一种基于差动结构的机械式力测量与力加载装置

摘要

一种基于差动结构的机械式力测量与力加载装置，属于力测量和力加载技术领域，特别是涉及一种采用纯机械结构且操作简便的基于差动结构的机械式力测量与力加载装置。本发明包括底座、弹簧读数部分、差动操纵部分及施力部分；弹簧读数部分的滚珠丝杠及导柱通过支撑架固装于底座上；滚珠丝杠上套装有丝母、推力板及弹簧，推力板与导柱相连接；差动操纵部分的蜗杆安装在蜗杆支撑底座及蜗杆支撑上座板上；蜗轮为空心结构，蜗轮内壁上对称安装有第一行星锥齿轮和第二行星锥齿轮，同时与第一中心锥齿轮和第二中心锥齿轮相啮合；施力部分的直齿轮固定套装在转轴上，转轴通过轴承座固装在底座上；直齿条通过齿条装夹座与导柱相连接。

说明书

技术领域

本发明属于力测量和力加载技术领域，特别是涉及一种采用纯机械结构、结构简单及操 作简便的基于差动结构的机械式力测量与力加载装置。

背景技术

力测量装置一般只具有测量的功能，并不能对指定物体缓慢的施加力载荷。当前的力加 载装置一般体积较大、结构复杂、制造困难及价格昂贵，一般只用于实验室，难以进行推广 使用，而且该类型装置也不能方便的测量指定力的大小。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于差动结构的机械式力测量与力加载装置。 本发明采用纯机械结构，利用差动轮系的受力特性，既可以对指定力的大小进行测量读数， 又可以对指定物体进行力的加载与卸载，本发明结构简单、操作简便、制造容易、价格低廉 及具有较高的推广实用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于差动结构的机械式力测量与力 加载装置，包括底座、弹簧读数部分、差动操纵部分及施力部分；

所述的弹簧读数部分包括第一支撑架、第一导柱、第二导柱、滚珠丝杠、丝母、弹簧、 推力板、第二支撑架及承力筒，所述的第一支撑架固装于底座上，在第一支撑架上分别固接 有第一导柱和第二导柱的一端，第一导柱和第二导柱的另一端固接于第二支撑架上，第一导 柱与第二导柱平行设置；所述滚珠丝杠的左端通过第一推力轴承安装于第一推力轴承座内， 第一推力轴承座固装于第一支撑架上；滚珠丝杠的右端通过第一滚动轴承安装于第一滚动轴 承座内，第一滚动轴承座固装于第二支撑架上，第二支撑架固装于底座上；在滚珠丝杠上从 左到右依次套装有丝母、推力板及弹簧，丝母与滚珠丝杠相配合，推力板与丝母相固接，弹 簧的一端固接于推力板上，另一端固接于第一滚动轴承座上；所述推力板通过第一顺向轴承 与第一导柱相连接，通过第二顺向轴承与第二导柱相连接；所述承力筒设置为上、下两个半 筒结构，在所述丝母、推力板及弹簧的上、下两侧分别安装有承力筒的上、下两个半筒，承 力筒的上、下两个半筒两端分别固装在第一推力轴承座和第一滚动轴承座上，承力筒的上、 下两个半筒之间留有缝隙，所述推力板在缝隙可左、右移动；在所述滚珠丝杠的右侧轴端固 装有第一中心锥齿轮；

所述的差动操纵部分包括手轮、蜗杆支撑上座板、蜗杆支撑底座、蜗杆、蜗轮、第一中 心锥齿轮、第二中心锥齿轮、第一行星锥齿轮、第二行星锥齿轮、第一光轴、第二光轴及转 轴；所述的蜗杆支撑底座固装在底座上，所述蜗杆的下端通过第二推力轴承安装在蜗杆支撑 底座内，在蜗杆支撑上座板上设置有通孔，蜗杆的上端通过蜗杆支撑上座板的通孔与设置在 蜗杆支撑上座板上侧的手轮相连接，蜗杆通过第三推力轴承设置在蜗杆支撑上座板的通孔内， 蜗杆支撑上座板与蜗杆支撑底座相固接；所述的蜗轮设置为空心结构，在蜗轮内壁上对称安 装有第一行星锥齿轮和第二行星锥齿轮，第一行星锥齿轮通过第一光轴与蜗轮内壁相连接， 第二行星锥齿轮通过第二光轴与蜗轮内壁相连接，第一行星锥齿轮相对于第一光轴可转动但 轴向不可动，第二行星锥齿轮相对于第二光轴可转动但轴向不可动；第一行星锥齿轮和第二 行星锥齿轮同时与第一中心锥齿轮相啮合；所述第二中心锥齿轮与转轴的左侧轴端相固接， 第二中心锥齿轮与第一中心锥齿轮对称设置，同时与第一行星锥齿轮和第二行星锥齿轮相啮 合；在第一中心锥齿轮左侧滚珠丝杠上通过第二滚动轴承套装有蜗轮左端面轴承座，蜗轮左 端面轴承座与蜗轮左端面相固接；在第二中心锥齿轮右侧转轴上通过第三滚动轴承套装有蜗 轮右端面轴承座，蜗轮右端面轴承座与蜗轮右端面相固接；所述蜗杆和蜗轮相啮合；

所述的施力部分包括第一导柱支撑座、第二导柱支撑座、第三导柱、第四导柱、第一齿 条装夹座、第二齿条装夹座、直齿轮、直齿条、受力杆、第二推力轴承座及第二滚动轴承座； 所述的直齿轮固定套装在转轴中部，转轴左端通过第四滚动轴承与第二滚动轴承座相连接， 第二滚动轴承座固装在底座上；转轴右端通过第四推力轴承与第二推力轴承座相连接，第二 推力轴承座固装在底座上；所述的直齿条的两端分别固装在第一齿条装夹座和第二齿条装夹 座内，第一齿条装夹座通过第三顺向轴承与第三导柱相连接，通过第四顺向轴承与第四导柱 相连接；第二齿条装夹座通过第五顺向轴承与第三导柱相连接，通过第六顺向轴承与第四导 柱相连接；所述的第三导柱的两端分别固装在第一导柱支撑座和第二导柱支撑座上，第四导 柱的两端分别固装在第一导柱支撑座和第二导柱支撑座上，第三导柱与第四导柱平行设置； 所述第一导柱支撑座和第二导柱支撑座均固装在底座上；所述受力杆固装在直齿条的一端。

在所述的蜗杆支撑上座板与蜗杆支撑底座之间安装有加强筋板。

在所述的推力板上设置有指针，在承力筒上设置有刻度线及刻度值，指针与刻度线和刻 度值相对应。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，采用纯机械结构，利用了差动轮系的受力特性，既可以对指定 力的大小进行测量读数，又可以对指定物体进行力的加载与卸载，而且结构简单、操作简便、 制造容易、价格低廉及具有较高的推广实用价值。

附图说明

图1为本发明的一种基于差动结构的机械式力测量与力加载装置结构示意图；

图2为本发明的弹簧读数部分结构示意图；

图3为本发明的弹簧读数部分左端结构示意图；

图4为本发明的弹簧读数部分右端结构示意图；

图5为本发明的差动操纵部分结构示意图；

图6为本发明的差动操纵部分左端结构示意图；

图7为本发明的差动操纵部分右端结构示意图；

图8为本发明的施力部分结构示意图；

图中，1—底座，2—承力筒，3—第一支撑架，4—第二支撑架，5—第一导柱，6—第二 导柱，7—第一顺向轴承，8—第二顺向轴承，9—第一推力轴承座，10—第一滚动轴承座，11 —推力板，12—指针，13—丝母，14—滚珠丝杠，15—弹簧，16—第一推力轴承，17—第一 滚动轴承，18—蜗轮，19—蜗杆，20—手轮，21—蜗杆支撑底座，22—蜗杆支撑上座板，23 —加强筋板，24—第二推力轴承，25—第三推力轴承，26—蜗轮左端面轴承座，27—第二滚 动轴承，28—第三滚动轴承，29—蜗轮右端面轴承座，30—第一中心锥齿轮，31—第二中心 锥齿轮，32—第一行星锥齿轮，33—第二行星锥齿轮，34—第一光轴，35—第二光轴，36— 第二滚动轴承座，37—第二推力轴承座，38—第四滚动轴承，39—第四推力轴承，40—转轴， 41—直齿轮，42—直齿条，43—第一齿条装夹座，44—第二齿条装夹座，45—第三顺向轴承， 46—第四顺向轴承，47—第五顺向轴承，48—第六顺向轴承，49—第三导柱，50—第四导柱， 51—第一导柱支撑座，52—第二导柱支撑座，53—受力杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于差动结构的机械式力测量与力加载装置，包括底座1、弹簧读数 部分、差动操纵部分及施力部分；

如图2、3、4所示，所述的弹簧读数部分包括第一支撑架3、第一导柱5、第二导柱6、 滚珠丝杠14、丝母13、弹簧15、推力板11、第二支撑架4及承力筒2，所述的第一支撑架3 固装于底座1上，在第一支撑架3上分别固接有第一导柱5和第二导柱6的一端，第一导柱 5和第二导柱6的另一端固接于第二支撑架4上，第一导柱5与第二导柱6平行设置；所述 滚珠丝杠14的左端通过第一推力轴承16安装于第一推力轴承座9内，第一推力轴承座9固 装于第一支撑架3上；滚珠丝杠14的右端通过第一滚动轴承17安装于第一滚动轴承座10内， 第一滚动轴承座10固装于第二支撑架4上，第二支撑架4固装于底座1上；在滚珠丝杠14 上从左到右依次套装有丝母13、推力板11及弹簧15，丝母13与滚珠丝杠14相配合，推力 板11与丝母13相固接，弹簧15的一端固接于推力板11上，另一端固接于第一滚动轴承座 10上；所述推力板11通过第一顺向轴承7与第一导柱5相连接，通过第二顺向轴承8与第 二导柱6相连接；所述承力筒2设置为上、下两个半筒结构，在所述丝母13、推力板11及 弹簧15的上、下两侧分别安装有承力筒2的上、下两个半筒，承力筒2的上、下两个半筒两 端分别固装在第一推力轴承座9和第一滚动轴承座10上，承力筒2的上、下两个半筒之间留 有缝隙，所述推力板11在缝隙可左、右移动；在所述滚珠丝杠14的右侧轴端固装有第一中 心锥齿轮30；

如图5、6、7所示，所述的差动操纵部分包括手轮20、蜗杆支撑上座板22、蜗杆支撑底 座21、蜗杆19、蜗轮18、第一中心锥齿轮30、第二中心锥齿轮31、第一行星锥齿轮32、第 二行星锥齿轮33、第一光轴34、第二光轴35及转轴40；所述的蜗杆支撑底座21固装在底 座1上，所述蜗杆19的下端通过第二推力轴承24安装在蜗杆支撑底座21内，在蜗杆支撑上 座板22上设置有通孔，蜗杆19的上端通过蜗杆支撑上座板22的通孔与设置在蜗杆支撑上座 板22上侧的手轮20相连接，蜗杆19通过第三推力轴承25设置在蜗杆支撑上座板22的通孔 内，蜗杆支撑上座板22与蜗杆支撑底座21相固接；所述的蜗轮18设置为空心结构，在蜗轮 18内壁上对称安装有第一行星锥齿轮32和第二行星锥齿轮33，第一行星锥齿轮32通过第一 光轴34与蜗轮18内壁相连接，第二行星锥齿轮33通过第二光轴35与蜗轮18内壁相连接， 第一行星锥齿轮32相对于第一光轴34可转动但轴向不可动，第二行星锥齿轮33相对于第二 光轴35可转动但轴向不可动；第一行星锥齿轮32和第二行星锥齿轮33同时与第一中心锥齿 轮30相啮合；所述第二中心锥齿轮31与转轴40的左侧轴端相固接，第二中心锥齿轮31与 第一中心锥齿轮30对称设置，同时与第一行星锥齿轮32和第二行星锥齿轮33相啮合；在第 一中心锥齿轮30左侧滚珠丝杠14上通过第二滚动轴承27套装有蜗轮左端面轴承座26，蜗 轮左端面轴承座26与蜗轮18左端面相固接；在第二中心锥齿轮31右侧转轴40上通过第三 滚动轴承38套装有蜗轮右端面轴承座29，蜗轮右端面轴承座29与蜗轮18右端面相固接； 所述蜗杆19和蜗轮18相啮合；

如图8所示，所述的施力部分包括第一导柱支撑座51、第二导柱支撑座52、第三导柱 49、第四导柱50、第一齿条装夹座43、第二齿条装夹座44、直齿轮41、直齿条42、受力杆 53、第二推力轴承座37及第二滚动轴承座36；所述的直齿轮41固定套装在转轴40中部， 转轴40左端通过第四滚动轴承38与第二滚动轴承座36相连接，第二滚动轴承座36固装在 底座1上；转轴40右端通过第四推力轴承39与第二推力轴承座37相连接，第二推力轴承座 37固装在底座1上；所述的直齿条42的两端分别固装在第一齿条装夹座43和第二齿条装夹 座44内，第一齿条装夹座43通过第三顺向轴承45与第三导柱49相连接，通过第四顺向轴 承46与第四导柱50相连接；第二齿条装夹座44通过第五顺向轴承47与第三导柱49相连接， 通过第六顺向轴承48与第四导柱50相连接；所述的第三导柱49的两端分别固装在第一导柱 支撑座51和第二导柱支撑座52上，第四导柱50的两端分别固装在第一导柱支撑座51和第 二导柱支撑座52上，第三导柱49与第四导柱50平行设置；所述第一导柱支撑座51和第二 导柱支撑座52均固装在底座1上；所述受力杆53固装在直齿条42的一端。

在所述的蜗杆支撑上座板22与蜗杆支撑底座21之间安装有加强筋板23。

在所述的推力板11上设置有指针12，在承力筒2上设置有刻度线及刻度值，指针12与 刻度线和刻度值相对应。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

本实施例中，本发明的力测量与力加载装置设计为手轮20逆时针转动，可控制丝母13 正向移动并压缩弹簧15；初始状态下，丝母13与第一推力轴承座9相接触，此时弹簧15不 受力。

1、指定力测量：

首先对装置的初始状态进行调节。逆时针缓慢转动手轮20，使蜗杆19带动蜗轮18逆时 针转动，在第一行星锥齿轮34和第二行星锥齿轮35的作用下，第一中心锥齿轮30和第二中 心锥齿轮31会有转动的趋势；由于第一中心锥齿轮30转动会带动滚珠丝杠14转动，使丝母 13正向移动从而压缩弹簧15，但在弹簧15的反弹阻力作用下，丝母13及第一中心锥齿轮 30的运动会受到阻止，因此保持静止不动；对于第二中心锥齿轮31，由于直齿条42在运动 方向上不受阻碍，所以第二中心锥齿轮31可以转动，从而通过转轴40和直齿轮41带动直齿 条42向前移动，并带动受力杆53移动前伸，直到第一齿条装夹座43与第一导柱支撑座51 相接触为止。这时，装置的初始状态调节完毕，可以进行指定力的测量。

开始指定力测量。将待测力施加在受力杆53上，此时受力杆53会向后移动，从而驱使 直齿条42向后移动，并通过直齿轮41和转轴40带动第二中心锥齿轮31转动；由于蜗轮18 对蜗杆19具有自锁作用，蜗轮18不能转动。于是，第二中心锥齿轮31通过第一行星锥齿轮 34和第二行星锥齿轮35带动第一中心锥齿轮30转动，并通过滚珠丝杠14和丝母13带动推 力板11正向移动进而压缩弹簧15，指针12跟随推力板11移动。弹簧15在压缩过程中反弹 力会线性增大，致使受力杆53的阻力会线性增大，当弹簧15反弹力与待测力大小相等时， 本发明的装置就会处于平衡状态。这时，指针12所指示的刻度值即为待测力的大小。

2、对指定物体进行力加载与卸载：

首先对装置的初始状态进行调节。顺时针缓慢转动手轮20，使蜗杆19带动蜗轮18顺时 针转动，在第一行星锥齿轮34和第二行星锥齿轮35的作用下，第一中心锥齿轮30和第二中 心锥齿轮31会有转动的趋势；由于第一中心锥齿轮30转动会带动滚珠丝杠14转动，使丝母 13反向移动，而此时丝母13与第一推力轴承座9相接触，并不能移动，故第一中心锥齿轮 30不能转动；对于第二中心锥齿轮31，由于直齿条42在运动方向上不受阻碍，所以第二中 心锥齿轮31可以转动，从而通过转轴40和直齿轮41带动直齿条42向后移动，直到第二齿 条装夹座44与第二导柱支撑座52接触为止。这时，装置的初始状态调节完毕，可以对指定 物体进行力加载与卸载。

开始对指定物体进行力加载。使指定物体与本发明装置的受力杆53相接触，此时逆时针 缓慢转动手轮20，使蜗杆19带动蜗轮18逆时针转动，在第一行星锥齿轮34和第二行星锥 齿轮35的作用下，第一中心锥齿轮30和第二中心锥齿轮31会有转动的趋势；第二中心锥齿 轮31通过转轴40、直齿轮41及直齿条42将力施加给受力杆53，通过受力杆53对指定物体 施加力载荷，但是受指定物体的限制，第二中心锥齿轮31保持静止不动；同时，蜗轮18的 逆时针转动带动第一中心锥齿轮30转动，并通过滚珠丝杠14和丝母13带动推力板11及其 上的指针12正向移动，促使弹簧15压缩；弹簧15的反弹力经由推力板11、丝母13及滚珠 丝杠14的作用传递给第一中心锥齿轮30；此时，在蜗轮18缓慢转动过程中，第一中心锥齿 轮30和第二中心锥齿轮31保持受力平衡，第一中心锥齿轮30将扭矩传递给第二中心锥齿轮 31，并通过转轴40、直齿轮41、直齿条42及受力杆53作用到指定物体上。综上所述，弹簧 15的压紧反弹力与指定物体所受的作用力一一对应,且本发明装置上的受力是平衡的，持续 缓慢逆时针转动手轮20，蜗轮18会持续逆时针转动，使弹簧15不断被压缩，并通过第一中 心锥齿轮30、第一行星锥齿轮34、第二行星锥齿轮35、第二中心锥齿轮31、转轴40、直齿 轮41、直齿条42及受力杆53，将弹簧15的作用力施加给指定物体，实现力载荷的持续增加。 在此过程中，指针12实时指示施加的力载荷的值。

进行力载荷的卸载。顺时针缓慢转动手轮20，使蜗杆19带动蜗轮18顺时针转动，与力 加载过程相反，推力板11反向移动，被压缩的弹簧15逐渐复原，直至丝母13与第一推力轴 承座9相接触为止。该过程中，受力杆53对指定物体施加的力载荷逐渐减小直至为零，实现 力载荷的卸载。