一種小型疲勞試驗裝置往復扭轉機構的設計

劉永興 王強

【摘? 要】許多零件在實際工作狀態中承受動載荷的作用，與受到靜載荷作用而產生破壞時會出現明顯變形的情況不同，這些零件往往是在并未發生顯著變形的情況下出現疲勞破壞現象。針對目前大多數高職院校的實驗室都沒有疲勞試驗設備，無法給學生開展疲勞試驗，嚴重影響了金屬材料疲勞過程實驗教學的現狀，因此，研制一臺結構簡單、低成本、易操作的小型扭轉與軸向拉壓疲勞試驗裝置具有非常必要的現實意義。論文對這種小型疲勞試驗裝置的往復扭轉機構進行設計與研究。

【Abstract】Many components are subject to dynamic loads in the actual operating state， unlike those that exhibit significant deformation when damage caused by static loads， and these parts tend to experience fatigue damage without significant deformation. In view of the fact that most of the laboratories in vocational colleges and universities do not have fatigue test equipment， they can't carry out fatigue test for students， which seriously affects the current situation of experimental teaching of metal material fatigue process， so it is of great practical significance to develop a small fatigue test device with simple structure， low cost and easy operation. This paper is the design and research of the reciprocating torsion mechanism of this small fatigue test device.

【關鍵詞】疲勞試驗裝置;往復扭轉機構;設計

【Keywords】fatigue test device; reciprocating torsion mechanism; design

【中圖分類號】TH112? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）09-0185-03

1 引言

許多小型零部件在實際工作狀態中，會受到反復的扭轉、拉伸等載荷的作用。當這種循環應力或應變達到一定次數時，零部件會產生疲勞現象，在應力或應變集中處出現裂紋直至發生斷裂。目前很少有專門針對小型零部件的小載荷疲勞試驗機，且國內大多數高職院校的實驗室或實訓基地都沒有疲勞試驗設備，無法給學生開展疲勞試驗，嚴重影響了金屬材料疲勞過程實驗教學的現狀，因此，研制一臺結構簡單、低成本、易操作的小型扭轉與軸向拉壓疲勞試驗裝置具有非常必要的現實意義。本文是對這種小型疲勞試驗裝置的往復扭轉機構的設計與研究。

2 往復扭轉機構的基本結構與原理

該往復扭轉機構旨在盡量通過簡單的機械結構來模擬實際工作狀態中扭轉運動情況，主要實現的機械運動為執行裝置完成與鉛垂方向左右擺角相等的往復擺動運動，與此同時，該往復擺動運動的擺動頻率和擺角大小需要實現可調節性。通過對比凸輪機構、曲柄滑塊機構、曲柄搖桿機構的結構、加工難易程度、經濟型等條件，選擇使用曲柄搖桿機構來實現往復擺動運動。如圖1所示，曲柄AB與減速器連接，以恒定角速度ω進行圓周運動，搖桿CD實現往復擺動運動，曲柄AB轉動1周，搖桿CD就跟隨擺動1次，擺動幅度為極限位置C1D至極限位置C2D，擺動角度為φ，亦為極位夾角。

3 曲柄搖桿機構各桿件的參數關系

本課題往復扭轉機構是為了使小型疲勞試驗裝置實現確定角度的往復擺動，故擺動角度與2個極限位置已知。即在已知曲柄搖桿機構中搖桿極限位置C1D、C2D和極位夾角φ的條件下，利用三角形正弦定理和余弦定理來求出各桿件之間的長度關系。當各個桿件之間的長度關系確定之后，整個曲柄搖桿機構的運動規律也就隨之確定。所以應該首先對曲柄搖桿機構進行運動分析。運動分析有如解析法、圖解法等多種方法，這里主要采用速度瞬心法進行曲柄搖桿機構的運動分析，在已知曲柄搖桿機構中搖桿極限位置C1D、C2D和極位夾角φ的條件下，利用三角形正弦定理和余弦定理求解各桿件之間的長度關系。

曲柄搖桿機構ABCD中，設AD為機架，曲柄AB與減速器連接，以恒定角速度ω2進行圓周運動，則曲柄AB為原動件，連桿CD為搖桿，各桿件AB、BC、CD與機架AD之間直接以轉動副連接，所以，可以直接確定它們之間的瞬心位置，其速度瞬心位置就是轉動副的轉動中心點，分別為桿件1、2對應的瞬心P12、桿件2、3對應的瞬心P23、桿件3、4對應的瞬心P34、桿件1、4對應的瞬心P41。然而，桿件2、4對應的速度瞬心P24并不能直接觀察得到，可通過三心定理進行確定：四連桿機構中，作平面平行運動的3個構件共有3個瞬心，它們位于同一直線上。速度瞬心P24的確定：對于桿件2、3、4來說，速度瞬心P24必然在瞬心P23和瞬心P34所確定的直線上，而對于桿件1、2、4來說，速度瞬心P24必然在瞬心P12和瞬心P14所確定的直線上，于是，我們可以確定，速度瞬心P24為直線P23P34與直線P12P41延長線的交點。具體速度瞬心位置如圖2所示。

曲柄AB以角速度ω2做圓周運動，通過計算便可以得出搖桿CD的轉動角速度ω4和C點速度Vc。速度瞬心P24為構件2和構件4的重合點，故有：

ω4 · P12P24=ω4 · P14P24? ? ? ? ? ? ? （1）

Vc=ω4 · CD? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于搖桿CD要實現擺動角度為φ的往復擺動運動，則其擺動幅度分別對應為極限位置C1D至極限位置C2D，如圖1所示。所以有：

Vc1=Vc2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

ω4=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

根據式（1），有：

ω4=ω2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

在式（5）中，P14P24作為分母不能取0，所以，只能分子P12P24=0。于是，我們可以得出這樣的結論：瞬心P12和瞬心P24的位置重合，即搖桿CD的極限位置點C1與對應曲柄位置A1、B兩點在同一條直線上，極限位置點C2與對應曲柄位置A2、B兩點在同一條直線上。由于極限位置點C1、C2位置已知，選取其中一點任做一條不過另外一點的直線，使其與水平線相交，兩線交角為θ。連接點C1、C2得到線段C1C2，過線段C1C2的中點做垂線，那么點D必在這條中垂線上。這樣就可以有無窮多組連桿機構可以選取，如圖3所示。

搖桿CD的極限位置點C1、C2，分別與對應曲柄位置A1、B和A2、B在同一條直線上，并與所表示機架的桿1、表示搖桿的桿4構成三角形，根據他們在極限位置時的幾何關系，利用三角形的余弦定理可以求解出各個桿件之間的長度關系。假設桿2長為α，桿3長為b，桿4長為c，桿1長為d，C1、C2=H，擺角為？覫，極位夾角為θ，在中？駐AC1C2中，AC1=b-α，AC2=b+α，根據余弦定理有：

cosθ=? ? ? ? ? （6）

在？駐AC2D中，設∠AC2D=β，則有：

cosβ=? ? ? ? ? ? ? ?（7）

其中，設∠B2C2E=α，β=α-。在？駐EC2D中，根據三角形內角和得出：∠EC2D=。而在Rt？駐AB2E中，設EB2=h。

h=? ? ? ? ? ? ? ?（8）

所以，在Rt？駐AB2C2中，設EB=h，則tαnα=。

α=arctan（）? ? ? ? ? ? （9）

又因cosβ=coscos（α+）+sinsin（α+），且在？駐DFC2中，因？駐DC1C2為等腰三角形，故：

sin=? ? ? ? ?（10）

cos=? ? ? ? ? ? ? ?（11）

cos（α+）·sin（α+=（12）

即：

在曲柄搖桿機構的運行過程中，搖桿CD與連桿BC的夾角∠BCD的大小是不斷變化的，該夾角∠BCD即為傳動角γ。連桿對搖桿在C點的力通過分解可知，傳動角γ越大，力在搖桿運動方向的分力越大，機構的傳動效果越好。所以為保證機構的傳動性能，應使γmin≥40℃。對于曲柄搖桿機構，γmin出現在機架所表示的桿件1與曲柄表示的桿件2的共線處，如圖4所示。

在？駐BCD中，BD=d-α，則有：

過上面各式，在一些參數已知的情況下便可計算出各桿件參數關系。

4 擺動角度的調節

本疲勞試驗裝置要實現對往復擺動運動的擺角大小可調節功能，可通過將曲柄設置為旋轉盤來實現。不同的擺動角度對應搖桿不同的極限位置，通過上述計算式可以得到不同擺動角度對應的曲柄長度。在旋轉盤上即可得到不同的角度調節孔，如圖5所示，由減速器與旋轉盤的電機孔聯接，電機帶動旋轉盤做圓周運動，連桿與旋轉盤中對應角度調節孔聯接。通過計算，根據需要的擺桿擺動角度，獲得不同的角度調節孔中心到旋轉盤中心的距離。在實際操作過程中，通過改變連桿與旋轉盤間的角度調節孔，從而實現不同的擺桿擺動角度。

5 擺動頻率的調節

本疲勞試驗裝置要實現對往復擺動運動的擺動頻率可調節功能，可通過調節電動機的轉速來實現。電動機通過減速器與曲柄搖桿機構的曲柄聯接，當對電動機轉速進行調節后，曲柄角速度ω亦隨之變化，從而實現搖桿擺動頻率的變化。同時，綜合考慮電動機的結構體積、輸出功率、調速范圍、維護方便和經濟價格等方面的因素，初步選用微特電機D02系列三相異步電動機D02-5024，其主要參數為：額定電壓220V，功率25W，轉速r=1400r/min，效率η=0.38，功率因數0.82，外形尺寸為L×B×H=155×110×150。

6 結語

小型疲勞實驗裝置往復扭轉機構的設計最主要的是實現擺動運動的擺動頻率和擺動角度的可調節性，通過曲柄搖桿機構可以實現往復擺動功能;使用旋轉盤代替曲柄，可以實現擺動角度的可調節性，旋轉盤上角度調節孔中心到電機孔中心的距離亦可以通過計算獲得;通過調節電動機轉速實現擺動頻率的可調節性。本機構的優點主要是結構相對簡單，機構體積較小，故而加工、安裝和操作都比較容易。

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