CN112254961A - 一种传动效率高低温测试装置 - Google Patents

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Abstract

一种传动效率高低温测试装置，它包括基础平台、旋转驱动模块、加载模块、调整模块、支撑模块和测量模块；一个调整模块上安装有旋转驱动模块和支撑模块，旋转驱动模块输出端连接的穿箱轴通过支撑模块支撑旋转，另外一个调整模块上安装有加载模块和支撑模块，加载模块输出端连接的穿箱轴通过支撑模块支撑旋转，旋转驱动模块与支撑模块之间的轴系上设有测量模块，高低温箱侧壁的上各安装有一个环形弹性密封垫，两个穿箱轴穿过高低温箱上的环形弹性密封垫由位于高低温箱内的工装支撑旋转，环形弹性密封垫位于套在穿箱轴上的气封环的凹槽内并与凹槽底面摩擦接触。本发明可用于验证被测件在高低温环境下的可行性与效率，装置测试灵活方便。

Description

一种传动效率高低温测试装置
技术领域
本发明涉及一种测试装置，具体涉及一种传动效率高低温测试装置。
背景技术
在进行空间站建造、探月工程以及火星探测等重大航天工程领域的研制实施过程中，有大量精密、复杂的机构和组件需要在地面模拟空间真空、高低温等极端环境，进行传动效率等多项性能测试和可靠性考核。
现有传动效率测试未见有针对高低温±100℃极端环境条件的设计，因此，面向空间极端环境下的复杂精密机构的性能测试需求，研制一种可实现在极端环境下性能测试，对于空间机构地面测试技术的发展具有重要意义。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种传动效率高低温测试装置，该测试装置适配高低温±100℃极端环境试验箱，测试灵活方便。
一种传动效率高低温测试装置包括基础平台、旋转驱动模块、加载模块、调整模块、支撑模块和测量模块；两个调整模块安装在基础平台上，一个调整模块上安装有旋转驱动模块和支撑模块，旋转驱动模块输出端连接的穿箱轴通过支撑模块支撑旋转，另外一个调整模块上安装有加载模块和支撑模块，加载模块输出端连接的穿箱轴通过支撑模块支撑旋转，旋转驱动模块、加载模块和支撑模块三者同轴设置，旋转驱动模块与支撑模块之间的轴系上设有测量模块，所述测量模块包括扭矩传感器和位置编码器，加载模块与支撑模块之间的轴系上设有扭矩传感器，高低温箱内临近支撑模块的穿箱轴上布置有位置编码器，高低温箱侧壁的上各安装有一个环形弹性密封垫，两个穿箱轴穿过高低温箱上的环形弹性密封垫由位于高低温箱内的工装支撑旋转，并用于连接位于高低温箱内的被测件，环形弹性密封垫位于套在穿箱轴上的气封环的凹槽内并与凹槽底面摩擦接触。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明轴系可调，采用气体密封设计，在高低温箱两侧的穿箱轴上设计有气封环，高低温箱体侧面有弹性密封垫，二者构成间隙配合形成微小U型气道，能适应高低温(±100℃)环境测试，克服了传统采用橡胶滑动密封，存在摩擦力过大，严重影响扭矩传感器的测量精度的问题，由扭矩传感器测量被测对象的输出扭矩，位置编码器实时测量系统的输入输出位置通过时间微分获得输入输出角速度。通过测量航天减速器输入和输出的功率作对比，得到系统的传动效率值。
将所设计的模块进行集成，旋转驱动模块的作用是为测量装置提供转动力矩，与驱动模块联接的为测量模块，其主要有扭矩传感器和位置编码器，对输入效率进行测量。旋转驱动模块与输入的测量模块连接于调整模块上，通过调整模块的调整，保证测量系统的同轴度等参数。输入的测量模块与被测件进行连接，被测件与输出的测量模块相连接，其测量模块与输入端相同。输出的测量模块与加载模块放于调整模块上，通过调整模块的调节，可降低测量时候的同轴度等的影响。输出的测量模块中的位置编码器或角度编码器放于高低温箱内，以验证传感器在高低温下的可行性。输出的测量模块与反向加载模块相连接，反向加载模为被测组件提供反向加载，反向加载模块可以在测量的时候为测量装置提供反向力。用这种方案便于将旋转驱动模块、测量模块、反向加载模块、调整模块以及基础平台进行集成，整合为整套传动效率装置，很大程度上实现了航天减速器传动性能的专用测试。该装置可通过模块化连接，以此实现被测减速器的安装与拆卸，从而避免传动链上多个设备的装拆调整，增加了测试装置的灵活性和方便性，保证了装配的精确性和系统的整体稳定性。本发明适用于以空间站对接机构中的减速器或增速器等无源机构为被测对象。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的传动效率高低温测试装置的总装配图；
图2为图1中反向加载模块、调整模块和支撑模块连接的结构示意图；
图3为图1中加载模块、测量模块、调整模块和支撑模块连接布置关系图；
图4为图1中穿箱轴与被测组件连接关系的示意图；
图5为气封环的布置示意图；
图6为调整模块的爆炸图；
图7为调整模块的装配图；
图8为沿X向移动座切割的剖视图；
图9为沿Y向移动座切割的剖视图；
图10是沿图8中A-A线的剖视图；
图11为气封环的结构示意图。
具体实施方式
参见图1-图5所示，本实施方式的一种传动效率高低温测试装置包括基础平台1、旋转驱动模块2、加载模块3、调整模块4、支撑模块5和测量模块；
两个调整模块4安装在基础平台1上，一个调整模块4上安装有旋转驱动模块2和支撑模块5，旋转驱动模块2输出端连接的穿箱轴7通过支撑模块5支撑旋转，另外一个调整模块4上安装有加载模块3和支撑模块5，加载模块3输出端连接的穿箱轴7通过支撑模块5支撑旋转，旋转驱动模块2、加载模块3和支撑模块5三者同轴设置，旋转驱动模块2与支撑模块5之间的轴系上设有测量模块，所述测量模块包括扭矩传感器6-1和位置编码器6-2，加载模块3与支撑模块5之间的轴系上设有扭矩传感器6-1，高低温箱8内临近支撑模块5的穿箱轴7上布置有位置编码器6-2，高低温箱8侧壁的上各安装有一个环形弹性密封垫10，两个穿箱轴7穿过高低温箱8上的环形弹性密封垫10由位于高低温箱8内的工装9支撑旋转，并用于连接位于高低温箱8内的被测件，环形弹性密封垫10位于套在穿箱轴7上的气封环11的凹槽内并与凹槽底面摩擦接触。
传动效率测试的是增速器，传动效率测试装置为了提高测试精度，尽量减少影响轴系高度和同轴度的支撑环节，因此把支撑模块放在调整模块上，相当于整个轴系只有两处支撑。特别地，放置于高低温箱8内的位置编码器选用INC-3H-90型的Zettlex极端环境编码器，由于放在高低温箱8里面，该编码器外面包裹了一个加温装置，防止编码器工作温度过低。另外，在低温实验时由于内部环境温度(-100度)远低于外部环境温度，在缺乏密封措施的情况下，容易在传箱轴与箱体孔之间形成结霜，影响轴系传动。因此，传统方法一般采用橡胶滑动密封。该方法简单可靠，但是存在摩擦力过大的问题，严重影响力传感器的测量精度。因此，本实施方式在高低温箱8侧面安装有环形弹性密封垫10，在高低温箱两侧的穿箱轴7设计有气封环11，二者构成间隙配合形成微小U型气道，穿箱轴7穿设在弹性密封垫10上，环境系统在低温状态下通过气体密封的方式隔绝外部暖空气进入，解决了穿箱轴7与箱体之间在低温试验时候的结霜问题，同时解决了传动滑动密封的摩擦问题。较佳地，所述气封环11包括同轴设置的摩擦环11-1、定位环11-2和两个挡环11-3；两个挡环11-3之间连接有摩擦环11-1，摩擦环11-1的外周面与两个挡环11-3的外侧面围成一环形凹槽，环形弹性密封垫10套在环形凹槽内，任意一个挡环11-3外侧面连接有定位环11-2，摩擦环11-1、定位环11-2和两个挡环11-3的内径相同，穿箱轴7穿设在气封环11的内孔中，定位环11-2通过定位孔中的螺钉固定在穿箱轴7上。环形弹性密封垫10与摩擦环11-1的外周面轻微摩擦，通常环形弹性密封垫10的厚度为1-2mm。与此同时，高低温箱内设计还有氮气冲压系统，通过在箱体内壁配置气压传感器，控制氮气充气时的箱内压力，使得箱内相对箱外始终保持微正压状态。优选地，弹性密封垫10的材质为硅橡胶。被测件以及根据被测件设计的工装9构成被测组件。
如图2和图3所示，旋转驱动模块2和加载模块3均包括伺服电机2-1和减速器2-2；伺服电机2-1的输出端连接减速器2-2，减速器2-2的输出端通过轴系与穿箱轴7连接。现有设计中，输入端和输出端的传感器往往为固定选型，因此，针对被测对象的测量值远低于传感器量程时(如扭矩传感器量程为500Nm，而实际测量某被测对象所需加载力矩仅为1-5Nm左右时)，测试精度变差的问题。输入端驱动电机、位置(角度)编码器、扭矩(力矩)传感器构成驱测一体化结构，输出端的电机及传感器被设计成加载模块。旋转驱动模块和加载模块均为独立可替换模块，通过一个转接板，利用平键与螺钉组定位固定在调整模块上。在新的测试减速器或增速器被测对象或新的测试工况下，两模块可以通过替换系列电机、系列力矩传感器来适应测试需求。此设计与现有设计相比，可以针对某特定被测对象，实现测试精度的最大化。
为了适应测试用高低温箱以及模块化设计，研制了调整模块，以减少测试装置的X向和Y向偏移，具体的是如图6-图7所示：所述调整模块4包含X向移动座4-1、Y向移动座4-2、X向调整驱动组件4-3、Y向调整驱动组件4-4和导轨座4-5；导轨座4-5安装在基础平台1上，Y向移动座4-2可滑动地设置在导轨座4-5上，Y向移动座4-2由设置于导轨座4-5上的Y向调整驱动组件4-4控制而在Y方向上移动，X向移动座4-1与Y向移动座4-2在X方向上呈楔形布置，在楔形面上，X向移动座4-1和Y向移动座4-2二者相对滑动，X向移动座4-1由设置于Y向移动座4-2上的X向调整驱动组件4-3控制能在X方向和竖直方向上移动。导轨座4-5主要是为集成设计提供组装接口，方便调整平台与总平台进行集成。而整个调整模块可以在2个方向进行精密调节，分别为Y方向与X方向。其中X向调节如图7所示，通过调节两边X向调整驱动组件4-3，进行X方向小位移移动，带动X向移动座4-1进行X方向移动，调整其X向移动座4-1的X向位置，减少测试系统X向偏倚。而X向移动座4-1起到Y向移动座4-2和导轨座4-5的连接作用，调节的同时不干扰其他方向的位移。Y向调节如图7所示，通过调节两边Y向调整驱动组件4-4，进行Y方向小位移移动，带动Y向移动座4-2进行Y方向移动，调整其Y向位置，减少测试系统Y向偏倚。
进一步地，如图8和图9所示，所述Y向移动座4-2具有中空腔4-21，X向移动座4-1中部设有向下延伸的固定凸台4-11且二者可拆卸连接，所述固定凸台4-11竖向插装在中空腔4-21内，在Y向移动座4-2上以Y轴为对称轴镜像布置有两个X向调整驱动组件4-3，每个所述X向调整驱动组件4-3包含第一手轮4-31和第一螺杆4-32；第一手轮4-31上安装有第一螺杆4-32，第一螺杆4-32旋拧在Y向移动座4-2上，第一螺杆4-32的轴向与Y轴垂直，X向移动座4-1被定位时，第一螺杆4-32端面与所述固定凸台4-11相抵。旋转第一手轮4-31带动第一螺杆4-31旋转，进而挤压中间的固定凸台4-11在X方向上小位移移动，进而实现X向移动座4-1沿着楔形面在X方向上小位移移动和垂直方向的小位移移动。
进一步地，如图8-图10所示，导轨座4-5上开有定位槽4-51，所述Y向移动座4-2的底部搭设有向下延伸的定位凸台4-22，定位凸台4-22布置在定位槽4-51内，在导轨座4-5上以X轴为对称轴镜像布置有两个Y向调整驱动组件4-4，每个所述Y向调整驱动组件4-4包含第二手轮4-41和第二螺杆4-42；第二手轮4-41上安装有第二螺杆4-42，第二螺杆4-42旋拧在Y向移动座4-2上，第二螺杆4-42的轴向与第一螺杆4-32的轴向垂直，Y向移动座4-2被定位时，第二螺杆4-42的端面与定位凸台4-22相抵。旋转第二手轮4-41带动第二螺杆4-42旋转，进而挤压中间的定位凸台4-22在Y方向上小位移移动，进而实现Y向移动座4-2及X向移动座4-1整体在Y方向上小位移移动。为了保证移动距离的精度与准确度，我们对接触面的粗糙度都保证在1.6及以下，尤其是定位凸台4-22和固定凸台4-11分别与第二螺杆4-42和第一螺杆4-32的接触面。对于移动座，设计其零件精度形位公差都在5级精度内，保证其移动的准确性。同时在配合的时候选取紧配合，保证其在位移的过程不会由于间隙而造成不必要的误差，保证其各个尺寸的高精度。
如图5所示，Y向移动座4-2和导轨座4-5通过交叉滚子导轨3-6连接，X向移动座4-1和Y向移动座4-2通过交叉滚子导轨3-6连接，交叉滚子导轨滚动摩擦力小，稳定性能好，接触面积大，易实现高刚性，高负荷运动。
进一步地，旋转驱动模块2输出端通过联轴器12与位置编码器6-2连接，支撑模块5与扭矩传感器6-1通过联轴器12连接，同理，加载模块2应用联轴器12与输出的扭矩传感器6-1连接，测量其输出功率；输出的扭矩传感器6-1通过联轴器12与支撑模块5连接。
工作原理
传动效率是指机械稳定运转时，机械的输出功(有用功量)与输入功(动力功量)的百分比，是表示机械在能量利用率高低方面的物理量。它的计算公式为：
Figure BDA0002726767700000051
其中，Ao表示有用功，Ar表示总共的功，Po表示输出功率，Pi表示输入功率。由于大多数机械在接收输入功的同时就输出功，而且输入输出的快慢也互相适应，所以传动效率又可以定义为输出功率和输入功率的百分比。机械功率通过扭矩和转速间接测量获得：
Pi＝Tiωi
Po＝Toωo
其中，Ti和To分别表示输入和输出扭矩，ωi和ωo分别表示输入和输出角速度。
传动效率测量系统采用开放式测量结构。如图1所示，由扭矩传感器测量被测件的输出扭矩，位置编码器实时测量系统的输入输出位置通过时间微分获得输入输出角速度。典型的被测件以机械传动系统为主，包括减速和增速装置。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (7)

1.一种传动效率高低温测试装置，其特征在于：它包括基础平台(1)、旋转驱动模块(2)、加载模块(3)、调整模块(4)、支撑模块(5)和测量模块；
两个调整模块(4)安装在基础平台(1)上，一个调整模块(4)上安装有旋转驱动模块(2)和支撑模块(5)，旋转驱动模块(2)输出端连接的穿箱轴(7)通过支撑模块(5)支撑旋转，另外一个调整模块(4)上安装有加载模块(3)和支撑模块(5)，加载模块(3)输出端连接的穿箱轴(7)通过支撑模块(5)支撑旋转，旋转驱动模块(2)、加载模块(3)和支撑模块(5)三者同轴设置，旋转驱动模块(2)与支撑模块(5)之间的轴系上设有测量模块，所述测量模块包括扭矩传感器(6-1)和位置编码器(6-2)，加载模块(3)与支撑模块(5)之间的轴系上设有扭矩传感器(6-1)，高低温箱(8)内临近支撑模块(5)的穿箱轴(7)上布置有位置编码器(6-2)，高低温箱(8)侧壁的上各安装有一个环形弹性密封垫(10)，两个穿箱轴(7)穿过高低温箱(8)上的环形弹性密封垫(10)由位于高低温箱(8)内的工装(9)支撑旋转，并用于连接位于高低温箱(8)内的被测件，环形弹性密封垫(10)位于套在穿箱轴(7)上的气封环(11)的凹槽内并与凹槽底面摩擦接触。
2.根据权利要求1所述的一种传动效率高低温测试装置，其特征在于：所述调整模块(4)包含X向移动座(4-1)、Y向移动座(4-2)、X向调整驱动组件(4-3)、Y向调整驱动组件(4-4)和导轨座(4-5)；导轨座(4-5)安装在基础平台(1)上，Y向移动座(4-2)可滑动地设置在导轨座(4-5)上，Y向移动座(4-2)由设置于导轨座(4-5)上的Y向调整驱动组件(4-4)控制而在Y方向上移动，X向移动座(4-1)与Y向移动座(4-2)在X方向上呈楔形布置，在楔形面上，X向移动座(4-1)和Y向移动座(4-2)二者相对滑动，X向移动座(4-1)由设置于Y向移动座(4-2)上的X向调整驱动组件(4-3)控制而在X方向和竖直方向上移动。
3.根据权利要求2所述的一种传动效率高低温测试装置，其特征在于：所述Y向移动座(4-2)具有中空腔(4-21)，X向移动座(4-1)中部设有向下延伸的固定凸台(4-11)且二者可拆卸连接，所述固定凸台(4-11)竖向插装在中空腔(4-21)内，在Y向移动座(4-2)上以Y轴为对称轴镜像布置有两个X向调整驱动组件(4-3)，每个所述X向调整驱动组件(4-3)包含第一手轮(4-31)和第一螺杆(4-32)；第一手轮(4-31)上安装有第一螺杆(4-32)，第一螺杆(4-32)旋拧在Y向移动座(4-2)上，第一螺杆(4-32)的轴向与Y轴垂直，X向移动座(4-1)被定位时，第一螺杆(4-32)端面与所述固定凸台(4-11)相抵。
4.根据权利要求2或3所述的一种传动效率高低温测试装置，其特征在于：导轨座(4-5)上开有定位槽(4-51)，所述Y向移动座(4-2)的底部搭设有向下延伸的定位凸台(4-22)，定位凸台(4-22)布置在定位槽(4-51)内，在导轨座(4-5)上以X轴为对称轴镜像布置有两个Y向调整驱动组件(4-4)，每个所述Y向调整驱动组件(4-4)包含第二手轮(4-41)和第二螺杆(4-42)；第二手轮(4-41)上安装有第二螺杆(4-42)，第二螺杆(4-42)旋拧在Y向移动座(4-2)上，第二螺杆(4-42)的轴向与第一螺杆(4-32)的轴向垂直，Y向移动座(4-2)被定位时，第二螺杆(4-42)的端面与定位凸台(4-22)相抵。
5.根据权利要求4所述的一种传动效率高低温测试装置，其特征在于：所述旋转驱动模块(2)和加载模块(3)均包括伺服电机(2-1)和减速器(2-2)；伺服电机(2-1)的输出端连接减速器(2-2)，减速器(2-2)的输出端通过轴系与穿箱轴(7)连接。
6.根据权利要求5所述的一种传动效率高低温测试装置，其特征在于：Y向移动座(4-2)和导轨座(4-5)通过交叉滚子导轨(3-6)连接，X向移动座(4-1)和Y向移动座(4-2)通过交叉滚子导轨(3-6)连接。
7.根据权利要求6所述的一种传动效率高低温测试装置，其特征在于：所述气封环(11)包括同轴设置的摩擦环(11-1)、定位环(11-2)和两个挡环(11-3)；两个挡环(11-3)之间连接有摩擦环(11-1)，摩擦环(11-1)的外周面与两个挡环(11-3)的外侧面围成一环形凹槽，环形弹性密封垫(10)套在环形凹槽内，任意一个挡环(11-3)外侧面连接有定位环(11-2)，摩擦环(11-1)、定位环(11-2)和两个挡环(11-3)的内径相同，定位环(11-2)通过定位孔(11-2-1)中的螺钉固定在穿箱轴(7)上。
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