，转子一阶临界转速下的最大弯曲振幅出现在顶端，即放置纱管的地方。为了改变这种不利情况，可以在下端改用弹性支承使临界转速离开工作转速范围；同时在加上阻尼器，吸收锭子振动时的能量，从而起到抑制振动的作用。当下端采用的弹性支承比较软的时候，锭子的一阶或前二阶临界转速都会降到正常工作转速以下，对应的一阶振型为偏摆振型，二阶振型为弯曲振型，在下端支承处均可能产生较大的振幅。根据充油卷簧支承的本身结构特点，他可提供较低的横向刚度和较大的阻尼，保证锭子的平稳运转。2.2 卷簧扭转弹性测量装置的设计2.2.1 根据基础理论，计算卷簧弹性，确定测量范围。卷簧弹性定义的理论推导：（由于卷簧与平面蜗卷弹簧非常的近似，本推导参考张英会、刘辉航、王德成所编的弹簧手册里的外端固定非接触平面蜗卷弹性刚度的推导过程）如图2.2所示，设轴上作用扭矩后，外端A点受力矩，切向力，径向力，而且： （21）在坐标（x，y）的弹簧上，任意一点所受的弯力矩为： （22）（2 1）代入（22）得： （23）取长度为无限小的弹簧元体，则此单元体内弯曲弹性形能为： 图2.2 当弹簧的有效长度为，将上式沿曲线全长积分为弹簧总的变形能为：由卡氏定理知，弹簧变形时，A点的径向及转角为0°，力矩和径向力都不作要求，因此： 将（23）式分别对和取偏导数得： 并将（23）式的T代入得： （24） （25）作用下的变形角为： 将（23）对取偏导得：并将（23）的T代入得： （26）由式（25）得； （27）当卷簧的圈数很多时，对X、Y轴及O点接近对称：则： 因此，将（27）整理得：由于： 所以： 因此式（24）成为： 由于： 因此只有： 同时，由式（21），当时，则=0。将=0和和人入（22）式后得：弹簧上任意一点受弯曲力矩为： 即轴上作用扭矩后，在弹簧全长各个截面内都受大小相同的弯曲力矩，并且轴上作用的扭矩相等。由于： 所以式（26）化简为： 式子中 T卷簧所受的扭矩： k卷簧的扭转刚度； R卷簧材料弹性模量； I卷簧的截面惯性量； 卷簧的展开长度； 卷簧在T的作用下转过的变形角。通过对卷簧扭转刚度的推导，得出卷簧的扭转刚度为： 根据上述的结论可得卷簧在扭矩作用下的变形角为： 卷簧的材料为65Mn，经查表得以下数据： 系数（外端固定时=1）； 材料展开的有效长度，=279.8mm； E材料的弹性模量，E=211； h材料的厚度，h=0.2mm； 材料的许用弯曲应力，=570MPa。将数据代入变形角公式得： =7.558 所以， 见取卷簧测量的范围为： 2.2.2 方案的拟定依据卷簧扭转刚度计算公式： 也就是在一定的扭矩作用下，其扭矩与变形角之商，由此公式为依据进行初步方案设计。所以设计出卷簧测量装置不仅要有扭矩测量装置，也要有角度测量装置。初步定方案如图2.3所示：图2.3 初步方案原理图初步设计机构主要是由卷簧内端夹紧装置和测力装置组成，力的测量由扭力扳手直接测出，或者用其他测量力的装置，心轴上连接一个指针，用来测量卷簧扭转的角度，扭力扳手连接在心轴上，带动心轴的转动，心轴下面连接一个减速传动装置，这样可以实现手动与自动扭转测量，但是没有解决手动与自动的分离，因为当扭力扳手手动旋转时，没有脱开下面的减速传动装置，而当电机起动，实现自动旋转时，扭力扳手也会随之转动，手动与自动测量不能很好的分开是这个装置的缺点之一，此外，该装置制动性能很不好，容易损坏弹簧零件，造个部分轴的疲劳破坏，也容易损坏电机。同时，扭力扳手是产品，不是本人设计的，所以我想自己设计一个测量力的装置。 经过长时间的思考和老师指导我想出一个稍微好一点的测量办法，装配图如图2.4所示。其主要工作原理如下：1 手动操作的实现用手旋转左边的扳手，扳手旋转板的一部分，铸造而成，那么整个回转板将会转动回转板右面上部两端各固定一个阶梯形小铁块，小铁块在回转板的带动下推动与他接触的推力杆，推力杆在H形槽里对压缩弱簧进行压缩，弹簧一端固定的铁片充当指针，H形槽上所附的刻度可以读出旋转板所受推力的大小，乘以力臂进而能求得卷簧所受的扭矩大小，同时扭转角可由指针与机箱上的刻度盘上读出，这样由扭矩和扭转角便可计算出卷簧的弹性。2 电机自动测量的实现步进电机转动首先由一对锥齿轮将功率传递给第一个从动轴，再由电磁离合器传递给一对圆柱齿轮，实现二级减速，由第二个从动轴再传递给旋转板，然后旋转板推动铁杆，测力装置工作，测出推力，扭转角仍由刻度盘直接读出。与初步设计方案相比的优点：1.该装置采用了一个空套结构实现了手动与自动测量的分离。2.采用了电磁离合器，不仅起到了制动作用也起到了对电机的保护作用。当电磁离合器通电达到“合”的状态，实现整个减速传动机构的工作，当电磁离合器断电达到“离”的状态，实现制动。图2.4 改进方案装配原理图2.3 设计卷簧弹性测量装置从卷簧弹性刚度公式可看出，卷簧弹性测量装置分为两个部分；一个是扭矩测量装置，另一个是变形角测量机构。依据以上确定的总方案，在本设计中卷簧的扭矩和在扭矩作用下的变形角分别由液压测扭矩装置的角度尺来实现测量的。2.3.1 测扭矩装置的设计力的测量力的大小不同,产生的效果也不同。在物理学中,我们就是利用力产生的效果的大小来测量力的，国际上通用力的单位叫做牛顿,简称牛,符号N。测量力的大小的工具叫做测力计、GMS型锚索测力计、SKN系列测力计、测力环、握力计等。弹簧秤是测力计的一种。弹簧秤的构造：弹簧、挂钩、吊环、指针、面板、铁杆。弹簧秤的工作原理：弹簧受到的拉力越大,弹簧的伸长就越长。 初定装置的方案如图2.5所示： 图2.5 初定测力方案原理图这方案所用的是机械测力仪。是由弹簧回转板推动上面的边杆作转动，从而测出推力和转矩由于卷簧产生变形角所需要力矩较小，虽然弹簧与边杆能保持垂直关系，但是当转过一定角度时，实际力矩将发生变化，这样会使误差变大。连杆上还需设置转换机构，这使得结果复杂化操作不方便。所以不宜采用该方案。 可采用液压装置进行测扭矩由于测卷簧弹性所需的力较小，油的压缩量微小，其内部的压力较小，使得柱塞只需转动一个较小的距离就能使卷簧达到较大的变形角，连杆中柱塞能始终保持近似垂直关系。当活塞受力时，使得油的内部压力减小，通过压力表显示出来。 图2.6 活塞式压力计标定实验活塞式测力计的采用，虽然很精准但是个人认为成本较高，所以自己行设计了一个简单的测力装置经过各方面的考虑，确定采用装置如图2.7所示：其基本原理：一个H形的外伸架的槽中固定两个已选好的弹簧，一个叉形的旋转板，加上两个用来推动弹簧使其受压的铁杆组成了这个测力装置，当旋转板转动时推动铁杆从而压缩弹簧并推动H形的外伸架，外伸架另一端接心轴，从而带动心轴旋转，由H形板上的刻度可以直接目测出扭力的大小。测力装置中弹簧的选择：设弹簧所受的压力为，弹簧推动H形槽的力为，H形槽中心与旋转中心的距离为L那么=，卷簧所需要的最大扭矩为5NM，根据力矩的平衡原理：即 5NM=L因为 L=200mm所以 5NM=200mm=25N即所需选择的弹簧所受的最大压力为25 N据此，查机械设计手册得弹簧材料直径： d=0.8mm弹簧中径： =7mm节距： t=3.28mm工作极限负荷： =25.988N最大心轴直径： =5.2mm最小套筒直径： =8.8mm根据最小套筒直径设计H形槽的槽宽与槽深： B=10mm,H=10mm弹簧节数选定为： N=18节图2.7 改进后的测力装置原理图2.3.2 角度尺的设计角度是一种机械量，机械量泛指一切表征机械状态的参数。根据机械量在测量过程中的状态将机械量分为静态测量和动态测量；而转过转速与振动则完全属于动态测量。无论是动态测量还是静态测量，他们的测量值是否可靠除决定于被测量与标准单位量的特点外，取决于测量时所需用的测量器具与测量方法，最后还需对测的值的测量准确度加以评估。2.3.3 测量过程要素任何一个测量过程都包括以下几个要素；（1）被测物理量；（2）测量单位（标准量）；（3）定位系统（确定被测对象所需的方位上）；（4）瞄准系统（确定被测量和标准量相应的起点位置）；（5）测量环境（指温度、气压和湿度数）；（6）测量准确度。角度尺的设计如图：图2.8 角度尺在设计中角度尺是镶切在角度尺座上的，而角度尺座通过螺钉固定在底座上的，当卷簧受扭矩转动一个变形角时，变形角可直接在由角度尺上读出，角度尺自主加工。它的刻度形式与度盘的刻度形式相似，当加工分度完后，起分度检测可采用度盘分度的检测方法。度盘的检定方法很多。一般采用比较法和常角法，按照采用常角多少，各常角测量结果之间联系或组合方式以及数据处理方式的不同，常角法又可进一步分为单常角法、对称联系法、内插联系法、无联系闭合系列法、全组合常角法和排列互比法等。该角度尺的分度误差不得超过302.4 设计卷簧夹持机构卷簧