一种轴承单元角刚度测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种轴承单元角刚度测量装置。


背景技术：

2.轴承单元作为航天器姿态控制系统惯性执行机构的旋转支撑部件，一般由两套配对角接触球轴承、内外隔圈等组成，其性能、寿命、可靠性直接影响到航天器任务的成败。
3.相较于传统惯性执行机构，控制力矩陀螺类新型惯性执行机构在轨工作时，在高速转子持续高速旋转的同时陀螺外框机动，轴承单元将同时绕两相交的公转和自转轴线运转，此时轴承单元将承受一个较大的、复杂交变的径向力、轴向力和倾覆力矩的联合负荷作用。
4.在此机动工况下，如果轴承单元角刚度不足，高速转子有沿轴线方向偏摆的风险，轴线偏摆会影响高速转子的回转精度，造成惯性执行机构的力矩输出波动，导致航天器姿态偏差，甚至航天器失控。因此，对轴承单元角刚度提出了新的要求。
5.实际上，现有技术中的角刚度测量装置，如授权公告号为cn209247353u的中国实用新型专利中公开的角接触球轴承的角刚度测量实验台，亦或者是如申请公布号为cn112414705a的中国实用新型专利申请中公开的角刚度检测装置及方法，虽然也向测试主轴施加径向加载力，并测量测试主轴的偏摆角度，但是，主要是针对性地测量单个轴承的角刚度，不适合直接对具有配套角接触球轴承、内外隔圈的轴承单元进行角刚度测量，因此，需要对应轴承单元开发相应的角刚度测量装置，以满足测量需求。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种轴承单元角刚度测量装置，以解决现有技术中的角刚度测量装置仅是对单个轴承进行测量而不适于对轴承单元进行角刚度测量的技术问题。
7.为实现上述目的，本实用新型所提供的轴承单元角刚度测量装置的技术方案是：一种轴承单元角刚度测量装置，包括：
8.外轴承座、测试主轴、径向加载机构及两端位移传感器；
9.所述外轴承座，具有安装孔，用于紧配合地穿装待测轴承单元的两轴承外圈及两轴承外圈之间的外隔圈；
10.所述外轴承座上对应所述安装孔的两端分别设有外圈挡止结构，两外圈挡止结构用于一一对应地顶压在所述两轴承外圈的相背外侧，以在安装孔轴向上实现对两轴承外圈及外隔圈的轴向定位，至少一端的外圈挡止结构为外侧可拆挡止结构；
11.所述测试主轴，用于间隙的同轴插装在所述安装孔中，测试主轴具有设定长度，以使得测试主轴两端分别穿出所述安装孔；
12.所述测试主轴用于紧配合地穿装在待测轴承单元的两轴承内圈及两轴承内圈之间的内隔圈中；
13.所述测试主轴上对应所述安装孔的两端分别设有内圈挡止结构，两内圈挡止结构用于一一对应地顶压在所述两轴承内圈的相背外侧，以在测试主轴轴向上实现对两轴承内圈及内隔圈的轴向定位，至少一端的内圈挡止结构为内侧可拆挡止结构；
14.所述径向加载机构，位于所述安装孔外侧，用于沿测试主轴径向向测试主轴施加径向加载作用力；
15.所述两端位移传感器，一一对应地位于所述安装孔两端的外侧，在所述径向加载机构施加作用力时，两端位移触传感器用于检测测试主轴两端对应于测试主轴初始设定位置发生的径向位移，所述径向位移与测试主轴的轴向相垂直。
16.有益效果是：本实用新型所提供的轴承单元角刚度测量装置在使用时，利用测试主轴和外轴承座相配合，可将形成轴承单元的两轴承、内隔圈及外隔圈装配，利用内侧可拆挡止结构和外侧可拆挡止结构在实现对轴承单元紧固装配的情况下，实现预紧装配，更好地模拟轴承单元的实际工况，保证角刚度测量精度，方便对轴承单元进行角刚度测量。
17.作为进一步地改进，所述内侧可拆挡止结构为内侧螺纹挡止结构，内侧螺纹挡止结构用于螺纹紧固装配在所述测试主轴上，并向相应轴承内圈施加预紧作用力。
18.有益效果是：利用内侧螺纹挡止结构实现紧固，方便实现预紧加载。
19.作为进一步地改进，所述内侧螺纹挡止结构为锁紧螺母，锁紧螺母螺旋装配在所述测试主轴上。
20.有益效果是：采用锁紧螺母实现紧固和预紧加载，方便使用。
21.作为进一步地改进，所述两内圈挡止结构中，其中一个内圈挡止结构为所述的锁紧螺母，另一个内圈挡止结构为挡止轴肩，挡止轴肩一体设置在所述测试主轴上。
22.有益效果是：利用挡止轴肩和锁紧螺母相配合的方式，整体结构较为简单，方便实现装夹固定。
23.作为进一步地改进，所述外侧可拆挡止结构为环形的外侧压盖，外侧压盖通过紧固螺钉可拆地固定安装在所述安装孔的相应端的孔沿处。
24.有益效果是：利用紧固螺钉将外侧压盖压装在安装孔的相应端孔沿上，方便安装实现对轴承外圈和外隔圈的固定装配。
25.作为进一步地改进，所述两外圈挡止结构中，其中一个为所述的外侧压盖，另一个为所述外轴承座内侧设有的内挡止凸缘。
26.有益效果是：利用外侧压盖和内挡止凸缘相配合，实现对轴承单元的两轴承外圈的固定，装配方便。
27.作为进一步地改进，所述外侧可拆挡止结构为外圈锁紧螺母，外圈锁紧螺母用于与外轴承座螺纹连接，外圈锁紧螺母具有顶压端，用于向相应轴承外圈施加轴向预紧作用力。
28.有益效果是：外侧可拆挡止结构采用外圈锁紧螺母，方便将外圈锁紧螺母与外轴承座连接，方便对轴承外圈施加预紧作用力，能够使得整个刚度测量装置面对面布置的轴承单元进行刚度测试。
29.作为进一步地改进，所述外轴承座固定安装在外轴承座支撑架上，外轴承座支撑架固定在相应基础上。
30.有益效果是：利用外轴承座支撑架方便固定安装外轴承座。
31.作为进一步地改进，对应所述两端位移传感器分别设置两个传感器支撑架，用于一一对应地支撑安装两端位移传感器。
32.有益效果是：对应两端位移传感器设置两个传感器支撑架，方便对应固定安装。
33.作为进一步地改进，所述轴承单元角刚度测量装置包括数据采集模块，所述两端位移传感器向所述数据采集模块传输数据，对应所述径向加载机构设有加载力传感器以检测径向加载力，加载力传感器向所述数据采集模块传输数据，数据采集模块连接有上位机。
34.有益效果是：采用数据采集模块和上位机配合，方便实现自动测试和记录。
附图说明
35.图1为本实用新型所提供的轴承单元角刚度测量装置的结构示意图。
36.附图标记说明：
37.1、测试主轴；2、锁紧螺母；3、外侧压盖；4、紧固螺钉；5、外轴承座；6、外隔圈；7、内隔圈；8、第一角接触球轴承；9、上端位移传感器；10、第二角接触球轴承；11、下端位移传感器；12、内挡止凸缘；13、挡止轴肩；14、数据采集模块；15、上位机；16、径向加载机构；17、径向加载机构支撑架；18、外轴承座支撑架；19、上端位移传感器支撑架；20、下端位移传感器支撑架；21、安装台面。
具体实施方式
38.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
40.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。
41.在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
42.在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
43.以下结合实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
44.本实用新型所提供的轴承单元角刚度测量装置的具体实施例1：
45.如图1所示，该实施例中的轴承单元角刚度测量装置主要包括外轴承座5、测试主轴1、径向加载机构16以及两端位移传感器。
46.使用上述角刚度测量装置对轴承单元进行角刚度测量，本实施例中，轴承单元包括背对背配对使用的两个角接触球轴承，即第一角接触球轴承8和第二角接触球轴承10，每个角接触球轴承均包括轴承内圈、轴承外圈及滚珠，轴承单元中，两个轴承内圈之间支撑设置有内隔圈7，两个轴承外圈之间支撑设置有外隔圈6，测量时，将测试主轴1紧配合地穿套在内隔圈7及两轴承内圈中，并使两轴承外圈及外隔圈6紧配合地穿装在轴承座内，利用径向加载机构加载，并利用位移传感器测量加载移动位移。
47.外轴承座5用于支撑安装轴承单元，具体而言，外轴承座5固定安装在外轴承座支撑架18上，外轴承座支撑架18为作为相应基础的安装台面21上，外轴承座5自身具有安装孔，如图1所示，安装孔沿上下方向延伸，外轴承座5上对应安装孔的两端分别设有外圈挡止结构，下侧的外圈挡止结构为内挡止凸缘12，内挡止凸缘12设置在外轴承座5内侧，上侧的外圈挡止结构为环形的外侧压盖3，该外侧压盖3通过紧固螺钉4可拆地固定安装在安装孔的相应端的孔沿处，外侧压盖3上设有多个螺钉安装孔，在外轴承座5相应端的孔沿上设有多个螺纹孔，多个螺纹孔与多个螺钉安装孔一一对应布置，方便穿装紧固螺钉4，以将外侧压盖3可拆地固定安装在外轴承座5相应端部，此处的外侧压盖3作为外侧可拆挡止结构使用，装配时，可以先将外侧压盖3拆卸下来，在安装完成后，重新将外侧压盖3固定安装在外轴承座5上即可。
48.测试主轴1用于间隙地同轴插座在外轴承座5的安装孔中，此处的测试主轴1具有设定长度，以使得测试主轴1的两端分别穿出安装孔，一方面为了方便径向加载机构施加径向作用力，另一方面也为了方便两端位移传感器检测测试主轴1相应位置的位移值。
49.测试主轴1上对应安装孔的两端分别设有内圈挡止结构，下侧的内圈挡止结构为挡止轴肩13，挡止轴肩13一体设置在测试主轴1上，上侧的内圈挡止结构为内侧螺纹挡止结构，内侧螺纹挡止结构具体为锁紧螺母2，在测试主轴1的上部设有外螺纹段，锁紧螺母2螺旋装配在外螺纹段上，以实现对配对地两轴承的装夹定位。此处的锁紧螺母2作为内侧可拆挡止结构，用于与挡止轴肩13相配合，向两轴承内圈及内隔圈7施加相向夹持作用力，方便实现紧固预紧。
50.需要说明的是，本实施例中的配对轴承采用背对背布置形式，因此，考虑到与实际使用场合相对应，在转动锁紧螺母2时，要注意转动的松紧程度，实现预紧加载，使其更符合实际场景。
51.本实施例中，径向加载机构具体可采用径向加载油缸，径向加载机构16位于外轴承座5的外侧，并由径向加载机构支撑架17支撑，径向加载机构16用于沿测试主轴径向向测试主轴1施加径向加载作用力。
52.两端位移传感器包括上端位移传感器9和下端位移传感器11，两位移传感器一一对应地位移安装孔两端的外侧，对应两端位移传感器分别设置两个传感器支撑架，即上端位移传感器支撑架19和下端位移传感器支撑架20，上端位移传感器9安装在上端位移传感器支撑架19上，下端位移传感器11安装在下端位移传感器支撑架20上，此处的两个传感器支撑架20也布置在作为相应基础的安装台面上。
53.另外，轴承单元角刚度测量装置还包括数据采集模块14和上位机14，上述的两端位移传感器向数据采集模块14传输数据，对应径向加载机构16设有加载力传感器以检测径向加载力，加载力传感器也向数据采集模块14传输数据，数据采集模块14连接上位机14，以由上位机对数据进行处理。
54.在径向加载机构16施加径向加载作用力时，两端位移触传感器用于检测测试主轴1两端对应于测试主轴初始设定位置发生的径向位移，径向位移与测试主轴1的轴向相垂直。
55.实际上，对于轴承单元来讲，其角刚度k
θ
的定义如下：
[0056][0057]
式中，m为对轴承施加的弯矩；θ为轴承单元沿轴线方向的偏摆角度。
[0058]
轴承单元角刚度测量原理如图1所示，对于轴承单元来讲，轴承单元径向中心平面a为轴承单元对称平面，上端位移传感器和施加的径向加载作用力f与轴承单元径向中心平面的距离均是l1，则径向加载作用力f相对于轴承单元产生的弯矩为：
[0059]
m＝fl1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0060]
下端位移传感器与轴承单元径向中心平面a的距离是l2，上下两端位移传感器的测量值分别是a1和a2，则轴承单元主轴的偏摆角度为：
[0061][0062]
至此，可将式(2)和(3)的计算值带入式(1)，计算出轴承单元的角刚度。
[0063]
为减小测量误差，可施加不同的力f，获得一组弯矩m和偏摆角θ，然后按照最小二乘线性拟合方法计算角刚度：
[0064][0065]
式中，n为施加不同力f的次数；θ为轴承单元沿轴线方向的偏摆角度。
[0066]
具体测量时，可参考下述测量步骤：
[0067]
1、对待测的轴承单元施加一组从10n至200n、间隔10n的径向力f，通过式(2)，计算出对轴承单元产生的弯矩m；
[0068]
2、通过上下两端位移传感器测量出轴承单元沿轴线方向的位置变动量a1和a2，利用式(3)，计算出轴承单元主轴偏摆角度θ；
[0069]
3、利用式(4)计算出轴承单元角刚度。
[0070]
本实施例所提供的轴承单元角刚度测量装置中，利用外轴承座、外圈挡止结构、测试主轴及内圈挡止结构搭配使用，可以有效地将待测的整个轴承单元安装在外轴承座和测试主轴上，在利用锁紧螺母实现预紧加载后，保证测试尽可能的模拟轴承单元的实际工况，提高轴承单元角刚度测量精度。
[0071]
本实用新型所提供的轴承单元角刚度测量装置的具体实施例2：
[0072]
其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，测试主轴上的两内圈挡止结构中，上侧的锁紧螺母为内侧可拆挡止结构，下侧则为轴肩，其作为固定挡止结构使用。在本实施例中，上侧和下侧均采用锁紧螺母作为内圈挡止结构，形成对两轴承内圈和内隔圈的挡止限位。
[0073]
本实用新型所提供的轴承单元角刚度测量装置的具体实施例3：
[0074]
其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，外轴承座上侧设置外侧压盖，以与下侧的内挡止凸缘形成配合，实现对两轴承外圈和外隔圈的定位装夹。在本实施例中，对应于两轴承外圈和外隔圈，也可以在上下两侧分别设置外侧压盖，此时，上下两侧均采用外侧可拆挡止结构。
[0075]
本实用新型所提供的轴承单元角刚度测量装置的具体实施例4：
[0076]
其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，利用螺纹装配在测试主轴上的锁紧螺母向轴承内圈施加加载作用力。在本实施例中，当应用于面对面装配的轴承单元时，选用外圈锁紧螺母作为外侧可拆挡止结构，该外圈锁紧螺母用于与外轴承座螺纹连接，外圈锁紧螺母具有顶压端，用于向相应轴承外圈施加轴向预紧作用力。
[0077]
最后需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。