CN111551362A - 一种模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置，包括内齿轮、内齿轮架、工作台、电机、小带轮、皮带、大带轮、行星轮、太阳轮和气瓶箱；工作台的中心处设有中空圆台，工作台上设有多个凹槽；每个凹槽内均安装有支撑块，支撑块的上部转动安装有行星轮；太阳轮转动安装在中空圆台上，大带轮套装在中空圆台上且固定在太阳轮的下端面；内齿轮套装在行星轮外侧，与所有的行星轮啮合；气瓶箱位于工作台的下方，气瓶箱的底部设有多个气足，气瓶箱内的气瓶通过相应气管与各个气足连接；气瓶箱的上部固定有支撑柱，支撑柱穿过中空圆台与内齿轮架固连，内齿轮架同时与内齿轮固连。消除了内齿轮架与工作台之间端面接触产生的摩擦力，模拟失重环境。

Description

一种模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置

技术领域

本发明涉及航天器传动机构技术领域，具体是一种模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置。

背景技术

随着现代高科技的发展，航空航天和现代高精密仪器对传动系统的运动性能要求越来越高；运动部件之间由于间隙的存在会对传动系统的动力学特性、运动精度以及稳定性等产生影响。行星齿轮机构在空间机械设备中应用非常广泛，它是一种典型的航天器传动机构，而且行星齿轮机构具有构件多、间隙数量多及间隙种类多等特点，任何间隙都会引起航天器振动，进而影响航天器的正常运行。由于航天器在太空失重环境下运行，因此需要一种在地面直接模拟失重环境的试验装置来探究行星齿轮机构在多间隙条件下的振动响应，进而为航天器的设计提供理论依据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置；该装置能够进行失重环境下的行星齿轮机构的多间隙振动试验，消除了内齿轮架与工作台之间端面接触产生的摩擦力，具有成本低、制造要求低、结构简单、间隙易调节等优点。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置，包括内齿轮、内齿轮架、工作台、电机、减速器、小带轮、皮带、大带轮和支撑块；其特征在于，该试验装置还包括行星轮、太阳轮、气瓶箱；

所述工作台的中心处设有中空圆台，工作台上呈圆周均匀设有多个凹槽；每个凹槽内均安装有支撑块，支撑块能在凹槽内沿工作台径向微移；支撑块的上部均设有短轴，短轴上通过轴承安装有行星轮；太阳轮通过轴承安装在中空圆台上，太阳轮与安装在中空圆台上的轴承外圈固连，太阳轮同时与所有的行星轮啮合；大带轮套装在中空圆台上且固定在太阳轮的下端面，在大带轮的作用下太阳轮能相对于中空圆台转动，大带轮的下表面及內圆周面均不与工作台接触；内齿轮套装在所有的行星轮外侧，同时与所有的行星轮啮合；气瓶箱位于工作台的下方，气瓶箱的底部设有多个气足，气瓶箱内的气瓶通过相应气管与各个气足连接；气瓶箱的上部固定有支撑柱，支撑柱穿过中空圆台与内齿轮架固连，内齿轮架同时与内齿轮固连；在气足的作用下内齿轮能处于悬浮状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明填补了国内模拟失重环境的行星齿轮试验平台的技术空白，为研究人员研究太空环境下系统间隙对行星齿轮机构传动特性的影响提供了一种试验手段，能直接在地面进行航天器行星齿轮机构振动特性试验研究。

2.本发明通过气足设置使内齿轮架悬浮起来，这一过程模拟了太空不受重力的失重环境，消除了内齿轮架与工作台之间由于端面接触产生的摩擦力，防止摩擦力对振动的抑制，提高试验的精度和可靠度。通过调节支撑块的安装位置和更换不同尺寸的支撑柱实现尺侧间隙以及径向间隙的调节；目前有很多气浮技术(如气轴承)，但是如果应用气轴承使内齿轮架悬浮是无法做到间隙可调的，且调节精度较差，因此本发明将间隙调节结构与气足调节结合，不仅能实现对不同间隙的调节，又能使内齿轮架浮起过程中不会引入外力，且浮起过程平稳，一般能控制浮起高度在1mm左右，为航天器上行星齿轮机构的真实振动响应提供更加可靠的实验数据，同时解决了目前航天器上行星齿轮机构的地面模拟实验时受重力影响的问题，避免了常规技术中从动齿轮架与从动齿轮架支撑块存在端面接触，在运动时由于重力的存在会产生较大的摩擦力，抑制了从动齿轮的振动，使得试验结果与装置在失重环境下的真实情况存在误差，该装置能够更加真实地模拟太空失重环境。

3.将加速度传感器放置于气瓶箱中，通过无线装置传输数据，可以更加精确的采集被测部件的三轴加速度、速度及运动轨迹，为研究人员提供了种类齐全的运动参数，解决了该试验装置的内齿轮架在不停旋转过程中存在试验数据采集困难的难题。

4.采用气瓶存气的方式为气足供气，不会因为外接气泵，而使装置引入外力，干扰试验，造成误差。

5.本发明配套多种规格的支撑柱用来调节内齿轮的径向间隙，该方法更加便于操作，并且更加精确，加工成本较低。

6.采用带传动机构传递运动，将电机和减速器与工作台分离，避免了电机本身的振动对实验数据采集的影响；同时采用减速器使电机在较低转速下也能平稳运行，减小误差，使试验装置更加可靠，数据可信度高，误差小。本试验装置可以进行多间隙可调的行星齿轮机构的振动试验，满足了研究人员对多间隙齿轮传动机构振动问题的研究需要。采用铝型材做支架，电机、减速器和带传动机构调速，电机可以实现更精确的速度输出与实时速度采集。该试验装置结构简单，实用性强，可以固定在任意平整的桌面、地面，便于安装。通过高精度三轴加速度传感器测量行星齿轮机构的振动，操作简单，测量精确。本发明的工作台、内齿轮架、支撑块、支撑柱、支腿及两个带轮等主要部件均采用铝制成，质量轻，强度高，便于拆卸与安装。

本发明针对行星齿轮机构研究，将太阳轮设置在中心，太阳轮下通过大带轮、小带轮与电机部分传动，在太阳轮和内齿轮之间的区域安装多个行星轮(航天器中行星轮系统一般至少包含有三个行星轮)。齿轮架的设置原因是为了支撑内齿轮，并使其能够在受到气浮力时能整体浮起来。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明沿工作台纵向的剖视图；

图3为本发明的减速器与支架的连接示意图；

图4为本发明的工作台的结构示意图；

图5为本发明的支撑块的结构示意图；

图6为本发明的内齿轮架的结构示意图；

图7为本发明的大带轮的结构示意图；

图中：1、内齿轮；2、内齿轮架；3、行星轮；4、太阳轮；5、工作台；6、支腿；7、气瓶箱；8、气足；9、支撑柱；10、减速器固定板；11、支架；12、电机；13、减速器；14、小带轮；15、皮带；16、大带轮；17、支撑块；

5-1、中空圆台；5-2、凹槽；5-3、螺纹孔；9-1、凸台。

具体实施方式

下面结合具体附图给出本发明的具体实施例，具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。

本发明提供了一种模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置(简称试验装置，参见图1-7)，包括内齿轮1、内齿轮架2、行星轮3、太阳轮4、工作台5、气瓶箱7、电机12、减速器13、小带轮14、皮带15、大带轮16和支撑块17；

所述工作台5的中心处设有中空圆台5-1，工作台5上呈圆周均匀设有多个凹槽5-2；每个凹槽5-2垂直于工作台5径向的两个侧面上分别开有用于安装螺柱的螺纹孔5-3；每个凹槽5-2内均安装有支撑块17，支撑块17的径向宽度小于凹槽5-2的宽度，使支撑块17能在凹槽5-2内沿工作台5的径向微移并通过螺柱进行限位，进而调节行星轮3与太阳轮4的尺侧间隙，微移的距离满足试验要求的最大尺侧间隙；支撑块17下部的形状与凹槽5-2相适应，支撑块17的上部均设有短轴，短轴上通过轴承安装有行星轮3；太阳轮4通过轴承安装在中空圆台5-1上，太阳轮4与中空圆台上安装的轴承外圈过盈配合，中空圆台5-1的轴肩对安装在其上的轴承进行轴向限位，太阳轮4同时与所有的行星轮3啮合；大带轮16套装在中空圆台5-1上且通过螺钉固定在太阳轮4的下端面上，在大带轮16的作用下太阳轮4能相对于中空圆台5-1转动，大带轮16与工作台5的上端面不接触，大带轮16的内圆周面与中空圆台5-1不接触，避免产生摩擦力；内齿轮1套装在所有的行星轮3外侧，同时与所有的行星轮3啮合；行星轮3足够高，保证内齿轮1处于悬浮状态也能与行星轮3啮合；气瓶箱7位于工作台5的下方，气瓶箱7的底部安装有多个气足8，气瓶箱7内安装有气瓶和无线加速度传感器，无线加速度传感器用于测量行星齿轮机构振动时的加速度；气瓶的输出端分别通过气管与所有气足8连接，使气瓶内的压缩空气从气足8底部的微孔喷出；气瓶箱7的上部螺纹连接有支撑柱9，支撑柱9的上部具有凸台9-1；支撑柱9穿过中空圆台5-1使凸台9-1伸出中空圆台5-1外且与内齿轮架2螺纹连接，支撑柱9能在中空圆台5-1内转动，在气足8的作用下支撑柱9能同时沿着中空圆台5-1轴向微移，内齿轮架2同时与内齿轮1的上端面固连；气足8不工作时，内齿轮1放置在工作台5上；气足8工作时，气瓶内的压缩气体从气足8的微孔中喷出，将气足8向上顶，使气瓶箱7和支撑柱9向上微移(移动距离为1mm左右)，带动内齿轮架2同时向上微移，使内齿轮1与工作台5脱离接触处于悬浮状态，以模拟太空失重环境；由于内齿轮1、内齿轮架2、支撑柱9、气瓶箱7和气足8连接形成整体，因此在悬浮状态时，整体一起转动，进而不影响内齿轮1的正常转动；

所述支架11固定在待安装试验平台的操作台上，减速器13通过减速器固定板10安装在支架11上，减速器13的输出轴竖直朝上且穿过减速器固定板10安装有小带轮14；电机12的输出轴通过联轴器与减速器13的输入轴连接，电机12的安装部同时与减速器13的外壳固连；皮带15套装在大带轮16和小带轮14上，通过大带轮16带动太阳轮4转动，进而使整个行星齿轮机构转动。

所述工作台5由圆盘和多个呈放射状排布在圆盘侧面的支杆构成(本实施例为三个)，圆盘的中心处设有中空圆台5-1，每个支杆的末端通过支腿6固定在待安装试验平台的操作台上；每个支杆上设有方形的凹槽5-2，支撑块17的下部为与凹槽5-2相匹配的方块形。

所述内齿轮架2由托盘和多个连接杆构成，多个连接杆以托盘的中心为圆心呈放射状均匀排布，托盘的中心与支撑柱9的凸台9-1连接。

所述电机12采用三菱MR-JE-20A伺服电机，该伺服电机是精度高，能输出稳定精准的转速；由于试验时电机不需要太高的转速，而电机在高转速时的稳定性较好，因此通过减速器减低电机的输出转速，进一步提高了电机输出转速的稳定性。

该试验装置配套设有多个不同尺寸的支撑柱9，即每个支撑柱9与工作台5的中空圆台5-1配合部位的半径不同；通过更换不同尺寸的支撑柱9即可调节支撑柱9与工作台5的中空圆台5-1之间的间隙，从而调节内齿轮1运动时的径向间隙；通过微调支撑块17在工作台5径向上的相对位置可以改变行星轮3与内齿轮1以及太阳轮4之间的中心距，从而调节行星轮3与内齿轮1以及行星轮3与太阳轮4之间的齿侧间隙，以研究不同间隙大小对行星齿轮机构振动的影响。

本实施例中支撑柱设有三种尺寸，分别为7.35mm、7.4mm、7.45mm，每相邻两个相差50微米，即支撑柱9与工作台5的中空圆台5-1配合部位的半径分别为7.35mm、7.4mm、7.45mm，在考虑实际加工的情况下尽力模拟太空环境下的行星齿轮机构的传动状态，即航天器的真实运行环境。

所述工作台5、内齿轮架2、支撑块17、支撑柱9、支腿6及两个带轮均采用铝制成。

所述无线加速度传感器采用高精度的三轴加速度传感器，用于采集行星轮系统的输出振动、速度等运动状态。

可选择地，气瓶箱7内的气瓶容积为1.5L，气足8的直径为100mm。

本发明的工作原理和工作流程是：

本发明通过更换不同尺寸的支撑柱9来调节支撑柱9与工作台5的中空圆台5-1之间的间隙，即调节内齿轮1运动时的径向间隙；通过拧动安装在凹槽5-2上的两个螺柱来微调支撑块17的位置并通过螺柱对支撑块17进行限位(调节的距离通过千分尺手动测量)，进而调节行星轮3与太阳轮4以及行星轮3与内齿轮1之间的中心距，从而达到试验要求的齿侧间隙与内齿轮1的径向间隙；这些间隙根据航天器上行星齿轮传动机构的实际运动状况选取，并在大小上做适当的增减，以便得出多组数据，方便验证理论数学模型的准确性，也可以用来研究间隙、转速等不同变量对机构传动的影响；

电机12开始工作并通过减速器13减速并输出更加稳定的转速，减速器13的输出轴带动小带轮14旋转，小带轮14通过皮带15带动大带轮16转动使得与大带轮固定在一起的太阳轮4开始旋转，太阳轮4带动行星轮3旋转，行星轮3带动内齿轮1旋转，由于支撑块9与工作台5之间存在径向间隙，行星轮3与内齿轮1及太阳轮4之间存在齿侧间隙，因此支撑柱9会不断撞击工作台5引起振动；气瓶箱7内的气瓶喷气，使得支撑柱9和气瓶箱7向上微移，内齿轮1和内齿轮架2悬浮起来，消除了内齿轮1与工作台5上表面接触产生的径向摩擦力，模拟太空的失重环境，气瓶箱内的无线加速度传感器测量并采集加速度数据，分析这些数据即可获得整个机构产生的振动数据。

本发明专为行星齿轮机构设计，主要是为了模拟太空中航天器上行星齿轮机构的真实传动情况，测量不同齿侧间隙与不同径向间隙下行星齿轮机构的振动响应，以便对航天器的设计提供更加精准可靠的数据，减少了摩擦力，提高试验装置的可靠性。

当然本申请这种模拟水平失重的方式还能应用于其他类似的振动响应试验装置中，还提出一种模拟失重环境的振动响应试验装置，该装置包括主动齿轮和从动齿轮、工作台，主动齿轮通过皮带轮、皮带连接电机动力部分，从动齿轮与齿轮支架固定在一起，齿轮支架呈放射状，齿轮支架的边缘与从动齿轮固定，从动齿轮支架的中心通过支撑柱连接气浮单元，气浮单元能带动从动齿轮支架和从动齿轮一起上下微移，且与主动齿轮安装在一起的皮带轮始终不与工作台接触。将其应用在行星轮机构中时，主动齿轮为太阳轮，从动齿轮为内齿轮，气浮单元可以采用上述的气瓶、气足的组装方式实现。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置，包括内齿轮、内齿轮架、工作台、电机、减速器、小带轮、皮带、大带轮和支撑块；其特征在于，该试验装置还包括行星轮、太阳轮、气瓶箱；

所述工作台的中心处设有中空圆台，工作台上呈圆周均匀设有多个凹槽；每个凹槽内均安装有支撑块，支撑块能在凹槽内沿工作台径向微移；支撑块的上部均设有短轴，短轴上通过轴承安装有行星轮；太阳轮通过轴承安装在中空圆台上，太阳轮与安装在中空圆台上的轴承外圈固连，太阳轮同时与所有的行星轮啮合；大带轮套装在中空圆台上且固定在太阳轮的下端面，在太阳轮的作用下大带轮能相对于中空圆台转动，大带轮的下表面及內圆周面均不与工作台接触；内齿轮套装在所有的行星轮外侧，同时与所有的行星轮啮合；气瓶箱位于工作台的下方，气瓶箱的底部设有多个气足，气瓶箱内的气瓶通过相应气管与各个气足连接；气瓶箱的上部固定有支撑柱，支撑柱穿过中空圆台与内齿轮架固连，内齿轮架同时与内齿轮固连；在气足的作用下内齿轮能处于悬浮状态。

2.根据权利要求1所述的模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置，其特征在于，所述工作台由圆盘和多个呈放射状排布在圆盘侧面的支杆构成，圆盘的中心处设有中空圆台，每个支杆的末端通过支腿固定在待安装试验平台的操作台上；每个支杆上设有凹槽。

3.根据权利要求1或2所述的模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置，其特征在于，该试验装置配套设有多个不同尺寸的支撑柱，即每个支撑柱与工作台的中空圆台配合部位的半径不同。

4.根据权利要求1所述的模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置，其特征在于，在内齿轮上下浮动过程中，所述行星轮始终与内齿轮保持啮合状态。

5.根据权利要求1所述的模拟失重环境的行星齿轮机构振动响应试验装置，其特征在于，在气瓶箱内安装有无线加速度传感器。

6.一种模拟失重环境的振动响应试验装置，该装置包括主动齿轮和从动齿轮、工作台，主动齿轮通过皮带轮、皮带连接电机动力部分，从动齿轮与齿轮支架固定在一起，齿轮支架呈放射状，齿轮支架的边缘与从动齿轮固定；其特征在于，

从动齿轮支架的中心通过支撑柱连接气浮单元，气浮单元能带动从动齿轮支架和从动齿轮一起上下微移，且与主动齿轮安装在一起的皮带轮始终不与工作台接触。

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