一种恒力机构的设计与分析

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1、一种恒力机构的设计与分析摘要：为了配合基于牛顿第二定律的微重力环境下质量测量等恒力装置的需求，设计了一种基于弹簧-凸轮•转轮的恒力机构，弹簧-凸轮生成恒定力矩，恒力矩通过转轮输出恒定拉力。用AutoCAD进行理论仿真，恒力理论精度达0.2%，设计了一种基于升降台和电子天平的拉力测试方法。基于此方法精确测定了弹簧的刚度系数，验证了弹簧调整机构的有效性，实现了小于0.5%的匹配误差，基于此方法对恒力值进行测定，从而以此为基础对恒力机构进行调整和修型，最终恒力机构在180mm行程范围内实现了1%的拉力恒定性，为后续基于牛顿第二定律微重力质量测量方法的研宄提供了可靠的平台。引言国标单位制（SI）

2、的主要基本物理量质量（kg）、长度（m）、电流（A）、时间（s）、温度（K）之中，只有质量无法在微重力环境下使用地面的常规方法直接测出。因此，研究微重力环境下的质量测量方法，对长期载人航天和空间实验的开展具有重要的意义。牛顿第二运动定律提供了一种可行的测量方法，根据m=F/a，使物体的质量等于物体所受的合外力与其加速度的比伉，若能在物体上施加恒定拉力，使物体在拉力作用下做均加速直线运动，只需测量物体的加速度即可计算山物体质量，加速度的测量可以通过时间的位移的测量来实现，因而此方法的核心就是设计高效稳定的恒力机构。恒力机构的作川是产生恒定拉力，牵引物体运动。为Y保证最终质量测量的精度，物体

3、的加速度就尽可能稳定，因此恒力应沿着一条直线输出，能够提供较长的运动选种，且在整个行和屮拉力恒定性较好。结合在微重力环境屮使用的要求，恒力机构还应结构紧凑、牢固轻便。恒力机构已在众多机械中得到应用，比如支吊管道等的恒力弹簧支吊架以及印刷机中的送纸机构等，基本原理都是利用弹簧和可变力臂机构，根据力矩平衡原理，生成一个恒定力。这些设计或是恒定性不好，或是行程较短，均无法满足要求。因此耑要设计新的恒力机构以满足使用要求。1、恒力机构设计结合使用要求，借鉴已有研究，本文设计了一种恒力机构。其裨是一个恒力矩机构，利川弹簧-凸轮在转轴上产生恒定力矩，恒力矩通过与凸轮同轴的贺形转轮（力忾不变）向外输出

4、恒定拉力。整个机构M手生成恒力矩的弹簧凸轮部分和输出恒力的转轮部分，结构如图1所示。raI恂力机枸总休小袅阳Fig.1Theoverallschematicofconstantforcegenerator弹簧凸轮部分如图2所示。2个刚度系数相同的弹簧，连接在与转轴固结的凸轮上，轴转动吋，弹簧的伸长量不断改变，作用在轴上的拉力也不断改变，利用凸轮和转轴的受力均衡，有利于提高长时间使用的寿命和稳定性。钢丝绳绕过定滑轮连结到凸轮，使得整个结构体积更紧凑。转轮与凸轮安装在同一转轴上，转轮端而盘绕钢丝绳，钢丝绳另一端连接被测物体牵引其运动。转轮是圆圆形，可认为力臂不变，为与恒力矩机构实现力矩平衡，

5、钢丝输出的力是恒定拉力。阳2和力K构仰Rr11:轮《分big.2Spnng

6、力机构的性能取决于弹簧刚度的匹配、初始伸L<:呈的准确、凸轮廓线的设计和加工精度。弹簧刚度系数的数值不影响力的恒定性，但会影响力的数值。弹簧刚度必须精确达到设计值,并且2根弹簧的刚度应当一致（在误差范围内）。弹簧制造精度由于多种因素控制，很难恰好等于设计刚度，因此设计了弹簧刚度系数的调整结构，B

7、j:将弹簧视作内螺纹，加工一个堵头并加工外螺纹根部倒圆。将堵头旋入弹簧可以锁足部分簧丝，实现刚度系数的微调，如图3所示，通过批次筛选和个体微调，可以实现弹簧刚度系数的精确匹配。弹簧的初伸长量通过精确计算钢丝绳长度保证。弹簧堵头在中心打通孔，钢丝绳穿过通孔铅封固定，可以保证A轮和弹簧之间的钢丝绳长

8、度准确符合计算值。弹簧另一端设计微调螺纹,铅封及测量产生的微小调养通过该螺旋进行调整M3殚》的“1谰«拘(左上为初伸K的微澜蠼纹＞Fig.3AdjuMahk^nng凸轮的廓线设计采用数值方法，将廓线分为25段，利用式1〜3逐段计算曲率半径。相关计算参数，如基圆半径、弹簧刚度、初始伸长fi等，结合设计恒力值、转轮半径、可加工性等进行初选，然后迭代优化。设计结果利川AutoCAD进行理论仿真。在AutoCAD中代入各参数等比例绘图，测量