CN110132582B - 真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，包括圆筒状的无磁性基座、贯穿整个无磁性基座的传动轴、从左至右一次套装在无磁性基座内部的传动轴上的磁流体组件、第一气浮套、扭矩检测组件、第二气浮套、负载控制组件和第三气浮套；所述磁流体组件包括两个环形磁极、永磁体和固定块，所述第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套均套装在传动轴上，所述扭矩检测组件包括两个齿型圆盘、两个磁电传感器、传感器固定座，所述负载控制组件包括紧配钢圈、内侧定子磁极、转子、外侧定子磁极和励磁线圈；本发明具备功能多，能实现密封，能测量扭矩、能按照需求控制所加负载的大小。

Description

真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置

技术领域

本发明涉及真空环境下的测试试验装置，更具体的说，尤其涉及一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置。

背景技术

真空传动试验是指在真空环境下检测被测件传动性能和功能的试验。真空传动试验不仅需要模拟外太空的真空环境，而且需要对设备进行驱动和加载，同时还要具备实时测量转速和扭矩等信息的能力。

在目前使用真空罐进行传动性的实验中，通常采用磁流体密封轴来达到密封与传动的效果，而磁流体密封轴中轴与装置的固定是通过轴与一对轴承的紧配关系固定的，其间必然产生摩擦，形成力矩。当传动的扭矩较大时，该摩擦力矩产生影响小，可以忽略。反之，当所施加的扭矩是小扭矩时，磁流体密封轴内的轴承摩擦力矩不能忽略，产生的不确定因素，大幅度降低了实验的可靠性。

现有专利ZL201310430392.0中提供了一种热真空环境下的高精度角度测试装置，该专利中采用气浮轴承，将传动轴与滚动轴承之间的固体接触转化成了传动轴与气体之间的接触，产生的摩擦小，避免了轴承的摩擦力矩对小扭矩加载的影响。但是，该传动装置中两个部件之间都通过联轴器连接，所需要的部件多就导致了传动路径过长。当所施加的转速高时，传动路径过长会使得轴产生跳动，不稳定。再者，测扭矩装置，测转速装置，负载都需设置相应的支座进行支撑，这样连接需保证支座的加工精度与部件的安装精度高，从而保证传动轴的同轴度。实际的安装过程也较为繁琐，降低了试验效率。该专利所公开的技术虽解决磁流体密封轴产生的摩擦力矩问题，但并没有解决传动过程中轴的跳动，以及加工安装精度要求高，成本提升的问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决现有真空测试实验中小扭矩传动装置会被轴承产生的摩擦力矩影响以及实际传动路径过长的问题，提出了一种能消除摩擦力、实现密封、有负载、能够测量扭矩和转速的真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，包括圆筒状的无磁性基座、贯穿整个无磁性基座的传动轴、从左至右依次套装在无磁性基座内部的传动轴上的磁流体组件、第一气浮套、扭矩检测组件、第二气浮套、负载控制组件和第三气浮套，

所述无磁性基座的左端设置有一体成型的左侧法兰盘，无磁性基座的右端固定有套筒盖，无磁性基座的左端通过左侧法兰盘固定在真空罐上，左侧法兰盘的中部和左侧法兰盘连接的真空罐壁上均设置有通孔，传动轴的左端穿过左侧法兰盘的中部的通孔和左侧法兰盘连接的真空罐壁上的通孔伸入到真空罐内，传动轴的右端穿过所述套筒盖伸出到无磁性基座外侧；无磁性基座的内部最左侧设置有用于限制磁流体组件左侧的台阶；

所述磁流体组件包括两个环形磁极、永磁体和固定块，永磁体设置在两个环形磁极之间，左侧的环形磁极（3）左端面紧靠无磁性基座内部最左侧的台阶，右侧的环形磁极通过与无磁性基座的内壁过盈配合的固定块固定；两个环形磁极和永磁体均与无磁性基座的内壁过盈配合；两个环形磁极和传动轴之间设置有磁流体，永磁体产生磁场，磁流体充满环形磁极与传动轴之间的间隙，进而实现环形磁极与传动轴的密封；

所述第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套均套装在传动轴上，且无磁性基座的壁上设置有与第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套的进气口相连通的进气总口，进气总口上安装有进气导管，进气导管连接供气装置；所述第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套两侧的无磁性基座的壁上还设置有出气口；

所述扭矩检测组件包括两个齿型圆盘、两个磁电传感器、传感器固定座，两个磁电传感器均通过传感器固定座固定在无磁性基座上，两个齿型圆盘均套装在传动轴上，两个磁电传感器分别设置在两个齿型圆盘上方，两个磁电传感器分别测量两个齿型圆盘转动时磁通量的变化值；

所述负载控制组件包括紧配钢圈、内侧定子磁极、转子、外侧定子磁极和励磁线圈，所述转子通过紧配钢圈固定在传动轴上，内侧定子磁极和外侧定子磁极均固定在无磁性基座上，内侧定子磁极和外侧定子磁极之间形成用于容纳励磁线圈的环形腔室和用于容纳转子的环形细腔，转子部分设置于内侧定子磁极和外侧定子磁极之间用于容纳转子的环形细腔内，励磁线圈设置在内侧定子磁极和外侧定子磁极之间用于容纳励磁线圈的环形腔室内，所述无磁性基座上设置有线圈导线口，励磁线圈的导线通过线圈导线口连接到无磁性基座外侧。

传动轴转动时通过紧配钢圈带动转子在环形细腔内转动，当励磁线圈通电时，内侧定子磁极和外侧定子磁极之间的环形细腔产生磁场，转子在传动轴的带动下做切割磁感应线的运动，产生磁滞效应；当转子在传动轴作用下客服磁滞效应的磁滞力转动时，产生额定的扭矩，该扭矩仅与励磁线圈的电流大小有关，与传动轴的转速无关，因此实现了非接触的扭矩传输，控制磁力线圈的电流即可实现控制负载大小。

进一步的，所述第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套均由多孔材料制成，当供气装置通过进气导管向第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套供气时，气体会从第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套的多孔材料的孔传递到传动轴，进气口进气速度与出气口的出气速度差产生压强，使第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套与传动轴之间产生一层气膜，将第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套和传动轴隔离开，实现传动轴的悬浮。

进一步的，所述出气口具有极小的孔径。

进一步的，两个磁电传感器分别测量两个齿型圆盘转动时磁通量的变化值后将两个磁电传感器输出的相位差值经控制器转换成电矩信号输出，从而实现传动轴的扭矩测量；通过一个磁电传感器输出的信号频率经控制器转换为转速，从而实现传动轴的转速测量。

进一步的，所述第二气浮套和负载控制组件之间还设置有三爪卡盘，三爪卡盘固定在无磁性基座的内壁上，三爪卡盘上设置有控制三爪卡盘松开或抓紧且伸出到无磁性基座外侧的调节螺母。通过转动调节螺母实现三爪卡盘抓紧或松开传动轴，使传动轴在安装过程中的悬浮，避免第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套与传动轴的接触，避免损坏传动轴的精度。

本发明的有益效果在于：本发明具备功能多，能实现密封，能测量扭矩、能按照需求控制所加负载的大小；本发明中无任何的滚动轴承，而采用分散布置气浮套的，再往气浮套中通气的方式使传动轴轴悬浮；本发明的气浮套的分散布置方式使得传动轴轴所受的浮力均匀，不会产生倾斜和跳动；该过程将固体与固体之间的接触摩擦，转变为固体与流体之间的接触摩擦，解决了小扭矩试验中，摩擦力矩影响大的问题；本发明能够实时测量轴上的扭矩，根据扭矩的大小，控制励磁线圈的电流，来调整负载的大小，能达到稳定的控制效果。

附图说明

图1是本发明所述真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置的剖视结构示意图。

图2是本发明所述真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置的主视图。

图3是本发明磁流体组件的安装示意图。

图4是本发明扭矩检测组件的安装示意图。

图5是本发明三爪卡盘的右视安装示意图。

图6是本发明负载控制组件的安装示意图。

图中，1-传动轴、2-真空罐，3-环形磁极，4-固定块，5-进气口，6-出气口，7-磁电传感器，8-进气导管，9-三爪卡盘，10-紧配钢环，11-内侧定子磁极，12-线圈导线口，13-套筒盖，14-磁流体，15-永磁铁，16-第一气浮套，17-齿形圆盘，18-第二气浮套，19-转子，20-外侧定子磁极，21-励磁线圈，22-第三气浮套，23-无磁性基座、24-调节螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1~6所示，一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，包括圆筒状的无磁性基座23、贯穿整个无磁性基座23的传动轴1、从左至右依次套装在无磁性基座23内部的传动轴1上的磁流体组件、第一气浮套16、扭矩检测组件、第二气浮套18、负载控制组件和第三气浮套22。

所述无磁性基座23的左端设置有一体成型的左侧法兰盘，无磁性基座23的右端固定有套筒盖13，无磁性基座23的左端通过左侧法兰盘固定在真空罐2上，左侧法兰盘的中部和左侧法兰盘连接的真空罐壁上均设置有通孔，传动轴1的左端穿过左侧法兰盘的中部的通孔和左侧法兰盘连接的真空罐壁上的通孔伸入到真空罐2内，传动轴1的右端穿过所述套筒盖13伸出到无磁性基座23外侧；无磁性基座23的内部最左侧设置有用于限制磁流体组件14左侧的台阶。

所述磁流体组件包括两个环形磁极3、永磁体15和固定块4，永磁体15设置在两个环形磁极3之间，左侧的环形磁极3左端面紧靠无磁性基座23内部最左侧的台阶，右侧的环形磁极3通过与无磁性基座23的内壁过盈配合的固定块4固定；两个环形磁极3和永磁体15均与无磁性基座23的内壁过盈配合；两个环形磁极3和传动轴1之间设置有磁流体14，永磁体15产生磁场，磁流体14充满环形磁极3与传动轴1之间的间隙，进而实现环形磁极3与传动轴1的密封。

所述第一气浮套16、第二气浮套18和第三气浮套22均套装在传动轴1上，且无磁性基座23的壁上设置有与第一气浮套16、第二气浮套18和第三气浮套22的进气口5相连通的进气总口，进气总口上安装有进气导管8，进气导管8连接供气装置；所述第一气浮套16、第二气浮套18和第三气浮套22两侧的无磁性基座23的壁上还设置有出气口6。

所述扭矩检测组件包括两个齿型圆盘17、两个磁电传感器7、传感器固定座，两个磁电传感器7均通过传感器固定座固定在无磁性基座23上，两个齿型圆盘17均套装在传动轴1上，两个磁电传感器7分别设置在两个齿型圆盘17上方，两个磁电传感器7分别测量两个齿型圆盘17转动时磁通量的变化值。

所述负载控制组件包括紧配钢圈10、内侧定子磁极11、转子19、外侧定子磁极20和励磁线圈21，所述转子19通过紧配钢圈10固定在传动轴1上，内侧定子磁极11和外侧定子磁极20均固定在无磁性基座23上，内侧定子磁极11和外侧定子磁极20之间形成用于容纳励磁线圈21的环形腔室和用于容纳转子19的环形细腔，转子19部分设置于内侧定子磁极11和外侧定子磁极20之间用于容纳转子19的环形细腔内，励磁线圈21设置在内侧定子磁极11和外侧定子磁极20之间用于容纳励磁线圈21的环形腔室内，所述无磁性基座23上设置有线圈导线口12，励磁线圈21的导线通过线圈导线口12连接到无磁性基座23外侧。

所述第一气浮套16、第二气浮套18和第三气浮套22均由多孔材料制成，当供气装置通过进气导管8向第一气浮套16、第二气浮套18和第三气浮套22供气时，气体会从第一气浮套16、第二气浮套18和第三气浮套22的多孔材料的孔传递到传动轴1，进气口5进气速度与出气口6的出气速度差产生压强，使第一气浮套16、第二气浮套18和第三气浮套22与传动轴1之间产生一层气膜，将第一气浮套16、第二气浮套18和第三气浮套22和传动轴1隔离开，实现传动轴1的悬浮。

所述出气口6具有极小的孔径。

两个磁电传感器7分别测量两个齿型圆盘17转动时磁通量的变化值后将两个磁电传感器7输出的相位差值经控制器转换成电矩信号输出，从而实现传动轴1的扭矩测量；通过一个磁电传感器7输出的信号频率经控制器转换为转速，从而实现传动轴1的转速测量。

所述第二气浮套18和负载控制组件之间还设置有三爪卡盘9，三爪卡盘9固定在无磁性基座23的内壁上，三爪卡盘9上设置有控制三爪卡盘9松开或抓紧且伸出到无磁性基座23外侧的调节螺母24。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，其特征在于：包括圆筒状的无磁性基座（23）、贯穿整个无磁性基座（23）的传动轴（1）、从左至右依次套装在无磁性基座（23）内部的传动轴（1）上的磁流体组件、第一气浮套（16）、扭矩检测组件、第二气浮套（18）、负载控制组件和第三气浮套（22），

所述无磁性基座（23）的左端设置有一体成型的左侧法兰盘，无磁性基座（23）的右端固定有套筒盖（13），无磁性基座（23）的左端通过左侧法兰盘固定在真空罐（2）上，左侧法兰盘的中部和左侧法兰盘连接的真空罐壁上均设置有通孔，传动轴（1）的左端穿过左侧法兰盘的中部的通孔和左侧法兰盘连接的真空罐壁上的通孔伸入到真空罐（2）内，传动轴（1）的右端穿过所述套筒盖（13）伸出到无磁性基座（23）外侧；无磁性基座（23）的内部最左侧设置有用于限制磁流体组件（14）左侧的台阶；

所述磁流体组件包括两个环形磁极（3）、永磁体（15）和固定块（4），永磁体（15）设置在两个环形磁极（3）之间，左侧的环形磁极（3）左端面紧靠无磁性基座（23）内部最左侧的台阶，右侧的环形磁极（3）通过与无磁性基座（23）的内壁过盈配合的固定块（4）固定；两个环形磁极（3）和永磁体（15）均与无磁性基座（23）的内壁过盈配合；两个环形磁极（3）和传动轴（1）之间设置有磁流体（14），永磁体（15）产生磁场，磁流体（14）充满环形磁极（3）与传动轴（1）之间的间隙，进而实现环形磁极（3）与传动轴（1）的密封；

所述第一气浮套（16）、第二气浮套（18）和第三气浮套（22）均套装在传动轴（1）上，且无磁性基座（23）的壁上设置有与第一气浮套（16）、第二气浮套（18）和第三气浮套（22）的进气口（5）相连通的进气总口，进气总口上安装有进气导管（8），进气导管（8）连接供气装置；所述第一气浮套（16）、第二气浮套（18）和第三气浮套（22）两侧的无磁性基座（23）的壁上还设置有出气口（6）；

所述扭矩检测组件包括两个齿型圆盘（17）、两个磁电传感器（7）、传感器固定座，两个磁电传感器（7）均通过传感器固定座固定在无磁性基座（23）上，两个齿型圆盘（17）均套装在传动轴（1）上，两个磁电传感器（7）分别设置在两个齿型圆盘（17）上方，两个磁电传感器（7）分别测量两个齿型圆盘（17）转动时磁通量的变化值；

所述负载控制组件包括紧配钢圈（10）、内侧定子磁极（11）、转子（19）、外侧定子磁极（20）和励磁线圈（21），所述转子（19）通过紧配钢圈（10）固定在传动轴（1）上，内侧定子磁极（11）和外侧定子磁极（20）均固定在无磁性基座（23）上，内侧定子磁极（11）和外侧定子磁极（20）之间形成用于容纳励磁线圈（21）的环形腔室和用于容纳转子（19）的环形细腔，转子（19）部分设置于内侧定子磁极（11）和外侧定子磁极（20）之间用于容纳转子（19）的环形细腔内，励磁线圈（21）设置在内侧定子磁极（11）和外侧定子磁极（20）之间用于容纳励磁线圈（21）的环形腔室内，所述无磁性基座（23）上设置有线圈导线口（12），励磁线圈（21）的导线通过线圈导线口（12）连接到无磁性基座（23）外侧。

2.根据权利要求1所述的一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，其特征在于：所述第一气浮套（16）、第二气浮套（18）和第三气浮套（22）均由多孔材料制成，当供气装置通过进气导管（8）向第一气浮套（16）、第二气浮套（18）和第三气浮套（22）供气时，气体会从第一气浮套（16）、第二气浮套（18）和第三气浮套（22）的多孔材料的孔传递到传动轴（1），进气口（5）进气速度与出气口（6）的出气速度差产生压强，使第一气浮套（16）、第二气浮套（18）和第三气浮套（22）与传动轴（1）之间产生一层气膜，将第一气浮套（16）、第二气浮套（18）和第三气浮套（22）和传动轴（1）隔离开，实现传动轴（1）的悬浮。

3.根据权利要求1所述的一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，其特征在于：所述出气口（6）具有极小的孔径。

4.根据权利要求1所述的一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，其特征在于：两个磁电传感器（7）分别测量两个齿型圆盘（17）转动时磁通量的变化值后将两个磁电传感器（7）输出的相位差值经控制器转换成电矩信号输出，从而实现传动轴（1）的扭矩测量；通过一个磁电传感器（7）输出的信号频率经控制器转换为转速，从而实现传动轴（1）的转速测量。

5.根据权利要求1所述的一种真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，其特征在于：所述第二气浮套（18）和负载控制组件之间还设置有三爪卡盘（9），三爪卡盘（9）固定在无磁性基座（23）的内壁上，三爪卡盘（9）上设置有控制三爪卡盘（9）松开或抓紧且伸出到无磁性基座（23）外侧的调节螺母（24）。

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