CN118817318B - 一种无需支撑的快速拆装式角标仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需支撑的快速拆装式角标仪，包括与曲轴连接的旋转部分、与旋转部分活动配合的静止部分，静止部分设有控制电路板，控制电路板设有六轴姿态传感器，旋转部分包括电机的转子，静止部分包括所述电机的定子，当曲轴带动旋转部分发生旋转的瞬间，六轴姿态传感器与重力方向的夹角发生变化，控制电路板驱动电机旋转进行补偿，重新使六轴姿态传感器回到原来与重力方向的夹角。本发明不存在针对不同型号发动机设计不同固定支架的问题，利于减小测试成本，缩短测试时间。相比于现有技术，本发明的旋转部分采用锁紧机构与曲轴连接，能够方便地实现角标仪与曲轴的连接及拆卸。

Description

一种无需支撑的快速拆装式角标仪

技术领域

本发明涉及发动机分析试验领域，具体涉及发动机燃烧分析试验的仪器。

背景技术

在发动机燃烧分析试验中，需要将角标仪连接到曲轴上，用于采集曲轴转角和转速，其普遍安装方法是：设计一个法兰盘联轴器，将角标仪旋转端通过联轴器固定到曲轴自由端；或者，设计一个固定支架，将角标仪连接臂固定到发动机某个位置上，防止角标仪本体旋转。

以上方法存在的缺点如下所述。

第一，曲轴自由端在曲轴皮带轮处，需要在曲轴皮带轮紧固螺栓的中心加工螺纹孔，法兰盘联轴器才可以固定到曲轴上。由于不同型号发动机的曲轴皮带轮不同，其紧固螺栓也不同，就需要重新对其加工螺纹孔。

第二，需要拆卸原有的曲轴皮带轮紧固螺栓，更换成加工后带螺纹孔的紧固螺栓。然而拆卸和安装过程较为困难，单人无法完成。

第三，角标仪与曲轴之间的同轴度要求较高，需要加工更高精度的法兰盘联轴器和曲轴皮带轮紧固螺栓中心螺纹孔，其成本增加。

第四，为减小曲轴转角误差，固定支架的一端必须安装在发动机壳体上，这样在发动机转动过程中，发动机与角标仪振动一致，转角误差小。由于不同型号发动机的外形不一样，其固定支架也需要重新设计加工才可以适配。

综上所述，当前方法存在通用性差、成本高和试验准备时间长的问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题：现有技术中，由于不同型号发动机的外形不一样，用于支撑角标仪的固定支架也需要重新设计加工才可以适配，如此，角标仪的安装存在通用性差、成本高和试验准备时间长的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种无需支撑的快速拆装式角标仪，包括与曲轴连接的旋转部分、与旋转部分活动配合的静止部分，静止部分设有控制电路板，控制电路板设有六轴姿态传感器，旋转部分包括电机的转子，静止部分包括所述电机的定子，当曲轴带动旋转部分发生旋转的瞬间，六轴姿态传感器与重力方向的夹角发生变化，控制电路板驱动电机旋转进行补偿，重新使六轴姿态传感器回到原来与重力方向的夹角。

控制电路板搭载一颗六轴姿态传感器，同时采集加速度和角速度数据，实时解算姿态传感器与重力方向的夹角。当曲轴带动角标仪发生旋转的瞬间，六轴姿态传感器与重力方向的夹角发生变化，控制电路板会驱动电机旋转进行补偿，重新使六轴姿态传感器回到原来与重力方向的夹角。由于电机的响应速度远远大于发动机，就可以使角标仪的静止部分实时跟随重力方向并保持静止。如此，本发明的角标仪无需固定支架的支撑，具体地，角标仪的静止部分无需固定支架的支撑。进而，不存在针对不同型号发动机设计不同固定支架的问题，利于减小测试成本，缩短测试时间。

所述旋转部分包括锁紧机构，锁紧机构包括盘形组件、卡爪大臂、卡爪小臂、锁紧块与平面螺纹盘。盘形组件与电机的转子固定连接，卡爪大臂包括径向部与轴向部，径向部与平面螺纹盘活动配合在盘形组件与电机的转子之间，径向部设有平面螺纹，平面螺纹盘与径向部啮合。若干卡爪大臂沿盘形组件的周向分布，每一卡爪大臂的轴向部位于盘形组件的外围并向前突出盘形组件，卡爪小臂的一端与轴向部铰接，卡爪小臂的另一端与锁紧块铰接，锁紧块位于盘形组件的前方。

将角标仪贴靠在曲轴皮带轮紧固螺栓的六角头/曲轴皮带轮螺母上，先用手转动平面螺纹盘，带动卡爪大臂下行，使锁紧块贴紧曲轴皮带轮紧固螺栓头/曲轴皮带轮螺母的六个面，如此，曲轴的旋转中心与角标仪的旋转部分的旋转中心对齐，并且，通过锁紧块与曲轴皮带轮紧固螺栓头/曲轴皮带轮螺母的紧密配合，实现角标仪与曲轴的连接。相比于现有技术，本发明采用的锁紧机构，能够方便地实现角标仪与曲轴的连接及拆卸。

相比于卡爪小臂与轴向部铰接的一端，卡爪小臂与锁紧块铰接的一端更接近盘形组件；盘形组件包括卡盘与推力盘，卡盘设有卡盘轴向凸部，推力盘设有推力盘轴向凸部，推力盘轴向凸部活动配合在卡盘的中心孔中，卡盘轴向凸部开设轴向螺纹孔，轴向螺纹孔与所述中心孔连通，轴向螺纹孔中螺接有顶推螺钉，顶推螺钉与推力盘轴向凸部相抵。

锁紧块锁紧在曲轴皮带轮紧固螺栓头/曲轴皮带轮螺母的六个面上，将内六角扳手插入顶推螺钉，缓慢旋入使推力盘向前顶出，此时，角标仪本体带动卡爪大臂向后位移，但是，锁紧块被推力盘阻挡，卡爪小臂只能被迫转动。在转动时将产生的下压力施加给锁紧块，实现用较小的扭力产生较高的锁紧压力，完成锁紧操作后，再旋入一颗顶推螺钉防止松动。

电机的转子设有台阶，平面螺纹盘活动配合在台阶上，平面螺纹盘上螺接有径向的锁紧螺钉，锁紧螺钉能够与所述台阶相抵。将角标仪贴靠在曲轴皮带轮紧固螺栓头/曲轴皮带轮螺母的六个面上，先用手转动平面螺纹盘，带动卡爪大臂下行，使锁紧块贴紧曲轴皮带轮紧固螺栓头/曲轴皮带轮螺母的六个面，完成旋转中心对齐操作，将内六角扳手插入锁紧螺钉并旋紧，防止平面螺纹盘自然转动。然后将内六角扳手插入顶推螺钉。

盘形组件开设限位导向槽，卡爪大臂的径向部活动配合在所述限位导向槽中。

锁紧块的一侧面塞有磁钢，磁钢面向盘形组件并与盘形组件吸附。磁钢可以将锁紧块吸附在盘形组件的前端面上（即推力盘上），限制锁紧块只能贴在盘形组件的前端面上活动，当六个锁紧块在施压时，使皮带轮紧固螺栓头/曲轴皮带轮螺母的六个面能均匀受力。为保护皮带轮紧固螺栓/曲轴皮带轮螺母的防锈镀层，锁紧块底部还贴有橡胶垫。

所述旋转部分包括电机中心轴，所述静止部分包括电机底座，电机的定子固定设置在电机底座上，电机中心轴通过轴承枢接在电机底座的中心空腔中，控制电路板安装在电机底座上。控制电路板及电机保护盖通过螺纹连接件安装在电机底座上。

电机中心轴的一端设有磁环固定轴套，磁环固定轴套中配合有径向磁环，径向磁环与控制电路板枢接，控制电路板上设有离轴磁性角度编码芯片，离轴磁性角度编码芯片位于径向磁环的旁侧。控制电路板搭载的离轴磁性角度编码芯片，实时检测径向磁环转角。当曲轴和电机同步旋转时，会带动径向磁环一起旋转，离轴磁性角度编码芯片就能连续输出ABZ正交脉冲信号，从而获得高精度曲轴转角。

作为一种选择，所述电机中心轴即所述卡盘轴向凸部。具体地，卡盘轴向凸部通过轴承枢接在电机底座的中心空腔中。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为角标仪的主视图；

图2为图1的右视图；

图3为图1的左视图；

图4为图1的剖视图；

图5为角标仪的局部剖视图；

图6为锁紧机构30收缩时的示意图；

图7为锁紧机构30张开时的示意图；

图8为控制电路板10的示意图；

图9为角标仪的爆炸图；

图10为角标仪另一视角的爆炸图；

图11为卡爪大臂31、卡爪小臂32、锁紧块33的组装示意图；

图12为角标仪与皮带轮紧固螺栓51的连接示意图；

图13为角标仪与曲轴皮带轮螺母52的连接示意图；

图14为角标仪在发动机上的位置示意图；

图15为图14的局部剖视图。

图中符号说明：

100、角标仪；

10、控制电路板；11、六轴姿态传感器；12、离轴磁性角度编码芯片；13、电源和数据接口；14、三相预驱芯片；15、微控制器芯片；16、三相半桥MOS管；17、电源降压芯片；18、电路板固定柱；

21、电机的转子；211、台阶；22、电机的定子；23、电机底座；24、电机保护盖；241、电机保护盖紧固螺钉；25、电机轴承；26、电机转子固定螺钉；

30、锁紧机构；31、卡爪大臂；32、卡爪小臂；321、卡爪小臂与卡爪大臂的铰接销；322、卡爪小臂与锁紧块的铰接销；323、卡爪小臂与卡爪大臂的铰接销的紧固螺钉；324、卡爪小臂与锁紧块的铰接销的紧固螺钉；

33、锁紧块；331、磁钢；332、橡胶垫；34、平面螺纹盘；341、锁紧螺钉；35、卡盘；351、卡盘轴向凸部；352、限位导向槽；36、推力盘；361、推力盘轴向凸部；37、顶推螺钉；38、径向磁环；381、磁环固定轴套；

50、曲轴皮带轮；51、皮带轮紧固螺栓；52、曲轴皮带轮螺母。

具体实施方式

实施例

参考图4、图8，一种无需支撑的快速拆装式角标仪，包括与曲轴连接的旋转部分、与旋转部分活动配合的静止部分，静止部分设有控制电路板10，控制电路板设有六轴姿态传感器11，旋转部分包括电机的转子21，静止部分包括电机的定子22，当曲轴带动旋转部分发生旋转的瞬间，六轴姿态传感器与重力方向的夹角发生变化，控制电路板驱动电机旋转进行补偿，重新使六轴姿态传感器回到原来与重力方向的夹角。

所述旋转部分包括电机中心轴，所述静止部分包括电机底座23，电机的定子22固定设置在电机底座上，电机中心轴通过轴承枢接在电机底座的中心空腔中，控制电路板10安装在电机底座上。

电机中心轴的一端设有磁环固定轴套381，磁环固定轴套中配合有径向磁环38，径向磁环与控制电路板10枢接，控制电路板上设有离轴磁性角度编码芯片12，离轴磁性角度编码芯片位于径向磁环的旁侧。

控制电路板10上设有：电源和数据接口13，为整个电路板供电和向外发送角度脉冲信号；三相预驱芯片14，将微控制器的电机控制信号放大，来推动三相半桥MOS管16工作；三相半桥MOS管16，将直流电逆变成三相交流电，驱动交流永磁同步电机旋转；微控制器芯片15，实现电机控制，解算姿态传感器数据和处理磁编码芯片角度脉冲的功能；电源降压芯片17，负责为电路板上的芯片提供低压电。

六轴姿态传感器11包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，通过传感器融合算法，实时解算出芯片与重力方向的夹角。当曲轴带动角标仪发生旋转的瞬间，六轴姿态传感器11与重力方向的夹角发生变化，控制电路板10会驱动电机旋转进行补偿，重新使六轴姿态传感器回到原来与重力方向的夹角。由于电机的响应速度远远大于发动机，就可以使角标仪的静止部分实时跟随重力方向并保持静止。

控制电路板搭载的离轴磁性角度编码芯片12，实时检测径向磁环38转角，旋转的径向磁环38产生的周期变化磁场通过离轴磁性角度编码芯片12转换成角度脉冲信号。当曲轴和电机同步旋转时，会带动径向磁环38一起旋转，离轴磁性角度编码芯片12就能连续输出ABZ正交脉冲信号，从而获得高精度曲轴转角。

控制电路板10及电机保护盖24通过螺纹连接件安装在电机底座23上。

实施例

参考图4、图8，一种无需支撑的快速拆装式角标仪，包括与曲轴连接的旋转部分、与旋转部分活动配合的静止部分，静止部分设有控制电路板10，控制电路板设有六轴姿态传感器11，旋转部分包括电机的转子21，静止部分包括电机的定子22，当曲轴带动旋转部分发生旋转的瞬间，六轴姿态传感器与重力方向的夹角发生变化，控制电路板驱动电机旋转进行补偿，重新使六轴姿态传感器回到原来与重力方向的夹角。

参考图4、图5、图11，所述旋转部分包括锁紧机构30，锁紧机构包括盘形组件、卡爪大臂31、卡爪小臂32、锁紧块33与平面螺纹盘34。盘形组件与电机的转子21固定连接，卡爪大臂包括径向部与轴向部，径向部与平面螺纹盘活动配合在盘形组件与电机的转子之间，径向部设有平面螺纹，平面螺纹盘与径向部啮合。六个卡爪大臂31沿盘形组件的周向分布，每一卡爪大臂的轴向部位于盘形组件的外围并向前突出盘形组件，卡爪小臂32的一端与轴向部铰接，卡爪小臂的另一端与锁紧块33铰接，锁紧块位于盘形组件的前方。

相比于卡爪小臂32与轴向部铰接的一端，卡爪小臂与锁紧块33铰接的一端更接近盘形组件；盘形组件包括卡盘35与推力盘36，卡盘设有卡盘轴向凸部351，推力盘设有推力盘轴向凸部361，推力盘轴向凸部活动配合在卡盘的中心孔中，卡盘轴向凸部开设轴向螺纹孔，轴向螺纹孔与所述中心孔连通，轴向螺纹孔中螺接有顶推螺钉37，顶推螺钉与推力盘轴向凸部相抵。

如图10，电机的转子21设有台阶211，平面螺纹盘34活动配合在台阶上，平面螺纹盘上螺接有径向的锁紧螺钉341，锁紧螺钉能够与所述台阶相抵。

盘形组件的卡盘35开设限位导向槽352，卡爪大臂31的径向部活动配合在所述限位导向槽中。

如图11，锁紧块33的一侧面塞有磁钢331，磁钢面向盘形组件的推力盘36并与盘形组件的推力盘36吸附。

结合图12、图13，将角标仪贴靠在曲轴皮带轮紧固螺栓51的六角头/曲轴皮带轮螺母52上，先用手转动平面螺纹盘34，带动卡爪大臂31下行，使锁紧块33贴紧曲轴皮带轮紧固螺栓头/曲轴皮带轮螺母的六个面，如此，曲轴的旋转中心与角标仪的旋转部分的旋转中心对齐。磁钢331可以将锁紧块33吸附在推力盘36上，限制锁紧块33只能贴在推力盘36的前端面上活动，当六个锁紧块33在施压时，使皮带轮紧固螺栓头/曲轴皮带轮螺母52的六个面能均匀受力。之后，将内六角扳手插入锁紧螺钉341并旋紧，防止平面螺纹盘34自然转动。然后将内六角扳手插入顶推螺钉37，缓慢旋入使推力盘36向前顶出，此时，角标仪本体带动卡爪大臂31向后位移，但是，锁紧块33被推力盘36阻挡，卡爪小臂32只能被迫转动。在转动时将产生的下压力施加给锁紧块33，实现用较小的扭力产生较高的锁紧压力，完成锁紧操作后，再旋入一颗顶推螺钉37防止松动。

如图4，所述卡盘轴向凸部351充当电机中心轴，所述静止部分包括电机底座23，电机的定子22固定设置在电机底座上，卡盘轴向凸部通过轴承枢接在电机底座的中心空腔中，控制电路板10安装在电机底座上。

卡盘轴向凸部351的一端设有磁环固定轴套381，磁环固定轴套中配合有径向磁环38，径向磁环与控制电路板10枢接，控制电路板上设有离轴磁性角度编码芯片12，离轴磁性角度编码芯片位于径向磁环的旁侧。

如图8，控制电路板10上设有：电源和数据接口13，为整个电路板供电和向外发送角度脉冲信号；三相预驱芯片14，将微控制器的电机控制信号放大，来推动三相半桥MOS管16工作；三相半桥MOS管16，将直流电逆变成三相交流电，驱动交流永磁同步电机旋转；微控制器芯片15，实现电机控制，解算姿态传感器数据和处理磁编码芯片角度脉冲的功能；电源降压芯片17，负责为电路板上的芯片提供低压电。

六轴姿态传感器11包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，通过传感器融合算法，实时解算出芯片与重力方向的夹角。当曲轴带动角标仪发生旋转的瞬间，六轴姿态传感器11与重力方向的夹角发生变化，控制电路板10会驱动电机旋转进行补偿，重新使六轴姿态传感器回到原来与重力方向的夹角。由于电机的响应速度远远大于发动机，就可以使角标仪的静止部分实时跟随重力方向并保持静止。

控制电路板10搭载的离轴磁性角度编码芯片12，实时检测径向磁环38转角，旋转的径向磁环38产生的周期变化磁场通过离轴磁性角度编码芯片12转换成角度脉冲信号。当曲轴和电机同步旋转时，会带动径向磁环38一起旋转，离轴磁性角度编码芯片12就能连续输出ABZ正交脉冲信号，从而获得高精度曲轴转角。

控制电路板10及电机保护盖24通过螺纹连接件安装在电机底座23上，电机保护盖24的中心设有让位孔，供内六角扳手伸入卡盘轴向凸部351的轴向螺纹孔，与顶推螺钉37配合。

以上内容仅为本发明的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种无需支撑的快速拆装式角标仪，包括与曲轴连接的旋转部分、与旋转部分活动配合的静止部分，静止部分设有控制电路板（10），控制电路板设有六轴姿态传感器（11），其特征在于：旋转部分包括电机的转子（21），静止部分包括电机的定子（22），当曲轴带动旋转部分发生旋转的瞬间，六轴姿态传感器与重力方向的夹角发生变化，控制电路板驱动电机旋转进行补偿，重新使六轴姿态传感器回到原来与重力方向的夹角；

所述旋转部分包括锁紧机构（30），锁紧机构包括盘形组件、卡爪大臂（31）、卡爪小臂（32）、锁紧块（33）与平面螺纹盘（34）；

盘形组件与电机的转子（21）固定连接，卡爪大臂包括径向部与轴向部，径向部与平面螺纹盘活动配合在盘形组件与电机的转子之间，径向部设有平面螺纹，平面螺纹盘与径向部啮合；

若干卡爪大臂（31）沿盘形组件的周向分布，每一卡爪大臂的轴向部位于盘形组件的外围并向前突出盘形组件，卡爪小臂（32）的一端与轴向部铰接，卡爪小臂的另一端与锁紧块（33）铰接，锁紧块位于盘形组件的前方；

相比于卡爪小臂（32）与轴向部铰接的一端，卡爪小臂与锁紧块（33）铰接的一端更接近盘形组件；盘形组件包括卡盘（35）与推力盘（36），卡盘设有卡盘轴向凸部（351），推力盘设有推力盘轴向凸部（361），推力盘轴向凸部活动配合在卡盘的中心孔中，卡盘轴向凸部开设轴向螺纹孔，轴向螺纹孔与所述中心孔连通，轴向螺纹孔中螺接有顶推螺钉（37），顶推螺钉与推力盘轴向凸部相抵；

电机的转子（21）设有台阶（211），平面螺纹盘（34）活动配合在台阶上，平面螺纹盘上螺接有径向的锁紧螺钉（341），锁紧螺钉能够与所述台阶相抵；

盘形组件开设限位导向槽（352），卡爪大臂（31）的径向部活动配合在所述限位导向槽中。

2.如权利要求1述的无需支撑的快速拆装式角标仪，其特征在于：锁紧块（33）的一侧面塞有磁钢（331），磁钢面向盘形组件并与盘形组件吸附。

3.如权利要求1所述的无需支撑的快速拆装式角标仪，其特征在于：所述旋转部分包括电机中心轴，所述静止部分包括电机底座（23），电机的定子（22）固定设置在电机底座上，电机中心轴通过轴承枢接在电机底座的中心空腔中，控制电路板（10）安装在电机底座上。

4.如权利要求3所述的无需支撑的快速拆装式角标仪，其特征在于：电机中心轴的一端设有磁环固定轴套（381），磁环固定轴套中配合有径向磁环（38），径向磁环与控制电路板（10）枢接，控制电路板上设有离轴磁性角度编码芯片（12），离轴磁性角度编码芯片位于径向磁环的旁侧。

5.如权利要求1所述的无需支撑的快速拆装式角标仪，其特征在于：盘形组件包括卡盘轴向凸部（351），所述静止部分包括电机底座（23），电机的定子（22）固定设置在电机底座上，卡盘轴向凸部通过轴承枢接在电机底座的中心空腔中，控制电路板（10）安装在电机底座上。