利用测力弹簧改进表式测力计设计的探讨

　　0　引言

　　表式微小测力计(以下简称测力计)被广泛用于测量各种仪表和器件中的杠杆、簧片、触点等的接触力或分离力,准确度一般在仪器满量程的2.5%~4%之间。目前国内市场上的测力计以绥化产的为代表,其工作原理是使被测力通过测力杠杆作用于悬臂弹簧片,弹簧片产生的变形量由齿轮传动机构变为指针在度盘上的角位移,从而指示出被测力值。该设计结构简单,缺点是频繁使用稳定性较差,使用寿命不长,容易损坏。在此探讨使用测力弹簧代替悬臂弹簧片作为测力元件的可能性及优点。

　　1　设计原理

　　在测力杠杆的转动支点上伸出两对称的测力弹簧挂杆,挂杆长度为a,弹簧挂钩到支点转动轴的长度为b(b>a),将两刚度为f的测力弹簧两端分别挂在两弹簧挂钩和弹簧挂杆挂钩上。此时两弹簧都得到拉长。当弹簧的拉力与两弹簧挂杆一起产生的力矩达到平衡时,得到了一对称的结构,a和b构成了一个夹角α,如图1所示。

　　设逆、顺时针产生的力矩分别为M1、M2,弹簧的原长为c0,此时弹簧长度:

　　产生垂直作用于挂杆的拉力:

　　当测力杠杆受到力F的垂直作用时,形成一个新的力矩M,M=FL (L为测力杠杆长度),此力矩使测力杠杆和弹簧挂杆一起转过一个角度β,达到新的力矩平衡,即M+M2=M1,a和b的夹角也同时发生变化,变为α+β和α-β,如图1所示。

　　此时:

　　由于a、b、α为定值,设:

　　以a=0.5b、a=0.4b、α=45°、α=50°为例,通过计算,观察A、B值与β的关系。当β在0~15°之间变动时,可得到表1。

　　由表1可知,对于一定的a、b值,可以找到一夹角α,此角在一定范围内变化时,A、B与变化值β的关系接近线性比例关系。对于准确度以引用误差来表示的测力计来说,在β变化范围内其非线性误差是允许的。由于f、a、b、c0、L都是已知固定值,则在测力弹簧弹性范围内,由式(7)可知,F与β接近于正比关系,即F=Gβ(G为比例系数)。也就是说,只要知道了F作用下测力杠杆转过的角度β,也就知道了被测力F的大小。此角度通过齿轮传动机构进行放大,变为指针在度盘上的角位移,就能指示出被测力F的大小。

　　2　设计实现

　　由上述计算可知,在设计测力计时,先确定b、L的大小,再确定a、b的比例并通过计算找出较为合适的α及最大转角β,或者直接通过计算机计算找出合适的a、α和β值,以确定测力弹簧挂杆与测力杠杆的位置关系和形状。然后根据测力计的量程F确定弹簧的刚度f和原始长度c0,再设计出弹簧的规格。最后根据测力计的最大转角β及指针在度盘上满量程角位移,算出齿轮传动放大比,设计出传动齿轮的规格。这样,就确定了式(7)中所有的参数和放大比例。