可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪的制作方法
专利名称:可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，属精密科学仪器领域。主要由精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元、支撑单元组成。其中精密驱动单元电机通过减速器及传动单元中的曲柄摇杆机构，带动夹持单元的旋转端以固定的角度往复旋转，实现扭矩疲劳载荷加载；通过改变曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长，实现扭转疲劳往复偏转角度的调整；通过改变磁场加载单元极头距离，实现磁场强度的调整。本测试仪整机采用卧式结构，简单紧凑，与光学显微镜兼容性好，可对试样进行原位实时观测，为揭示材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制提供一种可靠的测试手段。
【专利说明】
可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及精密科学仪器领域、原位力学测试领域，特别设及一种可控磁场 强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪。可W对材料开展不同磁场强度、不同扭转 角下的扭转疲劳测试，并可W集成光学显微镜对试样进行原位实时观测，为掲示材料在不 同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制提供一种可靠的测试手段。
【背景技术】
[0002] 材料的研究和合成的目的在于满足人类物质文明的需求，一个特定的材料具有其 特定的性能是其具有使用价值的根本。而力学性能测试的研究对象，即是针对材料在外力 作用下表现出来的性能，如弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击初性、疲劳强度和断裂初度 等。据统计，疲劳破坏在整个失效件中约占80%，严重影响了人身安全及国民经济，故对材料 进行疲劳研究有着十分重要的意义。
[0003] 近年来，利用光学显微镜、高景深显微镜、电子显微镜等显微成像系统对材料力学 测试动态监测的原位测试技术，对载荷作用下材料的形变损伤进行实时观测，能深入掲示 材料的微观力学行为、损伤机理，对材料学的研究及发展起到了推动作用。
[0004] 材料在实际工作中常常受到扭转疲劳载荷，如汽车传动轴、机床主轴、电机轴等， 另外电机轴、电主轴等在承受扭转疲劳载荷时也处于磁场中。而目前针对材料的扭转疲劳 测试装置，大都是W伺服电机驱动，通过输入电信号控制电机正反转实现疲劳载荷加载，体 积大无法实现原位观测，并且没能实现磁场的加载。故开发一种可控磁场强度的小型扭转 疲劳材料力学性能原位测试仪器，对研究材料在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳载荷时 的微观力学特性及疲劳损伤机制具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原 位测试仪，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型利用曲柄摇杆原理将电机单向回 转转换为夹具W固定角度值往复旋转运动，通过改变曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆 长来调整该固定角度的大小，通过改变磁极极头距离调整加载磁场强度的大小，通过固定 端夹具连接的扭矩传感器测量扭矩的大小，通过与旋转端夹具连接的编码器测量往复旋转 角度及疲劳周次，从而实现电机不换向工作时不同磁场强度条件下材料的扭转疲劳试验。 本实用新型可结合光学显微镜对加载过程中材料的变形损伤、微观组织变化及性能演变进 行原位动态监测，进而对材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制进行深入 研究。
[0006] 本实用新型的上述目的通过W下技术方案实现：
[0007] 可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，整体采用邸式结构，简 单紧凑，可对不同磁场强度作用下材料扭转疲劳展现的力学特性、微观组织形貌、断裂裂纹 进行原位实时观测。包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元;所 述精密驱动单元通过电机支架4固定于底座20-侧，包含电机编码器1、盘式电机2、减速器 3,电机编码器1、减速器3分别与盘式电机2相连，为整机仪器提供动力;所述传动单元通过 电机联轴器5与精密驱动单元相连，由支座23固定于底座20上，与盘式电机2同侧;所述夹持 单元分为固定端夹持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别通过夹具支座n 15、夹具支座I 21固定在底座20的两侧;所述磁场加载单元通过螺钉固定在底座20正中间；所述检测单元 包含编码器6与扭矩传感器17,编码器6通过支撑架7固定在支座23侧面，扭矩传感器17通过 传感器支座18固定在底座20上远离盘式电机2的一侧。
[000引所述的传动单元包括传动轴22、圆盘18、圆盘n 9及销轴I、n 25、26，所述传动轴22 通过一对轴承124安装于支座23上，传动轴22通过销轴125与圆盘18连接，圆盘18通过销轴 E26与圆盘E9连接，构成曲柄摇杆机构;所述圆盘E9通过其两侧的轴套128及卡黃在旋转 端夹具10上得到轴向定位，并通过键与旋转端夹具10连接W传递扭矩;所述传动单元将电 机联轴器5传递的整周回转运动，转换为圆盘E9带动旋转端夹具10沿其轴线W固定角度往 复旋转，从而实现电机单向运转时的扭转疲劳载荷的加载。
[0009] 所述的传动轴22、圆盘18、圆盘n 9设有均布的销轴孔，通过调整销轴125、销轴n 26的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改变旋转端夹具 往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。
[0010] 所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具10及压板111组成，压板111通过螺钉与旋转 端夹具10连接并压紧试样，两者均设置有凹槽W夹持试样32;所述旋转端夹具10通过轴承 1127安装于夹具支座121上，旋转端夹具10上设置有轴肩及卡黃槽，通过卡黃压紧圆盘119、 轴套128使轴承n 27得到定位。
[0011] 所述的固定端夹持机构由固定端夹具14及压板n 13组成，压板n 13通过螺钉与固 定端夹具14连接并压紧试样，两者均设置有凹槽W夹持试样32;所述固定端夹具14通过轴 承虹31安装于夹具支座n 15上，固定端夹具10上加工有轴肩，通过连接轴16压紧轴套n 30 使轴承虹31得到定位。
[0012] 所述的磁场加载单元由一对磁极极头12及磁铁支座19组成，两磁极极头12对称布 置于试样32两侧，并通过磁铁支座19固定在底座20上，实现整机磁场加载；同时通过调整磁 极极头与磁铁支座间安装的垫片的厚度改变两磁极极头的间距，完成试样所处磁场强度的 调整，实现不同磁场强度作用下的试验。
[0013] 所述的检测单元由编码器6与扭矩传感器17组成，其中编码器6通过编码器联轴器 29与旋转端夹具10连接，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的测量;扭矩传 感器17与连接轴16通过螺钉连接，从而实现对由固定端夹具14通过键传递给连接轴16扭矩 大小的测量。
[0014] 所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪的主体尺寸为 296mm X 80mm X 60mm，与光学显微镜兼容性好。
[0015] 本实用新型的有益效果在于:整机结构紧凑，与光学显微镜兼容性好，可实时观测 在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳时材料的微观形貌、组织结构等的变化。不同于传统 的扭转疲劳力学性能测试装置，能够实现电机单向回转带动试样W固定转角往复扭转的疲 劳试验，并可结合光学显微镜，对不同磁场强度作用下材料的扭转疲劳试验进行原位实时 观测。在驱动方面，利用由两销轴连接的=圆盘构成典型的曲柄摇杆机构，达到电机不换向 工作下扭转疲劳载荷加载的目的，同时可改变销轴安装位置来改变摇杆往复摆动角度。在 施加磁场方面，该仪器采用极头间距可调的双极头式磁铁，磁场强度调节控制简单。在整体 结构方面，该仪器结构紧凑，并可W集成光学显微镜对试样进行实时监测，实现对材料微观 组织形貌改变、晶格变化、裂纹扩展的原位动态观测。综上所述，本实用新型具有良好的应 用、开发前景，对材料原位微观力学性能测试技术的发展有着重要意义。
【附图说明】
[0016] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0017] 图1为本实用新型的整体结构示意图；
[0018] 图2为本实用新型的传动单元的局部装配示意图；
[0019] 图3为本实用新型的固定夹具局部装配示意图；
[0020] 图4为本实用新型的试样安装局部示意图；
[0021 ]图5为本实用新型的主视结构示意图；
[0022] 图6为本实用新型的俯视结构示意图；
[0023] 图7为本实用新型的左视结构示意图；
[0024] 图8本实用新型的加载原理图；
[0025] 图9为本实用新型的曲柄机构调整原理图。
[0026] 图中：1、电机编码器;2、盘式电机;3、减速器;4、电机支架;5、电机联轴器;6、编码 器;7、支撑架;8、圆盘I ;9、圆盘n ; 10、旋转端夹具；11、压板I; 12、磁极极头；13、压板n ; 14、 固定端夹具；15、夹具支座n ; 16、连接轴；17、扭矩传感器；18、传感器支座；19、磁铁支座； 20、底座;21、夹具支座1;22、传动轴;23、支座;24、轴承1;25、销轴1;26、销轴n ;27、轴承n ; 28、轴套1;29、编码器联轴器;30、轴套n;31、轴承虹;32、试样。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0028] 参见图1至图7所示，本实用新型的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原 位测试仪包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元、支撑单元;所 述的支撑单元由底座20及支座组成，为仪器其他部分起到支撑作用;所述的精密驱动单元 通过电机支架4固定于底座20侧边，包含电机编码器1、盘式电机2、减速器3,电机编码器1、 减速器3分别与盘式电机2相连，为整机仪器提供动力;所述的传动单元通过电机联轴器5与 精密驱动单元相连，由支座23固定于底座20上，与电机同侧;所述的夹持单元分为固定端夹 持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别由夹具支座n 15、夹具支座121固定在底座20上的 两侧;所述的磁场加载单元通过螺钉固定在底座20正中间;所述的检测单元包含编码器6与 扭矩传感器17,编码器6通过支撑架7固定在支座23侧面，扭矩传感器17由传感器支座18固 定在底座20上远离电机的一侧。整机采用邸式结构，简单紧凑，可对不同磁场强度作用下材 料扭转疲劳展现的力学特性、微观组织形貌、断裂裂纹进行原位实时观测。
[0029] 参见图1及图2所示，所述的传动单元主要由传动轴22、圆盘18、圆盘E9及销轴25、 26组成;其中传动轴22通过一对轴承124安装于支座23上，其细轴端通过电机联轴器与精密 驱动单元输出轴连接，其圆盘端与圆盘18、圆盘18与圆盘n 9分别由销轴125、n 26连接，构 成曲柄摇杆机构；圆盘119两侧分别通过轴套128及卡黃在旋转端夹具10轴向定位，并用键 与旋转端夹具10连接W传递扭矩;所述的传动单元中，传动轴22在电机联轴器5传递的扭矩 驱动下整周回转，通过起连杆作用的圆盘18带动圆盘119、夹具10往复旋转，即所述的传动 单元将电机联轴器5传递的整周回转运动，转换为圆盘E9带动旋转端夹具IOW固定角度沿 其轴线往复旋转，从而实现电机单向运转时的扭转疲劳载荷的加载。
[0030] 参见图1、图2及图4所示，所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具10及压板111组成， 由螺钉连接并压紧试样，两者均加工有凹槽W方便试样32的夹持;所述的旋转端夹具10通 过轴承n 27安装于夹具支座121上，旋转端夹具10上加工有轴肩及卡黃槽，通过卡黃压紧圆 盘n 9、轴套128使轴承n 27得到定位。
[0031] 参见图1、图3及图4所示，所述的固定端夹持机构由固定端夹具14及压板13组成， 由螺钉连接并压紧试样，两者均加工有凹槽W方便试样32的夹持;所述的固定端夹具14通 过轴承虹31安装于夹具支座n 15上，固定端夹具10上加工有轴肩，通过连接轴16压紧轴套 1130使轴承虹31得到定位。
[0032] 参见图1、图2及图3所示，所述的检测单元由编码器6与扭矩传感器17组成;其中编 码器6通过螺钉固定在支撑架7上，支撑架7通过螺钉固定在支座23上，编码器6通过编码器 联轴器29与旋转端夹具10连接;扭转疲劳试验时，旋转端夹具10旋转通过编码器联轴器29 带动编码器6输入轴旋转，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的测量。扭矩传 感器17固定于传感器支座18上，并与连接轴16通过螺钉连接，而连接轴16与固定端夹具14 由键连接;扭转疲劳试验时，固定端夹具14通过连接轴16将扭矩传递给扭矩传感器17,实现 试验中扭矩大小的测量。
[0033] 参见图1、图4及图8所示，所述的磁场加载单元由一对磁极极头12及磁铁支座19组 成，两磁极极头12对称布置于扭转试样32两侧，实现整机磁场加载；同时通过调整磁极极头 与磁铁支座间安装垫片的厚度改变两磁极极头的间距d，完成试样所处磁场强度的调整，实 现不同磁场强度作用下的试验。
[0034] 参见图2及图9所示，所述的传动轴22、圆盘18、圆盘E9打有均布的销轴孔，通过调 整销轴I、销轴n的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改 变旋转端夹具往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。当选用不同位置的 销轴孔连接传动轴22、圆盘18、圆盘E9时，曲柄摇杆机构中曲柄Li、连杆:?及摇杆^分别 调整为;援、^、接，实现各杆杆长的调节，从而改变旋转端夹具往复偏转角度大小，完成扭转 疲劳往复偏转角度的调节。
[0035] 参见图1、图5、图6及图7所示，所述的测试仪器整机结构紧凑，主体尺寸为296mmX 80mm X 60mm，与光学显微镜兼容性好，可实时观测在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳载 荷时材料的微观形貌、组织结构等的变化。
[0036] 本实用新型能开展磁场作用下扭转疲劳载荷加载的力学测试，除获得不同磁场强 度作用下扭矩-扭角曲线、扭转疲劳曲线及试验中试样微观形貌外，还能根据获得扭矩-扭 角曲线线性阶段获得材料切变模量G，对预制缺口的试样测试疲劳缺口敏感度游检测等，相 关关公式如下
[0037] 切变模量G
[00；3 引
[0039] 其中，導F为扭矩增量，S絕为扭角增量，知为标距长度，编为试样直径；
[0040] 平均应力觀：
[0046] 其中聽姆为最大应力，混,站为最小应力；[0047] 疲劳缺口敏感度辱f
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[004引
[0049] 具甲骑刃埋化应力集中系数，殺为疲劳缺口系数。
[0050] 参见图1至4及图8所示，本实用新型的具体工作过程如下：
[0051] 试验开始时，获得输入电信号的盘式电机2经减速器3降速増扭通过电机联轴器5 带动传动轴22旋转，基于曲柄摇杆原理传动轴22借助圆盘18带动圆盘n 9沿圆盘n 9轴W固 定角度值往复旋转，圆盘n 9带动旋转端夹具10及夹具上夹紧的扭转试样32往复旋转，而扭 转试样32经固定端夹具14夹紧，最终实现扭转疲劳载荷的加载;将磁场单元的两极头12对 称布置于扭转试样32两侧，完成磁场加载，通过增大或缩小两极头12之间距离d改变磁场强 度。同时，旋转端夹具10细轴端经编码器联轴器29带动编码器6输入轴旋转，完成对试验疲 劳次数及单次往复角度值的采集;固定端夹具14将试验扭矩通过连接轴16传递给扭矩传感 器17，完成对试验扭矩大小的采集。通过改变传动轴22、圆盘18、圆盘n 9之间两销轴安装孔 位，完成疲劳试验试样往复旋转角度值的调整。整机可安放在光学显微镜下，试验前试样先 经表面抛光腐蚀，即可实现对试验过程中试样微观组织形貌的原位观测。
[0052] W上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领 域的技术人员来说，本实用新型可W有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其特征在于:整体采 用卧式结构，包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元;所述精密 驱动单元通过电机支架(4)固定于底座(20)-侧，包含电机编码器（1)、盘式电机(2)、减速 器(3)，电机编码器（1)、减速器(3)分别与盘式电机(2)相连，为整机仪器提供动力;所述传 动单元通过电机联轴器(5)与精密驱动单元相连，由支座(23)固定于底座(20)上，与盘式电 机(2)同侧;所述夹持单元分为固定端夹持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别通过夹具 支座Π (15)、夹具支座1(21)固定在底座(20)的两侧;所述磁场加载单元通过螺钉固定在底 座(20)正中间；所述检测单元包含编码器(6)与扭矩传感器（17)，编码器(6)通过支撑架(7) 固定在支座(23)侧面，扭矩传感器（17)通过传感器支座（18)固定在底座(20)上远离盘式电 机(2)的一侧。2. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的传动单元包括传动轴（22)、圆盘1(8)、圆盘Π (9)及销轴Ι、Π (25、26)，所 述传动轴（22)通过一对轴承1(24)安装于支座（23)上，传动轴（22)通过销轴1(25)与圆盘I (8)连接，圆盘I (8)通过销轴Π (26)与圆盘Π (9)连接，构成曲柄摇杆机构;所述圆盘Π (9) 通过其两侧的轴套1(28)及卡簧在旋转端夹具（10)上得到轴向定位，并通过键与旋转端夹 具（10)连接以传递扭矩;所述传动单元将电机联轴器(5)传递的整周回转运动，转换为圆盘 Π (9)带动旋转端夹具（10)沿其轴线以固定角度往复旋转，从而实现电机单向运转时的扭 转疲劳载荷的加载。3. 根据权利要求2所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的传动轴（22)、圆盘1(8)、圆盘Π (9)设有均布的销轴孔，通过调整销轴I (25)、销轴Π (26)的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改 变旋转端夹具往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。4. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具（10)及压板1(11)组成，压板1(11)通过螺 钉与旋转端夹具（10)连接并压紧试样，两者均设置有凹槽以夹持试样(32);所述旋转端夹 具（10)通过轴承Π (27)安装于夹具支座1(21)上，旋转端夹具（10)上设置有轴肩及卡簧槽， 通过卡簧压紧圆盘Π (9)、轴套I (28)使轴承Π (27)得到定位。5. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的固定端夹持机构由固定端夹具（14)及压板Π (13)组成，压板Π (13)通过 螺钉与固定端夹具（14)连接并压紧试样，两者均设置有凹槽以夹持试样(32);所述固定端 夹具（14)通过轴承ΠΚ31)安装于夹具支座Π ( 15)上，固定端夹具（10)上加工有轴肩，通过 连接轴(16)压紧轴套Π (30)使轴承ΠΚ31)得到定位。6. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于：所述的磁场加载单元由一对磁极极头（12)及磁铁支座（19)组成，两磁极极头 (12)对称布置于试样(32)两侧，并通过磁铁支座（19)固定在底座（20)上，实现整机磁场加 载；同时通过调整磁极极头与磁铁支座间安装的垫片的厚度改变两磁极极头的间距，完成 试样所处磁场强度的调整，实现不同磁场强度作用下的试验。7. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的检测单元由编码器(6)与扭矩传感器（17)组成，其中编码器(6)通过编码 器联轴器(29)与旋转端夹具（10)连接，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的 测量;扭矩传感器（17)与连接轴（16)通过螺钉连接，从而实现对由固定端夹具（14)通过键 传递给连接轴(16)扭矩大小的测量。8.根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪的主体尺寸为 296mm X 80mm X 60mm，与光学显微镜兼容。
【文档编号】F16H21/40GK205719818SQ201620278065
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】赵宏伟, 刘先华, 霍占伟, 马志超, 刘长宜, 李柠, 王顺博, 代晓航, 吴迪, 苗淼
【申请人】吉林大学
【专利摘要】本实用新型涉及一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，属精密科学仪器领域。主要由精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元、支撑单元组成。其中精密驱动单元电机通过减速器及传动单元中的曲柄摇杆机构，带动夹持单元的旋转端以固定的角度往复旋转，实现扭矩疲劳载荷加载；通过改变曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长，实现扭转疲劳往复偏转角度的调整；通过改变磁场加载单元极头距离，实现磁场强度的调整。本测试仪整机采用卧式结构，简单紧凑，与光学显微镜兼容性好，可对试样进行原位实时观测，为揭示材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制提供一种可靠的测试手段。
【专利说明】
可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及精密科学仪器领域、原位力学测试领域，特别设及一种可控磁场 强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪。可W对材料开展不同磁场强度、不同扭转 角下的扭转疲劳测试，并可W集成光学显微镜对试样进行原位实时观测，为掲示材料在不 同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制提供一种可靠的测试手段。
【背景技术】
[0002] 材料的研究和合成的目的在于满足人类物质文明的需求，一个特定的材料具有其 特定的性能是其具有使用价值的根本。而力学性能测试的研究对象，即是针对材料在外力 作用下表现出来的性能，如弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击初性、疲劳强度和断裂初度 等。据统计，疲劳破坏在整个失效件中约占80%，严重影响了人身安全及国民经济，故对材料 进行疲劳研究有着十分重要的意义。
[0003] 近年来，利用光学显微镜、高景深显微镜、电子显微镜等显微成像系统对材料力学 测试动态监测的原位测试技术，对载荷作用下材料的形变损伤进行实时观测，能深入掲示 材料的微观力学行为、损伤机理，对材料学的研究及发展起到了推动作用。
[0004] 材料在实际工作中常常受到扭转疲劳载荷，如汽车传动轴、机床主轴、电机轴等， 另外电机轴、电主轴等在承受扭转疲劳载荷时也处于磁场中。而目前针对材料的扭转疲劳 测试装置，大都是W伺服电机驱动，通过输入电信号控制电机正反转实现疲劳载荷加载，体 积大无法实现原位观测，并且没能实现磁场的加载。故开发一种可控磁场强度的小型扭转 疲劳材料力学性能原位测试仪器，对研究材料在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳载荷时 的微观力学特性及疲劳损伤机制具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原 位测试仪，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型利用曲柄摇杆原理将电机单向回 转转换为夹具W固定角度值往复旋转运动，通过改变曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆 长来调整该固定角度的大小，通过改变磁极极头距离调整加载磁场强度的大小，通过固定 端夹具连接的扭矩传感器测量扭矩的大小，通过与旋转端夹具连接的编码器测量往复旋转 角度及疲劳周次，从而实现电机不换向工作时不同磁场强度条件下材料的扭转疲劳试验。 本实用新型可结合光学显微镜对加载过程中材料的变形损伤、微观组织变化及性能演变进 行原位动态监测，进而对材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制进行深入 研究。
[0006] 本实用新型的上述目的通过W下技术方案实现：
[0007] 可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，整体采用邸式结构，简 单紧凑，可对不同磁场强度作用下材料扭转疲劳展现的力学特性、微观组织形貌、断裂裂纹 进行原位实时观测。包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元;所 述精密驱动单元通过电机支架4固定于底座20-侧，包含电机编码器1、盘式电机2、减速器 3,电机编码器1、减速器3分别与盘式电机2相连，为整机仪器提供动力;所述传动单元通过 电机联轴器5与精密驱动单元相连，由支座23固定于底座20上，与盘式电机2同侧;所述夹持 单元分为固定端夹持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别通过夹具支座n 15、夹具支座I 21固定在底座20的两侧;所述磁场加载单元通过螺钉固定在底座20正中间；所述检测单元 包含编码器6与扭矩传感器17,编码器6通过支撑架7固定在支座23侧面，扭矩传感器17通过 传感器支座18固定在底座20上远离盘式电机2的一侧。
[000引所述的传动单元包括传动轴22、圆盘18、圆盘n 9及销轴I、n 25、26，所述传动轴22 通过一对轴承124安装于支座23上，传动轴22通过销轴125与圆盘18连接，圆盘18通过销轴 E26与圆盘E9连接，构成曲柄摇杆机构;所述圆盘E9通过其两侧的轴套128及卡黃在旋转 端夹具10上得到轴向定位，并通过键与旋转端夹具10连接W传递扭矩;所述传动单元将电 机联轴器5传递的整周回转运动，转换为圆盘E9带动旋转端夹具10沿其轴线W固定角度往 复旋转，从而实现电机单向运转时的扭转疲劳载荷的加载。
[0009] 所述的传动轴22、圆盘18、圆盘n 9设有均布的销轴孔，通过调整销轴125、销轴n 26的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改变旋转端夹具 往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。
[0010] 所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具10及压板111组成，压板111通过螺钉与旋转 端夹具10连接并压紧试样，两者均设置有凹槽W夹持试样32;所述旋转端夹具10通过轴承 1127安装于夹具支座121上，旋转端夹具10上设置有轴肩及卡黃槽，通过卡黃压紧圆盘119、 轴套128使轴承n 27得到定位。
[0011] 所述的固定端夹持机构由固定端夹具14及压板n 13组成，压板n 13通过螺钉与固 定端夹具14连接并压紧试样，两者均设置有凹槽W夹持试样32;所述固定端夹具14通过轴 承虹31安装于夹具支座n 15上，固定端夹具10上加工有轴肩，通过连接轴16压紧轴套n 30 使轴承虹31得到定位。
[0012] 所述的磁场加载单元由一对磁极极头12及磁铁支座19组成，两磁极极头12对称布 置于试样32两侧，并通过磁铁支座19固定在底座20上，实现整机磁场加载；同时通过调整磁 极极头与磁铁支座间安装的垫片的厚度改变两磁极极头的间距，完成试样所处磁场强度的 调整，实现不同磁场强度作用下的试验。
[0013] 所述的检测单元由编码器6与扭矩传感器17组成，其中编码器6通过编码器联轴器 29与旋转端夹具10连接，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的测量;扭矩传 感器17与连接轴16通过螺钉连接，从而实现对由固定端夹具14通过键传递给连接轴16扭矩 大小的测量。
[0014] 所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪的主体尺寸为 296mm X 80mm X 60mm，与光学显微镜兼容性好。
[0015] 本实用新型的有益效果在于:整机结构紧凑，与光学显微镜兼容性好，可实时观测 在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳时材料的微观形貌、组织结构等的变化。不同于传统 的扭转疲劳力学性能测试装置，能够实现电机单向回转带动试样W固定转角往复扭转的疲 劳试验，并可结合光学显微镜，对不同磁场强度作用下材料的扭转疲劳试验进行原位实时 观测。在驱动方面，利用由两销轴连接的=圆盘构成典型的曲柄摇杆机构，达到电机不换向 工作下扭转疲劳载荷加载的目的，同时可改变销轴安装位置来改变摇杆往复摆动角度。在 施加磁场方面，该仪器采用极头间距可调的双极头式磁铁，磁场强度调节控制简单。在整体 结构方面，该仪器结构紧凑，并可W集成光学显微镜对试样进行实时监测，实现对材料微观 组织形貌改变、晶格变化、裂纹扩展的原位动态观测。综上所述，本实用新型具有良好的应 用、开发前景，对材料原位微观力学性能测试技术的发展有着重要意义。
【附图说明】
[0016] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0017] 图1为本实用新型的整体结构示意图；
[0018] 图2为本实用新型的传动单元的局部装配示意图；
[0019] 图3为本实用新型的固定夹具局部装配示意图；
[0020] 图4为本实用新型的试样安装局部示意图；
[0021 ]图5为本实用新型的主视结构示意图；
[0022] 图6为本实用新型的俯视结构示意图；
[0023] 图7为本实用新型的左视结构示意图；
[0024] 图8本实用新型的加载原理图；
[0025] 图9为本实用新型的曲柄机构调整原理图。
[0026] 图中：1、电机编码器;2、盘式电机;3、减速器;4、电机支架;5、电机联轴器;6、编码 器;7、支撑架;8、圆盘I ;9、圆盘n ; 10、旋转端夹具；11、压板I; 12、磁极极头；13、压板n ; 14、 固定端夹具；15、夹具支座n ; 16、连接轴；17、扭矩传感器；18、传感器支座；19、磁铁支座； 20、底座;21、夹具支座1;22、传动轴;23、支座;24、轴承1;25、销轴1;26、销轴n ;27、轴承n ; 28、轴套1;29、编码器联轴器;30、轴套n;31、轴承虹;32、试样。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0028] 参见图1至图7所示，本实用新型的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原 位测试仪包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元、支撑单元;所 述的支撑单元由底座20及支座组成，为仪器其他部分起到支撑作用;所述的精密驱动单元 通过电机支架4固定于底座20侧边，包含电机编码器1、盘式电机2、减速器3,电机编码器1、 减速器3分别与盘式电机2相连，为整机仪器提供动力;所述的传动单元通过电机联轴器5与 精密驱动单元相连，由支座23固定于底座20上，与电机同侧;所述的夹持单元分为固定端夹 持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别由夹具支座n 15、夹具支座121固定在底座20上的 两侧;所述的磁场加载单元通过螺钉固定在底座20正中间;所述的检测单元包含编码器6与 扭矩传感器17,编码器6通过支撑架7固定在支座23侧面，扭矩传感器17由传感器支座18固 定在底座20上远离电机的一侧。整机采用邸式结构，简单紧凑，可对不同磁场强度作用下材 料扭转疲劳展现的力学特性、微观组织形貌、断裂裂纹进行原位实时观测。
[0029] 参见图1及图2所示，所述的传动单元主要由传动轴22、圆盘18、圆盘E9及销轴25、 26组成;其中传动轴22通过一对轴承124安装于支座23上，其细轴端通过电机联轴器与精密 驱动单元输出轴连接，其圆盘端与圆盘18、圆盘18与圆盘n 9分别由销轴125、n 26连接，构 成曲柄摇杆机构；圆盘119两侧分别通过轴套128及卡黃在旋转端夹具10轴向定位，并用键 与旋转端夹具10连接W传递扭矩;所述的传动单元中，传动轴22在电机联轴器5传递的扭矩 驱动下整周回转，通过起连杆作用的圆盘18带动圆盘119、夹具10往复旋转，即所述的传动 单元将电机联轴器5传递的整周回转运动，转换为圆盘E9带动旋转端夹具IOW固定角度沿 其轴线往复旋转，从而实现电机单向运转时的扭转疲劳载荷的加载。
[0030] 参见图1、图2及图4所示，所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具10及压板111组成， 由螺钉连接并压紧试样，两者均加工有凹槽W方便试样32的夹持;所述的旋转端夹具10通 过轴承n 27安装于夹具支座121上，旋转端夹具10上加工有轴肩及卡黃槽，通过卡黃压紧圆 盘n 9、轴套128使轴承n 27得到定位。
[0031] 参见图1、图3及图4所示，所述的固定端夹持机构由固定端夹具14及压板13组成， 由螺钉连接并压紧试样，两者均加工有凹槽W方便试样32的夹持;所述的固定端夹具14通 过轴承虹31安装于夹具支座n 15上，固定端夹具10上加工有轴肩，通过连接轴16压紧轴套 1130使轴承虹31得到定位。
[0032] 参见图1、图2及图3所示，所述的检测单元由编码器6与扭矩传感器17组成;其中编 码器6通过螺钉固定在支撑架7上，支撑架7通过螺钉固定在支座23上，编码器6通过编码器 联轴器29与旋转端夹具10连接;扭转疲劳试验时，旋转端夹具10旋转通过编码器联轴器29 带动编码器6输入轴旋转，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的测量。扭矩传 感器17固定于传感器支座18上，并与连接轴16通过螺钉连接，而连接轴16与固定端夹具14 由键连接;扭转疲劳试验时，固定端夹具14通过连接轴16将扭矩传递给扭矩传感器17,实现 试验中扭矩大小的测量。
[0033] 参见图1、图4及图8所示，所述的磁场加载单元由一对磁极极头12及磁铁支座19组 成，两磁极极头12对称布置于扭转试样32两侧，实现整机磁场加载；同时通过调整磁极极头 与磁铁支座间安装垫片的厚度改变两磁极极头的间距d，完成试样所处磁场强度的调整，实 现不同磁场强度作用下的试验。
[0034] 参见图2及图9所示，所述的传动轴22、圆盘18、圆盘E9打有均布的销轴孔，通过调 整销轴I、销轴n的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改 变旋转端夹具往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。当选用不同位置的 销轴孔连接传动轴22、圆盘18、圆盘E9时，曲柄摇杆机构中曲柄Li、连杆:?及摇杆^分别 调整为;援、^、接，实现各杆杆长的调节，从而改变旋转端夹具往复偏转角度大小，完成扭转 疲劳往复偏转角度的调节。
[0035] 参见图1、图5、图6及图7所示，所述的测试仪器整机结构紧凑，主体尺寸为296mmX 80mm X 60mm，与光学显微镜兼容性好，可实时观测在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳载 荷时材料的微观形貌、组织结构等的变化。
[0036] 本实用新型能开展磁场作用下扭转疲劳载荷加载的力学测试，除获得不同磁场强 度作用下扭矩-扭角曲线、扭转疲劳曲线及试验中试样微观形貌外，还能根据获得扭矩-扭 角曲线线性阶段获得材料切变模量G，对预制缺口的试样测试疲劳缺口敏感度游检测等，相 关关公式如下
[0037] 切变模量G
[00；3 引
[0039] 其中，導F为扭矩增量，S絕为扭角增量，知为标距长度，编为试样直径；
[0040] 平均应力觀：
[0046] 其中聽姆为最大应力，混,站为最小应力；[0047] 疲劳缺口敏感度辱f
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[004引
[0049] 具甲骑刃埋化应力集中系数，殺为疲劳缺口系数。
[0050] 参见图1至4及图8所示，本实用新型的具体工作过程如下：
[0051] 试验开始时，获得输入电信号的盘式电机2经减速器3降速増扭通过电机联轴器5 带动传动轴22旋转，基于曲柄摇杆原理传动轴22借助圆盘18带动圆盘n 9沿圆盘n 9轴W固 定角度值往复旋转，圆盘n 9带动旋转端夹具10及夹具上夹紧的扭转试样32往复旋转，而扭 转试样32经固定端夹具14夹紧，最终实现扭转疲劳载荷的加载;将磁场单元的两极头12对 称布置于扭转试样32两侧，完成磁场加载，通过增大或缩小两极头12之间距离d改变磁场强 度。同时，旋转端夹具10细轴端经编码器联轴器29带动编码器6输入轴旋转，完成对试验疲 劳次数及单次往复角度值的采集;固定端夹具14将试验扭矩通过连接轴16传递给扭矩传感 器17，完成对试验扭矩大小的采集。通过改变传动轴22、圆盘18、圆盘n 9之间两销轴安装孔 位，完成疲劳试验试样往复旋转角度值的调整。整机可安放在光学显微镜下，试验前试样先 经表面抛光腐蚀，即可实现对试验过程中试样微观组织形貌的原位观测。
[0052] W上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领 域的技术人员来说，本实用新型可W有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其特征在于:整体采 用卧式结构，包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元;所述精密 驱动单元通过电机支架(4)固定于底座(20)-侧，包含电机编码器（1)、盘式电机(2)、减速 器(3)，电机编码器（1)、减速器(3)分别与盘式电机(2)相连，为整机仪器提供动力;所述传 动单元通过电机联轴器(5)与精密驱动单元相连，由支座(23)固定于底座(20)上，与盘式电 机(2)同侧;所述夹持单元分为固定端夹持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别通过夹具 支座Π (15)、夹具支座1(21)固定在底座(20)的两侧;所述磁场加载单元通过螺钉固定在底 座(20)正中间；所述检测单元包含编码器(6)与扭矩传感器（17)，编码器(6)通过支撑架(7) 固定在支座(23)侧面，扭矩传感器（17)通过传感器支座（18)固定在底座(20)上远离盘式电 机(2)的一侧。2. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的传动单元包括传动轴（22)、圆盘1(8)、圆盘Π (9)及销轴Ι、Π (25、26)，所 述传动轴（22)通过一对轴承1(24)安装于支座（23)上，传动轴（22)通过销轴1(25)与圆盘I (8)连接，圆盘I (8)通过销轴Π (26)与圆盘Π (9)连接，构成曲柄摇杆机构;所述圆盘Π (9) 通过其两侧的轴套1(28)及卡簧在旋转端夹具（10)上得到轴向定位，并通过键与旋转端夹 具（10)连接以传递扭矩;所述传动单元将电机联轴器(5)传递的整周回转运动，转换为圆盘 Π (9)带动旋转端夹具（10)沿其轴线以固定角度往复旋转，从而实现电机单向运转时的扭 转疲劳载荷的加载。3. 根据权利要求2所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的传动轴（22)、圆盘1(8)、圆盘Π (9)设有均布的销轴孔，通过调整销轴I (25)、销轴Π (26)的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改 变旋转端夹具往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。4. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具（10)及压板1(11)组成，压板1(11)通过螺 钉与旋转端夹具（10)连接并压紧试样，两者均设置有凹槽以夹持试样(32);所述旋转端夹 具（10)通过轴承Π (27)安装于夹具支座1(21)上，旋转端夹具（10)上设置有轴肩及卡簧槽， 通过卡簧压紧圆盘Π (9)、轴套I (28)使轴承Π (27)得到定位。5. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的固定端夹持机构由固定端夹具（14)及压板Π (13)组成，压板Π (13)通过 螺钉与固定端夹具（14)连接并压紧试样，两者均设置有凹槽以夹持试样(32);所述固定端 夹具（14)通过轴承ΠΚ31)安装于夹具支座Π ( 15)上，固定端夹具（10)上加工有轴肩，通过 连接轴(16)压紧轴套Π (30)使轴承ΠΚ31)得到定位。6. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于：所述的磁场加载单元由一对磁极极头（12)及磁铁支座（19)组成，两磁极极头 (12)对称布置于试样(32)两侧，并通过磁铁支座（19)固定在底座（20)上，实现整机磁场加 载；同时通过调整磁极极头与磁铁支座间安装的垫片的厚度改变两磁极极头的间距，完成 试样所处磁场强度的调整，实现不同磁场强度作用下的试验。7. 根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的检测单元由编码器(6)与扭矩传感器（17)组成，其中编码器(6)通过编码 器联轴器(29)与旋转端夹具（10)连接，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的 测量;扭矩传感器（17)与连接轴（16)通过螺钉连接，从而实现对由固定端夹具（14)通过键 传递给连接轴(16)扭矩大小的测量。8.根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其 特征在于:所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪的主体尺寸为 296mm X 80mm X 60mm，与光学显微镜兼容。
【文档编号】F16H21/40GK205719818SQ201620278065
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】赵宏伟, 刘先华, 霍占伟, 马志超, 刘长宜, 李柠, 王顺博, 代晓航, 吴迪, 苗淼
【申请人】吉林大学
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