拉扭組合及拉伸試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】
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摘 要
材料試驗(yàn)機(jī)是一種對(duì)金屬、非金屬，零部件機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、彈性、塑性、韌性和延展性等性能在拉壓彎扭等工況下，可以測(cè)試出其具體數(shù)值的基本測(cè)試設(shè)備[1]?？梢詫?duì)材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗(yàn)。然而，材料試驗(yàn)機(jī)發(fā)展至今，對(duì)于試驗(yàn)機(jī)夾頭，經(jīng)歷從手動(dòng)夾緊到液壓夾緊，夾緊力不斷提升，結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，自動(dòng)化水平逐漸提高。但是既能實(shí)現(xiàn)拉伸實(shí)驗(yàn)，又能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的組合式的試驗(yàn)機(jī)的研究還不是很多。
這篇文章我們先是簡(jiǎn)要闡明了試驗(yàn)機(jī)的名詞解釋、種類介紹以及中國(guó)外國(guó)的比較有名的試驗(yàn)機(jī)制造廠的產(chǎn)品。而后列出了材料試驗(yàn)機(jī)上的兩類負(fù)荷的加力方式、傳遞動(dòng)力的形式等，并對(duì)兩者的長(zhǎng)處與短處進(jìn)行對(duì)比和取舍。再是文章的核心部分，對(duì)于拉扭組合試驗(yàn)機(jī)的重要的工作零部件的選擇、設(shè)計(jì)，同時(shí)還要有校核階段，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)得是否合理。蝸輪蝸桿、帶傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)共同組建了拉扭試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)系。經(jīng)過校核檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)都在許用范圍內(nèi)。本文的最后則是對(duì)于此試驗(yàn)機(jī)作了一些總結(jié)與展望。
關(guān)鍵詞 試驗(yàn)機(jī)；蝸輪蝸桿；齒形帶；滾珠絲桿；
ABSTRACT
Material testing machine is a basic testing device by stretching, compressing, bending, twisting, etc. to detect the strength, stiffness, elasticity, ductility, toughness, ductility of metal materials, non-metallic materials, parts, components., such as materials tension, compression, bending, shear, reversing, impact, fatigue, creep, lasting and relaxation, wear, hardness tests. However, so far as material testing machine develops, for the testing machine chuck, from manual to hydraulic clamping, clamping force continues improving,the structure improves,too.. Detection of high-precision, high sensitivity, smooth motion, easily operated test machine is the main development direction presently.
This paper first summarizes the test machine's basic definition, classification, and some important domestic and foreign manufacturers results. The second part, discussing about the experiences of the four projects as well as advantages and disadvantages of these projects are analyzed and compared . In comparison with each other decide the first option. The third part is the experiment, the major part of the mechanical drive design and the process of checking them. The main drive system of the test machine includes the worm, toothed belts, ball screw three components. After checking all the design had complied with the request. In the end concisely introduce the meeting and what had learned in the graduate design experiences.
Keywords: Test Machine, Worm Gear & Worm，Toothed Belts，Ball Scre
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目錄
第1章 概述 1
1.1課題的提出 1
1.1.1課題產(chǎn)生的背景 1
1.1.2 課題的意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)機(jī)研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.2.1國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)發(fā)展及其趨勢(shì) 2
1.2.1試驗(yàn)機(jī)種類的介紹 5
1.3課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)： 7
第2章 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)方案選擇 10
2.1加載方式的選擇 10
2.1.1液壓式 10
2.1.2機(jī)械式 10
2.2傳動(dòng)方式 10
第3章 動(dòng)力設(shè)計(jì)與驗(yàn)算 16
3.1滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算 16
3.1.1 靜態(tài)負(fù)載條件 17
3.1.2絲杠壽命計(jì)算 17
3.1.3絲杠強(qiáng)度計(jì)算 18
3.1.4絲杠的穩(wěn)定性 19
3.1.5絲杠的剛度 19
3.1.6絲杠的傳動(dòng)效率功率 21
3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù) 21
3.2電機(jī)的選擇 22
3.2.1步進(jìn)電機(jī)的選擇 22
3.2.2導(dǎo)步電動(dòng)機(jī)選擇 23
3.2.3電動(dòng)機(jī)的參數(shù) 23
3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 24
3.4各級(jí)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.4.1帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.4.2蝸輪蝸桿減速器的計(jì)算 26
3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗(yàn)算 29
3.6動(dòng)靜橫梁變形的驗(yàn)算 31
3.6.1動(dòng)橫梁變形的驗(yàn)算 31
3.6.2靜橫梁變形的驗(yàn)算 32
3.7離合器的選擇計(jì)算 34
第4章 軸類零件工藝分析 36
第5章 總結(jié) 38
參考文獻(xiàn) 39
4
第1章 概述
1.1課題的提出
1.1.1課題產(chǎn)生的背景
在工業(yè)化飛速發(fā)展的過程里，隨著新材料、新產(chǎn)品、新工藝的層出不窮。要用一定的工作裝置和檢測(cè)材料的手段，來(lái)對(duì)材料的力學(xué)特性，制造出的商品的構(gòu)造特性進(jìn)行專門的分析，所以材料試驗(yàn)機(jī)就這樣出現(xiàn)了[1]。制造業(yè)作為一個(gè)國(guó)家民生的占大比重的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，如果想要獲得更理想的機(jī)械特性、工藝特性以及高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，更進(jìn)一步的使得制造出的商品合格率更高。則應(yīng)該去做更為精準(zhǔn)的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的驗(yàn)證，從而獲得未知的材料在多種惡劣工況中的參數(shù)值。
1.1.2 課題的意義
材料展現(xiàn)的多種多樣的力學(xué)特性會(huì)因?yàn)樨?fù)載的不一樣而有變化，像是強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性以及疲勞等特征。在零部件的設(shè)計(jì)、材料選定和制造工藝的估計(jì)過程中要參照材料的力學(xué)特征。在外載荷加載的情況下，材料會(huì)有彈性、塑性以及斷裂變形等階段，這也就說明了對(duì)于材料的力學(xué)特性的探索在工程測(cè)試領(lǐng)域有很好的實(shí)踐意義[2]。
拉力試驗(yàn)機(jī)是對(duì)材料做拉伸動(dòng)作來(lái)檢驗(yàn)金屬材料、非金屬材料、零部件、構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、彈性、塑性、韌性、延展性等的基本檢測(cè)裝置，拉力試驗(yàn)機(jī)所檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)以后進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證商品的安全性有很好的參照根據(jù) [3]。對(duì)于沒有經(jīng)過拉伸扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的材料，不進(jìn)在商品制造中會(huì)浪費(fèi)過多的材料，有可能還會(huì)有重大的安全隱患。
拉力試驗(yàn)機(jī)廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、交通、運(yùn)輸、建筑、冶金、化工、輕紡、能源開發(fā)、新型材料、醫(yī)療衛(wèi)生以及國(guó)防科技、大專院校等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和部門[4]，一個(gè)國(guó)家的基礎(chǔ)工業(yè)和裝置設(shè)備的好壞，對(duì)拉力試驗(yàn)機(jī)能否快速、準(zhǔn)確的測(cè)量以及能否進(jìn)行先進(jìn)的控制具有決定性因素，另外作為一種精準(zhǔn)的測(cè)量裝置，拉力試驗(yàn)機(jī)在推動(dòng)材料科學(xué)加速進(jìn)步，在工業(yè)產(chǎn)品和機(jī)械構(gòu)造的設(shè)計(jì)合理性，在商品特性的提升和花費(fèi)減少，在一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平提升等方面有著舉足輕重的地位 [5]。一般，材料試驗(yàn)機(jī)的定義是檢測(cè)材料機(jī)械特征的裝置或器具。不過，有些國(guó)家對(duì)試驗(yàn)機(jī)的定義更為寬泛，檢測(cè)物理特性或者化學(xué)特征的裝置也被包含在內(nèi)。
在基礎(chǔ)制造業(yè)發(fā)展較為完善的其它國(guó)家，在試驗(yàn)機(jī)的探索與制造方面都關(guān)注得較多。究其原因，材料是作為制造商品的基礎(chǔ)原料，材料性能的好壞，直接對(duì)產(chǎn)品與研發(fā)工作造成不可避免的困難。
但其實(shí)相較于制造業(yè)和研發(fā)設(shè)計(jì)，材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)于各種汽車、工程機(jī)械和各種商品設(shè)計(jì)的合理性以及工作的安全性方面都有保障。這是由于根據(jù)材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)出的材料的各項(xiàng)特性，可以對(duì)產(chǎn)品的合理設(shè)計(jì)與運(yùn)轉(zhuǎn)安全性進(jìn)行檢驗(yàn)。不然，要么會(huì)浪費(fèi)原料，要么會(huì)有較大的安全隱患。這些材料的許多特性，都要靠材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)定來(lái)完成。
通常要對(duì)各式各樣的材料或者零部件，甚至是機(jī)體來(lái)做測(cè)驗(yàn)，來(lái)使得商品滿足質(zhì)量的要求，這在裝備制造業(yè)，尤其是要求嚴(yán)格的軍事產(chǎn)品上，是很有必要的。
在很多產(chǎn)品需要熱處理的元件中，規(guī)定要嚴(yán)格的做硬度特性的測(cè)試。例如：應(yīng)用在軋鋼機(jī)中的輥?zhàn)樱瑱C(jī)械主軸或者車輛連桿。
在科學(xué)技術(shù)繁榮發(fā)展的進(jìn)程中，冶金行業(yè)的制造遇到了非常多的困難。對(duì)于現(xiàn)代科技的探索，經(jīng)常會(huì)用到一些在惡劣環(huán)境中，如高溫、低溫、高壓、高速等運(yùn)轉(zhuǎn)的材料，這也導(dǎo)致了新型材料與合金材料的誕生。鋼鐵廠制造出的型鋼，都會(huì)應(yīng)用材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。很明顯的，如果沒有材料試驗(yàn)機(jī)，很多設(shè)計(jì)、研發(fā)與制造都是不能完成的。
對(duì)于以上所闡明的，可以充分地驗(yàn)證材料試驗(yàn)機(jī)的好壞會(huì)制約著航空、冶金、機(jī)械建筑及造船等行業(yè)，并且會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)合理性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、材料利用、工藝改善、產(chǎn)品質(zhì)量以及成本控制等因素產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
另一方面，因?yàn)椴牧显囼?yàn)機(jī)在高溫領(lǐng)域、低溫領(lǐng)域、真空領(lǐng)域、液壓等技術(shù)方面都會(huì)產(chǎn)生作用，而且材料試驗(yàn)機(jī)由許多檢測(cè)、標(biāo)記與顯示裝置組成，因此材料試驗(yàn)機(jī)發(fā)展的好壞，通常會(huì)與其他學(xué)科的發(fā)展息息相關(guān)。
1.2國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)機(jī)研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)發(fā)展及其趨勢(shì)
第一臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)誕生于200年前的西歐，采用的機(jī)械杠桿，砝碼加荷原理制成，用以測(cè)定鋼鐵和其他金屬材料的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)[6]。而在材料科學(xué)與力學(xué)的繁衍過程中，材料試驗(yàn)機(jī)作為能夠檢測(cè)多種材料機(jī)械、工藝以及結(jié)構(gòu)上的特性的裝置。第二次世界大戰(zhàn)之后，伴隨著科技的急劇進(jìn)步，發(fā)達(dá)國(guó)家在材料試驗(yàn)機(jī)的產(chǎn)品和研究上有了相當(dāng)大的變化。同時(shí)又因?yàn)楣I(yè)化的腳步繼續(xù)前進(jìn)，新型材料的發(fā)現(xiàn)及產(chǎn)生，使得對(duì)于新材料進(jìn)行分析檢測(cè)的裝置以及測(cè)試的手段的探索迫在眉睫。因此才有了材料試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)，世界上首臺(tái)材料試驗(yàn)機(jī)是1792年在法國(guó)生產(chǎn)出來(lái)的。到十八世紀(jì)中葉，材料試驗(yàn)機(jī)逐漸地有了較大的改進(jìn)，例如在加載機(jī)構(gòu)中采用了刀口結(jié)構(gòu)等。十九世紀(jì)初，液壓技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了液壓材料試驗(yàn)機(jī)的研究與應(yīng)用。第一臺(tái)液壓材料試驗(yàn)機(jī)于1827年制成，采用杠桿原理測(cè)量載荷。在上個(gè)世紀(jì)五十年代，出現(xiàn)了電子式材料試驗(yàn)機(jī)，它是試驗(yàn)機(jī)歷史上的一次革命，得益于方興未艾的電子技術(shù)大量應(yīng)用于材料試驗(yàn)機(jī)的控制、測(cè)量和記錄系統(tǒng)中，使材料試驗(yàn)機(jī)的整體性能得到很大提高。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)步和微電子伺服控制技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)把拉、壓、彎、剪等集合于一身，稱之為電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，它通過變換夾具、附件和改變?cè)囼?yàn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)就能自動(dòng)完成材料試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果以數(shù)據(jù)打印和曲線描繪的方式輸出，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)成為世界上目前應(yīng)用最廣、最普遍的機(jī)種之一，基本取代了傳統(tǒng)的老式機(jī)械拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)和專用的彎曲試驗(yàn)機(jī)。
拉伸試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)械部分，數(shù)據(jù)采集部分，伺服驅(qū)動(dòng)部分，數(shù)據(jù)處理部分等組成。隨著科技的發(fā)展，拉伸試驗(yàn)機(jī)經(jīng)歷了機(jī)械式拉力試驗(yàn)機(jī)，電液伺服拉力試驗(yàn)機(jī)，到今天的微機(jī)控制拉力試驗(yàn)機(jī)主要的三個(gè)階段。
國(guó)外拉力試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過一百多年的發(fā)展沉淀，在拉力試驗(yàn)機(jī)的控制、測(cè)量和記錄系統(tǒng)中，廣泛采用了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，使拉力試驗(yàn)機(jī)的整體性能得到很大提高。比較有代表性的是德國(guó)申克（Schenck）公司、MFL公司、沃爾伯特（Wolpert）公司和美國(guó)的MTS公司、奧爾森（Olsen）公司、英斯特朗（Instron）公司、茨維克（Zwick）公司和日本的島津公司、東京橫機(jī)公司、東洋精機(jī)公司以及松澤公司等等。
目前國(guó)際上公認(rèn)的電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)有美國(guó)的INSTRON、美國(guó)的MTS和日本的島津[7]。這些國(guó)際知名廠家都開發(fā)了諸多系列的材料試驗(yàn)機(jī)，電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)是應(yīng)用最廣的一種，這些試驗(yàn)機(jī)基本上可劃分為立柱式（單立柱、雙立柱）、臺(tái)式、臥式等，并依據(jù)加載負(fù)荷的大小來(lái)分檔使之成為一個(gè)能滿足不同需求的系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品基本上代表這材料試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)水平,其中較具代表性的產(chǎn)品為INSTRON公司生產(chǎn)的電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和美國(guó)MTS電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),在這些系列的試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)中，負(fù)荷精度能達(dá)到指示值的±0.5(或每級(jí)量程的士0.25%)，橫梁速度控精度達(dá) 0.1%[9]。
國(guó)內(nèi)拉力試驗(yàn)機(jī)的研究發(fā)展也有50多年的歷史，我國(guó)比較有代表性的有以濟(jì)南試金試驗(yàn)機(jī)為基礎(chǔ)的山東地區(qū)，以長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所為代表的東北地區(qū)，是國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)的兩大發(fā)展基地。結(jié)合的國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，和國(guó)內(nèi)健全的生產(chǎn)設(shè)施。以及建國(guó)之初大環(huán)境的支持，目前國(guó)內(nèi)拉力也已到達(dá)先進(jìn)水平。我國(guó)有代表性的公司的產(chǎn)品是長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所開發(fā)的CSS-220系列電控試驗(yàn)機(jī)，該產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到上世紀(jì)八十年代末國(guó)際先進(jìn)水平，居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位[9]。此外還有廣州試驗(yàn)儀器廠WD系列，長(zhǎng)春市第二試驗(yàn)機(jī)廠三思公司CMT5000系列等等。2012年10月28日，我國(guó)第一臺(tái)1500KN電子式試驗(yàn)機(jī)在長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院研制成功。該系列試驗(yàn)機(jī)創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)電子式試驗(yàn)設(shè)備的最大試驗(yàn)力記錄，打破了國(guó)外企業(yè)在大噸位電子式試驗(yàn)設(shè)備方面的壟斷局面，為我國(guó)尖端制造業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)保證，代表了我國(guó)當(dāng)前在電子式試驗(yàn)設(shè)備方面的較高技術(shù)水平[10]。但是由于我國(guó)在開發(fā)技術(shù)水平、元器件品質(zhì)、工藝設(shè)備手段等多方面的條件制約，致使我國(guó)的拉力試驗(yàn)機(jī)水平同發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有比較大的差距[3]。近幾年以來(lái)，國(guó)內(nèi)在試驗(yàn)機(jī)方面研究的廠家也很多，涌現(xiàn)了諸如深圳新三思公司和濟(jì)南試金集團(tuán)等生產(chǎn)多種類型的成套試驗(yàn)設(shè)備的生產(chǎn)商，國(guó)產(chǎn)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的典型代表如圖 1-1 所示。
圖1-1、國(guó)產(chǎn)材料試驗(yàn)機(jī)
與國(guó)際產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)品牌憑借其相對(duì)低廉的價(jià)格和售后服務(wù)的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品的認(rèn)可度在不斷的提高但是，國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)機(jī)與國(guó)外試驗(yàn)機(jī)在精度和可靠性方面還存在一定差距，尤其是與國(guó)外高端試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品方面仍有較大的差距?？陀^來(lái)說，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)行業(yè)還處在一個(gè)仿制為主和創(chuàng)新研發(fā)為輔的階段，鑒于試驗(yàn)機(jī)行業(yè)不可限量的市場(chǎng)前景和在整個(gè)國(guó)家工業(yè)體系中的特殊地位，國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)機(jī)還是大有可為的。
現(xiàn)代電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
( 1 ) 高精度 試驗(yàn)機(jī)對(duì)載荷、加載速率、狀態(tài)控制精度要求越來(lái)越高；對(duì)如載荷傳感器等各種傳感器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性等要求也越來(lái)越高。
( 2 ) 智能化 實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄，便捷的試驗(yàn)結(jié)果顯示和打印輸出，借助如工業(yè) CT 技術(shù)、PDA 等更前沿的檢測(cè)手段和儀器，使試驗(yàn)機(jī)的操作和應(yīng)用更簡(jiǎn)便自如。
( 3 ) 模塊化、組合式 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上帶有各種自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量裝置,大都采用組件形式，可以隨意增加以擴(kuò)大試驗(yàn)機(jī)的使用范圍和功用。
( 4 ) 通用性、專門化 通用性質(zhì)的試驗(yàn)機(jī)功能會(huì)更強(qiáng)大，各種原理相通功能近似的試驗(yàn)機(jī)會(huì)相會(huì)整合和趨同，同時(shí)滿足最大多數(shù)的需求是其發(fā)展方向；與此相對(duì)，試驗(yàn)機(jī)的專門化也是一個(gè)很重要的趨勢(shì)，有些應(yīng)用場(chǎng)合在精度、試驗(yàn)條件、功能、專業(yè)化方面都有別于一般的試驗(yàn)機(jī)，這就對(duì)試驗(yàn)機(jī)的專門化提出了要求；更專業(yè)、更高端的試驗(yàn)機(jī)在一些諸如國(guó)防、新材料研究等領(lǐng)域的需求也是很急迫的。
( 5 ) 現(xiàn)場(chǎng)化 傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的常規(guī)應(yīng)用方式是在實(shí)驗(yàn)室條件來(lái)測(cè)試試樣的性能。但這種檢測(cè)方式并不能完全反映常常作為一個(gè)構(gòu)件使用的材料的某些性能。為了彌補(bǔ)這種先天的缺憾，很多試驗(yàn)機(jī)會(huì)采用諸多手段來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試和試驗(yàn)，目前很多這方面的技術(shù)還處于探索和研究階段，離真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試還有很大的距離。
1.2.1試驗(yàn)機(jī)種類的介紹
試驗(yàn)機(jī)是用來(lái)進(jìn)行材料力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)定的設(shè)備，在各類材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、材料科學(xué)研究和教學(xué)試驗(yàn)中都需要應(yīng)用試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。而其中在靜態(tài)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗(yàn)尤為廣泛[11]。
我國(guó)靜態(tài)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為數(shù)眾多，遍布于全國(guó)各地，大部分不具備電測(cè)能力，以手動(dòng)調(diào)整進(jìn)、回油閥的方式運(yùn)行，試驗(yàn)手段落后，有勞動(dòng)量大和測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。若對(duì)其指示、記錄系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造，則可以充分地發(fā)揮設(shè)備的潛能，大大提高其技術(shù)性能及使用價(jià)值，更好地為材料研究、質(zhì)量控制和實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。 本系統(tǒng)將先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)處理分析和試驗(yàn)中的加載速率控制是本系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。 本系統(tǒng)在充分掌握大量試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)信息的基礎(chǔ)上，采用虛擬儀器技術(shù)，進(jìn)行了靜態(tài)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)數(shù)控化系統(tǒng)的硬件搭建及軟件設(shè)計(jì)。下面對(duì)各種試驗(yàn)機(jī)作簡(jiǎn)單介紹：
1．液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)
傳統(tǒng)的材料試驗(yàn)機(jī)是液壓式的, 這種材料試驗(yàn)機(jī)存在一些不足之處。它通過油泵向油缸輸油加壓, 由流量調(diào)節(jié)閥控制流量。油泵和測(cè)力油缸的液壓系統(tǒng)容易發(fā)生故障, 不但影響試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行和試驗(yàn)質(zhì)量, 而且增加了維修工作量; 它的液壓夾具的鉗口座比較笨重, 容易損壞; 采用擺錘測(cè)力計(jì)測(cè)量試驗(yàn)力,擺錘的慣性大, 對(duì)載荷的測(cè)量精度低, 且量程范圍小。
2．電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)
電子材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移的閉環(huán)控制; 試驗(yàn)中無(wú)須選擇量程, 可實(shí)行全過程自動(dòng)控制; 裝卸夾具和附件方便; 軟件包功能強(qiáng)大, 用戶通過PC 可直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算并輸入測(cè)試結(jié)果和打印試驗(yàn)報(bào)告。計(jì)算機(jī)控制整個(gè)試驗(yàn)過程, 保證了試驗(yàn)的質(zhì)量。
電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是先進(jìn)的機(jī)械技術(shù)與現(xiàn)代的電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是充分發(fā)揮了機(jī)、電技術(shù)各自特長(zhǎng)而設(shè)計(jì)成的大型精密測(cè)試儀器，它具有高科技特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方法是模塊化的。采用集散技術(shù)，有效地利用了微機(jī)功能對(duì)各種附件和功能單元進(jìn)行組合管理、控制、實(shí)現(xiàn)多種功能試驗(yàn)。
材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試裝置包括機(jī)身、橫梁及其支撐部件、鉗口和引伸計(jì)等。其中機(jī)身、橫梁及支撐裝置只需滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求即可, 而引伸計(jì)和試驗(yàn)鉗口則是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵測(cè)量裝置和部件。
電子材料試驗(yàn)機(jī)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。首先, 通過計(jì)算機(jī)可完成試驗(yàn)階段的設(shè)置。對(duì)于金屬材料的常規(guī)拉伸試驗(yàn), 通常劃分為三個(gè)階段, 即彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段。在三個(gè)試驗(yàn)階段設(shè)置中, 均要選擇速率控制類型和最大存儲(chǔ)頻率等主要參數(shù)值。同時(shí), 計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ), 并由計(jì)算軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 給出檢測(cè)結(jié)果,最后, 完成試驗(yàn)報(bào)告的打印。
3．?dāng)U大試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)噸位的機(jī)械增力裝置
該裝置屬于材料試驗(yàn)設(shè)備，能在一定的試驗(yàn)條件下解決小噸位高頻拉壓試驗(yàn)機(jī)不能進(jìn)行大噸位試驗(yàn)的問題。它利用彈性內(nèi)封閉力系的原理，通過改變裝置系統(tǒng)內(nèi)部的約束尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)增力，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析技術(shù)通過電阻、電橋、應(yīng)變儀、指示器、光標(biāo)及“動(dòng)態(tài)靜標(biāo)法”來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。該裝置能確保原試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)及使用壽命，能達(dá)到“以小改大、一機(jī)多用”的目的，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡(jiǎn)單、測(cè)試精確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
4．機(jī)械式帶傳動(dòng)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)
基于主機(jī)架采用門式結(jié)構(gòu)，使得造型勻稱美觀大方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。尤其配以滾珠絲杠與同步齒型帶的傳動(dòng)系統(tǒng)，使得整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)快、噪聲低、效率高。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，微機(jī)可以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零，自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)換檔，從而保證了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，并大大地提高了工作效率。
通過對(duì)傳統(tǒng)材料試驗(yàn)機(jī)的分析, 發(fā)現(xiàn)其不足主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1) 無(wú)法保證角度及位移測(cè)量的精度?，F(xiàn)代位移測(cè)量系統(tǒng)普遍采用光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、球柵和容柵等柵式測(cè)量系統(tǒng), 利用增量測(cè)量方法來(lái)確定位、置和材料延伸率δ, 精度達(dá)到±011μm, 速度可達(dá)16m / s ; 傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)多通過游標(biāo)卡尺人工測(cè)量, 無(wú)法滿足這一要求。
(2) 數(shù)據(jù)人工生成。采用人工讀取的形式獲得數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)無(wú)法即時(shí)匯總和分析。
(3) 速度調(diào)節(jié)為機(jī)械的有級(jí)調(diào)速, 速度控制為開環(huán)控制, 不能構(gòu)建轉(zhuǎn)速閉環(huán)。
(4) 不能測(cè)量材料的屈服強(qiáng)度σs、彈性模量E、硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r等參數(shù)。事實(shí)上, 多功能材料試驗(yàn)機(jī)、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)等, 其實(shí)驗(yàn)原理與當(dāng)前主流的計(jì)算機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī)并沒有實(shí)質(zhì)性的變化, 其被控對(duì)象都比較相似, 對(duì)控制效果的要求也相似。計(jì)算機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī)主要是在控制系統(tǒng)上引入了CAT (Computer Aided Test, 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試) , 具有液壓伺服或者交直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)、高精度的位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制裝置等。
1.3課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)：
然而，正如其名稱所述一樣，拉力試驗(yàn)機(jī)還是有一定的局限性，因其只能對(duì)試樣受拉力的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，卻不能對(duì)材料的受壓、彎曲及扭轉(zhuǎn)等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定。因此萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，然而，稱其為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，真實(shí)情況下卻不是萬(wàn)能的?，F(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)大多數(shù)只是對(duì)于拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)以及彎曲試驗(yàn)可以在同一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，需要專門的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行。所以從嚴(yán)格意義上來(lái)說，還沒有一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)可以稱得上是真正的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。所以本設(shè)計(jì)希望能夠設(shè)計(jì)出一種拉扭組合試驗(yàn)機(jī)，這種試驗(yàn)機(jī)既能實(shí)現(xiàn)拉伸、壓縮試驗(yàn)，又能實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。
方案的確定，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算:
材料試驗(yàn)機(jī)( 泛指壓力試驗(yàn)機(jī)、拉力試驗(yàn)機(jī)及萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等試驗(yàn)機(jī)) 廣泛地用于建筑、建材、公路橋梁、機(jī)械加工,檢測(cè)、質(zhì)檢等行業(yè)或機(jī)構(gòu)；在這些行業(yè)或機(jī)構(gòu)中, 材料試驗(yàn)機(jī)一般均是用來(lái)對(duì)材料或產(chǎn)品的機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè),通過檢測(cè)所得到的數(shù)據(jù)來(lái)判定所購(gòu)買的或生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量,通過優(yōu)化組合進(jìn)而達(dá)到對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量的過程控制；另一方面,許多質(zhì)檢機(jī)構(gòu)或檢測(cè)公司都是以材料試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行質(zhì)量判別和質(zhì)量監(jiān)督的。因此如何正確地使用材料試驗(yàn)機(jī), 如何正確地評(píng)定材料試驗(yàn)機(jī)的檢定結(jié)果,特別是如何正確地評(píng)定測(cè)量結(jié)果中示值誤差的不確定度就顯得特別重要。
材料試驗(yàn)機(jī)示值誤差不確定度最主要的來(lái)源是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀、檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)的不重復(fù)性、指示裝置的分辨率等三項(xiàng),而溫度波動(dòng)、溫度修正系數(shù)、溫度計(jì)讀數(shù)誤差等三項(xiàng)相比而言屬于高階無(wú)窮小,可以忽略不計(jì)。另外,在確定不確定度來(lái)源時(shí)本文沒有考慮示值進(jìn)程誤差和零點(diǎn)相對(duì)誤差所帶來(lái)的影響,一方面因?yàn)椴牧显囼?yàn)機(jī)主要是使用進(jìn)程示值,因此考慮此誤差意義不大,另一方面零點(diǎn)相對(duì)誤差主要是衡量回零點(diǎn)的情況,而回零點(diǎn)的好壞情況間接地包含在了重復(fù)性誤差中,因此若再考慮零點(diǎn)相對(duì)誤差就會(huì)在不確定度來(lái)源上導(dǎo)致重復(fù)。
對(duì)于材料試驗(yàn)機(jī)要關(guān)注以下一些性能參數(shù)：
1 承載能力與尺寸
這些指標(biāo)對(duì)選擇萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)至關(guān)重要。承載能力的選定，要根據(jù)所測(cè)試的材料被拉斷所需的最大力來(lái)決定。
對(duì)尺寸來(lái)說，要求測(cè)試時(shí)存在可用的足夠空間，包括橫向與縱向的空間都應(yīng)該合適。一些材料，試驗(yàn)時(shí)延伸得較長(zhǎng)，所以試驗(yàn)機(jī)垂直的尺寸必須有足夠的長(zhǎng)度，以滿足材料延伸的需要。另外還應(yīng)考慮特殊的夾具，固定裝置和環(huán)境箱所占據(jù)的空間。
2 橫梁的剛性
這個(gè)指標(biāo)往往被過高的要求了。只有在使用十字頭運(yùn)動(dòng)作為引伸計(jì)或進(jìn)行撓性測(cè)試時(shí)橫梁的剛度才會(huì)顯得極為重要。用于評(píng)價(jià)橫梁剛度的因素很多，可以總結(jié)為以下幾條：絲杠直徑，圓螺母的匹配，絲杠軸承的匹配等。一些低剛度的機(jī)械制造商提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，數(shù)據(jù)采集和程序直接測(cè)試應(yīng)變和撓度的機(jī)器。實(shí)際上，如果承載橫梁用作撓度測(cè)試時(shí)，這個(gè)方法可以用來(lái)校正測(cè)試結(jié)果。
3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的指標(biāo)
這些指標(biāo)是重要的，它用以保證系統(tǒng)是否按有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。
4 滿載的最大速度
5 電控系統(tǒng)
6 數(shù)據(jù)記錄速度和帶寬
7 測(cè)力系統(tǒng)
系統(tǒng)必須精確并要求重復(fù)性好，精確度在0.5%-0.01%范圍內(nèi)。0.25%的讀數(shù)重復(fù)性要求95%符合，在同一系統(tǒng)中自標(biāo)定的載荷碼要比其他載荷碼方便。
8 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)
對(duì)于一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的評(píng)價(jià)首先是仔細(xì)地評(píng)價(jià)機(jī)器在特定要求下的特性和指標(biāo)。在不同應(yīng)用方面要求也會(huì)有所不同。一臺(tái)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)最重要的是應(yīng)該符合應(yīng)用需要和標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)一些特別的和華而不實(shí)的指標(biāo)將不可避免地使價(jià)格升高。
下面介紹該萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行原理：
萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的工作原理：利用力源對(duì)串聯(lián)同軸安裝的標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢試件施加載荷，從而測(cè)定試件的各方面力學(xué)性能。顯然作為承載和測(cè)力元件的傳感器受到的負(fù)荷是彈性力，而傳感器和被檢試件，加載系統(tǒng)都可分別看作彈性元件，因此可簡(jiǎn)化為一彈性系統(tǒng)。力源施加裝置由粗加載和精密加載有機(jī)部分組成。粗加載系統(tǒng)是采用普通機(jī)械或液壓傳動(dòng)方式產(chǎn)生位移對(duì)測(cè)力系統(tǒng)施加負(fù)荷的裝置，精密加載則由壓電陶瓷力發(fā)生裝置完成。壓電陶瓷力發(fā)生裝置是根據(jù)物理學(xué)中的逆壓電效應(yīng)原理，運(yùn)用壓電陶瓷材料，使用專門的工藝方法制作成的施力裝置，作為力值精密調(diào)節(jié)器，壓電陶瓷力發(fā)生裝置與標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)試件一起串聯(lián)安裝于測(cè)力系統(tǒng)中，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，在施加粗負(fù)荷后，通過特殊研制的控制裝置控制施加于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場(chǎng)強(qiáng)度，改變它產(chǎn)生的微小變形量，從而達(dá)到精密調(diào)節(jié)力值的目的?？刂蒲b置運(yùn)用微型計(jì)算機(jī)和微電子控制技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的輸出作為反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施加負(fù)荷和力值穩(wěn)定調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制和工作過程自動(dòng)化。
萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)共由五部分組成，即主機(jī)，壓電陶瓷力發(fā)生裝置，控制器和工作儀表以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中主機(jī)包括機(jī)架（機(jī)器的結(jié)構(gòu)主體），驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（用以實(shí)現(xiàn)粗加載的傳動(dòng)系統(tǒng)），控制器，工作儀表。
第2章 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)方案選擇
2.1加載方式的選擇
材料試驗(yàn)機(jī)通常有兩種典型的載荷加力方式：液壓式加載與機(jī)械式加載。兩者各自都有利弊。
2.1.1液壓式
對(duì)于液壓加載式的材料試驗(yàn)機(jī)其優(yōu)點(diǎn)是手動(dòng)加載比較容易，產(chǎn)生較大的加載力比較方面，可以實(shí)現(xiàn)平衡加載，在加載速度方面調(diào)控很便捷。
而它的缺點(diǎn)表現(xiàn)在很難去實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)控制，對(duì)于有些場(chǎng)合需要小距離微調(diào)不容易做到。并且采用液壓加載的方式，液壓油的泄漏問題不能忽視，這會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成環(huán)境。
2.1.2機(jī)械式
對(duì)于機(jī)械加載式的材料試驗(yàn)機(jī)，它具有的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)控制。并且由于沒有液壓油等介質(zhì)，所以對(duì)與環(huán)境是沒有污染的。
但是機(jī)械加載式的材料試驗(yàn)機(jī)的缺點(diǎn)通常是對(duì)于較大的負(fù)載加載力很難達(dá)到，一般情況下的機(jī)械加載式的材料試驗(yàn)機(jī)最大的加載力在1000kN左右。
終上所述，對(duì)上面兩種負(fù)載加力方式的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，由于本設(shè)計(jì)的規(guī)格為50kN，因此應(yīng)用機(jī)械加載方式比較合理。
2.2傳動(dòng)方式
對(duì)于材料試驗(yàn)機(jī)，其傳遞動(dòng)力的形式有多種，主要有單絲杠形式、雙絲杠形式以及多絲杠形式等。
單絲杠式由于只有一側(cè)有絲杠的緣故，在加載力時(shí)，力的作用點(diǎn)容易偏離試件中心，不能很好的確保檢測(cè)的精確度；但是多絲杠形式的構(gòu)造又過于繁瑣。所以應(yīng)用雙絲杠傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)又能夠確保試件檢測(cè)對(duì)于精確度的要求。
本文針對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)上所使用的兩種傳遞動(dòng)力方式進(jìn)行的對(duì)比。直線式傳動(dòng)方案（圖2-1）和U型傳動(dòng)方案（圖2-2），其對(duì)比結(jié)果如下表2-1。
圖2-1直線式傳動(dòng)方案
對(duì)于直線式傳動(dòng)方案，其最突出的優(yōu)點(diǎn)為加載機(jī)構(gòu)的輸入直接連接減速機(jī)構(gòu)的輸出，這么做的原因是能夠使試驗(yàn)機(jī)的整體傳動(dòng)系相對(duì)簡(jiǎn)潔、緊湊，動(dòng)力傳遞平穩(wěn)，精確度高，各軸傳遞的轉(zhuǎn)矩小。不過它也有缺點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)機(jī)的夾具是懸置在傳動(dòng)系的一側(cè)，這回影響到加載時(shí)的穩(wěn)定度以及精確度，而且直線式傳動(dòng)方案的傳動(dòng)系軸向的距離較遠(yuǎn)，在立式的材料試驗(yàn)機(jī)上會(huì)帶來(lái)試件的夾持以及試驗(yàn)機(jī)本身結(jié)構(gòu)帶來(lái)一定影響。
圖2-2 U型傳動(dòng)方案
U型傳動(dòng)方案中將最后以及減速裝置改為同步帶，考慮帶傳動(dòng)的柔性化以及可以改變傳動(dòng)的方位，U 型傳動(dòng)方案也很好的滿足了測(cè)量要求。結(jié)合上述兩種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最后還是確定選用U 型傳動(dòng)方案。
表 2-1 傳動(dòng)方案對(duì)比
方案
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
直線式傳動(dòng)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
傳動(dòng)穩(wěn)定
壓頭偏置受力不好
跨度太大布局空難
外觀不夠美觀
U型傳動(dòng)
結(jié)構(gòu)對(duì)稱受力情況好
組合方便便于擴(kuò)展
整體布局美觀大方
結(jié)構(gòu)較復(fù)雜
對(duì)部分加工件要求高
系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降
本文所設(shè)計(jì)的材料試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)方式為絲杠螺母的螺旋傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)以及同步帶傳動(dòng)。而對(duì)于帶傳動(dòng)則要關(guān)注帶的張緊裝置，這里是對(duì)一個(gè)張緊輪的位置關(guān)系的變化來(lái)滿足張緊的。對(duì)于其它的傳動(dòng)系，因?yàn)槭茉囼?yàn)機(jī)外形約束，我們用電機(jī)張緊方式來(lái)滿足。螺旋傳動(dòng)包括蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠螺母。由于蝸輪蝸桿傳動(dòng)的自鎖性，安裝的時(shí)候一定要確保其旋轉(zhuǎn)方向不能反了。滾珠絲杠副則利用墊片消隙的方法來(lái)達(dá)到預(yù)緊目的，在安裝的過程中還要調(diào)節(jié)預(yù)緊力，使得滾珠絲杠的工作順滑。
圖2-3 雙電機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案
假設(shè)在考慮成本較低的設(shè)計(jì)方法，我們可以嘗試兩個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是異步電機(jī)，另一個(gè)是伺服步進(jìn)電機(jī)。它的工作原理如圖2-3所示。
假設(shè)對(duì)與材料測(cè)試的精確度有嚴(yán)格的要求，應(yīng)用一個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)比較合理，對(duì)于采取兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案，它的花費(fèi)雖然比較少，不過相對(duì)于一個(gè)電機(jī)的方案，兩個(gè)電機(jī)的方案繁瑣，并且不能保證較高的精確度。一個(gè)電機(jī)的方案使用的是伺服電機(jī)，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、精確度好的優(yōu)點(diǎn)。
圖2-4 單電機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案
這里我們應(yīng)用的絲杠是滾珠螺母副絲杠，它有自鎖特性，但是自鎖的方式多種多樣，在這里我們是采取蝸輪蝸桿來(lái)實(shí)現(xiàn)材料試驗(yàn)機(jī)的自鎖功能的。在材料試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)與研制的過程中，還要關(guān)注試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)大小和合理的安裝空間的限制，并且還要考慮長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)囊蛩亍?
對(duì)于材料試驗(yàn)機(jī)中螺紋連接的部分，防松問題也是需要考慮的，在沖擊，振動(dòng)或變載荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能減小或瞬間消失，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)作用后，螺紋連接也許會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)或者松脫的現(xiàn)象。所以做一些放松的保障還是有必要的。
本試驗(yàn)機(jī)中采用的防松措施為：雙螺母防松與加防松墊片。
圖2-5 工作示意圖(1)
圖2-6 工作示意圖(2)
本試驗(yàn)機(jī)使用的潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑。所以在材料試驗(yàn)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作一段時(shí)間后，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的磨損，涂抹上適量的潤(rùn)滑脂，從而使得機(jī)構(gòu)在一個(gè)良性的環(huán)境下工作。
而對(duì)機(jī)構(gòu)能否良好運(yùn)轉(zhuǎn)有決定性因素的就是軸承的預(yù)緊力大小。如果預(yù)緊力太小，機(jī)構(gòu)則會(huì)愿意發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，從而使得零部件失效。如果預(yù)緊力太大，就會(huì)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)難以平順地轉(zhuǎn)動(dòng)。本試驗(yàn)機(jī)中多采用了焊接連接方式。因此，焊接的方法，質(zhì)量就直接影響試驗(yàn)機(jī)的整機(jī)性能和壽命。
第3章 動(dòng)力設(shè)計(jì)與驗(yàn)算
3.1滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算
從第二章論述可知，本材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用的是雙螺母結(jié)構(gòu)來(lái)消除軸向間隙，從而調(diào)節(jié)預(yù)緊力。這也可以使得試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)系有較高的定位精確度，也可以保證重復(fù)定位產(chǎn)生的精確度，同時(shí)對(duì)于軸向剛度問題也會(huì)有所保障。預(yù)緊力一般為最大軸向載荷的1/3。采取加墊片的方式來(lái)進(jìn)行預(yù)緊。
抗疲勞的特性是制約滾珠絲杠承載力大小的決定因素，所以要通過壽命以及選取額定的動(dòng)載荷，并且進(jìn)行校驗(yàn)，來(lái)得到它的基本參數(shù)。之后便應(yīng)該驗(yàn)證其能否大于額定靜載荷，驗(yàn)證材料的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定度。滾珠絲杠副的循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)，采用墊片來(lái)消除間隙并進(jìn)行預(yù)緊。
預(yù)緊參數(shù)：
雙圓?。?
接觸角
比 值
滾道圓弧偏心距
絲杠參數(shù)：
公稱直徑50mm
導(dǎo)程
旋向：右旋
精度等級(jí)：三級(jí)
鋼球直徑：
圈數(shù)：jk列數(shù)=1x3
承載能力系數(shù)N
N
滾珠螺旋傳動(dòng)由于精度要求較高，比較復(fù)雜，因此普通的廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品不能滿足要求。轉(zhuǎn)速很低時(shí)可僅按額定靜載荷確定或校核其尺寸。
3.1.1 靜態(tài)負(fù)載條件
公式里：
—載荷系數(shù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6.2-11，=，取=1.2
—靜載荷硬度影響系數(shù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6.2-14，=1.0
—絲杠載荷加20%余量
計(jì)算=
即絲杠滿足靜載荷條件。
3.1.2絲杠壽命計(jì)算
公式里：
—工作壽命 查表6.2-10，
—壽命系數(shù) =
—載荷系數(shù) 查表，=
—?jiǎng)虞d荷硬度影響系數(shù) 查表，
—短行程系數(shù) 查表，
—轉(zhuǎn)速系數(shù)
n--工作轉(zhuǎn)速（） ，
加載時(shí)，則
計(jì)算
即絲杠壽命符合條件。
3.1.3絲杠強(qiáng)度計(jì)算
絲杠轉(zhuǎn)矩：
（）
公式里：
—當(dāng)量摩角 =，取
—絲杠公稱直徑
—絲杠螺旋角
計(jì)算（）
采用預(yù)緊，因此預(yù)緊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也要計(jì)算，預(yù)緊力為最大軸向力的1/3，則
絲杠合轉(zhuǎn)矩
當(dāng)量應(yīng)力
公式里：
—絲杠螺紋底徑
計(jì)算
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表，，
根據(jù)強(qiáng)度條件，即
絲杠滿足強(qiáng)度條件。
3.1.4絲杠的穩(wěn)定性
柔度計(jì)算
公式里：
—長(zhǎng)度系數(shù) 查表，
—絲杠最大工作長(zhǎng)度
—臨界載荷
計(jì)算
時(shí)，
—彈性模量
—絲杠的危險(xiǎn)截面面積
計(jì)算
穩(wěn)定的合格條件
絲杠符合穩(wěn)定性條件。
3.1.5絲杠的剛度
軸向載荷產(chǎn)生的軸向變形量:
—絲杠的計(jì)算長(zhǎng)度，指F和T作用處到固定支撐端的距離，
—絲杠材料彈性模量，
—絲杠的計(jì)算截面面積，，直徑
計(jì)算
轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的軸向變形:
—絲杠的螺紋導(dǎo)程，
—絲杠材料的切變模量，
—
計(jì)算=
軸向載荷F使鋼球與螺紋滾道間產(chǎn)生的軸向變形量:
（有預(yù)緊）
—鋼球直徑，
—工作臺(tái)螺母中的鋼球數(shù)，
—載荷分布不均勻系數(shù)，取
—預(yù)緊力（N），取
計(jì)算
支撐滾珠絲杠的軸承的軸軸向變形:
圓錐滾子軸承的軸向變形量為：
—軸承接觸角，
—軸承軸向載荷
—軸承滾去體數(shù)，
—軸承有效長(zhǎng)度，
計(jì)算
有預(yù)緊情況下軸向變形為接觸變形的1/2，即
總的軸向變形:
，
絲杠剛度符合條件。
3.1.6絲杠的傳動(dòng)效率功率
由轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng):
見圖，
絲杠的驅(qū)動(dòng)功率:
3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù)
公稱直徑 導(dǎo) 程
螺 旋 角 珠直徑
循環(huán)列數(shù)圈數(shù) 額定靜載荷
滾珠絲杠螺紋外徑
滾珠絲杠累紋底徑
滾珠絲杠軸頸直徑由結(jié)構(gòu)確定
滾珠絲杠螺紋長(zhǎng)度由結(jié)構(gòu)確定
滾珠螺母螺紋底徑，
滾珠螺母螺紋內(nèi)徑
滾珠螺母外徑具體螺母確定
每圈中的鋼球數(shù)
工作螺母中的鋼球總數(shù)
滾珠絲杠設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的一些問題：
1）受力合理
為了保證定位精度，除考慮絲杠剛度外，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)布杠上盡可能使用圓螺母和絲杠同樣受拉或受壓，以使兩者軸向變形方向一致減少螺母與絲杠之間的導(dǎo)程式變形量之差。此外，滾珠螺旋傳動(dòng)應(yīng)盡量避免隨徑向載荷，以免使絲杠彎曲，若絲杠上有齒輪等產(chǎn)生徑向載荷的元件，則應(yīng)使其盡可能靠近絲杠的徑向軸承處。另外，要盡量減少絲杠，螺母所受的傾覆力矩，力求部件移動(dòng)阻力的合力通過絲杠軸線。由于本試驗(yàn)機(jī)采用雙絲杠，其阻力通過兩絲杠中心線，這要靠定位安裝及加工的尺寸精度。
2）防止逆轉(zhuǎn)
滾珠絲杠傳動(dòng)反行程不能自鎖，為了使用權(quán)螺旋傳動(dòng)受軸向中力后不發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在此試驗(yàn)機(jī)中采用了輪蝸桿的傳動(dòng)比，這種傳動(dòng)比的蝸輪蝸桿可以起到自鎖作用。
3）安全裝置
本試驗(yàn)機(jī)是采用垂直安裝的滾珠絲杠傳動(dòng)，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫出而造成事故，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)采用限位擋塊以保證安全運(yùn)行。
4）密封與潤(rùn)滑
為防止塵埃和污物進(jìn)入螺紋滾道，妨礙鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢性并且加速鋼球與滾道的磨損，設(shè)計(jì)中必須考慮防護(hù)設(shè)施與密封。此試驗(yàn)機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用防塵罩密封。由于轉(zhuǎn)速較慢，采用高壓的高粘度潤(rùn)滑劑進(jìn)行脂潤(rùn)滑。
3.2電機(jī)的選擇
3.2.1步進(jìn)電機(jī)的選擇
初取各級(jí)傳動(dòng)比
帶傳動(dòng)
蝸輪蝸桿傳動(dòng)
帶傳動(dòng)
總傳動(dòng)比
總的傳動(dòng)效率
公式里：
—絲杠傳動(dòng)效率
—各軸承傳動(dòng)效率
—同步弧齒帶傳動(dòng)效率
—自鎖蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率
—離合器傳動(dòng)效率
步進(jìn)電機(jī)
3.2.2導(dǎo)步電動(dòng)機(jī)選擇
由于變速范圍為
絲杠最大轉(zhuǎn)速成
導(dǎo)步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
3.2.3電動(dòng)機(jī)的參數(shù)
步進(jìn)電機(jī)
型號(hào)
電壓
頻率
轉(zhuǎn)速
輸入電流
110TD-1
220V
50Hz
60r/min
0.6A
輸入功率
轉(zhuǎn)矩
外形尺寸
110W
2.92Nm
導(dǎo)步電機(jī)
型號(hào)
額定功率
額定電流
額定轉(zhuǎn)速
效率
Y2-631-2
0.18kW
0.53A
2720r/min
65%
功率因數(shù)
最大轉(zhuǎn)矩
外形尺寸
極數(shù)
電壓
0.80
2.2Nm
2
380V
3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
工進(jìn)時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速，功率，
二軸轉(zhuǎn)速
二軸功率
二軸轉(zhuǎn)矩
同理可得其它軸上的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和功率：
一軸（電動(dòng)機(jī)軸）：
3.4各級(jí)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
同步帶傳動(dòng)利用帶與帶輪上齒之間的嚙合進(jìn)行傳動(dòng)。由于帶的抗拉強(qiáng)度高，受載后變形小，能保持齒的節(jié)距不變，所以傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，傳動(dòng)平穩(wěn)，速度高，噪聲小，且無(wú)需潤(rùn)滑清潔，維護(hù)簡(jiǎn)單。適用速度范圍寬，傳動(dòng)比可到10，功率由幾十瓦到幾百千瓦，結(jié)構(gòu)緊湊，效率可達(dá)98%~99%，張緊力和壓軸力小。
此設(shè)計(jì)選用弧齒同步帶，受載后的應(yīng)力分布狀態(tài)較好，提高了承載能力，防止帶齒與輪齒的干涉，降低振動(dòng)與噪聲。
設(shè)計(jì)功率：
——工況系數(shù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表，=
——一帶傳遞的功率
計(jì)算
選帶型：
根據(jù)和同圖選取型帶，節(jié)距。
小帶輪節(jié)圓直徑
大帶輪齒數(shù)
大帶輪直徑
驗(yàn)證帶速：
帶速
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表得,
第一級(jí)帶帶速滿足條件。
初定中心距：
取
取
帶長(zhǎng)及齒數(shù)：
(其中)
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取標(biāo)準(zhǔn)值及其齒數(shù)，
實(shí)際中心距，中心距可調(diào)：
小帶輪嚙合齒數(shù)：
計(jì)算帶寬系數(shù)：
—設(shè)計(jì)功率，
—基準(zhǔn)帶寬為時(shí)，同步帶的基本額定功率，見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)
表，
—小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，見表，
—帶長(zhǎng)系數(shù)，見表，
計(jì)算，查表，帶寬代號(hào)9，帶寬
計(jì)算軸力：
小于帶所能承受的力，符合條件。
3.4.2蝸輪蝸桿減速器的計(jì)算
選取傳動(dòng)比（自鎖），蝸桿頭數(shù)，蝸桿分度圓直徑，蝸輪齒數(shù)，變位系數(shù)，模數(shù)，中心距。
計(jì)算得蝸輪蝸桿以下數(shù)據(jù):
蝸輪分度圓直徑
齒頂圓直徑
蝸牛桿齒根圓直徑
蝸桿齒根高
蝸牛桿齒頂高
蝸桿軸向齒距
蝸桿導(dǎo)程角:
，，
蝸桿寬度
蝸輪齒頂高
蝸輪齒高
蝸輪齒根高
蝸輪齒根圓直徑
蝸輪齒寬
蝸輪齒寬角
材料選擇：表面淬火，鋼，硬度HRC5055。
齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算：
—材料彈性系數(shù)，表，
—接觸系數(shù)，根據(jù)蝸桿的類型及蝸桿分度圓直徑與中心距比
值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖，
—嚙合中心距，
—蝸輪輪矩，
— 使用系數(shù)，查表，
—使用接觸應(yīng)力
—蝸輪輪齒材料接觸疲勞極限，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表2.5-1，
—壽命系數(shù)，,取
—轉(zhuǎn)速系數(shù)，
—最小安全系數(shù)，，取
計(jì)算
即,齒面接觸強(qiáng)度符合條件。
蝸輪輪齒的彎曲強(qiáng)度計(jì)算:
由于蝸牛輪輪齒的齒形比較復(fù)雜，要精確計(jì)算比較困難，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，齒根彎曲強(qiáng)度主要與模數(shù)m和齒寬這兩個(gè)主要的幾何參數(shù)有關(guān)，故可用簡(jiǎn)單條件計(jì)算法來(lái)校核。
—蝸輪的圓周力，
—使用系數(shù)，
—蝸桿軸向模數(shù)，
—蝸輪齒寬，
—許用系數(shù)
—輪齒彎曲計(jì)算時(shí)的極限U系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表25-1,
—彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，取,取
計(jì)算
可見，蝸輪輪齒彎曲強(qiáng)度條件符合。
蝸桿軸的剛度計(jì)算
剛度不足會(huì)導(dǎo)致蝸桿副的不常嚙合，造成偏載，加劇磨損，故應(yīng)驗(yàn)算蝸桿軸的剛度。蝸桿軸的最大撓度（） ：
—蝸桿圓周力（N），
—蝸桿徑向力（N），
—蝸桿材料的彈性模量，對(duì)于鋼
—蝸桿危險(xiǎn)截面處的慣性矩，
—蝸桿軸承間的跨距，計(jì)算時(shí)可以取，取1.3
—極限撓度，淬硬蝸桿
計(jì)算
蝸桿剛度條件符合。
3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗(yàn)算
滾珠絲杠多采用滾動(dòng)軸承支承，既承受徑向力又承受軸向力，且其力值較大，故采用圓錐滾子軸承。
對(duì)于轉(zhuǎn)速極低的軸承，其失效形式是滾動(dòng)體內(nèi)外圓滾道貌岸然接觸處出現(xiàn)不均勻塑性變形凹坑，使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)振動(dòng)和噪音而不能正常工作。此時(shí)應(yīng)該按軸承的靜載荷計(jì)算。
軸承反安裝，其內(nèi)部軸向力:
判斷軸向力方向:
即
計(jì)算并與比較:
靜載荷計(jì)算:
動(dòng)載荷計(jì)算:
驗(yàn)證額定靜載荷:
—基本額定靜載荷，
—靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取
—當(dāng)量靜載荷，
計(jì)算
軸承符合靜載荷要求。
壽命計(jì)算:
—基本額定壽命（）
—基本額定動(dòng)載荷（N）
—當(dāng)量動(dòng)載荷（N）
—壽命系數(shù)（滾子軸承）
—軸承轉(zhuǎn)速（）
計(jì)算>
軸承壽命符合條件。
3.6動(dòng)靜橫梁變形的驗(yàn)算
3.6.1動(dòng)橫梁變形的驗(yàn)算
動(dòng)橫梁在粗加載過程中會(huì)產(chǎn)生一定的變形量，其大小將直接影響試驗(yàn)的精確性。因此對(duì)其剛度的驗(yàn)算是十分必髯的。對(duì)于100kN的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，其許用變形量為
動(dòng)橫梁在加載過程中的受力變形，可簡(jiǎn)化為兩端固定，而中心受力的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，其簡(jiǎn)化圖見圖3-1：
圖3-1 動(dòng)橫梁受力簡(jiǎn)圖
由材料力學(xué)的知識(shí)可知，變形量最大的地方是其中點(diǎn)，其最大變形公式為：
—最大載荷，
—梁的跨距，
—材料的彈性模量，
—梁截面的慣性矩，
而梁的截面形式為：
圖3-2 動(dòng)橫梁截面形式
計(jì)算
因此：
所以動(dòng)橫梁的剛度合格。
3.6.2靜橫梁變形的驗(yàn)算
靜橫梁的變形也影響其精度。其受力情況可簡(jiǎn)化為如圖所示的結(jié)構(gòu)：
圖3-3 靜橫梁受力簡(jiǎn)圖
其許用變形量，其變形公式可按下式驗(yàn)算：
靜橫梁截面形式為：
圖3-4 靜橫梁截面形式
其中I的計(jì)算過程為：
由材料力學(xué)的知識(shí)可知，圖形的形心必然在對(duì)稱軸上，為了確定，取參考系見圖：
所以
而用變形量，所以靜橫梁滿足條件。
3.7離合器的選擇計(jì)算
在設(shè)計(jì)和選擇離合器時(shí)，應(yīng)該考慮影響離合器工作性能的各因素。包括原動(dòng)機(jī)特性，負(fù)載特性，結(jié)構(gòu)因素，操作方式等，由于本實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)離合器的負(fù)載較小，以下將通過計(jì)算選擇合適的轉(zhuǎn)矩。離合器為剛性接合元件，大都具有相當(dāng)硬度和強(qiáng)度的金屬件，因此在接合瞬時(shí)，嚙合主，從動(dòng)件之間產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊載荷 ，易損壞接合元件，并引起機(jī)械沖擊和噪聲。柔性接合，主要靠接合元件的相互壓緊，利用壓緊后產(chǎn)生的磨擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，并允許在接合過程中稍有打滑。能夠使從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速較緩慢地上升，減小機(jī)械沖擊，使機(jī)器的工作狀態(tài)比較平穩(wěn)。根據(jù)試驗(yàn)機(jī)對(duì)平穩(wěn)噪聲等要求，在此選擇柔性離合器。
操作方式的不同也會(huì)影響離合器的工作性能，因此操作方便的電磁離合器成了最好的選擇。
總之對(duì)離合器的其本要求是接合平穩(wěn)，分離徹底，動(dòng)作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，外形尺寸小和從動(dòng)部分慣性小，操作省力，對(duì)接合元件壓緊力能達(dá)到內(nèi)力平衡，使用壽命長(zhǎng)。
—計(jì)算轉(zhuǎn)矩
—理論轉(zhuǎn)矩，
—儲(chǔ)備系數(shù)，見表，取
計(jì)算
計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)該小于離合器的許用轉(zhuǎn)矩。對(duì)以上的選擇作一下說明，在設(shè)計(jì)中所取過小，將延長(zhǎng)接合時(shí)間，使磨擦元件過熱，加速磨損。而過大，則會(huì)使離合器接合剛度增大，操縱功增加。一般選取值時(shí)，對(duì)沖擊載荷小，接合較平穩(wěn)的離合器，宜取較小值；對(duì)于沖擊大，或要求接合迅速的離合器
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