CN102889973A - 一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研制成本和试验成本均较低，精度高于现有常规高精度滚动力矩应变天平，能满足风洞模型在各种迎角状态下小滚转力矩风洞测量需要的基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置，包括单分量滚转力矩天平(200)、机械轴承支撑(100)，所述机械轴承支撑(100)包括壳体组件(101)、转动内套组件(102)和中心轴组件(103)，所述转动内套组件(102)用外圈轴承安装于壳体组件(101)内部，所述转动内套组件(102)用内圈轴承安装在所述中心轴组件(103)上，所述壳体组件(101)的前端固定有被测风洞模型(300)；所述中心轴组件(103)上安装有单分量滚转力矩天平(200)，并固定于模型支杆(400)上。

Description

一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置

技术领域

本发明属于风洞天平技术领域，涉及一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置。

背景技术

小滚转力矩试验技术在飞行器风洞试验中有着广泛和迫切的需求。有些导弹由于外附电缆罩、大攻角下非对称涡的出现、小不对称弹头和烧蚀外形等均会引起小滚转力矩。如何准确地测定此滚转力矩，为导弹的滚控设计提供依据非常重要，处理不当可能会引起由滚转力矩导致落点精度下降甚至是导弹损坏。

目前，小滚转力矩测量技术主要有：①采用应变天平直接测量模型的滚转力矩；②采用气体轴承、液体轴承支撑通过自由滚转的方法得出滚转力矩。

上述方法在国内外都有较为深入的研究和应用。其中，采用应变天平直接测量模型的滚转力矩是常见的方法，常用的应变天平包括六分量小滚转力矩天平、单分量小滚转力矩天平和气浮轴承小滚转力矩天平等。采用应变天平测量小滚转力矩通常遇到以下难题：为满足测量灵敏度需要，天平滚转力矩设计量程很小，很难与其它分量的设计量程匹配，这就会导致天平元件的整体刚度与滚转力矩元件灵敏度之间的矛盾，以及大轴向力作用下，滚转力矩元件的稳定性问题。为此，通常需要设计特殊结构的小滚转力矩天平或单分量小滚转力矩天平。但无论是特殊结构的六分量天平还是单分量天平，当滚转力矩量级较小，与其它分量差距过大时，设计上仍然很难克服其它分量的干扰，测量难度非常大。为满足更小量级的滚转力矩测量，常采用气浮轴承小滚转力矩天平。这种天平由气浮轴承和单分量滚转力矩天平组成。理论上，这种天平用气浮轴承支撑模型，承受了除滚转力矩以外的全部载荷，仅将滚转力矩传递给单分量滚转力矩天平，其灵敏度可是设计得很高。不过，由于气浮轴承的内外环之间存在气隙，当迎角不为零时，在复杂载荷下，气隙会发生变化，测量精度会受到较大影响。并且，性能良好的气浮轴承往往结构较复杂，对加工要求非常高。

另外一种可靠的方法是模型自由滚转的方法。这种方法以气浮轴承或液体轴承支撑模型，利用这些轴承滚转阻尼非常小的特点，使模型自由滚转，利用光学测量系统测出模型转速的时间历程，由此计算出滚转力矩。这种方法的测量精度非常高，不过为获得模型自由滚转的时间历程，需要的试验时间非常长，试验成本很高。

为此，需研制一种研制成本和试验成本均较低，精度高于现有常规高精度滚动力矩应变天平，能满足模型在各种迎角状态下小滚转力矩风洞测量需要的高精度滚转力矩测量装置。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种研制成本和试验成本均较低，精度高于现有常规高精度滚动力矩应变天平，能满足风洞模型在各种迎角状态下小滚转力矩风洞测量需要的基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置。

本发明的技术解决方案是：

一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置，用于对风洞模型进行滚转力矩测量，包括单分量滚转力矩天平、机械轴承支撑，所述机械轴承支撑包括壳体组件、转动内套组件和中心轴组件，所述转动内套组件用外圈轴承安装于壳体组件内部，所述转动内套组件用内圈轴承安装在所述中心轴组件上，所述壳体组件的前端固定有被测风洞模型；所述中心轴组件上安装有单分量滚转力矩天平，并固定于模型支杆上。

在上述滚转力矩测量装置中，所述壳体组件包括壳体和后端盖，所述壳体的前端封闭且加工有前锥，用于固定所述风洞模型；所述壳体的后端开口，且与所述后端盖相连；所述壳体内部安装有所述外圈轴承；所述后端盖的后端与所述单分量滚转力矩天平测量端相连。

在上述滚转力矩测量装置中，所述转动内套组件利用偶数个外圈轴承支撑于所述壳体组件内；所述中心轴组件利用偶数个内圈轴承安装于所述转动内套组件中，所述外圈轴承与所述内圈轴承一一对应，沿轴向等距安装。

在上述滚转力矩测量装置中，所述转动内套组件包括用于安装所述外圈轴承和所述内圈轴承的偶数个转动内套、安装于转动内套间的换向轮以及安装于所述转动内套前端并与电机相连的前端盖，所述转动内套的外圈上安装有与所述壳体组件共用的外圈轴承；所述转动内套的内圈上安装有与所述中心轴组件共用的内圈轴承。

在上述滚转力矩测量装置中，所述中心轴组件为一体结构，分为前段中心轴和后段中心轴；所述前段中心轴的外圈固定有多个与转动内套组件共用的内圈轴承；所述后段中心轴套装有所述单分量滚转力矩天平，并与所述模型支杆连接；所述中心轴组件内腔为通孔，前部用于安装电机，后部用于走电机线和霍尔元件数据线。

在上述滚转力矩测量装置中，所述单分量滚转力矩天平为整体加工的镂空结构，包括天平测量端、限位结构、弹性元件和固定端；所述天平测量端和所述固定端为中空的圆柱体，分别位于所述单分量滚转力矩天平结构的两端，所述天平测量端和所述固定端中间由多片均布的弹性元件连接，多片限位结构均匀分布于弹性元件之间，且与固定端连接；弹性元件与天平测量端之间采用弹性铰链结构连接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明由机械轴承支撑和单分量滚转力矩天平组成。机械轴承支撑的壳体组件通过外圈轴承、转动内套组件及内圈轴承支撑在中心轴组件上，有很好的刚性，能够承受较大范围内的径向载荷和轴向载荷，并消除这些载荷对滚转力矩测量的影响，能满足风洞模型迎角不为零时的小滚转力矩测量；外圈轴承在电机、转动内套和换向轮组成的驱动、传动和换向机构作用下两两等速反向转动，实现摩擦阻尼的抵消，减少轴承摩擦阻尼对小滚转力矩测量的干扰；单分量滚转力矩天平可精确测量风洞模型的微小滚转力矩，能够卸除因轴承间隙引起机械轴承支撑的浮动壳体组件位移对天平滚转力矩测量的干扰，并采用限位结构防止模型安装或实验过程中滚转力矩过大时弹性元件变形过大而导致损坏。整套装置研制成本较低，测量精度介于小滚转力矩应变天平与气浮轴承小滚转力矩天平之间，能够实现迎角不为零时的小滚转力矩高精度测量，试验时间和试验成本远低于模型自由滚转方法的滚转阻尼测量方式。

附图说明

图1为本发明在风洞中的装配示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为机械轴承支撑结构示意图；

图4为壳体组件结构及其与外圈轴承的装配示意图；

图5为转动内套组件结构及其与轴承的装配示意图；

图6为中心轴组件结构及其与内圈轴承的装配示意图；

图7为单分量滚转力矩天平结构示意图；

图8为单分量滚转力矩天平弹性铰链结构示意图；

图中：100、机械轴承支撑，200、单分量滚转力矩天平，300、风洞模型，400、模型支杆；101、壳体组件，102、转动内套组件，103、中心轴组件；1011、壳体，1012、后端盖；1021、转动内套，1022、换向轮，1023、转动内套前端盖；1031、前段中心轴，1032、后段中心轴；201、天平测量端，202、限位结构，203、弹性元件，204、固定端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，本发明基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置包括机械轴承支撑100和单分量滚转力矩天平200。试验时，机械轴承支撑100的壳体组件101前端与被测风洞模型300固定。机械轴承支撑100的中心轴组件103后端与模型支杆400固定，将本装置及被测风洞模型300一起固定在风洞中。其中，机械轴承支撑100用于承担所有径向载荷和轴向载荷，并克服这些载荷对滚转力矩测量的影响。单分量滚转力矩天平200用于测量滚转力矩，对滚转力矩有足够灵敏度，以满足小滚转力矩的高精度测量。

如图2所示，单分量滚转力矩天平200的测量端201与机械轴承支撑100的壳体组件101的后端盖1012固定，固定端202与机械轴承支撑100的中心轴组件103的中心轴后段1032固定。

机械轴承支撑100在试验中支撑风洞模型300，将风洞模型300所受到的全部径向空气动力载荷和轴向空气动力载荷传递给模型支杆400，在尽可能少损失的情况下将滚转力矩载荷传递给单分量滚转力矩天平200，从而消除径向空气动力载荷和轴向空气动力载荷对滚转力矩测量的影响，实现滚转力矩的高精度测量。

如图3所示，所述的机械轴承支撑100包括壳体组件101、转动内套组件102、中心轴组件103。

进一步，如图4所示，所述壳体组件101包括壳体1011和后端盖1012。壳体1011为前端封闭后端开口的圆筒，前端面加工有用于固定所述风洞模型300的锥，后端与后端盖1012固定。壳体1011内腔等距安装有偶数个外圈轴承，将壳体组件101支撑在转动内套组件102上。后端盖1012上安装有顶丝，用于在风洞模型300与本装置安装过程中拧入中心轴组件103，防止壳体组件101相对中心轴103转动，使单分量滚转力矩天平200超载而损坏天平。

如图5所示，所述转动内套组件102包括转动内套1021、换向轮1022和转动内套前端盖1023。转动内套1021的数量为偶数个，相邻的两个转动内套1021之间安装有换向轮1022。转动内套前端盖1023通过联轴器与电机相连，将电机的转动输出传递给最前面的转动内套1021，带动其转动。换向轮1022为摩擦轮，安装在中心轴组件103上，外表面与转动内套1021采用锥形摩擦面配合，用于使相邻的转动内套1021逆向旋转。每个转动内套1021外径安装有一个外圈轴承，内径安装有一个内圈轴承。

如图6所示，所述中心轴组件103为一体结构，根据功能分为前段中心轴1031和后段中心轴1032。前段中心轴1031上等距安装内圈轴承，将转动内套组件102支撑在中心轴组件103上。前段中心轴1031后端上安装有霍尔元件，在最后一个转动内套1021内径对应位置安装有磁铁，用于监控试验过程中转动内套1021是否相对中心轴组件103转动。后段中心轴1032上套装有单分量滚转力矩天平200，后端与模型支杆400连接。中心轴组件103内腔为通孔，前部用于安装电机，后部用于走电机线和霍尔元件数据线。

试验时，风洞模型300所受到的空气动力载荷传递给机械轴承支撑100的壳体组件101。由于壳体组件101通过外圈轴承支撑在转动内套组件102上，转动内套组件102通过相同数量的内圈轴承支撑在中心轴组件103上，全部径向空气动力载荷和轴向空气动力载荷通过外国轴承、转动内套、内圈轴承和中心轴组件103传递给模型支杆400，使单分量滚转力矩天平200的测量不受径向空气动力载荷和轴向空气动力载荷的影响。由于转动内套1021在电机驱动下转动，带动轴承转动，使轴承的摩擦阻尼变成较静摩擦阻尼小得多的动摩擦阻尼。进一步的在换向轮1022作用下，相邻转动内套1021及对应轴承旋转方向相反，转速相等，使轴承摩擦阻尼量值相等，方向相反，基本相互抵消，从而克服轴承摩擦阻尼对滚转力矩测量的影响，提高滚转力矩测量精度。

所述单分量滚转力矩天平200可精确测量风洞模型的微小滚转力矩，能够卸除因轴承间隙引起机械轴承支撑100的壳体组件101的位移对天平滚转力矩测量的干扰，并进一步采用限位结构202防止模型安装或实验过程中滚转力矩过大时弹性元件变形过大而导致损坏。如图7所示，单分量滚转力矩天平200为整体加工的镂空结构，根据功能分为天平测量端201、限位结构202、弹性元件203、固定端204。天平测量端201和固定端204为中空的圆柱体，分别位于天平两端，中间采用均布的弹性元件203连接。限位结构202设置在两片弹性元件203之间，前端悬空，后端与固定端204连接，两侧与弹性元件203的间隙为弹性元件203的最大允许变形量，既保证不影响弹性元件203在试验中的正常变形而影响正常测量，又防止弹性元件203变形过大而损坏天平。进一步的，所述弹性元件203与天平测量端201之间采用弹性铰链结构连接，如图8所示，弹性铰链结构在径向、轴向上均很薄，周向较宽，实现滚转力矩传递的同时对径向、轴向载荷的卸载。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置，用于对风洞模型(300)进行滚转力矩测量，包括单分量滚转力矩天平(200)、机械轴承支撑(100)，其特征在于，所述机械轴承支撑(100)包括壳体组件(101)、转动内套组件(102)和中心轴组件(103)，所述转动内套组件(102)用外圈轴承安装于壳体组件(101)内部，所述转动内套组件(102)用内圈轴承安装在所述中心轴组件(103)上，所述壳体组件(101)的前端固定有被测风洞模型(300)；所述中心轴组件(103)上安装有单分量滚转力矩天平(200)，并固定于模型支杆(400)上。

2.如权利要求1所述的一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置，其特征在于：所述壳体组件(101)包括壳体(1011)和后端盖(1012)，所述壳体(1011)的前端封闭且加工有前锥，用于固定所述风洞模型(300)；所述壳体(1011)的后端开口，且与所述后端盖(1012)相连；所述壳体(1011)内部安装有所述外圈轴承；所述后端盖(1012)的后端与所述单分量滚转力矩天平(200)测量端相连。

3.如权利要求1所述的一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置，其特征在于：所述转动内套组件(102)利用偶数个外圈轴承支撑于所述壳体组件(101)内；所述中心轴组件(103)利用偶数个内圈轴承安装于所述转动内套组件(102)中，所述外圈轴承与所述内圈轴承一一对应，沿轴向等距安装。

4.如权利要求3所述的一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置，其特征在于：所述转动内套组件(102)包括用于安装所述外圈轴承和所述内圈轴承的偶数个转动内套(1021)、安装于转动内套(1021)间的换向轮(1022)以及安装于所述转动内套(1021)前端并与电机相连的前端盖(1023)，所述转动内套(1021)的外圈上安装有与所述壳体组件(101)共用的外圈轴承；所述转动内套(1021)的内圈上安装有与所述中心轴组件(103)共用的内圈轴承。

5.如权利要求1或4所述一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置，其特征在于：所述中心轴组件(103)为一体结构，分为前段中心轴(1031)和后段中心轴(1032)；所述前段中心轴(1031)的外圈固定有多个与转动内套组件(102)共用的内圈轴承；所述后段中心轴(1032)套装有所述单分量滚转力矩天平(200)，并与所述模型支杆(400)连接；所述中心轴组件103内腔为通孔，前部用于安装电机，后部用于走电机线和霍尔元件数据线。

6.如权利要求1所述的一种基于机械轴承支撑的高精度滚转力矩测量装置，其特征在于：所述单分量滚转力矩天平(200)为整体加工的镂空结构，包括天平测量端(201)、限位结构(202)、弹性元件(203)和固定端(204)；所述天平测量端(201)和所述固定端(201)为中空的圆柱体，分别位于所述单分量滚转力矩天平(200)结构的两端，所述天平测量端(201)和所述固定端(201)中间由多片均布的弹性元件(203)连接，多片限位结构(202)均匀分布于弹性元件(203)之间，且与固定端(201)连接；弹性元件(203)与天平测量端(201)之间采用弹性铰链结构连接。

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