CN112556908A

CN112556908A - 一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置及方法

Info

Publication number: CN112556908A
Application number: CN202011348834.3A
Authority: CN
Inventors: 宋晨飞; 陈天骅; 逄显娟; 张燕燕; 王帅; 李家伟; 孙逸翔; 张永振
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2040-11-26
Also published as: CN112556908B

Abstract

本发明涉及一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置及方法，检测装置包括主动回转件、外环、X向测力机构、X向局部支撑件、Y向测力机构及Y向局部支撑件，使用时，将弹性滚环对应放置在主动回转件和外环之间，由相应局部支撑件向外环提供局部支撑，由X向测力机构检测弹性滚环顶压外环的X向作用力，由Y向测力机构检测弹性滚环顶压外环的Y向作用力，在旋转轴带着内环回转时，驱使弹性滚环环绕内环公转的同时自转，模拟弹性滚环的实际工作状态，并根据同步采集到的扭矩和作用力数据，计算弹性滚环受到的实时摩擦力和压缩力。本实施例所提供的检测装置结构简单，方便检测弹性滚环滚动过程中实时受到的摩擦力和压缩力。

Description

一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置及方法

技术领域

本发明属于滚动摩擦试验领域，具体涉及一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置及方法。

背景技术

导电旋转关节是运动部件之间电能传输和电信号传递的唯一通道，广泛存在于雷达、空间太阳能帆板驱动机构、风电变桨系统、控制力矩陀螺等高端装备中。其导电部位由金属或碳等导电材料接触形成，在旋转摩擦过程中完成电流输送，因而称之为载流摩擦副。

载流摩擦副属于“单点失效”部件，其摩擦/导电性能是整机能源和信号传输的瓶颈，载流摩擦副摩擦磨损失效或导电失效均会导致整个系统功率下降或功能丧失。高可靠性的载流摩擦副是雷达、航天器等高端装备安全运行的前提。

受滚动轴承的启发，基于滚动摩擦低摩擦系数、低磨损率的先天优势，上世纪80年代美国航空航天局(NASA)设计制造了弹性滚环导电旋转关节，并满足了“自由号”空间站的高功率电能传输需求，这种滚动导电关节的主体由内、外导电环以及多个弹性滚环构成，弹性滚环采用薄壁弹性结构，依靠自身弹性变形产生的预紧力与内外环稳定接触，传导滚动力矩和电流。整体结构如授权公告号为CN105226477B的中国发明专利中公开了一种滚动电旋转传输装置，其包括轴体部分、壳体部分以及位于两者之间的环体部分，其中，环体部分由若干个完全相同的环路滚动摩擦副轴向叠加而成，每个环路滚动摩擦副由内导电环、外导电环、柔性环、惰轮、导轨和绝缘垫圈组成，其中，内导电环的外周面设置内导电环环槽，外导电环的内周面设置外导电环环槽，在内导电环跟随轴体部分回转过程中，柔性环在围绕内导电环公转的情况下同时围绕自身中心轴线自传，实现柔性环与内导电环环槽、外导电环环槽滚动摩擦配合，以在转动过程中实现导电传输。

目前，研究者开展了大量的弹性滚环载流摩擦研究探索，中国电子科技集团公司第三十八研究所为获得可靠电接触和足够的抗结构疲劳性，设计了合适的工作压力及结构参数，总结了弹性环的详细设计流程，并对弹性环的表面处理及装配技术进行了简要概述。西安交通大学团队从电接触角度出发，通过实验研究了镀层、气氛、电流强度等条件下滚环的电接触性能，进行了5A、60A电流传输试验。上海宇航工程研究所对空间大功率长寿命滚环电传输装置技术进行了理论分析、样机研制，并开展了10⁵转性能测试，充分验证了滚环导电的优势。

目前试验中的已知载荷为初始载荷，由弹性环几何尺寸、材料弹性模量和压缩量决定，其可以获取弹性滚环滚动时的实时导电特性、实时扭矩，但无法检测弹性滚环滚动时的实时载荷。而在长期服役过程中弹性滚环存在疲劳现象，进而导致接触力逐渐衰退，最终影响弹性滚环载流摩擦接触状态和服役性能。因此，有必要开发一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置和方法，能够方便快速地获得滚动过程中弹性滚环的实时压缩受力情况，为研究弹性滚环弹性失效、服役性能及其衰退机制提供试验手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置，以能够方便快速地获得弹性滚环的实时压缩力；同时，本发明还提供一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法，以能够方便快速地获得弹性滚环的实时压缩力。

为实现上述目的，本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置的技术方案是：一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置，包括：

主动回转件，其外周面上设有外环槽，用于与待检测的弹性滚环滚动摩擦配合；

外环，同轴地间隔布置在主动回转件外侧，所述外环的内周面上设有内环槽，用于与待检测的弹性滚环滚动摩擦配合，所述内环槽和外环槽在主动回转件轴向上对齐布置；

X向测力机构，沿外环径向顶压在外环外周上，以检测弹性滚环在X向顶压外环的X向作用力；

X向局部支撑件，与X向测力机构关于主动回转件的中心轴线对称布置；

Y向测力机构，沿外环径向顶压在外环外周，以检测弹性滚环在Y向顶压外环的Y向作用力，Y向作用力与X向作用力垂直布置，且X向作用力和Y向作用力的交点与所述外环的圆心重合；

Y向局部支撑件，与Y向测力机构关于主动回转件的中心轴线对称布置。

有益效果是：本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置中，将弹性滚环对应放置在主动回转件和外环之间，同时，对应于X向测力机构和Y向测力机构，分别对应布置相应的局部支撑，在主动回转件驱动弹性滚环滚动过程中，弹性滚环公转的同时自转，以模拟弹性滚环的实际工作状态，而弹性滚环向外环施加的作用力可实时分解为正交布置的X向作用力和Y向作用力，并由X向测力机构和Y向测力机构检测，从而方便根据同步采集到的扭矩和作用力数据，计算弹性滚环受到的实时摩擦力和压缩力。本实施例所提供的检测装置结构简单，使用较为方便，方便检测弹性滚环滚动过程中实时受到的摩擦力和压缩力。

作为进一步地改进，所述X向测力机构和/或Y向测力机构包括力传感器。

有益效果是：相应测力机构包括力传感器，便于直接得到检测结果，也便于针对任意位置的弹性滚环，以将其实时压缩力分解为X向和Y向的正交顶压作用力，并被X向力传感器和Y向力传感器检测。

作为进一步地改进，所述X向局部支撑件和/或Y向局部支撑件为万向球支撑座。

有益效果是：采用万向球支撑座为外环提供局部的滚动点支撑，在重力方向上受力平衡，减少对水平面X向及Y向受力的干扰，在保证局部支撑的情况下，延长外环使用寿命。

作为进一步地改进，所述主动回转件包括内环，内环的外周面上设有所述的外环槽，内环由旋转轴驱动转动。

有益效果是：主动回转件采用旋转轴和内环配合的方式，并在内环上设置外环槽，结构简单，方便加工制作。

作为进一步地改进，对应所述旋转轴设置有扭矩传感器，以检测旋转轴驱动内环回转时的扭矩。

本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法的技术方案是：一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法，包括如下步骤：

(1)将待测的弹性滚环放置在同轴布置的主动回转件的外环槽和外环的内环槽之间，在主动回转件转动时，弹性滚环与内环槽、外环槽滚动摩擦配合，针对仅由X向局部支撑和Y向局部支撑的外环，采用与X向局部支撑对称布置的X向测力机构检测弹性滚环在X向顶压外环的X向作用力F_X，采用与Y向局部支撑对称布置的Y向测力机构检测弹性滚环在Y向顶压外环的Y向作用力F_y，Y向作用力F_y与X向作用力F_X垂直布置，且X向作用力F_X和Y向作用力F_y的交点与所述外环的圆心重合；

(2)主动回转件以设定转速回转，测得主动回转件的输入扭矩为T₁，并据此得到弹性滚环的摩擦力扭矩T_f，T_f＝T₁-T₀，其中T₀为相同转速下未安装弹性滚环时的空载扭矩，然后结合主动回转件的半径D，即可计算弹性滚环所受的摩擦力f，f＝T_f/D；

(3)在检测过程中，同步采集X向作用力F_X、Y向的顶压作用力F_y及弹性滚环所受的摩擦力f，即可得到弹性滚环实时受到的压缩力p为：

有益效果是：本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法中，将弹性滚环对应放置在主动回转件和外环之间，对应于X向测力机构和Y向测力机构，分别对应布置相应的局部支撑，这样一来，在主动回转件驱动弹性滚环滚动过程中，弹性滚环公转的同时自转可以模拟弹性滚环的实际工作状态，弹性滚环向外环施加的作用力可实时分解为正交布置的X向作用力和Y向作用力，并由X向测力机构和Y向测力机构检测，从而方便根据同步采集到的扭矩和作用力数据，计算弹性滚环受到的实时摩擦力和压缩力。本实施例所提供的检测装置结构简单，使用较为方便，方便检测弹性滚环滚动过程中实时受到的摩擦力和压缩力。

作为进一步改进，所述主动回转件包括内环，内环的外周面上设有所述的外环槽，内环由旋转轴驱动转动，对应所述旋转轴设置扭矩传感器，以检测旋转轴驱动内环回转时的扭矩。

有益效果是：主动回转件采用旋转轴和内环配合的方式，并在内环上设置外环槽，结构简单，方便加工制作，可实时检测弹性滚环摩擦力。

作为进一步改进，所述X向局部支撑由X向万向球支撑座提供，Y向局部支撑对应由Y向万向球支撑座。

作为进一步改进，所述X向测力机构包括X向力传感器，所述Y向测力机构包括Y向力传感器。

附图说明

图1为本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置的实施例1的结构示意图；

图2为图1所示检测装置计算实施压缩力的原理示意图。

附图标记说明：

1-X向测力机构，2-弹性滚环，3-外环，4-Y向测力机构，5-内环，6-Y向万向球轴承座，7-旋转轴，8-X向万向球轴承座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置的具体实施例1：

如图1所示，该实施例中的检测装置具体包括配合使用的旋转轴7、内环5、外环3、X向万向球支撑座8、X向测力机构1、Y向万向球支撑座6及Y向测力机构4。

其中，旋转轴7和内环5固定装配在一起以形成主动回转件，旋转轴7由电机驱动转动，内环5的外周面上设有外环槽，用于与待测的弹性滚环2滚动摩擦配合，以形成摩擦副。

外环3同轴地间隔布置在内环5外侧，外环3的圆心与内环5的圆心重合，在外环3的内周面上设有内环槽，用于与待测的弹性滚环2滚动摩擦配合，并且，外环3上的内环槽和内环5上的外环槽在主动回转件轴向上对齐布置，以使得弹性滚环2处于平直状态。

对应于外环3，在X向上，由X向万向球支撑座8作为X向局部支撑件，为外环3提供X向局部支撑，而且，X向万向球支撑座8和X向测力机构1在X向上关于内环5的中心轴线对称布置，此处的X向测力机构1具体包括X向力传感器，以方便检测弹性滚环向外环3施加的X向作用力。

同样的，对应于外环3，在Y向上，由Y向万向球支撑座6作为Y向局部支撑件，为外环3提供Y向局部支撑，而且，Y向万向球支撑座6和Y向测力机构4在Y向上关于内环5的中心轴线对称布置，此处的Y向测力机构4具体包括Y向力传感器，以方便检测弹性滚环向外环3施加的Y向作用力。

在本实施例中，X向测力机构1沿外环径向顶压在外环3的外周，以检测弹性滚环顶压外环的X向作用力；Y向测力机构4沿外环径向顶压在外环3的外周，以检测弹性滚环顶压外环的Y向作用力。并且，Y向作用力与X向作用力垂直布置，且X向作用力和Y向作用力的交点与外环3的圆心重合，以保证检测精度。

而且，在本实施例中，为检测旋转轴7输出扭矩，对应旋转轴7扭矩传感器，以检测旋转轴7驱动内环5回转时的扭矩，用于检测弹性滚环2受到的摩擦力。

使用时，将待检测的弹性滚环2放置在内环5和外环3之间，弹性滚环2与内外环分别滚动摩擦配合，在由相应方向的万向球支撑座提供局部支撑的情况下，由X向测力机构1检测弹性滚环顶压外环3的X向作用力，由Y向测力机构4检测弹性滚环顶压外环3的Y向作用力，在旋转轴7带着内环5回转时，驱使弹性滚环2环绕内环5公转的同时自转，以模拟弹性滚环2的实际工作状态，并根据同步采集到的扭矩和作用力数据，计算弹性滚环2受到的实时压缩力。

本实施例所提供的检测装置结构简单，使用时，将弹性滚环2对应装配在内外环3之间即可，使用较为方便，方便检测弹性滚环2滚动过程中实时受到的摩擦力和压缩力。

本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置的具体实施例2：

其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，分别采用X向万向球支撑座提供X向局部支撑，采用Y向万向球支撑座提供Y向局部支撑，均为局部点支撑。在本实施例中，也可以采用顶尖结构，顶尖结构作为局部支撑件顶推支撑外环，以提供点支撑。

本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置的具体实施例3：

其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，主动回转件包括旋转轴和内环，这样方便在内环上设置外环槽，同时，也便于设置扭矩传感器以检测相应的扭矩。在本实施例中，主动回转件为主动轴，主动轴由相应电机驱动转动，可在主动轴的外周面上设置外环槽，进而实现与弹性滚环的滚动摩擦配合。

本发明所提供的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法的实施例：

该实施例中的检测方法包括如下步骤：

(2)主动回转件以设定转速回转，测得主动回转件的输入扭矩为T₁，并据此得到弹性滚环的摩擦力扭矩T_f，T_f＝T₁-T₀，其中T₀为相同转速下未安装弹性滚环时的空载扭矩T₀，然后结合主动回转件的半径D，即可计算弹性滚环所受的摩擦力f，f＝T_f/D；

(3)在检测过程中，同步采集X向作用力F_X、Y向的顶压作用力F_y及弹性滚环所受的摩擦力f，实际上，根据图2所示，相对于外环来讲，X向施力结构施加的X向作用力、Y向测力机构施加的Y向作用力以及弹性滚环承受的实时压缩力和摩擦力，形成平衡作用，因此，即可得到弹性滚环实时受到的压缩力p为：

具体的测量方式可采用上述弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置1至4中任一实施例中的检测装置进行实时检测，在此不再赘述。

采用本实施例所提供的检测方法，可以在一个设定时间段内采集多个实时的摩擦力数值和压缩力数值，方便以这些数值为基础，对弹性滚环的实时压缩状态进行深入研究，进而可以判断弹性滚环的弹性疲劳性能，方便研究弹性滚环的服役性能和衰退机制。

最后需要说明的是，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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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

1.一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置，其特征在于，所述X向测力机构和/或Y向测力机构包括力传感器。

3.根据权利要求1所述的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置，其特征在于，所述X向局部支撑件和/或Y向局部支撑件为万向球支撑座。

4.根据权利要求1或2或3所述的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置，其特征在于，所述主动回转件包括内环，内环的外周面上设有所述的外环槽，内环由旋转轴驱动转动。

5.根据权利要求4所述的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测装置，其特征在于，对应所述旋转轴设置有扭矩传感器，以检测旋转轴驱动内环回转时的扭矩。

6.一种弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法，其特征在于，所述主动回转件包括内环，内环的外周面上设有所述的外环槽，内环由旋转轴驱动转动，对应所述旋转轴设置扭矩传感器，以检测旋转轴驱动内环回转时的扭矩。

8.根据权利要求6或7所述的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法，其特征在于，所述X向局部支撑由X向万向球支撑座提供，Y向局部支撑对应由Y向万向球支撑座。

9.根据权利要求6或7所述的弹性滚环滚动摩擦实时受力检测方法，其特征在于，所述X向测力机构包括X向力传感器，所述Y向测力机构包括Y向力传感器。