扭轉振動測試系統及組合裝置的製作方法

2023-08-11 04:03:46

本發明涉及扭轉振動測試平臺、材料扭轉特性測試技術以及電磁永磁直接驅動技術領域，具體地，涉及一種扭轉振動測試系統裝置及其組合裝置。

背景技術：

扭轉振動測試系統主要應用於扭轉振動激勵的施加，測試產品在扭轉振動狀態下的功能參數以及材料在扭轉激勵作用下的耐力性能。現有的振動臺和材料的性能測試裝置主要是在三個平移方向上施加激勵作用，以檢測產品的功能特性和材料的抗拉壓特性，這只能滿足一般的應用需求。對於一些特殊的應用領域和場合，產品和材料的扭轉性能必須進行考慮。因此，需要這樣的扭轉振動測試系統。

目前沒有發現同本發明類似技術的說明或報導，也尚未收集到國內外類似的資料。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種扭轉振動測試系統的組合裝置。

根據本發明提供的一種扭轉振動測試系統，包括線圈、導磁迴路、磁性體、轉軸；

線圈纏繞在導磁迴路上或導磁迴路的一段缺口中；

導磁迴路具有開口以形成兩端，導磁迴路的兩端不連接接頭或導磁迴路的兩端各自分別連接一對接頭中的兩個接頭；

磁性體連接轉軸，且位於導磁迴路的兩端或兩個接頭之間。

優選地，還包括磁性平衡塊；磁性體的兩側設置有磁性平衡塊；導磁迴路為C型體；磁性體採用永磁體、電磁體、軟磁體中的任一種或任多種的連接組合體；導磁迴路採用軟磁材料、非晶材料或者納米晶材料；磁性平衡塊採用內凹形式，磁性體相應地採用與凹槽匹配的外凸形式；磁性平衡塊能夠轉動以調整與水平面之間的夾角，也能夠調整與磁性體之間的間距，並能夠鎖定夾角和間距；轉軸的端部位於線圈內或者延伸出線圈外並且轉軸的端部連接外部支撐部件以輸出往復擺動轉矩以及運動，其中，線圈外部的部件為滾子軸承或者滾柱軸承；磁性體鑲嵌在轉軸中或者連接在轉軸的表面；磁性平衡塊位於線圈的外部或者內部；線圈的數量為一個或者多個，多個線圈之間串聯和/或並聯。

優選地，還包括扭轉驅動輸出臂；扭轉驅動輸出臂的一端緊固連接轉軸，扭轉驅動輸出臂的另一端設置有扭轉驅動連接孔。

優選地，還包括連接件、外部被測試零部件；轉軸通過連接件連接外部被測試零部件；連接件為剛性連接件或者柔性連接件；外部被測試零部件的兩端均為固定狀態、均為自由狀態或者分別為固定狀態和自由狀態。

根據本發明提供的一種組合裝置，包括一個或多個上述的扭轉振動測試系統，所述扭轉振動測試系統構成旋轉激振器，連接並對被激勵部件施加旋轉激勵；被激勵部件為外部被測試零部件和/或平臺。

優選地，被激勵部件的一處位置連接旋轉激勵器，或者多處位置分別連接不同的旋轉激勵器；其中，旋轉激勵器跟隨被激勵部件轉動或者旋轉激勵器的殼體固定。

優選地，還包括外部驅動裝置；外部驅動裝置連接被激勵部件。

優選地，平臺的多處位置分別連接按照不同軸向方向布置的旋轉激勵器，旋轉激勵器的外殼固定；旋轉激勵器通過鉸鏈結構連接平臺；平臺的多處均連接沿XYZ三個方向的平衡卸載結構；鉸鏈結構是剛性鉸鏈結構的組合、彈性杆與運動副的組合或者柔性結構與運動副的組合，其中，剛性鉸鏈結構的組合中包括相連接的厚壁部分和薄壁部分，薄壁部分的數量為一個或多個，多個薄壁部分之間的軸向為不同方向。

根據本發明提供的一種組合裝置，包括多個上述的扭轉振動測試系統，其中：

-多個扭轉振動測試系統的導磁迴路的兩端之間對應連接，形成兩個交匯節點，這兩個交匯節點分別延伸至一對接頭中的兩個接頭；或者

-多個扭轉振動測試系統的導磁迴路的開頭之間交錯布置。

優選地，所述交匯節點為L形、T形、十字形、Y形、X形或者三條以上的交叉線形。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

(1)直接驅動，傳動效率高。相比於傳統的旋轉輸出方式，此種驅動裝置直接通過轉軸5帶動外部的旋轉部件進行扭轉的輸出，不需要減速器，機械傳遞效率高，損耗低。

(2)響應快，無關噪音小。由於沒有了中間的傳遞環節，因此響應快，而且可以避免減速器齒和齒嚙合時的固定頻率的噪聲。

(3)頻率範圍寬。相比於傳統的電機，此種驅動方式只通過改變線圈的通電電流的頻率來改變軸的扭轉的頻率，其低頻和高頻性能會更好。

(4)C型磁迴路，漏磁較小。此驅動方式的導磁迴路成C型。線圈纏繞在環形導磁材料上，通電可以在C型結構的間隙處產生較均勻磁場。磁性體位於間隙磁場處，在磁場作用下轉動。間隙磁場漏磁較少，因此一般情況下驅動時不需要外部磁屏蔽部件，簡化了結構。

(5)布置更靈活，空間適應性強。此種驅動器線圈的數量不局限於一個，線圈在磁路上的布置方式不局限於圖1所示單邊。同時可以通過不同空間位置多個C型磁迴路的組合，滿足外部空間的嚴格條件，同時產生大的轉矩。

(6)磁迴路部件形狀靈活多變。接頭3可根據磁場大小以及磁場均勻度的要求進行特殊設計，形狀不局限於圓柱體型和長方體型。磁性平衡塊6的形狀不局限於長方體型，其布置位置也不局限於水平位置。可根據所需的恢復力矩，對磁性平衡塊的性狀進行特殊設計。同時可根據驅動時對平衡位置的要求，改變其初始平衡位置。磁性體4的形狀也不局限於圖1所示的長方體形，其可以是根據驅動要求設計出的特殊異型。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明基本實施例的結構示意圖。

圖2為本發明基本實施例的磁力線走向示意圖。

圖3為本發明具體實施例1的結構示意圖。

圖4、圖5、圖6為本發明具體實施例2的結構示意圖。

圖7、圖8、圖9為本發明具體實施例3的結構示意圖。

圖10、圖11、圖12為本發明具體實施例4的結構示意圖。

圖13為本發明具體實施例5的結構示意圖。

圖14為本發明具體實施例6的結構示意圖。

圖15為本發明具體實施例7的結構示意圖。

圖16為本發明具體實施例8的結構示意圖。

圖17為本發明具體實施例9的結構示意圖。

圖18為本發明具體實施例10的結構示意圖。

圖19為本發明具體實施例11的結構示意圖。

圖20為本發明具體實施例12的結構示意圖。

圖21、圖22、圖23、圖24、圖25為本發明具體實施例12中可採用的多種鉸鏈結構的結構示意圖。

圖26為本發明具體實施例13的結構示意圖。

圖27為本發明具體實施例14的結構示意圖。

圖28為本發明具體實施例15的結構示意圖。

圖29、圖30為本發明具體實施例16的結構示意圖。

圖31、圖32、圖33、圖34為本發明具體實施例17的結構示意圖。

圖35、圖36為本發明具體實施例18的結構示意圖。

圖37、圖38、圖39為本發明具體實施例19的結構示意圖。

圖40為本發明具體實施例20的結構示意圖。

圖中：

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

基本實施例：

結構原理：

如圖1所示，線圈1纏繞在導磁迴路2上，導磁迴路2是由相對磁導率比較高的軟磁材料組成。接頭3是為了形成大範圍的均勻磁場，其形狀不僅僅局限於圓柱體形或者是長方體形。磁性體4形成的磁極方向如圖1所示，其可以是永磁體也可以是電磁體。轉軸5支撐磁性體4，磁性體4和轉軸5同步轉動，轉軸5可以連接外部的旋轉部件。一對磁性平衡塊6對陣分布在磁性體4的磁極兩邊，並且該對磁性平衡塊6與水平線之間的夾角以及與磁性體4軸心之間的距離均可調，用來使磁性體4平衡穩定在某一角度位置。磁性平衡塊6可以由永磁體或者是電磁線圈組成，其形成的磁極方向如圖1所示。磁性平衡塊6也可以是對磁性體4有一定的吸引作用的其他材料。磁力線7以虛線示出，其分布表示磁場的方向。可以看出磁性體4和轉軸5處於由其他部件形成的均勻磁場中。

驅動機理：

線圈沒有通電時，磁性體4在磁性平衡塊6的作用下穩定於某一位置，可以叫做初始平衡位置。當磁性體4偏離於平衡位置時，磁性平衡塊6會對磁性體4產生一種阻礙其偏離平衡位置的轉矩，並使其具有恢復平衡位置的趨勢。這種轉矩可以被稱作恢復力矩，並且其隨磁性體4轉角的變化而變化。當線圈1中通入電流形成圖2中磁力線以及箭頭所示的磁場方向時，磁性體4在此磁場作用下產生逆時針轉矩，當此轉矩大於恢復力矩時，磁性體4產生逆時針偏轉。當線圈1中通入反向電流時，磁性體4所處磁場反向，作用在磁性體4上的轉矩反向，當此轉矩大於恢復力矩時，磁性體4便會產生順時針偏轉。如果線圈1通入的是一定頻率的交變電流，則由相同驅動原理可知，磁性體4會產生往復的扭轉，則轉軸5所連接的外部部件亦會隨之同步轉動。改變線圈1通電頻率，則可以改變轉軸5扭轉的頻率。

下面對基本實施例的優選和/或變化例進行具體說明。

具體實施例1：

圖3所示是兩個C型磁路相對對接在一起的形式，其中有A，B，C三個部位可以放置電磁線圈。三個部位的線圈可根據具體情況隨意組合，以符合外部安裝環境的限制等等。當然，左右兩邊A，B兩個部位的電磁線圈可以分別連成一個整體，這樣可以充分利用空間。其中，兩個C型磁路開口相對，共用一對接頭。

具體實施例2：

圖4、圖5、圖6為兩個C型驅動器以垂直方式連接在一起，虛線部分為磁路導通情況。這種布置方式考慮到了特殊的空間安裝位置的限制。D，E，F處的線圈可以選擇性布置。

具體實施例3：

線圈1不僅局限於圖7、圖8、圖9所示位置，其還可以位於圖7、圖8中虛線所示位置，或者由其隨意組合構成。此處導磁迴路2相當於由三個C型驅動器構成。其他部分的功能可參照圖1中結構與功能。

具體實施例4：

圖10、圖11、圖12中所示的驅動方式是由四個C型驅動器組合而成，導磁迴路2呈雙十字型。線圈1布置位置不局限於圖10、圖11、圖12所示位置。轉軸5可以從線圈的空隙中引出，連接外部的轉子系統，輸出旋轉運動。

具體實施例5：

圖13中所示的扭轉驅動方式可用於測試產品在特殊弧線運動方式下的扭轉振動特性。扭轉驅動輸出臂8，用於將轉軸5上的扭轉運動轉換為某一半徑下的沿弧線方向上的扭轉運動。扭轉驅動連接孔9用於連接被激勵物體和扭轉驅動系統。

具體實施例6：

圖14中示出了第一C型驅動器31、多自由度磁轉子裝置32、第二C型驅動器33。由兩個(或多個)C型驅動器在空間上交叉(或多向)布置組成多自由扭轉振動驅動系統。

具體實施例7：

本發明提供的扭轉振動測試系統能夠作為旋轉激振器11。如圖15所示為由上述原理設計的旋轉激振器11對外部被測試零部件13進行扭轉激振測試的原理圖。旋轉激振器11和外部被測試零部件13通過連接件12相連接。根據測試的具體要求，旋轉激振器11和外部被測試零部件13之間的連接可以是剛性的也可以是柔性的。旋轉激振器11提供往復扭轉激振的激振力，或是特定形式的扭轉激振力。外部被測試零部件13兩端通過其他零部件支撐，並可以繞軸線旋轉，其轉速與旋轉激振器11相同。圖15測試的是外部被測試零部件13兩端處於自由狀態的邊界條件時的扭轉特性。

具體實施例8：

圖16所示測試的是外部被測試零部件13一端處於自由狀態另一端固定(即固定狀態)的邊界條件下的扭轉特性。

具體實施例9：

如圖17所示，設置有兩個旋轉激振器，分別記為第一旋轉激振器14和第二旋轉激振器15。第一旋轉激振器14和第二旋轉激振器15為兩個同軸安裝的上述旋轉激振器。其可以有以下兩個工作狀態：第一旋轉激振器14和第二旋轉激振器15同向同速旋轉，第一旋轉激振器14和第二旋轉激振器15不同速旋轉。同向同速旋轉時，兩個旋轉激振器同時作用，增大了扭矩，減小了測試時外部被測試零部件13自身的扭轉變形造成的不利影響。不同速旋轉時，可以測試外部被測試零部件13在兩端同向不等速旋轉和兩端反向旋轉時的狀態。

具體實施例10：

如圖18所示為第二旋轉激振器15隨外部被測試零部件13一起轉動的情況。當進行扭轉激振測試時，第一旋轉激振器14輸出的扭轉激振力帶動外部被測試零部件13和第二旋轉激振器15一起同步轉動。此時，第二旋轉激振器15可以施加特定的扭轉激振力，疊加在第一旋轉激振器14輸出的力上，實現兩個扭轉激振力的解耦，從而實現更加複雜的扭轉激振測試。

具體實施例11：

如圖19所示，外部驅動裝置16可以帶動外部被測試零部件13作整周循環轉動。此種測試方式是測試外部被測試零部件13在整周轉動的過程中施加扭轉激振力時的性能。外部驅動裝置16可以模擬外部被測試零部件13在實際運轉過程中加速、減速以及勻速等運轉情況。第一旋轉激振器14則隨著外部被測試零部件13同步轉動，同時在必要時刻施加扭轉激振力。

具體實施例12：

如圖20所示為三自由度旋轉激振臺(即旋轉激勵器)，平臺22上可以放置外部被測試零部件，A向旋轉激振器21、B向旋轉激振器23、C向旋轉激振器24這三個旋轉激振器分別提供A、B、C三個方向的扭轉激振力，並固定在空間某一位置。鉸鏈結構25是扭矩傳遞結構，其可以是剛性鉸鏈結構的組合，也可以是彈性杆與其他運動副的組合，也可以是柔性結構與其他運動副的組合。

當性杆25是剛性鉸鏈結構的組合時，其可以使得平臺產生大的轉角，實現大行程擺動。當性杆25是彈性杆與其他其他運動副的組合時，由於彈性杆可以產生微小撓度變形，所以可以實現平臺的微小擺動。當性杆25是柔性結構與其他運動副的組合時，其亦可以使平臺產生轉動或者擺動，而轉角或者擺角的大小取決於所設計的柔性鉸鏈結構。

鉸鏈結構25傳遞旋轉激振器對平臺22的激振扭矩，同時防止運動的幹涉。平臺22四個角分別進行了XYZ三個方向的平衡卸載，這樣使得三個旋轉激振器的激振力能得到充分利用。也可選擇性地對不同角進行不同方向的卸載。其中，平衡卸載結構可以是彈簧，彈簧的一端連接平臺，彈簧的另一端固定。A向旋轉激振器21、B向旋轉激振器23、C向旋轉激振器24均可以同軸成對對稱布置，也可只選擇單側布置。

進一步地，圖21、圖22、圖23、圖24、圖25描述了上述三種鉸鏈的不同形式。

圖21中，鉸鏈結構25為彈性杆與其他運動副的組合，利用彈性杆的撓度變形，可以實現平臺22的三自由度微小擺動。其他部分與圖20一致。

圖22中，鉸鏈結構25為剛性鉸鏈結構組合的一種形式，其中第一C型驅動器31可以是A向旋轉激振器21、B向旋轉激振器23、C向旋轉激振器24，其與地固定。被連接部件34可以為平臺22。多自由度磁轉子裝置32為只有沿軸向移動而不能轉動的移動副，第二C型驅動器33為有兩個轉動自由度的虎克鉸。通過此結構，可以使圖20中平臺實現三自由度轉動。該形式鉸鏈中有兩個虎克鉸和兩個移動副。

圖23中，鉸鏈結構25為剛性鉸鏈結構組合的另外一種形式，多自由度磁轉子裝置32、第二C型驅動器33同圖22中一樣。但是，此圖中只包含一個移動副，且在第一C型驅動器31側。

圖24中，鉸鏈結構25為剛性鉸鏈結構組合的另外一種形式，多自由度磁轉子裝置32、第二C型驅動器33同圖22中一樣。但是，此圖中只包含一個移動副，且在被連接部件34側。

圖25中，鉸鏈結構25的結構即為圖20中所述柔性鉸鏈結構的一種示例，利用的是薄壁部分變形大的原理，產生所需轉動或移動。圖25中所示鉸鏈結構25具有兩個轉軸，可繞YZ軸小角度轉動。其類似於虎克鉸。第一連接側35、第二連接側36分別連接A向旋轉激振器21、B向旋轉激振器23、C向旋轉激振器24以及平臺22。連接時，其可與移動副組合使用，方式如圖22、圖23、圖24所示，則其中的第二C型驅動器33表示圖25所示的柔性鉸鏈結構。

具體實施例13：

如圖26所示情況為，A向旋轉激振器21、B向旋轉激振器23可以隨著平臺22一起擺動的情況，可實現旋轉激振運動的解耦。此處鉸鏈結構25為剛性連接部件，將平臺22與A向旋轉激振器21、B向旋轉激振器23的輸出轉軸剛性連接在一起，因而驅動器內部的永磁體也通過轉軸5與平臺22剛性連接在一起，可以同步轉動。A向旋轉激振器21、B向旋轉激振器23轉動的部分則為其外筒壁、線圈等結構，這些結構通過驅動器內部的部件支撐，其重量通過轉軸5和鉸接結構25加載到了平臺22上。在施加激振力時，外筒壁、線圈等結構相當於轉子，而平臺22和A向旋轉激振器21、B向旋轉激振器23的輸出轉軸固連在一起相當於靜止的定子，轉子在激振力矩作用下相對於定子轉動。此時由於相互作用力原理，定子也受到了相同的激振力矩，因而平臺會同步擺動。其他部分與圖20一致。

具體實施方式14：

如圖27所示，基礎實施例中的部件在本實施例中採用了不同的形狀尺寸，接頭3與磁性平衡塊6均為凹槽形式，這樣使得其與磁性體4之間的間隙均勻，運行時更加平穩。磁性平衡塊6此處為電磁體形式，其形成的磁場方向如圖21中所示。改變其通電電流，可以改變其形成的電磁場磁感應強度大小，從而改變平衡力矩的大小，使磁性體4更不容易偏離平衡位置。同時，磁性平衡塊6也可以改變其與水平線的夾角，從而可以使磁性體4平衡在某一角度位置。

具體實施方式15：

如圖28所示，接頭3、磁性平衡塊6與磁性體4之間的間隙可以調整，磁性平衡塊6為內凹形永磁體型，磁極方向如圖22中所示；圖22中的虛線部分表示磁性平衡塊6可以改變與磁性圖4之間的間隙。

具體實施方式16：

如圖29、圖30所示，示出了軟磁體10，比如工業純鐵。軟磁體10與磁性體4構成一個圓柱體，其截面成圓形，這樣它們就與接頭3和磁性平衡塊6之間的間隙更加均勻，這使得產生的力矩更加平滑，運行更加平穩。磁性體4和軟磁體10之間是剛性連接的。磁性體4可以鑲嵌在軟磁體10中(如圖30所示)，也可以與軟磁體10一起搭接成一個整體(如圖29所示)，其中，磁性體4的形狀不僅僅局限於長方形。

具體實施方式17：

如圖31、圖32、圖33、圖34所示為基礎實施方式的磁性平衡塊布置方式的多個優選變化例，示出了一個磁性體4在採用螺線管的線圈1中的情況。轉軸5與磁性體4緊固連接，同步轉動。磁性體4處於實線所示位置時，為水平位置，其在磁性平衡塊6的吸引作用下可以平衡在此位置，同時磁性平衡塊6與水平位置之間的夾角以及磁性平衡塊與5軸心之間的距離都可調。線圈1通入交流電可使磁性體4產生往復轉動的力矩，此力矩驅動磁性體4和轉軸5一起往復擺動，轉軸5則延伸出線圈1，並連接外部的部件輸出往復擺動轉矩以及運動。磁性平衡塊6的性狀不局限於圖31、圖32、圖33、圖34中所示的性狀，其布置位置也不局限於圖31、圖32、圖33、圖34中所示的位置。其可以布置在圖31、圖32、圖33、圖34中A、B、C、D四個側方位位置或其中的幾個,並且其與轉軸5的軸心線之間的距離以及與水平面之間的夾角也可以調整，這樣就可以使磁性體4平衡位置可變可調。外部支撐部件16作為轉軸5的支撐結構，可以為軸承，並可以限制轉軸在軸向的自由度。外部支撐部件16可以布置在線圈1內部，也可以布置在外部。

具體實施方式18：

如圖35、圖36所示，為基礎實施例的線圈布置方式的優選變化例，兩個線圈對稱布置在磁性體4的上下方，這樣也可以使磁性體4產生往復擺動的驅動力矩。線圈1的數量不局限於圖35、圖36中所示的兩個，也可以是多對不同大小的線圈對稱布置在磁性體4的兩側。圖35、圖36中的兩個線圈均可以串聯在一起，也可以並聯在一起。如果有多個線圈的話，則可通過串並聯線圈的方式改變線圈的電感，從而改善此驅動方式高頻的性能。

具體實施方式19：

如圖37、圖38、圖39所示，磁性體4為磁轉子中的永磁體，可以鑲嵌在轉軸5中，外部僅有一個作為外部支撐部件16的軸承支撐，在線圈1所產生的磁場下，磁性體4可以產生擺動轉矩，從而驅動磁性體4和轉軸5同步轉動。轉軸5連接外部部件就可以輸出擺動激振力。外部支撐部件16可以是滾子軸承，也可以是滾柱軸承。

具體實施例20：

圖40中示出了第一C型驅動器31、多自由度磁轉子裝置32、第二C型驅動器33。由兩個(或多個)C型驅動器在空間上交叉(或多向)布置組成多自由扭轉振動驅動系統。其中，多自由度磁轉子裝置32中的磁性體4(一般為永磁體)可以做成兩頭均為半球形，接頭3則可做成內凹的半球型，以使接頭3與磁性體4之間的間隙均勻，有利於驅動力或力矩的平穩輸出。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。