CN113639906A - 一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，电连接器、电机端盖、电机组件、减速器组件、支架、微动开关(触发传感器)、砝码摆锤、摆臂、角度传感器、转接法兰、离合器组件、传动轴、控制设备和信号线缆。本发明有效解决了前述测试人员难以进入高低温试验箱中测量滚环、滑环摩擦力矩的问题，同时替代了传统通过电机组件驱动力矩间接反映摩擦力矩的做法，避免了引入的电机驱动组件自身阻力矩对被测对象摩擦力矩的影响，可以满足多种滚环和滑环组件在高低温环境试验中应用，具有较为广泛的适用性。

Description

一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置

技术领域

本发明属于空间电传输测量技术领域，特别是一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置。

背景技术

纵观国内外航天技术领域，卫星、飞船等飞行器的在轨能源均源于太阳帆板安置的太阳能电池片对太阳能的转换利用。其中对日定向装置等空间电传输机构用于传递太阳帆板与星、船之间的信号和功率。而滚环和滑环是空间电传输机构中的核心部件。由于滚环和滑环的在轨工作环境是暴露在飞行器之外，因此需要承受苛刻的环境交变的考验，通常高低温变达到-50℃到+80℃。为了充分验证滚环和滑环的环境适应性，通常在地面高低温试验的考核中温度范围要覆盖在轨工况，而摩擦力矩是影响滚环和滑环电性能传输和自身寿命的重要指标。常温条件下的摩擦力矩，可以手持定力矩扳手进行测量，但高低温试验中，考虑安全性，测量人员难以进入高低温箱中进行测试，因此仅能通过驱动力矩的变化情况间接反映摩擦力矩情况，这一间接测量引入的误差对滚环和滑环产品性能的判断带来极大的偏差，影响了产品的性能，也给星、船在轨飞行带来了不可估计的隐患。

关于摩擦力矩的测量，空间电传输测量领域没有有效的方式方法，因此求诸于相近的测量领域，例如轴承摩擦力矩测量领域，专利文献CN201110043678.4提到一种低温下滚动轴承的摩擦力矩测试装置，该专利所述装置仍需要人为增添测量砝码，显然对于+80℃等高温工况，测试人员难以介入，因此使用场景仍有一定的局限性。中国航天510研究所在专利文献CN200710038211.4公开了一种宽温范围下(-100℃～+70℃)的力矩测试装置，该装置的被测对象是太阳翼铰链，太阳翼铰链与滑环、滚环结构差异明显，故难以实现设备通用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，解决了滚环、滑环高低温试验中摩擦力矩测试问题，丰富现有空间电传输测量技术领域的测试手段。

本发明的技术解决方案是：

一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，包括：电机组件、减速器组件、支架、微动开关、砝码摆锤、摆臂、角度传感器、转接法兰、离合器和传动轴；

转接法兰、离合器、传动轴、减速器组件、电机组件沿轴向依次设置；

被测对象一端端面固定连接转接法兰；

电机组件固定安装在支架一端的凸板上，支架另一端的凸板用于支撑被测对象的中部；

角度传感器固定安装在转接法兰的端面上；角度传感器用于检测被测对象的转动角度；

摆臂的上端固定安装在被测对象的端面上，摆臂的下端固定安装有砝码摆锤；

微动开关设置在支架的上表面，微动开关位于砝码摆锤自由下落至最低点时对应的投影面内。

可选地，摆臂的上端通过紧固件固定安装在被测对象转动端的接口面上。

可选地，转接法兰连接被测对象的转动端。

可选地，离合器在断电时，离合器A端与离合器B端保持一段工作间隙，使得离合器A端与离合器B端相对运动互不影响，离合器上电后，在电磁引力的作用下，离合器A端与B端贴合，转矩由传动轴通过离合器传递到被测对象的转动端。

可选地，还包括：控制设备；

电连接器、电机组件、减速器组件、支架、微动开关、砝码摆锤、摆臂、角度传感器、转接法兰、离合器和传动轴一同放置在高低温试验箱中；

控制设备通过信号线缆和电连接器控制电机组件的开启和停止、离合器的吸合或断开，以及采集角度传感器输出的转角信号。

可选地，还包括电机端盖；

电机端盖位于电机组件末端，电机端盖用于保护电机组件的引出导线；

可选地，电机端盖为薄壁柱形壳体。

可选地，支架包括：底板和接口法兰盘；

两个接口法兰盘分别固定安装在底板上；

两个接口法兰盘互相平行；

电机组件和被测对象分别放置在一个接口法兰盘上，微动开关固定安装在底板上。

可选地，砝码摆锤的质量根据被测对象摩擦力矩范围而定，砝码摆锤用于平衡被测对象的摩擦力矩。

可选地，微动开关用于输出砝码摆锤触发的脉冲信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明合理利用与被测对象摩擦力矩相关的物理参量之间关系，将不易实施测量的被测参数转换为易接近、易可测参数。本发明有效解决了前述测试人员难以进入高低温试验箱中测量滚环、滑环摩擦力矩的问题，同时替代了传统通过电机组件驱动力矩间接反映摩擦力矩的做法，避免了引入的电机驱动组件自身阻力矩对被测对象摩擦力矩的影响，因而提高了滚环和滑环组件摩擦力矩测量的准确性。且发明所述的装置可以满足多种滚环和滑环组件在高低温环境试验中应用，具有较为广泛的适用性。

附图说明

图1一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测试装置的结构图；

图2一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测试装置的结构剖视图；

图3高低温试验应用示意图；

图4测试原理说明图。

图示：电连接器1、电机端盖2、电机组件3、减速器组件4、支架5、微动开关6、砝码摆锤7、摆臂8、角度传感器9、转接法兰10、离合器A端11a、离合器B端11b、传动轴12、控制设备13、信号线缆14。

具体实施方式

本发明方法的基本设计思想是通过摆锤均加速下落时间反求摩擦力矩。在摆锤自身重力与被测对象摩擦力矩的作用下，摆锤在某一角度以初始速度为零均加速下落，因此可以建立摩擦力矩、摆锤质量、摆臂、摆角和下落时间之间的关系，其中摆锤质量和摆臂长度已知，且摆角可以通过所述角度传感器获知，下落时间终止时间可以通过触发微动开关进行判断，因而可确定唯一未知参量被测对象摩擦力矩的数值。

一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，包括：电机组件3、减速器组件4、支架5、微动开关6、砝码摆锤7、摆臂8、角度传感器9、转接法兰10、离合器11和传动轴12。转接法兰10、离合器11、传动轴12、减速器组件4、电机组件3沿轴向依次设置；被测对象一端端面固定连接转接法兰10；电机组件3固定安装在支架5一端的凸板上，支架5另一端的凸板用于支撑被测对象的中部；角度传感器9固定安装在转接法兰10的端面上；角度传感器9用于检测被测对象的转动角度；摆臂8的上端固定安装在被测对象的端面上，摆臂8的下端固定安装有砝码摆锤7；微动开关6设置在支架5的上表面，微动开关6位于砝码摆锤7自由下落至最低点时对应的投影面内。

摆臂8的上端通过紧固件固定安装在被测对象转动端的接口面上。转接法兰10连接被测对象的转动端。

离合器11在断电时，离合器A端与离合器B端保持一段工作间隙，使得离合器A端与离合器B端相对运动互不影响，离合器上电后，在电磁引力的作用下，离合器A端与B端贴合，转矩由传动轴12通过离合器11传递到被测对象的转动端。

进一步，本发明一具体实施例中，还包括：控制设备13；

电连接器1、电机组件3、减速器组件4、支架5、微动开关6、砝码摆锤7、摆臂8、角度传感器9、转接法兰10、离合器11和传动轴12一同放置在高低温试验箱中；

控制设备13通过信号线缆14和电连接器1控制电机组件3的开启和停止、离合器的吸合或断开，以及采集角度传感器9输出的转角信号。

进一步，本发明一具体实施例中，还包括电机端盖2和电连接器1。

电机端盖2位于电机组件3末端，电机端盖2上设置有电连接器1；电机端盖2用于保护电机组件3的引出导线；

信号线缆14连接电连接器1和控制设备13。亦可取消电连接器，由信号线缆14连接电机组件3传递控制信号。电机端盖2为薄壁柱形壳体。

支架5包括：底板和接口法兰盘。两个接口法兰盘分别固定安装在底板上；

两个接口法兰盘互相平行；电机组件3和被测对象分别放置在一个接口法兰盘上，微动开关6固定安装在底板上。

砝码摆锤7的质量根据被测对象摩擦力矩范围而定，砝码摆锤7用于平衡被测对象的摩擦力矩。

微动开关6用于输出砝码摆锤7触发的脉冲信号。

所述的电连接器是本发明对外电器接口，传输包括电机控制信号、离合器控制信号和角度传感器采集信号。

所述的电机端盖用于保护电机引出导线。

所述电机组件主要包括力矩电机及安装定位紧固件，电机组件用于为装置转动部件提供转矩。

所述的减速器组件包括但不局限于行星减速器、谐波减速器，用于降低电机输出轴的转速，提升输出转矩的作用。

所述的支架包括底板和接口法兰盘，用于固定电机组件和被测对象，起支撑定位作用。其中支架接口法兰可以根据被测对象安装接口而进行更换，从而增加本发明的通用性。

所述的微动开关，用于输出触发脉冲信号，是所述控制设备采集信号之一。

所述的砝码摆锤，其质量经过质检标定，为系列类砝码包括100g/200g/500g等。选用原则依据被测对象摩擦力矩范围而定。所述的砝码摆锤用于平衡被测对象摩擦力矩。

所述摆臂与砝码摆锤配合使用，摆臂具体长度根据实际中被测对象尺寸确定，为可更换部件之一。

所述角度传感器用于记录摆臂自由状态下转过的角度。

所述转接法兰为所述离合器组件与被测对象之间转接工装，可根据不同被测对象转动端接口差异而进行更换，为可更换部件之一。

所述的离合器组件为常规刚性离合器组件，连接被测对象与所述传动轴之间，通电吸合，电机组件动力由传动轴传递到被测对象转动端；断电脱开，被测对象与传动轴保持一段间隙，互不影响运动。

所述传动轴连接减速器组件与离合器组件，用于传递转矩。

所述控制设备位于高低温实验室之外，具备采集角度传感器信号、微动开关信号；发射电机控制信号、离合器控制信号功能，同时具备显示砝码摆下落时间和被测对象摩擦力矩数值的显示功能。

所述信号线缆用于连接高低温试验箱内所述的测试装置与试验箱外控制设备。

结合图1、图2对所述装置进行装配说明。

如图1所示，所述的电机组件3和所述减速器组件4串联成驱动部件，电机组件3为本装置提供转矩输入。电机组件3安装于支架5半圆接口法兰面，通过紧固件连接。电机端盖2位于电机组件3末端，用于保护电机引出导线，电机引出导线汇入到位于电机端盖3上的电连接器1中，所述的电连接器1汇入了所述的角度传感器9导线、所述的离合器11导线、以及电机组件导线3，具体导线图1未表示。信号线缆14连接电连接器1和控制设备13，实现高低温试验箱内外通信。微动开关6安装于支架5底板处，位于底板中心轴线上，具体在中心轴线位置由砝码摆锤7摆到最低端所对应位置决定，如图1所示。所述摆臂8通过螺钉等紧固件安装与被测对象转动端接口面，如图2所示。

图2中被测对象(滚环或滑环组件)固定端连接到支架5半圆法兰盘上。角度传感器9通过长螺栓连接到转接法兰10，转接法兰10连接被测对象的转动端与联轴器A端11a，角度传感器9可测得被测对象转动端旋转角度，也即摆臂所转过角度。离合器B端与传动轴12连接，所述离合器组件中，离合器11在断电时，离合器A端与离合器B端保持一段工作间隙，使得离合器A端与离合器B端相对运动互不影响，离合器上电后，在电磁引力的作用下，离合器A端与B端贴合，转矩由传动轴12通过离合器传递到被测对象转动端。所述的传动轴12实际为末端延伸的行星减速器行星架，通过一对深沟球轴承支承，安装固定在传动组件末级。

实施例

如图3所示，被测对象被安装固定在支架5上，所述装置随被测对象一同放入高低温试验箱中，并通过信号线缆14与试验箱外控制设备13通信。所述控制设备应包括控制电机启、停；离合器吸合、断开，和传感器信号采集以及指标参数显示等功能。

图4标注了需要测试记录的各参数，包括摆臂8长度L、砝码摆锤质量m，摆臂相对于竖直法线偏角β。进行摩擦力矩测试，首先要求离合器组件11吸合，电机组件3输出一定转矩，带动被测对象绕回转中心转动，其中砝码摆锤处于回转最低位置，即摆臂与竖直法线相重合时，设角度传感器记初始角度，值为0。摆臂8在电机的带动下逆时针转动，转过0～90°任意位置时电机停转锁定，不妨记录转角为β。设被测摩擦力矩M，砝码摆锤7受力分解如图4所示。待砝码摆锤7速度为0后，控制设备13发出离合器组件11断电指令，同时控制设备13时间计时开启。砝码摆锤7在重力作用下带动被测对象转动端如图4所示顺时针转动，作匀加速运动，待砝码摆锤7第一次摆过最低点，并触发微动开关6时，控制设备13时间计时停止，记录时间为t。，以上过程推演如下物理关系：

公式(1)表示任意时刻砝码摆锤7的受力分析。

公式(2)表示砝码摆锤7的转动惯量，转动惯量用J表示。

公式(3)表示砝码摆锤7作均加速运动转过的角度。

将公式(2)、(3)带入公式(1)，即得到被测对象摩擦阻力矩的计算公式如公式(4)所示。该摩擦力矩最终显示在高低温试验箱外控制设备13上，供测试人员和设计人员读取即可。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，包括：电机组件(3)、减速器组件(4)、支架(5)、微动开关(6)、砝码摆锤(7)、摆臂(8)、角度传感器(9)、转接法兰(10)、离合器(11)和传动轴(12)；

转接法兰(10)、离合器(11)、传动轴(12)、减速器组件(4)、电机组件(3)沿轴向依次设置；

被测对象一端端面固定连接转接法兰(10)；

电机组件(3)固定安装在支架(5)一端的凸板上，支架(5)另一端的凸板用于支撑被测对象的中部；

角度传感器(9)固定安装在转接法兰(10)的端面上；角度传感器(9)用于检测被测对象的转动角度；

摆臂(8)的上端固定安装在被测对象的端面上，摆臂(8)的下端固定安装有砝码摆锤(7)；

微动开关(6)设置在支架(5)的上表面，微动开关(6)位于砝码摆锤(7)自由下落至最低点时对应的投影面内。

2.根据权利要求1所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，摆臂(8)的上端通过紧固件固定安装在被测对象转动端的接口面上。

3.根据权利要求1所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，转接法兰(10)连接被测对象的转动端。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，离合器(11)在断电时，离合器A端与离合器B端保持一段工作间隙，使得离合器A端与离合器B端相对运动互不影响，离合器上电后，在电磁引力的作用下，离合器A端与B端贴合，转矩由传动轴(12)通过离合器(11)传递到被测对象的转动端。

5.根据权利要求4所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，还包括：控制设备(13)；

电连接器(1)、电机组件(3)、减速器组件(4)、支架(5)、微动开关(6)、砝码摆锤(7)、摆臂(8)、角度传感器(9)、转接法兰(10)、离合器(11)和传动轴(12)一同放置在高低温试验箱中；

控制设备(13)通过信号线缆(14)和电连接器(1)控制电机组件(3)的开启和停止、离合器的吸合或断开，以及采集角度传感器(9)输出的转角信号。

6.根据权利要求5所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，还包括电机端盖(2)；

电机端盖(2)位于电机组件(3)末端，电机端盖(2)用于保护电机组件(3)的引出导线。

7.根据权利要求6所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，电机端盖(2)为薄壁柱形壳体。

8.根据权利要求6所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，支架(5)包括：底板和接口法兰盘；

两个接口法兰盘分别固定安装在底板上；

两个接口法兰盘互相平行；

电机组件(3)和被测对象分别放置在一个接口法兰盘上，微动开关(6)固定安装在底板上。

9.根据权利要求6所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，砝码摆锤(7)的质量根据被测对象摩擦力矩范围而定，砝码摆锤(7)用于平衡被测对象的摩擦力矩。

10.根据权利要求9所述的一种高低温下滚环和滑环摩擦力矩测量装置，其特征在于，微动开关(6)用于输出砝码摆锤(7)触发的脉冲信号。

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