CN104316229A - 一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，属于测力技术领域，包括驱动电机、螺旋桨、底板以及轴承座。螺旋桨设置有主轴，主轴远离螺旋桨的一端穿过轴承座，并与驱动电机的输出轴通过动态扭矩传感器同轴传动连接，动态扭矩传感器与底板固定连接。轴承座上设置有拉压力传感器，拉压力传感器与底板通过连接件连接，轴承座与底板滑动连接。本发明提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置能够同时测量螺旋桨转动产生的动态拉力和扭矩，结构简单，成本较低，测量精度高，安装与维护方便。

Description

一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置

技术领域

本发明涉及测力技术领域，具体而言，涉及一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置。

背景技术

空气螺旋桨是把航空发动机的动力转化为飞行器推进力的工具，在飞行器研究和设计过程中，螺旋桨的拉力和扭矩数据是其气动参数辨识的重要输入条件，一般通过风洞试验或车载试验模拟飞行工况，测量螺旋桨的气动性能数据，为研究和设计工作提供依据。

在车载试验进行螺旋桨的动态特性测试时，往往采用天平机构或者复合拉扭传感器。常规天平机构和复合拉扭传感器主要用于静态拉力和扭矩测量，一般只能安装于螺旋桨驱动电机底部或后方，测量整个螺旋桨推进系统的拉力和扭矩，安装于螺旋桨与驱动电机之间，测量螺旋桨传动轴的轴向力和扭矩时，无法解决旋转信号如何转化为非旋转信号的问题。但是在进行车载试验时，推进系统部件受到外界条件干扰会有强烈振动和加速度变化，并且螺旋桨驱动电机质量较大，对于天平机构或复合拉扭传感器影响较大，严重影响测量精度，导致测量精度较低。

发明内容

本发明提供了一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，旨在改善现有的螺旋桨拉力和扭矩测量装置在车载试验中，由于螺旋桨驱动电机等推进系统部件振动和加减速对测量结果的影响，导致测量精度较低的问题。

本发明是这样实现的：

一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，包括驱动电机、螺旋桨、底板以及轴承座；

所述螺旋桨设置有主轴，所述主轴远离所述螺旋桨的一端穿过所述轴承座，并与所述驱动电机的输出轴通过动态扭矩传感器同轴传动连接；

所述主轴与所述动态扭矩传感器的输出轴通过主轴联轴器连接，所述主轴远离所述螺旋桨的一端设置有花键，所述主轴联轴器设置有与所述花键配合的键槽，所述动态扭矩传感器与所述底板固定连接；

所述轴承座上设置有拉压力传感器，所述拉压力传感器与所述底板通过连接件连接，所述轴承座与所述底板滑动连接。

进一步地，所述动态扭矩传感器与所述驱动电机的输出轴通过电机联轴器连接。通过设置所述电机联轴器，能够很好地将所述动态扭矩传感器与所述驱动电机的输出轴同轴连接，保证了二者的同轴度。

进一步地，所述轴承座设置有两个轴承，所述轴承的内圈设置有紧定螺钉孔，两个所述轴承分别通过紧定螺钉与所述主轴连接。通过在所述轴承座设置两个所述轴承，并且在所述轴承的内圈设置所述紧定螺钉孔，将所述轴承与所述主轴通过所述紧定螺钉连接，使所述螺旋桨在转动时产生的动态拉力拉动所述主轴，而所述主轴与所述轴承通过所述紧定螺钉连接，那么所述主轴能够带动所述轴承座相应的运动，动态拉力经所述轴承座的传递能够作用于所述拉压力传感器上。

进一步地，所述轴承座的底端设置有盖板，所述盖板的下侧设置有滑块，所述底板上设置有与所述主轴的轴线方向平行的滑轨，所述滑块与所述滑轨滑动连接。通过设置所述滑块和所述滑轨，使所述螺旋桨转动产生的动态拉力传递至所述轴承座时，所述轴承座能够沿着所述滑轨在所述底板上滑动。保证了所述轴承座沿着动态拉力的方向运动。

进一步地，所述滑轨为两条，所述滑块为四个，且为两两对称设置。通过将所述滑轨设置为两条，所述滑块设置为两两对称的四个，使所述滑块与所述滑轨的滑动效果更好，进一步保证了所述轴承座沿着动态拉力的方向运动。

进一步地，所述拉压力传感器设置于所述轴承座的一侧，并且与所述主轴的轴线方向平行设置。使所述螺旋桨转动时产生的动态拉力能够平行地作用于所述拉压力传感器上。

进一步地，所述连接件为L形，所述连接件的L形的一边与所述拉压力传感器连接，另一边与所述底板连接。通过将所述连接件设置为L形，使所述拉压力传感器能够通过所述连接件固定于所述底板上，所述螺旋桨转动产生的动态拉力作用于所述拉压力传感器时，所述拉压力传感器能够产生形变，进而对动态拉力进行测量。

进一步地，所述螺旋桨通过螺旋桨连接件以及螺旋桨挡片与所述主轴连接，所述螺旋桨连接件与所述螺旋桨挡片分别位于所述螺旋桨相对的两侧，所述螺旋桨连接件位于所述螺旋桨与所述主轴之间。通过设置所述螺旋桨连接件和所述螺旋桨挡片，使所述螺旋桨能够很好地固定于所述螺旋桨连接件和所述螺旋桨挡片之间，并与所述主轴连接，确保了所述螺旋桨与所述主轴的同轴度。

本发明提供了一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，在这种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置上设置了驱动电机、螺旋桨、底板以及轴承座。螺旋桨设置有主轴，主轴远离螺旋桨的一端穿过轴承座，并与驱动电机的输出轴通过动态扭矩传感器同轴传动连接。主轴与动态扭矩传感器的输出轴通过主轴联轴器连接，主轴远离螺旋桨的一端设置有花键，主轴联轴器设置有与花键配合的键槽，动态扭矩传感器与底板固定连接。轴承座上设置有拉压力传感器，拉压力传感器与底板通过连接件连接，轴承座与底板滑动连接。

在使用这种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置时，首先将这种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置安装于汽车上，然后启动驱动电机，驱动电机的输出轴转动，并通过动态扭矩传感器带动螺旋桨的主轴转动，从而带动螺旋桨转动。动态扭矩传感器测量螺旋桨转动的扭矩。

螺旋桨在转动过程中会产生沿主轴的轴向的动态拉力，又由于主轴上的花键与主轴联轴器上的键槽配合，支撑主轴的轴承座与底座滑动连接，使得主轴能够沿着轴线方向运动，该动态拉力通过主轴以及轴承座的传递作用于拉压力传感器上，使拉压力传感器的内部应变片产生相应的变形。拉压力传感器测量螺旋桨转动时产生的动态拉力。

本发明提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置在车载试验测量螺旋桨的动态拉力和扭矩时，螺旋桨既能够转动，同时又能够沿着主轴的轴线方向移动，因此能够同时测量螺旋桨转动产生的动态拉力和扭矩，并且由于动态扭矩传感器和拉压力传感器设置于驱动电机与待测螺旋桨之间，降低了车载试验中驱动电机等推进系统部件的振动和加速度对测量结果精度的影响，提高了测量精度。本发明提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置结构简单，成本较低，测量精度高，安装与维护方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置在进行车载试验上时安装于汽车上的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的主轴的花键的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的轴承座的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的底板的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的螺旋桨的分解结构示意图。

附图标记汇总：

101-驱动电机；102-螺旋桨；103-主轴；104-动态扭矩传感器；105-电机联轴器；106-主轴联轴器；107-花键；108-键槽；109-螺旋桨连接件；110-螺旋桨挡片；

201-底板；202-轴承座；203-拉压力传感器；204-连接件；205-轴承；206-紧定螺钉孔；207-盖板；208-滑块；209-滑轨；

301-汽车。

具体实施方式

空气螺旋桨是把航空发动机的动力转化为飞行器推进力的工具，在飞行器研究和设计过程中，螺旋桨的拉力和扭矩数据是其气动参数辨识的重要输入条件，一般通过风洞试验或车载试验模拟飞行工况，测量螺旋桨的气动性能数据，为研究和设计工作提供依据。

本发明的发明人在利用车载试验进行螺旋桨的动态特性测试时发现，如果采用常规的天平机构和复合拉扭传感器来进行拉力和扭矩的测量，一般只能安装于螺旋桨驱动电机底部或后方，测量整个螺旋桨推进系统的拉力和扭矩，安装于螺旋桨与驱动电机之间，测量螺旋桨传动轴的轴向力和扭矩时，无法解决旋转信号如何转化为非旋转信号的问题。但是在进行车载试验时，推进系统部件受到外界条件干扰会有强烈振动和加速度变化，并且螺旋桨驱动电机质量较大，对于天平机构或复合拉扭传感器影响较大，严重影响测量精度，导致测量精度较低。

鉴于此，本发明的发明人设计了一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，将动态扭矩传感器104和拉压力传感器203组合起来，并且设置于驱动电机101与待测螺旋桨102之间，不仅能够同时测量螺旋桨102转动产生的动态拉力和扭矩，而且降低了车载试验中驱动电机101等推进系统部件的振动和加速度对测量结果精度的影响，提高了测量精度。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置在进行车载试验上时安装于汽车301上的结构示意图；图3为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的主轴的花键的结构示意图；请参阅图1～图3，本发明实施例提供了一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，主要应用于车载试验中，对螺旋桨进行动态拉力和扭矩的测量。

该螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置包括驱动电机101、螺旋桨102、底板201以及轴承座202。

螺旋桨102设置有主轴103，主轴103远离螺旋桨102的一端穿过轴承座202，并与驱动电机101的输出轴通过动态扭矩传感器104同轴传动连接。

主轴103与动态扭矩传感器104的输出轴通过主轴联轴器106连接，主轴103远离螺旋桨102的一端设置有花键107，主轴联轴器106设置有与花键107配合的键槽108。动态扭矩传感器104与底板201固定连接。

轴承座202上设置有拉压力传感器203，拉压力传感器203与底板201通过连接件204连接，轴承座202与底板201滑动连接。

通过设置花键107和键槽108，确保了主轴103与主轴联轴器106的同轴连接，并且螺旋桨102在转动的同时，又能够沿着主轴103的轴线方向移动。而且轴向相对运动时的摩擦力小，因此对测量精度的影响非常小。

在上述实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的技术方案的基础上，进一步地，请参阅图1，动态扭矩传感器104与驱动电机101的输出轴通过电机联轴器105连接。通过设置电机联轴器105，能够很好地将动态扭矩传感器104与驱动电机101的输出轴同轴连接，保证了二者的同轴度。

拉压力传感器203端面平滑，带有内螺旋纹连接孔，同时根据螺旋桨102的拉力和扭矩大小选择合适的量程。

图4为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的轴承座202的结构示意图；请参阅图1和图4，轴承座202设置有两个轴承205，即双轴承座。作为优选，轴承205采用的是深沟球轴承，轴承205的内圈设置有紧定螺钉孔206，两个轴承205分别通过紧定螺钉与主轴103连接。

通过在轴承座202设置两个轴承205，并且在轴承205的内圈设置紧定螺钉孔206，将轴承205与主轴103通过紧定螺钉连接，使螺旋桨102在转动时产生的动态拉力拉动主轴103，而主轴103与轴承205通过紧定螺钉连接，那么主轴103能够带动轴承座202相应的运动，动态拉力经轴承座202的传递能够作用于拉压力传感器203上。

图5为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的底板201的结构示意图；请参阅图1和图5，轴承座202的底端设置有盖板207，盖板207的下侧设置有滑块208，底板201上设置有与主轴103的轴线方向平行的滑轨209，滑块208与滑轨209滑动连接。

通过设置滑块208和滑轨209，使螺旋桨102转动产生的动态拉力传递至轴承座202时，轴承座202能够沿着滑轨209在底板201上滑动。保证了轴承座202沿着动态拉力的方向运动。

请参阅图1和图5，滑轨209为两条，且相互平行；滑块208为四个，且为两两对称设置。通过将滑轨209设置为两条，滑块208设置为两两对称的四个，使滑块208与滑轨209的滑动效果更好，进一步保证了轴承座202沿着动态拉力的方向运动。

两条平行的滑轨209分别与两个滑块208采用燕尾滑槽结构相互配合，因此盖板207以及其上方的部件的相对位移自由度被限制在主轴103的轴向方向。

拉压力传感器203设置于轴承座202的一侧，并且与主轴103的轴线方向平行设置。使螺旋桨102转动时产生的动态拉力能够平行地作用于拉压力传感器203上。

滑轨209和滑块208根据轴承座202及主轴103等部件的重量采用合适的预压配合，有利于提高滑轨209的刚性和滑轨209和滑块208之间的间隙。

请参阅图1和图5，连接件204为L形，连接件204的L形的一边与拉压力传感器203连接，另一边与底板201连接。通过将连接件204设置为L形，使拉压力传感器203能够通过连接件204固定于底板201上，螺旋桨102转动产生的动态拉力作用于拉压力传感器203时，拉压力传感器203能够产生形变，进而对动态拉力进行测量。

图6为本发明实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置的螺旋桨102的分解结构示意图；请参阅图1和图6，螺旋桨102通过螺旋桨连接件109以及螺旋桨挡片110与主轴103连接，螺旋桨连接件109与螺旋桨挡片110分别位于螺旋桨102相对的两侧，螺旋桨连接件109位于螺旋桨102与主轴103之间。

请参阅图6，螺旋桨连接件109、螺旋桨102的桨毂以及螺旋桨挡片110上均设置有多个用于连接的孔。螺旋桨连接件109上的孔、螺旋桨102的桨毂上的孔以及螺旋桨挡片110上的孔分别一一对应，通过螺钉和螺母组装，固定并保护螺旋桨102的桨毂。螺旋桨连接件109远离螺旋桨102的一侧设置有轴套，轴套与主轴103相互配合，保证了同轴度，同时通过螺钉将螺旋桨连接件109上的孔与主轴103端面的螺纹孔相连。

通过设置螺旋桨连接件109和螺旋桨挡片110，使螺旋桨102能够很好地固定于螺旋桨连接件109和螺旋桨挡片110之间，并与主轴103连接，确保了螺旋桨102与主轴103的同轴度。

请参阅图5，螺旋桨102转动产生的动态拉力(图示中表示为F)由于力的传递性，通过螺旋桨连接件109、主轴103、轴承座202、盖板207以及滑块208，最终作用于拉压力传感器203，并与拉压力传感器203受到的作用力(图示中表示为F’)大小相等方向相反。

动态扭矩传感器104和拉压力传感器203均通过数据采集卡与电脑相连，数据采集卡将动态扭矩传感器104和拉压力传感器203的扭矩和拉力的测量数据传输给电脑进行存储和处理。

在使用这种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置时，首先将这种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置安装于汽车301上，然后启动驱动电机101，驱动电机101的输出轴转动，并通过动态扭矩传感器104带动螺旋桨102的主轴103转动，从而带动螺旋桨102转动。动态扭矩传感器104测量螺旋桨102转动的扭矩。

螺旋桨102在转动过程中会产生沿主轴103的轴向的动态拉力，又由于主轴103上的花键107与主轴联轴器106上的键槽108配合，支撑主轴103的轴承座202与底板201滑动连接，使得主轴103能够沿着轴线方向运动，该动态拉力通过主轴103以及轴承座202的传递作用于拉压力传感器203上，使拉压力传感器203的内部应变片产生相应的变形。拉压力传感器203测量螺旋桨102转动时的动态拉力。

本实施例提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置在车载试验测量螺旋桨102的动态拉力和扭矩时，螺旋桨102既能够转动，同时又能够沿着主轴103的轴线方向移动，因此能够同时测量螺旋桨102转动产生的动态拉力和扭矩，并且由于动态扭矩传感器104和拉压力传感器203设置于驱动电机101与待测螺旋桨102之间，降低了车载试验中驱动电机101等推进系统部件的振动和加速度对测量结果精度的影响，提高了测量精度。本发明提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置结构简单，成本较低，测量精度高，安装与维护方便。

当然，本发明提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置不仅适用于车载试验，也可以运用于飞行试验，结构简单，成本较低，测量精度高，避免试验中驱动电机101等推进系统部件振动和加减速对测量结果的影响。

经过大量试验证明，本发明提供的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置在1米标准螺旋桨102的静拉力实验中使用，与风洞中应变天平测量数据对比，平均相对误差在5％以内，说明本发明可行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，其特征在于，包括驱动电机、螺旋桨、底板以及轴承座；

所述螺旋桨设置有主轴，所述主轴远离所述螺旋桨的一端穿过所述轴承座，并与所述驱动电机的输出轴通过动态扭矩传感器同轴传动连接；

所述主轴与所述动态扭矩传感器的输出轴通过主轴联轴器连接，所述主轴远离所述螺旋桨的一端设置有花键，所述主轴联轴器设置有与所述花键配合的键槽，所述动态扭矩传感器与所述底板固定连接；

所述轴承座上设置有拉压力传感器，所述拉压力传感器与所述底板通过连接件连接，所述轴承座与所述底板滑动连接。

2.根据权利要求1所述的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，其特征在于，所述动态扭矩传感器与所述驱动电机的输出轴通过电机联轴器连接。

3.根据权利要求1所述的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，其特征在于，所述轴承座设置有两个轴承，所述轴承的内圈设置有紧定螺钉孔，两个所述轴承分别通过紧定螺钉与所述主轴连接。

4.根据权利要求1所述的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，其特征在于，所述轴承座的底端设置有盖板，所述盖板的下侧设置有滑块，所述底板上设置有与所述主轴的轴线方向平行的滑轨，所述滑块与所述滑轨滑动连接。

5.根据权利要求4所述的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，其特征在于，所述滑轨为两条，所述滑块为四个，且为两两对称设置。

6.根据权利要求1所述的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，其特征在于，所述拉压力传感器设置于所述轴承座的一侧，并且与所述主轴的轴线方向平行设置。

7.根据权利要求1所述的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，其特征在于，所述连接件为L形，所述连接件的L形的一边与所述拉压力传感器连接，另一边与所述底板连接。

8.根据权利要求1所述的螺旋桨动态拉力和扭矩复合测量装置，其特征在于，所述螺旋桨通过螺旋桨连接件以及螺旋桨挡片与所述主轴连接，所述螺旋桨连接件与所述螺旋桨挡片分别位于所述螺旋桨相对的两侧，所述螺旋桨连接件位于所述螺旋桨与所述主轴之间。