雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械測量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 一般測量物體轉(zhuǎn)動慣量的測量方法有多種，最常見的有復(fù)擺法，線擺法和扭擺法 等。它們的共同點是對被測物體施加外力，破壞系統(tǒng)的靜平衡，撤銷外力后被測物體自由擺 動，通過測量其擺動周期可計算出被測物體繞回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。復(fù)擺法的誤差主要來自 小擺角假設(shè)、摩擦阻力和空氣阻力，復(fù)擺法不適用于質(zhì)量較大的被測物體。使用線擺法對質(zhì) 量和尺寸較大的物體進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量測量，存在許多困難；被測件在轉(zhuǎn)動過程中常會伴隨扭 動，故很難準(zhǔn)確測量擺動周期；如何進(jìn)行懸掛，旋線如何固定，擺線拉長帶來的誤差如何修 正等問題暫時也沒有得到有效的解決。扭擺法的測試精度最高，裝夾方便，誤差可小于1 %， 其誤差主要來自摩擦阻力和空氣阻力，并且可W通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高測試精度，現(xiàn)有技術(shù)中 一般采用單扭桿來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動慣量的測量，單扭桿測量由于機(jī)構(gòu)本身具有一定的局限性， 使裝置整體測量的范圍有一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提出一種雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中單扭桿測 量方法存在的測量范圍有一定限制的問題。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置包括水平的扭盤、擺針、凹槽 形光電傳感器、扭桿軸、支撐套和裝置外殼；
[0005] 所述擺針固定在所述扭盤下端，在固定在裝置外殼上的凹槽形光電傳感器的凹槽 內(nèi)擺動；
[0006] 所述扭桿軸通過軸承固定在所述扭盤底面，所述扭桿軸與所述扭盤同軸，所述扭 桿軸下端通過固定插銷與所述支撐套固定連接，所述支撐套設(shè)置在所述裝置外殼內(nèi)部與所 述裝置外殼固定連接；
[0007] 所述扭桿軸包括第一扭桿和第二扭桿兩端，第一扭桿和第二扭桿連接處設(shè)置有水 平方向的插銷孔，通過可動插銷的插入和拔出實現(xiàn)第一扭桿和第二扭桿連接處與支撐套的 固定和松開。
[000引所述第一扭桿的長度為Li，直徑為Di，第二扭桿的長度為L2,直徑為02,其中 Li^ L 2、Di^ D 2。
[0009] 所述扭盤上端設(shè)置有固定試件用的固定裝置。
[0010] 所述固定裝置為V形架或固定夾具。
[0011] 本發(fā)明的有益效果為；本發(fā)明的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置由于通過可動插銷進(jìn) 行單雙扭桿的切換，可動插銷插上時，將下面的第二扭桿和支撐套固定連接，上下端同時固 定，導(dǎo)致第二扭桿不可運動，從而第一扭桿扭轉(zhuǎn)，第二扭桿不動；可動插銷拔拔下時，第二扭 桿上端與支撐套分離，從而可W運動，第一扭桿和第二扭桿同時扭轉(zhuǎn)；一臺設(shè)備實現(xiàn)兩臺設(shè) 備的功能，極大地降低了成本，有效地提高了轉(zhuǎn)動慣量的測量范圍，方便地解決了單扭桿存 在的問題。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 其中，1、試件，2、扭盤，3、擺針，4、光電傳感器，5、軸承，6、扭桿軸，7、第一扭桿，8、 支撐套，9、可動插銷，10、第二扭桿，11、固定插銷，12、裝置外殼。
【具體實施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步說明。
[0015] 參見附圖1，本發(fā)明的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置包括水平的扭盤2、擺針3、凹槽形 光電傳感器4、扭桿軸6、支撐套8和裝置外殼12 ;
[0016] 所述擺針3固定在所述水平扭盤2下端，在固定在裝置外殼12上的凹槽形光電傳 感器4的凹槽內(nèi)擺動；
[0017] 所述扭桿軸6通過軸承5固定在所述扭盤2底面，所述扭桿軸6與所述扭盤2同 軸，所述扭桿軸6下端通過固定插銷11與所述支撐套8固定連接，所述支撐套8設(shè)置在所 述裝置外殼12內(nèi)部與所述裝置外殼12固定連接；
[001引所述扭桿軸6包括第一扭桿7和第二扭桿10兩端，第一扭桿7和第二扭桿10連 接處設(shè)置有水平方向的插銷孔，通過可動插銷9的插入和拔出實現(xiàn)第一扭桿7和第二扭桿 10連接處與支撐套8的固定和松開。
[0019] 所述第一扭桿7的長度為Li，直徑為〇1，第二扭桿10的長度為L2,直徑為化，其中 Li^ L 2、Di^ D 2。
[0020] 所述扭盤2上端設(shè)置有固定試件1用的固定裝置。
[0021] 所述固定裝置為V形架或固定夾具。
[0022] 本發(fā)明的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置工作原理為：
[0023] 將扭盤在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個角度0，當(dāng)可動插銷插9上時，第一扭桿7扭轉(zhuǎn)0，當(dāng) 可動插銷9拔下時第一扭桿7扭轉(zhuǎn)0 1角度，第二扭桿10同時扭轉(zhuǎn)0 2角度（0 = 0 1+0 2); 當(dāng)突然釋放扭盤2時，扭盤連同試件1在扭桿軸6恢復(fù)力矩作用下開始繞垂直軸作往復(fù)扭 擺運動，由彈性（虎克）定律，扭桿軸6受扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的恢復(fù)力矩M與所轉(zhuǎn)過的角度0成 正比。
[0024] M = K 0 (1)
[0025] 其中；M-恢復(fù)力矩
[0026] K-扭桿軸6的彈性系數(shù)，當(dāng)材料及結(jié)構(gòu)確定時為常數(shù)
[0027] 0 -扭桿軸6轉(zhuǎn)過的角度；
[002引根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動定律有；
[0029] Mz = J 0 似
[0030] 其中；Mz-扭盤2連同試件1對于扭桿軸6的合外力矩
[0031] J-扭盤2連同試件1 W扭桿軸6軸屯、的轉(zhuǎn)動慣量
[0032] 0 -扭盤2連同試件1的角加速度；
[0033] 由于扭擺運動是逐漸變慢的，做減速運動，令《2= K/J得：
[0034] Mz = J 0 = -K 0 (3)
[003引 P = (f 白 /化2=-化/J)白=-? 2 白 （4)
[0036] 得；
[0037] (12 0/化2=-?2 0 (5)
[003引求解二階常系數(shù)齊次線性微分方程得：
[0039] 白=Cicos ? t+CgSin ? t (6)
[0040] 0=Acos (似t+批 C7)
[0041] 其中；A-諧振角振幅
[0042] 角速度
[00創(chuàng) 巧-一初相位角；
[0044] 上式表示扭擺運動具有諧振動的特性，角加速度角位移成正比，且方向相反。此諧 振動周期為：
[0045] T = 2jt/? = 231 化/乃-1/2 (8)
[0046] 由公式（7)得：
[0047] J = K (4 312) 巧）
[0048] 本發(fā)明的測量裝置的參數(shù)計算為：
[0049] 在雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置設(shè)計時，受結(jié)構(gòu)及運動的限制，諧振周期T在Ti和 了2訂1<了2)之間，則在扭桿軸6的彈性系數(shù)為固定結(jié)構(gòu)的情況下彈性系數(shù)K為常數(shù)，則公式 (9)可解得：
[0050] Ji= K TiV(4 3t') (10)
[0051] J2= K T22/(4 3t2) (11)
[0052] 此轉(zhuǎn)動慣量測量裝置的測量范圍為；Ji?J2(Ji< J2)之間：
[0化3] 1、單扭桿測量
[0054] 當(dāng)可動插銷插9上時第一扭桿7扭轉(zhuǎn)，即為單扭桿測量，此時第一扭桿7的彈性系 數(shù)為K1，根據(jù)材料力學(xué)扭轉(zhuǎn)定律：
[0055] 0 = ML/GIp (12)
[0056] 其中；0 -扭桿的相對扭轉(zhuǎn)角
[0057] L-扭桿的作用長度
[0化引 G-扭桿的彈性模量
[0化9] Ip-橫截面極慣性矩；
[0060] 由上式知Ki二M/ 0二GI pi/Li,對于頭心園截面，Ip二JiD /32,
[0061] 推出；
[0062] Ki= (31〇井)/(3化1) (13)
[0063] 其中；Di-第一扭桿7作用直徑
[0064] Li-第一扭桿7作用長度；
[0065] 扭桿軸6可選用65Mn鋼制作，扭轉(zhuǎn)彈性模量G = 80?84GN/m2;
[0066] 代入，由（10)、（11)式可得；
[0067] K JiV(4 3t') (14)
[0068] Ji2= K J2V(4 3t') (巧）
[0069] 此單扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置的測量范圍為；J。?J 12 (Jll< J 12)之間；
[0070] 2、雙扭桿測量
[0071] 當(dāng)可動插銷拔9下時第一扭桿7和第二扭桿10同時扭轉(zhuǎn)，即為雙扭桿測量，此時 第一扭桿7的彈性系數(shù)為Ki，第二扭桿10的彈性系數(shù)為K,，由于第一扭桿7和第二扭桿10 為串列布置，兩桿在預(yù)加一個扭矩時應(yīng)承受同樣的相等的扭矩，即；
[0072] Ki= M/0 i;K2= M/0 2
[0073] K〇= M/ 日；日二日 1+ 白 2
[0074] 從而推出
[007引 l/K0= 1/K 1+1/馬 (16)
[0076] 其中；K。一兩個扭桿共同作用后扭桿的彈性系數(shù)化。< K2< K 1);
[0077] 參照上面彈性系數(shù)計算方法得：
[007引 馬二（3tD24gV(32L2) (17)
[0079] 化一第二扭桿10作用直徑
[0080] La-第二扭桿10作用長度
[0081] 將（13)、（17)代入（16)解得；
[00間 K0= 3TG〔0占2) VT32(LiD24+L2Di4)]
[0083] 代入（10)、（11)式得；
[0084] J2i=KJi2/(4 3t2)
[00化]心二 K J^(4 3t2)
[0086] 此雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置的測量范圍為；J21?122化1< J22)之間；心< J22 < Jll< J 12。
[0087] 通過W上計算得到心< J22< Jn< J12,可W看出通過插拔可動插銷實現(xiàn)單雙扭 桿測量的轉(zhuǎn)換，使測量周期范圍不變（測量精度不變）的情況下，使得測量試件轉(zhuǎn)動慣量的 范圍提高，也就是說，一臺測量設(shè)備可W實現(xiàn)兩臺設(shè)備的測量工作，達(dá)到了原有的目的。
【主權(quán)項】
1. 雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置，其特征在于，包括水平的扭盤（2)、擺針（3)、凹槽形光電 傳感器（4)、扭桿軸（6)、支撐套（8)和裝置外殼（12); 所述擺針（3)固定在所述扭盤（2)下端，在固定在裝置外殼（12)上的凹槽形光電傳感 器⑷的凹槽內(nèi)擺動； 所述扭桿軸（6)通過軸承（5)固定在所述扭盤（2)底面，所述扭桿軸（6)與所述扭盤 (2)同軸，所述扭桿軸（6)下端通過固定插銷（11)與所述支撐套（8)固定連接，所述支撐套 (8)設(shè)置在所述裝置外殼（12)內(nèi)部與所述裝置外殼（12)固定連接； 所述扭桿軸（6)包括第一扭桿（7)和第二扭桿（10)兩端，第一扭桿（7)和第二扭桿 (10)連接處設(shè)置有水平方向的插銷孔，通過可動插銷（9)的插入和拔出實現(xiàn)第一扭桿（7) 和第二扭桿（10)連接處與支撐套（8)的固定和松開。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置，其特征在于，所述第一扭桿（7)的 長度為L1，直徑SD 1，第二扭桿（10)的長度SL2，直徑為D2，其中L 2、d# D 2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置，其特征在于，所述扭盤（2)上端設(shè) 置有固定試件（1)用的固定裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置，其特征在于，所述固定裝置為V形 架或固定夾具。
【專利摘要】雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置屬于機(jī)械測量技術(shù)領(lǐng)域，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中單扭桿測量方法存在的測量范圍有一定限制的問題。本發(fā)明的雙扭桿轉(zhuǎn)動慣量測量裝置包括水平的扭盤、擺針、凹槽形光電傳感器、扭桿軸、支撐套和裝置外殼；擺針固定在扭盤下端，在固定在裝置外殼上的凹槽形光電傳感器的凹槽內(nèi)擺動；扭桿軸通過軸承固定在扭盤底面，扭桿軸與扭盤同軸，扭桿軸下端通過固定插銷與支撐套固定連接，支撐套設(shè)置在裝置外殼內(nèi)部與裝置外殼固定連接；扭桿軸包括第一扭桿和第二扭桿兩端，第一扭桿和第二扭桿連接處設(shè)置有水平方向的插銷孔，通過可動插銷的插入和拔出實現(xiàn)第一扭桿和第二扭桿連接處與支撐套的固定和松開。
【IPC分類】G01M1-10
【公開號】CN104568311
【申請?zhí)枴緾N201510014954
【發(fā)明人】王德民, 李俊燁, 張心明, 劉蒹, 馬義平, 孫營營
【申請人】長春理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月12日