一种齿轮结构式的万能试验机变加载比例双拉试验装置的制作方法

本发明涉及材料力学与性能研究技术领域，具体地说是一种齿轮结构式的万能试验机变加载比例双拉试验装置。

背景技术：

当前，板料成形性能多数采用单向拉伸试验进行定性地评价。但是,由于单向拉伸试验无法同时检测不同方向上线性、非线性加载路径下板材的弹塑性成形特征和断裂规律，而对于汽车零部件的冲压工艺是一个复杂的加载路径，仅依靠单轴拉伸试验是明显不够的，因此，需要对板料进行双向拉伸试验来模拟实际冲压过程中的板料变形过程。

然而，双拉试验设备昂贵，试验成本很高。而单轴拉伸试验设备成本相对较低，应用较广泛，为此急需一种可应用单轴拉伸万能试验机进行双拉试验的装置。专利(cn87205653,机械式双向拉伸试验仪)公开了一种利用万向头、铰链及缓冲弹簧等结构而实现板材双拉试验的测试，但该试验仪的缓冲弹簧将造成测力传感器测得的数据偏小；专利(cn201610146635，一种利用单轴试验机进行变比例双轴加载的强度试验卡具)通过杠杆原理来实现板材多种加载比例的双轴拉伸试验，而杠杆结构在加载过程中的稳定性难以精确保证；专利(cn201010240086，变比例加载的机械式双向拉伸试验仪)利用工作台、斜撑杆、拉压传感器和夹头等结构，实现不同加载比例的板材双拉试验，但因为斜撑杆与水平面的夹角具有有限的角度范围，其加载行程范围受到了限制；专利(cn200810017989，双向拉伸试验装置)和专利(cn201710187880，一种双向十字拉伸测试装置)，两个专利均可实现不同加载比例的双拉试验，都提出了可安装在万能试验机上的双向拉伸装置，但其加载比例范围也很有限，前者需要通过多次更换不同长度的支撑板，通过更换支撑板改变试件横向和纵向承受的载荷比，从而实现不同加载比例的拉伸位移；而后者虽然可通过加热样件而实现高温加载，但其仅能够实现1:1-1:4的有限加载比例范围。基于此，本发明提出了一种新的齿轮结构式装置，来完成不同温度下万能试验机上板材的变加载比例双拉试验，以很好地弥补上述缺陷。

技术实现要素：

根据上述提出的传统双拉试验设备所存在的成本高以及现有万能试验机双拉装置存在的结构复杂、实现变加载比例操作繁琐、无法实现较大的变比例加载及无法实现不同温度条件试验等问题，而提出一种基于齿轮结构，针对金属板材在较大温度范围内，在单轴拉伸万能试验机上进行双拉试验，在双拉试验中，可实现不同加载比例的试验装置。本发明通过改变所述从动齿轮的齿数、从动齿轮与齿条啮合关系及拉伸机加载速度，可实现横向/纵向较大范围加载比例的变化；相对密闭空间用硅酸铝纤维毡包裹，通过对试件进行电磁感应加热，也可以使用陶瓷加热器等小型吸附式加热器进行加热，实现了不同温度下试件的变加载比例双拉试验，本专利提出一种新的齿轮结构来完成试件的双拉试验过程，具有变加载比例的范围较大、加载稳定、操作简单等优势，具有较高的性价比。本发明采用的技术手段如下：

一种齿轮结构式的万能试验机变加载比例双拉试验装置，包括固定底板和直动化转动装置；

所述固定底板上设有竖直侧板、太阳轮齿轮轴支撑座和多个与拉伸机固定端连接的底板螺栓孔，所述竖直侧板上设有太阳轮齿轮轴安装孔和以所述太阳轮齿轮轴安装孔的轴线为轴十字分布的四个行星齿轮安装孔，所述太阳轮齿轮轴支撑座上设有与所述太阳轮齿轮轴安装孔同轴的太阳轮齿轮轴连接孔，所述太阳轮齿轮轴安装孔位于所述竖直侧板的前侧壁上；

所述太阳轮齿轮轴安装孔与所述太阳轮齿轮轴连接孔之间设有太阳轮齿轮轴，所述太阳轮齿轮轴上套接有太阳轮，所述行星齿轮安装孔上设有行星齿轮，所述行星齿轮包括行星齿轮轴，所述行星齿轮轴的一端设有与所述太阳轮啮合的主动齿轮，所述星齿轮轴的另一端穿过所述行星齿轮安装孔与一从动齿轮连接，所述行星齿轮轴与所述行星齿轮安装孔旋转连接；

所述竖直侧板的后侧壁上设有与所述行星齿轮安装孔相对应的滑槽组，所述滑槽组沿所述太阳轮齿轮轴安装孔轴线的径向延伸，所述滑槽组上设有齿条联动夹具，所述齿条联动夹具具有与所述从动齿轮啮合的齿条，所述齿条联动夹具远离与其连接的所述滑槽组的一侧的侧壁具有夹具槽，所述夹具槽面向所述太阳轮齿轮轴安装孔轴线的一侧槽壁敞开，所述夹具槽上设有与其相匹配的夹具盖板，所述夹具盖板与所述夹具槽之间设有力传感器，既可测得对试件的夹紧力，又可测得试验时施加的拉力。

所述夹具槽的设置方便试件固定端的插入和限位。

所述夹具盖板与所述齿条联动夹具螺栓连接；

所述直动化转动装置包括接头、主动盘和连杆；

所述太阳轮齿轮轴穿过所述太阳轮齿轮轴连接孔与所述主动盘连接，所述太阳轮齿轮轴，所述太阳轮和所述主动盘同轴，所述主动盘上以所述主动盘的轴线为轴均匀分布有多个主动盘螺栓孔，所述连杆的两端分别与所述接头和其中一个所述主动盘螺栓孔铰接，所述接头上还设有与拉伸机移动端连接的法兰盘；

工作状态下，拉伸机移动端通过所述接头和所述连杆驱动所述主动盘旋转，进而驱动所述太阳轮、所述行星齿轮和所述齿条带动所述齿条联动夹具沿所述太阳轮齿轮轴安装孔轴线的径向向外滑动。

所述试验装置还包括密封盖；

所述密封盖、所述竖直侧板的后侧壁和与所述竖直侧板的后侧壁所对应的所述固定底板的上表面构成一相对密闭空间，所述相对密闭空间外包裹有用于保温隔热的硅酸铝纤维毡，所述相对密闭空间内设有用于试件加热的加热装置，以实现室温到1200℃不同温度下的双拉试验。

所述密封盖由透明隔热材料加工而成，可清楚观测到试件的状况，便于及时发现并处理问题。

所述加热装置为缠绕在试件上的电磁感应线圈或吸附在试件上的陶瓷加热器。通过对试件进行加热，实现了不同温度(室温到1200℃)下的变加载比例双拉试验。

所述底板螺栓孔位于所述竖直侧板的前侧壁所对应的所述固定底板部分。

所述滑槽组包括位于与其相对应的所述行星齿轮安装孔两侧的长滑槽和短滑槽，所述长滑槽和所述短滑槽均为t型槽，保证所述齿条联动夹具在其中稳定运动，且所述长滑槽和所述短滑槽长度不同，以避免试验情况下的干涉；

所述长滑槽和所述短滑槽的远离所述太阳轮齿轮轴安装孔轴线的一端均延伸至所述竖直侧板的端部；

所述齿条的延伸方向垂直于所述齿条联动夹具面向所述太阳轮齿轮轴安装孔轴线的一侧的侧壁，所述齿条联动夹具上设有延伸至所述齿条并与所述长滑槽相匹配的长滑条和与所述短滑槽相匹配的短滑条。

所述从动齿轮与所述行星齿轮轴可拆连接，通过改变所述从动齿轮的齿数，改变其与所述齿条的啮合关系，可使齿条联动夹具以0.5-5倍于主动齿轮转速的速度运动。由于所述从动齿轮与所述行星齿轮轴为可拆连接，方便所述从动齿轮的拆卸，通过安装不同齿数的所述从动齿轮，改变所述从动齿轮与其啮合的所述齿条的啮合关系，再通过改变拉伸机加载速度，可实现横向/纵向较大范围加载比例的变化。

所述太阳轮齿轮轴支撑座包括左支杆和右支杆，所述左支杆和所述右支杆的上端分别与所述太阳轮齿轮轴连接孔连接，所述左支杆和所述右支杆的下端分别与所述固定底板连接，所述左支杆、所述右支杆和所述固定底板构成一三角结构。所述太阳轮齿轮轴位于所述太阳轮齿轮轴安装孔与所述太阳轮齿轮轴连接孔之间，起支撑作用，避免了试验过程中太阳轮齿轮轴的振动及扭曲。

所述固定底板、所述竖直侧板和所述太阳轮齿轮轴支撑座为一体结构或分别加工后拼接而成；

所述试验装置的材质根据试验条件而定，例如，所述固定底板、所述竖直侧板和所述太阳轮齿轮轴支撑座的材质为h13热作模具钢，以满足在较大温度范围(室温到1200℃)内进行试验，对某些高强钢试件进行400℃或800℃下恒温双拉试验时，用碳化钨加工所述齿条联动夹具及所述夹具盖板，所述连杆、所述主动盘、所述太阳轮齿轮轴、所述太阳轮及所述行星齿轮使用中碳钢加工而成。本发明中各螺栓孔的设置既可使所述试验装置与万能试验机、夹具与试件之间位置定位准确，又可满足牢固装配的需求。

与所述连杆铰接的所述主动盘螺栓孔的初始位置为上述主动盘螺栓孔的轴线与所述主动盘的轴线的连线与竖直方向的夹角α满足：

0＜α≤360°/n；

其中，n为所述主动盘螺栓孔的个数。

所述初始位置保证所述试验装置较大的位移量。

所述从动齿轮与所述齿条联动夹具、所述试件位于所述竖直侧板的同一侧，便于拆卸和更换。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明能够实现在单轴万能试验机上完成板材线性、非线性加载路径的双向拉伸试验，结构简单，经济方便。

(2)本发明各部件采用齿轮结构式，结构简单，精度高，稳定性好，节约加工制造成本。

(3)本发明通过改变从动齿轮的齿数、从动齿轮与齿条啮合关系及拉伸机加载速度，可实现在较大范围内的变加载比例双拉试验。

(4)本发明的相对密闭空间内设有用于试件加热的加热装置，实现了不同温度下的变加载比例双拉试验。

(5)本发明可根据不同的试验条件，选取合适的材质加工各部件，满足不同温度下变加载比例双向拉伸试验的要求。

本发明具有结构简单，使用方便，经济使用等优点，能够保证准确试验结果的获取。基于上述理由本发明可在材料力学与性能研究领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中固定底板、竖直侧板和太阳轮齿轮轴支撑座的结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式中直动化转动装置的结构示意图。

图3是本发明的具体实施方式中齿轮传动部分示意图。

图4是本发明的具体实施方式中齿条联动夹具、夹具盖板和力传感器的爆炸图。

图5是本发明的具体实施方式中一种齿轮结构式的万能试验机变加载比例双拉试验装置的装配示意图。

图6是本发明的具体实施方式中位于竖直侧板的后侧壁上的各结构示意图。

图7是本发明的具体实施方式中一种齿轮结构式的万能试验机变加载比例双拉试验装置常温下的使用状态示意图。

图8是本发明的具体实施方式中一种齿轮结构式的万能试验机变加载比例双拉试验装置高温下的使用状态示意图

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图8所示，一种齿轮结构式的万能试验机变加载比例双拉试验装置，包括固定底板1和直动化转动装置；

所述固定底板1上设有竖直侧板2、太阳轮齿轮轴支撑座和六个与拉伸机固定端连接的底板螺栓孔3，所述太阳轮齿轮轴支撑座包括左支杆4和右支杆5，所述左支杆4和所述右支杆5的上端分别与太阳轮齿轮轴连接孔6连接，所述左支杆4和所述右支杆5的下端分别与所述固定底板1连接，所述左支杆4、所述右支杆5和所述固定底板1构成一三角结构。

所述底板螺栓孔3位于所述竖直侧板2的前侧壁所对应的所述固定底板1部分且呈环形均匀分布。

所述竖直侧板2上设有太阳轮齿轮轴安装孔7和以所述太阳轮齿轮轴安装孔7的轴线为轴十字分布的四个行星齿轮安装孔8，所述太阳轮齿轮轴连接孔6与所述太阳轮齿轮轴安装孔7同轴，所述太阳轮齿轮轴安装孔7位于所述竖直侧板2的前侧壁上；

所述太阳轮齿轮轴安装孔7与所述太阳轮齿轮轴连接孔6之间设有太阳轮齿轮轴9，所述太阳轮齿轮轴9上套接有太阳轮10，所述行星齿轮安装孔8上设有行星齿轮，所述行星齿轮包括行星齿轮轴11，所述行星齿轮轴11的一端设有与所述太阳轮10啮合的主动齿轮12，所述行星齿轮轴11的另一端穿过所述行星齿轮安装孔8与一从动齿轮13连接，所述行星齿轮轴11与所述行星齿轮安装孔8旋转连接；

所述竖直侧板2的后侧壁上设有与所述行星齿轮安装孔8相对应的滑槽组，所述滑槽组沿所述太阳轮齿轮轴安装孔7轴线的径向延伸，所述滑槽组上设有齿条联动夹具14，所述齿条联动夹具14具有与所述从动齿轮13啮合的齿条15，所述齿条联动夹具14远离与其连接的所述滑槽组的一侧的侧壁具有夹具槽16，所述夹具槽16面向所述太阳轮齿轮轴安装孔7轴线的一侧槽壁敞开，所述夹具槽16上设有与其相匹配的夹具盖板17，所述夹具盖板17与所述夹具槽16之间设有力传感器18，所述力传感器18外接导线32；

所述直动化转动装置包括接头19、主动盘20和连杆21；

所述太阳轮齿轮轴9穿过所述太阳轮齿轮轴连接孔6与所述主动盘20连接，所述太阳轮齿轮轴9，所述太阳轮10和所述主动盘20同轴，所述主动盘20上以所述主动盘20的轴线为轴均匀分布有八个主动盘螺栓孔22，所述连杆21的两端分别与所述接头19和其中一个所述主动盘螺栓孔22铰接，所述接头19上还设有与拉伸机移动端连接的法兰盘23；

工作状态下，拉伸机移动端通过所述接头19和所述连杆21驱动所述主动盘20旋转，进而驱动所述太阳轮10、所述行星齿轮和所述齿条15带动所述齿条联动夹具14沿所述太阳轮齿轮轴安装孔7轴线的径向向外滑动。

所述试验装置还包括密封盖24；

所述密封盖24、所述竖直侧板2的后侧壁和与所述竖直侧板2的后侧壁所对应的所述固定底板1的上表面构成一相对密闭空间，所述相对密闭空间外包裹有用于保温隔热的硅酸铝纤维毡，所述相对密闭空间内设有用于试件25加热的加热装置，以实现室温到1200℃不同温度下的双拉试验。

所述加热装置为缠绕在试件上的电磁感应线圈26，所述电磁感应线圈26外界电磁加热控制器27。

所述滑槽组包括位于与其相对应的所述行星齿轮安装孔8两侧的长滑槽28和短滑槽29，所述长滑槽28和所述短滑槽29均为t型槽；

所述长滑槽28和所述短滑槽29的远离所述太阳轮齿轮轴安装孔7轴线的一端均延伸至所述竖直侧板2的端部；

所述齿条15的延伸方向垂直于所述齿条联动夹具14面向所述太阳轮齿轮轴安装孔7轴线的一侧的侧壁，所述齿条联动夹具14上设有延伸至所述齿条15并与所述长滑槽28相匹配的长滑条30和与所述短滑槽29相匹配的短滑条31。

所述从动齿轮13与所述行星齿轮轴11可拆连接，通过改变所述从动齿轮13齿数，改变其与所述齿条15的啮合关系，可使齿条联动夹具14以0.5-5倍于主动齿轮12转速的速度运动。

所述固定底板1、所述竖直侧板2和所述太阳轮齿轮轴支撑座为一体结构；

所述试验装置的材质根据试验条件而定。

本实施例中，所述固定底板1、所述竖直侧板2和所述太阳轮齿轮轴支撑座的材质为h13热作模具钢，以满足在较大温度范围(室温到1200℃)内进行试验，对某些高强钢试件进行400℃或800℃下恒温双拉试验时，用碳化钨加工所述齿条联动夹具14及所述夹具盖板17，所述连杆21、所述主动盘20、所述太阳轮齿轮轴9、所述太阳轮10及所述行星齿轮使用中碳钢加工而成。

与所述连杆铰接的所述主动盘螺栓孔的初始位置为上述主动盘螺栓孔的轴线与所述主动盘的轴线的连线与竖直方向的夹角α满足：

0＜α≤45°/n；

其中，n为所述主动盘螺栓孔的个数。

如图7所示，在进行双向拉伸试验时，所有齿条联动夹具14和试件25进行脂润滑或镀涂层润滑，然后试件25(十字形)安装在四个所述齿条联动夹具14中，夹具盖板17通过螺栓与夹具槽16固定，保证了试件25在齿条联动夹具14内牢固定位安装。接头19由拉伸机移动端带动向上运动，进而主动盘20沿图示方向转动，经由太阳轮10与行星齿轮、行星齿轮与齿条15间的传动，使四个方向上的齿条联动夹具14分别沿图示方向运动，进而实现对试件25的双向拉伸。这里，通过拉伸机加载及从动齿轮13的齿数、从动齿轮13与齿条15啮合关系，可实现较大范围的加载比例条件下的双拉试验。

如图8所示，在进行高温下双向拉伸试验时，通过图示对试件25电磁感应线圈26加热，也可以采用其他加热手段，例如局部陶瓷加热器等，密封盖24密封，相对密闭空间外包裹有用于保温隔热的硅酸铝纤维毡，通过拉伸机加载及从动齿轮13的齿数、从动齿轮13与齿条15啮合关系，可实现较大范围的加载比例条件下的双拉试验。

在试验中，试验力可通过力传感器18得到，位移通过dic非接触式应变测试系统得到。在不同温度环境条件下进行实验时，根据实验要求，需要更换所述试验装置的材质，以达到理想实验效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。