制动式动态扭矩传感器校准装置的设计与仿真

作     者：况现桃 

作者单位：贵州师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：伍权

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：动态扭矩 校准 制动式固有频率法 结构设计 仿真 

摘      要：动态扭矩传感器广泛应用于航空航天伺服机构测试系统,动态扭矩参数溯源是伺服机构测试系统参数准确可靠的保证。由于航空航天等领域对幅值范围大的动态扭矩参数溯源需求多,目前动态扭矩参数溯源方法能实现的扭矩幅值最大为200Nm,不能满足行业使用需求。针对以上问题,本文基于制动式动态扭矩传感器校准原理,研建了一套动态扭矩幅值范围100～250Nm、频率范围10～40Hz动态扭矩传感器校准装置,并通过校准实验证明校准装置设计方案的可行性。主要工作如下:(1)制动式动态扭矩传感器校准装置总体设计。根据制动式动态扭矩传感器校准原理及总技术指标,提出了装置的总体设计要求,确定了装置的总体结构及工作方式。(2)转动机构的设计与仿真。标准惯量盘是转动机构产生扭振频率的关键部件,基于制动式动态扭矩校准理论模型,计算了10～40Hz标准惯量盘的结构参数,利用ANSYS仿真软件对装配不同标准惯量盘的转动机构进行模态分析,确定了满足10～40Hz扭矩激励频率要求的标准惯量盘密度、半径和高度结构参数为:ρ=7850kg/m,r=300mm,h=135mm;ρ=7850kg/m,r=222mm,h=95mm;ρ=7850kg/m,r=175mm,h=95mm;ρ=7850kg/m,r=160mm,h=58mm。(3)立式机架结构设计与仿真分析。对设计的立式机架受力分析,利用ANSYS仿真软件对立式机架进行瞬态、模态仿真分析。输出的立式机架X、Y、Z方向变形位移最大值为0.0205mm,应力最大值为2.437MPa,满足立式机架承受峰值力矩的强度要求;输出的前六阶固有频率为259.29～348.16Hz,与外部激励频率相比,避免了机械共振。(4)制动式动态扭矩传感器校准装置动力学仿真。利用ADAMS与ANSYS仿真软件,对刚柔耦合转动机构摩擦制动模型进行动力学仿真分析。基于摩擦制动模型仿真结果,建立刚柔耦合转动机构反向力矩制动仿真模型和有阻尼单自由度扭振数学模型进行联合分析。102.6°/s、50.4°/s两组初始角速度下输出的惯量盘的角位移曲线产生了呈衰减状态10Hz扭振频率,转动机构制停后扭矩轴的变形角度为0.232°、0.188°,激励力矩为250Nm、202Nm。随着初始角速度减小,扭矩轴的变形量越小,激励力矩越小。(5)制动动态扭矩传感器校准实验与分析。将研建的装置设计图交付外协制造与安装,调试完成后装配30Hz标准惯量盘和扭矩传感器模拟轴进行预实验,然后再安装奇石乐4503B型应变式扭矩传感器进行校准实验。校准实验的圆光栅采集系统采集的转动机构频率约为33Hz,角速度幅值约为4°/s,与理论计算角速度值4.43°/s接近,证明了校准装置设计的可靠性。