CN108082540B - 一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，涉及一种三维零重力模拟装置。为了解决现有的空间微重力模拟方法和装置存在摩擦或阻力、紊流影响飞行器微重力模拟的精度的问题。本发明的平面气足与气浮托板之间能够形成气膜；外壳设置在平面气足上，两个水平弹簧对称设置在外壳的内侧壁上；两个刀形凸轮一端分别通过铰接件对称设置在外壳的内侧壁上，两个刀形凸轮的另一端或者中部通过铰链连和连接件连接两个水平弹簧；承载主轴连接滚轮臂，滚轮臂的两端分别设有滚轮，两个滚轮分别接触两个刀形凸轮的弓背部，竖直主弹簧套在承载主轴上，且竖直主弹簧的两端分别顶住滚轮臂和弹簧隔板。本发明适用于飞行器三维零重力模拟试验。

Description

一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模 拟装置

技术领域

本发明涉及一种三维零重力模拟装置。

背景技术

由于空间实验耗资巨大，因而一般在空间飞行器实验前，为了保证升空后的各种设备正常工作，并达到所要求的性能指标，在升空前要在地面进行大量的预先研究。空间微重力模拟是随着空间技术的发展而出现的一个新领域，随之成为各空间大国相继关注的主要技术之一，经过几十年的发展，相续出现了落塔法、悬吊法、水浮法和气浮法等，微重力实验。

落塔法不仅造价昂贵，且空间飞行器的尺寸受到限制，通用性差，更为关键的是单次微重力实验时间过短从而造成对于飞行器的各种设备的性能指标无法较好考核。

水浮法的优点为可以实现三维空间的微重力试验，且试验时间不受限制。其缺点为容易受水的阻力和紊流的影响，影响了飞行器的模拟精度，且飞行器原型样机不能直接放在水中，须做专门防水处理。而且维护成本非常高，同时要求试验期间的密封性非常好。广泛使用。

悬吊法支撑绳索的析架机构复杂，占地空间大，水平运动摩擦大，严重影响试验精度。气浮法只能模拟平面的微低重力，无法进行空间三维零重力模拟。

发明内容

本发明为了解决现有的空间微重力模拟方法和装置存在摩擦或阻力、紊流影响飞行器微重力模拟的精度的问题和飞行器的处理和维护成本高的问题。

一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，包括：正负刚度组合弹簧组件、平面气足和气浮托板；

平面气足中心设有气足板通孔，气浮托板中心设有托板通孔；平面气足上设有若干个节流孔，且平面气足内设有气腔，供气后，压缩气体从节流孔中流出，在平面气足与气浮托板之间形成气膜，平面气足与气浮托板配合工作；

正负刚度组合弹簧组件包括外壳、两个水平弹簧、两个刀形凸轮、竖直主弹簧和承载主轴；外壳设置在平面气足上，外壳内部与平面气足构成内部腔体；外壳内部设置一个弹簧隔板，弹簧隔板将内部腔体分隔为上部腔体和下部腔体；两个水平弹簧对称设置在上部腔体内部、外壳的内侧壁上，两个水平弹簧相对的端头上分别设置连接件；

两个刀形凸轮的一端分别通过铰接件对称设置在外壳的内侧壁上，两个刀形凸轮的另一端或者中部通过铰链连接到连接件上；

承载主轴的一端连接到滚轮臂的中部，滚轮臂的两端分别设有滚轮，两个滚轮分别接触两个刀形凸轮的弓背部，能够沿着刀形凸轮的弓背部滚动；弹簧隔板上设有隔板通孔；竖直主弹簧套在承载主轴上，且竖直主弹簧的两端分别顶住滚轮臂和弹簧隔板，即竖直主弹簧位于滚轮臂和弹簧隔板之间；竖直主弹簧有一个初始压缩量；承载主轴的另一端从隔板通孔、气足板通孔和托板通孔伸出。

进一步地，所述平面气足上设有8个节流孔。

进一步地，所述节流孔的直径为0.2mm。

进一步地，所述的平面气足供入压缩气体的压力为0.3MPa～0.6MPa。

进一步地，所述的气足板通孔的直径小于托板通孔的直径。所述的气足板通孔的直径为40mm。所述的托板通孔的直径为100mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明正负刚度组合弹簧组件提供竖向零重力运动模拟，平面气足提供水平方向二维零重力运动模拟，气悬浮技术提供二维超低摩擦运动，使得摩擦几乎可以忽略，近似为0，能够极大的提高实验精度。所以应用本发明既克服了悬吊法存在的水平运动摩擦大、严重影响试验精度的问题和水浮法存在的水阻力、紊流的影响飞行器的模拟精度的问题，又节省空间，还避免了对飞行器原型样机进行特殊处理的问题，处理费用低，同时也无需后续花费额外产生的维护费用，降低维护成本。本发明还能在任意时间范围内进行实验，避免了落塔法单次微重力实验时间过短造成对于飞行器的各种设备的性能指标无法较好考核的问题；相比落塔法和悬吊法的实验装置，本发明还有结构简单，容易维护，设备造价较低。

附图说明

图1为三维零重力模拟装置结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：

一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，包括：正负刚度组合弹簧组件、倒置的平面气足7和气浮托板8；

平面气足7中心设有气足板通孔71，气浮托板8中心设有托板通孔81；平面气足7上设有若干个节流孔，且平面气足7内设有气腔，供气后，压缩气体从节流孔中流出，在平面气足与气浮托板之间形成高刚度气膜，平面气足7与气浮托板8配合工作，实现平面气足7和气浮托板8之间超低摩擦的气悬浮润滑，提供水平方向二维零重力运动模拟；

正负刚度组合弹簧组件包括外壳6、两个水平弹簧5、两个刀形凸轮3、竖直主弹簧2和承载主轴1；外壳6设置在平面气足7上，外壳6内部与平面气足7构成内部腔体；外壳6内部设置一个弹簧隔板61，弹簧隔板61将内部腔体分隔为上部腔体和下部腔体；两个水平弹簧5对称设置在上部腔体内部、外壳6的内侧壁上，两个水平弹簧5相对的端头上分别设置连接件51；

两个刀形凸轮3的一端分别通过铰接件对称设置在外壳6的内侧壁上，两个刀形凸轮3的另一端或者中部通过铰链(或者万向接头)连接到连接件51上；

承载主轴1的一端通过螺纹连接到滚轮臂11的中部，滚轮臂11的两端分别设有滚轮4，两个滚轮4分别接触两个刀形凸轮3的弓背部，能够沿着刀形凸轮3的弓背部滚动；弹簧隔板61上设有隔板通孔，隔板通孔的直径大于承载主轴1的直径，且隔板通孔的直径小于竖直主弹簧2的内径；竖直主弹簧2套在承载主轴1上，且竖直主弹簧2的两端分别顶住滚轮臂11和弹簧隔板61，即竖直主弹簧2位于滚轮臂11和弹簧隔板61之间；或者隔板通孔的直径大于竖直主弹簧2的外径，通过在隔板通孔下方设置弹簧挡件抵住弹簧下端；竖直主弹簧2有一个初始压缩量；承载主轴1的另一端从隔板通孔、气足板通孔71和托板通孔81伸出，即伸到外壳6与平面气足7构成的内部腔体之外。

本发明包括正负刚度组合弹簧组件和平面气足。正负刚度组合弹簧组件关于轴线对称，固定点与受力点在一条直线上，承载主轴1承受向下的外载荷。承载主轴1的输出力由竖直主弹簧2和水平弹簧5经刀型凸轮3产生的竖向输出力组合形成。

当滚轮4与刀型凸轮3接触面的法线水平时，水平弹簧5不会对承载主轴产生竖向的附加力，此时被测物体的重力完全靠竖直主弹簧的压缩量产生的弹力抵消。满足kΔx₀＝mg。因此，可以通过螺旋调整机构调整弹簧的初始压缩量来匹配被悬挂物体的重力。

当承载主轴1从滚轮4与刀型凸轮3接触面的法线水平位置向上移动时，竖直主弹簧2的弹力减小，此时水平弹簧5通过刀型凸轮3和滚轮4为承载主轴1提供一个竖直向上的分力，通过设计凸轮的曲面满足恒力微分方程的约束，可以使组合弹簧的竖向输出力不变。

当承载主轴1从滚轮4与刀型凸轮3接触面的法线水平位置向下移动时，竖直主弹簧2的弹力增大，此时水平弹簧5通过刀型凸轮3和滚轮4为承载主轴1提供一个竖直向下的分力，通过设计凸轮的曲面满足恒力微分方程的约束，可以使组合弹簧的竖向输出力不变。

也就是正负刚度组合弹簧组件的正刚度由竖直主弹簧提供，负刚度由水平方向的两个对称布置的水平弹簧和刀型凸轮产生，正负刚度弹簧组合并联，刚度互相抵消，竖直主弹簧有一个初始压缩量，用于抵消被悬挂物体的重力，竖直主弹簧的初始压缩量可以通过调节机构调整，适应不同质量的被悬挂物体，在竖直方向提供一个零刚度运动。

本发明正负刚度组合弹簧组件提供竖向零重力运动模拟，平面气足提供水平方向二维零重力运动模拟，气悬浮技术提供二维超低摩擦运动，使得摩擦几乎可以忽略，近似为0，能够极大的提高实验精度。所以应用本发明既克服了悬吊法存在的水平运动摩擦大、严重影响试验精度的问题和水浮法存在的水阻力、紊流的影响飞行器的模拟精度的问题，又节省空间，还避免了对飞行器原型样机进行特殊处理的问题，处理费用低，同时也无需后续花费额外产生的维护费用，降低维护成本。本发明还能在任意时间范围内进行实验，避免了落塔法单次微重力实验时间过短造成对于飞行器的各种设备的性能指标无法较好考核的问题；相比落塔法和悬吊法的实验装置，本发明还有结构简单，容易维护，设备造价较低。

具体实施方式二：

本实施方式所述平面气足7上设有8个节流孔。

其他结构和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式所述节流孔的直径为0.2mm。

其他结构和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述的平面气足7供入压缩气体的压力为0.3MPa～0.6MPa。

其他结构和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

本实施方式所述的气足板通孔71的直径小于托板通孔81的直径。

其他结构和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述的气足板通孔71的直径为40mm。

其他结构和参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：

本实施方式所述的托板通孔81的直径为100mm。

其他结构和参数与具体实施方式一至六之一相同。

Claims (7)

1.一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，其特征在于，包括：正负刚度组合弹簧组件、平面气足(7)和气浮托板(8)；

平面气足(7)中心设有气足板通孔(71)，气浮托板(8)中心设有托板通孔(81)；平面气足(7)上设有若干个节流孔，且平面气足(7)内设有气腔，供气后，压缩气体从节流孔中流出，在平面气足与气浮托板之间形成气膜，平面气足(7)与气浮托板(8)配合工作；

正负刚度组合弹簧组件包括外壳(6)、两个水平弹簧(5)、两个刀形凸轮(3)、竖直主弹簧(2)和承载主轴(1)；外壳(6)设置在平面气足(7)上，外壳(6)内部与平面气足(7)构成内部腔体；外壳(6)内部设置一个弹簧隔板(61)，弹簧隔板(61)将内部腔体分隔为上部腔体和下部腔体；两个水平弹簧(5)对称设置在上部腔体内部、外壳(6)的内侧壁上，两个水平弹簧(5)相对的端头上分别设置连接件(51)；

两个刀形凸轮(3)的一端分别通过铰接件对称设置在外壳(6)的内侧壁上，两个刀形凸轮(3)的另一端或者中部通过铰链连接到连接件(51)上；

承载主轴(1)的一端连接到滚轮臂(11)的中部，滚轮臂(11)的两端分别设有滚轮(4)，两个滚轮(4)分别接触两个刀形凸轮(3)的弓背部，能够沿着刀形凸轮(3)的弓背部滚动；弹簧隔板(61)上设有隔板通孔；竖直主弹簧(2)套在承载主轴(1)上，且竖直主弹簧(2)的两端分别顶住滚轮臂(11)和弹簧隔板(61)，即竖直主弹簧(2)位于滚轮臂(11)和弹簧隔板(61)之间；竖直主弹簧(2)有一个初始压缩量；承载主轴(1)的另一端从隔板通孔、气足板通孔(71)和托板通孔(81)伸出。

2.根据权利要求1所述的一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，其特征在于，所述平面气足(7)上设有8个节流孔。

3.根据权利要求2所述的一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，其特征在于，所述节流孔的直径为0.2mm。

4.根据权利要求3所述的一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，其特征在于，所述的平面气足(7)供入压缩气体的压力为0.3MPa～0.6MPa。

5.根据权利要求1至4之一所述的一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，其特征在于，所述的气足板通孔(71)的直径小于托板通孔(81)的直径。

6.根据权利要求5所述的一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，其特征在于，所述的气足板通孔(71)的直径为40mm。

7.根据权利要求6所述的一种结合刀式凸轮恒力弹簧和气浮止推轴承的三维零重力模拟装置，其特征在于，所述的托板通孔(81)的直径为100mm。

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