CN102840962B - 一种应用于超声速风洞的半模转窗机构 - Google Patents

Abstract

一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，包括支座、大圆柱直齿轮，交流伺服电机、减速器、齿轮压盖、小圆柱直齿轮、压紧盖、压紧螺钉组成驱动传动模块；电位计支座、电位计、压片、联轴器、小轴、连接盖组成反馈与测量模块；o形密封圈、挡圈、右轴承盖、连接座、轴承座、圆锥滚子轴承、左轴承盖、主轴组成转动模块。本发明采用的圆柱直齿轮组使得半模转窗机构可以实现±360°运动，且机构可整体吊装，圆柱直齿轮组传动配合采用电位计为核心的测量部分，实现攻角控制精度可达到±3′。

Description

一种应用于超声速风洞的半模转窗机构

技术领域

本发明涉及一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，属于实验空气动力学领域。

背景技术

半模试验技术是一种重要的风洞试验技术，可以较好的解决在试验段进行全模型试验时，受试验段截面尺寸的限制，所导致试验Re数较低、难以实现飞行器外形细节模拟等问题。国内外大多数风洞，通常采用在常规试验段上安装半模试验系统进行半模试验；有些较大口径量级的风洞，例如CARDC2.4米风洞、FL-2风洞等，则采用单独加工的半模试验段，将较大的半模型安装在该试验段内进行气动力试验。转窗机构是半模试验系统(或半模试验段)的核心机构，将半模型安装在转窗机构上，可以进行半模型的测力、测压、流态观察、变Re数试验、铰链力矩试验、抖振试验等。

半模转窗机构实际上就是半模攻角机构。通常，超声速风洞的半模转窗机构设置在试验段左右侧壁上。目前，绝大多数超声速风洞的半模转窗机构传动链通常为：电机(或液压马达)-联轴器-减速器-蜗轮蜗杆副-转窗。由于大中心距的蜗轮蜗杆副传动效率和回转精度较低，能够实现大中心距、高回转精度和高传动效率的蜗轮蜗杆副加工困难、造价高，难以实现圆周运动；现有机构采用蜗轮蜗杆副的传动方式以及安装环境导致不能整体吊装，安装、拆卸不便，费时费力，准备时间长，试验效率低。

发明内容

本发明的目的：克服现有技术的不足，提供一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，以解决现有机构采用大中心距的蜗轮蜗杆副加工困难、造价高，难以实现圆周转动以及不能实现整体吊装，安装、拆卸不便，试验效率低的问题。

本发明的技术解决方案：

一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，包括：支座、大圆柱直齿轮、交流伺服电机、减速器、电位计支座、电位计、压片、联轴器、小轴、连接盖、齿轮压、小圆柱直齿轮、键、压紧盖、压紧螺钉、第一o形密封圈、第二o形密封圈、第三o形密封圈、第四o形密封圈、第一挡圈、第二挡圈、右轴承盖、连接座、轴承座、圆锥滚子轴承、左轴承盖和主轴；

在主轴和轴承座之间装入一对圆锥滚子轴承，使得主轴、轴承座和圆锥滚子轴承紧密连接，第一o形密封圈和两个第一挡囤均安装在右轴承盖内且两个第一挡圈将第一o形密封圈夹在当中，之后将右轴承盖安装在圆锥滚子轴承右侧；

第四o形密封囤和两个第二挡囤均安装在左轴承盖内，且两个第二挡圈将第四o形密封圈夹在当中，之后将左轴承盖安装在圆锥滚子轴承左侧；左轴承盖和右轴承盖在将一对圆锥滚子轴承轴向压紧；

轴承座和连接座连接在一起且轴承座和连接座之间由第二o形密封圈进行密封，连接座用于将所述半模转窗机构安装在超声速风洞上且连接座和超声速风洞之间使用第三o形密封圈进行密封；

小圆柱直齿轮通过键与主轴相连，齿轮压盖安装在主轴上用于在轴向压紧小圆柱直齿轮；将交流伺服电机与减速器直连后安装在支座上，使用压紧螺钉和压紧盖将大圆柱直齿轮压紧在减速器伸出的轴上，再将支座连接到轴承座上；

将小轴与连接盖固连后安装在齿轮压盖上，再将电位计通过压片安装在电位计支座上，再将电位计支座安装在支座上，使得电位计的中心线与小轴的中心线重合，电位计的轴与小轴通过联轴器连接在一起，所述电位计用于测量主轴的转动角度。

所述大圆柱直齿轮和小圆柱直齿轮啮合形成圆柱直齿轮组进行传动，使得所述半模转窗机构可以实现±360°运动。

所述交流伺服电机与减速器直连后的轴线与主轴的轴线平行但不重合。所述主轴为中空轴。所述主轴和轴承座之间装入的一对圆锥滚子轴承采用面对面方式安装，所述一对键围绕主轴上下呈180度对称分布。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用高精度圆柱直齿轮组(小圆柱直齿轮和大圆柱直齿轮)传动，相比于加工困难、造价高的大中心距、高回转精度和传动效率的蜗轮蜗杆副，加工周期短，性价比高，可实现高回转精度、高传动效率以及圆周运动，这样的圆柱直齿轮组使得半模转窗机构可以实现±360°运动，可满足多种试验需求。

(2)本发明的机构半模转窗机构重心基本在连接座的根部(靠近右轴承盖)，可整体吊装，方便快速安装在原有试验段观察窗的窗台，安装、拆卸方便，有效减少了试验准备时间，提高了试验效率。

(3)本发明使用电位计直接测量主轴的转动角度，而主轴是与负载直接相连接，没有中间传动环节，省却了中间传动误差，因此反馈与测量模块可直接测量负载的实际转动角度，并把该角度值上传，由计算机根据程序执行相应反馈控制动作，提高攻角测量的准确性。圆柱直齿轮组传动配合采用电位计为核心的测量部分，实现攻角控制精度可达到±3′。

(4)本发明将直连后的交流伺服电机和减速器偏置，与主轴轴线平行而不重合，驱动直齿轮组带动主轴旋转，主轴采用中空轴设计，方便天平数据线、测压管路、传感器信号线等大量线缆、管路的布线，增加了布线可靠性，可满足多种试验需求。

(5)本发明在主轴支撑上设计了一对高精度、大载荷的标准圆锥滚子轴承，采用面对面方式安装，方便安装与拆卸，性价比好，能够承受作用在机构上的力和力矩。

附图说明：

图1为本发明超声速风洞的半模转窗机构结构示意图；

图2为本发明半模转窗机构的安装示意图；

具体实施方式：

本发明提供了一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，如图1所示，包括：支座1、大圆柱直齿轮2、交流伺服电机3、减速器4、电位计支座5、电位计6、压片7、联轴器8、小轴9、连接盖10、齿轮压盖11、小圆柱直齿轮12、键13、压紧盖14、压紧螺钉15、第一o形密封圈16、第二o形密封圈19、第三o形密封圈21、第四o形密封圈25、第一挡圈17、第二挡圈26、右轴承盖18、连接座20、轴承座22、圆锥滚子轴承23、左轴承盖24和主轴27；

本发明可分为三个模块：驱动传动模块、反馈与测量模块以及转动模块。其中，支座1、大圆柱直齿轮2、交流伺服电机3、减速器4、齿轮压盖11、小圆柱直齿轮12、压紧盖14和压紧螺钉15组成驱动传动模块；电位计支座5、电位计6、压片7、联轴器8、小轴9和连接盖10组成反馈与测量模块；第一o形密封圈16、第二o形密封圈19、第三o形密封囤21、第四o形密封圈25、第一挡圈17、第二挡圈26、右轴承盖18、连接座20、轴承座22、圆锥滚子轴承23、左轴承盖24和主轴27组成转动模块；

在主轴27和轴承座22之间装入一对圆锥滚子轴承23，使得主轴27、轴承座22和圆锥滚子轴承23紧密连接，这一对圆锥滚子轴承23采用面对面方式安装。第一o形密封圈16和两个第一挡囤17均安装在右轴承盖18内且两个第一挡圈17将第一o形密封圈16夹在当中，之后将右轴承盖18安装在圆锥滚子轴承23右侧；

第四o形密封圈25和两个第二挡圈26均安装在左轴承盖24内，且两个第二挡圈26将第四o形密封圈25夹在当中，之后将左轴承盖24安装在圆锥滚子轴承23左侧；左轴承盖24和右轴承盖18在将一对圆锥滚子轴承23轴向压紧；

轴承座22和连接座20连接在一起且轴承座22和连接座20之间由第二o形密封圈19进行密封，连接座20用于将所述半模转窗机构安装在超声速风洞上且连接座20和超声速风洞之间使用第三o形密封圈21进行密封；

小圆柱直齿轮12通过键13与主轴27相连，齿轮压盖11安装在主轴27上用于在轴向压紧小圆柱直齿轮12；将交流伺服电机3与减速器4直连后安装在支座1上，使用压紧螺钉15和压紧盖14将大圆柱直齿轮2压紧在减速器4伸出的轴上，再将支座1连接到轴承座22上；通过调节，使得大圆柱直齿轮2和小圆柱直齿轮12啮合，从而形成圆柱直齿轮组进行传动，使得所述半模转窗机构可以实现±360°运动。所述交流伺服电机3与减速器4直连后的轴线与主轴27的轴线平行但不重合，主轴27为中空轴。所述一对键13围绕主轴27上下呈180度对称分布。

将小轴9与连接盖10固连后安装在齿轮压盖11上，再将电位计6通过压片7安装在电位计支座5上，再将电位计支座5安装在支座1上，使得电位计6的中心线与小轴9的中心线重合，电位计6的轴与小轴9通过联轴器8连接在一起，所述电位计6用于测量主轴27的转动角度。

参见图1，采用交流伺服电机3、减速器4、圆柱直齿轮组(大圆柱直齿轮(2)和小圆柱直齿轮(12))等驱动传动模块和电位计支座5、电位计6、小轴9等组成的反馈与测量模块外置，剩余转动模块需前伸至试验段内并与原有试验段观察窗窗台相连接，本发明半模转窗机构的重心基本在连接座20的根部，即靠近右轴承盖18处，这样使得本发明半模转窗机构可以整体吊装，即可使用吊绳或者安装吊钩后直接起吊。请参见图2，起吊后，将机构通过螺钉28，安装在超声速风洞试验段外窗台29上，通过调节，使得主轴27的前端面与超声速风洞试验段内洞壁30的壁面齐平，完成安装。

拆卸时，将安装在超声速风洞试验段上的本发明上的螺钉28拆卸掉，然后使用吊车将机构吊至地面。

本发明使用电位计6直接测量主轴27的转动角度，而主轴27是直接与负载相连接，没有中间传动环节，省却了中间传动误差，因此反馈与测量模块可直接测量负载的实际转动角度，并把该角度值上传，由计算机根据程序执行相应反馈控制动作，提高攻角测量的准确性。

本发明采用圆柱直齿轮组(大圆柱直齿轮(2)和小圆柱直齿轮(12))进行传动，通过齿形修形与精密加工，可实现高回转精度、高传动效率以及圆周运动，使得半模转窗机构可以实现±360°运动，可满足多种试验需求，配合采用电位计6为核心的反馈与测量模块，可实现攻角控制精度可达到±3′。相比于目前传统采用的加工困难、造价高的大中心距、高回转精度的蜗轮蜗杆副，加工周期短，性价比高。

直连后的交流伺服电机3和减速器4偏置，使得其轴线与转动模块中心线(主轴27的轴线)平行而不重合，驱动直齿轮组带动主轴27旋转，主轴采用中空轴设计，方便天平数据线、测压管路、传感器信号线等大量线缆、管路的布线，增加了布线可靠性，可满足多种试验需求。

超声速试验状态下，要求密封性好。通过使用o形密封圈19、21，实现静密封；使用o形密封圈16、25、挡圈17和26实现动密封(即主轴转动的时候实现动态密封)，以保证良好的密封性要求，顺利建立流场并保证流场品质。

半模转窗机构承受的气动载荷复杂且量值较大，尤其是承受了较大的滚转力矩，为了将作用在半模转窗机构上的气动载荷传递到侧壁板上，在主轴27支撑上设计了一对高精度、大载荷的标准圆锥滚子轴承23，采用面对面方式安装，方便安装与拆卸，性价比好，能够承受作用在机构上的力和力矩。

经过标模试验以及实际项目试验测试，该发明实施例能够满足超声速状态下的半模型测力、测压等多种试验需求，可以实现±360°运动，攻角控制精度可达到±3′，安装、拆卸时间均为半小时左右，比起以往的三小时试验准备时间大大减少，提高了试验效率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (4)

1.一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，其特征在于包括：支座(1)、大圆柱直齿轮(2)、交流伺服电机(3)、减速器(4)、电位计支座(5)、电位计(6)、压片(7)、联轴器(8)、小轴(9)、连接盖(10)、齿轮压盖(11)、小圆柱直齿轮(12)、键(13)、压紧盖(14)、压紧螺钉(15)、第一o形密封圈(16)、第二o形密封圈(19)、第三o形密封圈(21)、第四o形密封圈(25)、第一挡圈(17)、第二挡圈(26)、右轴承盖(18)连接座(20)、轴承座(22)、圆锥滚子轴承(23)、左轴承盖(24)和主轴(27)；

在主轴(27)和轴承座(22)之间装入一对圆锥滚子轴承(23)，使得主轴(27)、轴承座(22)和圆锥滚子轴承(23)紧密连接，第一o形密封圈(16)和两个第一挡圈(17)均安装在右轴承盖(18)内且两个第一挡圈(17)将第一o形密封圈(16)夹在当中，之后将右轴承盖(18)安装在圆锥滚子轴承(23)右侧；

第四o形密封圈(25)和两个第二挡圈(26)均安装在左轴承盖(24)内，且两个第二挡圈(26)将第四o形密封圈(25)夹在当中，之后将左轴承盖(24)安装在圆锥滚子轴承(23)左侧；左轴承盖(24)和右轴承盖(18)在将一对圆锥滚子轴承(23)轴向压紧；

轴承座(22)和连接座(20)连接在一起且轴承座(22)和连接座(20)之间由第二o形密封圈(19)进行密封，连接座(20)用于将所述半模转窗机构安装在超声速风洞上且连接座(20)和超声速风洞之间使用第三o形密封圈(21)进行密封；

小圆柱直齿轮(12)通过一对键(13)与主轴(27)相连，齿轮压盖(11)安装在主轴(27)上用于在轴向压紧小圆柱直齿轮(12)；将交流伺服电机(3)与减速器(4)直连后安装在支座(1)上，使用压紧螺钉(15)和压紧盖(14)将大圆柱直齿轮(2)压紧在减速器(4)伸出的轴上，再将支座(1)连接到轴承座(22)上；

将小轴(9)与连接盖(10)固连后安装在齿轮压盖(11)上，再将电位计(6)通过压片(7)安装在电位计支座(5)上，再将电位计支座(5)安装在支座(1)上，使得电位计(6)的中心线与小轴(9)的中心线重合，电位计(6)的轴与小轴(9)通过联轴器(8)连接在一起，所述电位计(6)用于测量主轴(27)的转动角度；

所述大圆柱直齿轮(2)和小圆柱直齿轮(12)啮合形成圆柱直齿轮组进行传动，使得所述半模转窗机构可以实现±360°运动；所述一对键(13)围绕主轴(27)上下呈180度对称分布。

2.根据权利要求1所述一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，其特征在于：所述交流伺服电机(3)与减速器(4)直连后的轴线与主轴(27)的轴线平行但不重合。

3.根据权利要求1所述一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，其特征在于：所述主轴(27)为中空轴。

4.根据权利要求1所述一种应用于超声速风洞的半模转窗机构，其特征在于：所述主轴(27)和轴承座(22)之间装入的一对圆锥滚子轴承(23)采用面对面方式安装。