一种小型整体式挠性接头及微型大速率动调陀螺仪

摘要

一种小型整体式挠性接头及微型大速率动调陀螺仪，小型整体式挠性接头由一块弹性材料制作而成，体积小、结构简单，避免了内、外挠性接头的焊接环节，提高了挠性接头的加工精度；利用该整体式挠性接头组成的微型大速率动调陀螺仪采用哑铃式对称结构，一端为陀螺仪转动部分，另一端为驱动电机部分，小型整体式挠性接头将陀螺仪转动部分和电机驱动部分进行连接，减小了动调陀螺仪的体积，提高了陀螺仪耐力学环境能力，提高了陀螺仪的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型整体式挠性接头及利用该整体式挠性接头组成的微型大速率动调陀螺仪，该动调陀螺仪可用以检测运动载体的角速度和角度增量，作为运动载体的姿态敏感器件。

背景技术

挠性接头是动调陀螺仪的关键部件，又称挠性支承，由平衡环、一对内挠性杆和一对外挠性杆组成，内挠性杆将陀螺仪平衡环与驱动轴联系起来，外挠性杆将平衡环与转子联系起来。挠性接头传递驱动轴加给陀螺转子的旋转力矩，使陀螺转子绕内、外扭杆具有转动自由度，平衡环所产生的动力补偿力矩可以抵消挠性杆的正弹性力矩。2005年第三期的《航天制造技术》发表的《挠性接头刚度的有限元刚度计算》指出挠性接头角位移刚度计算的准确程度直接影响着调谐陀螺仪的设计，可以把挠性杆等效为某种杆件，对它进行抗弯或抗扭的刚度计算，对于变截面的挠性杆刚度计算采用积分或有限元分析的方法计算。

林士鄂编著的《动力调谐陀螺仪》一书指出：挠性接头应有足够的强度和刚度，以保证在线加速、振动、冲击情况下转子质心不偏离支承中心，应具有尽可能低的角位移刚度K₀、尽可能高的品质因数F_m，减小正交漂移系数，满足陀螺仪精度要求。挠性接头材料的选取直接影响挠性接头的刚度和耐力学环境能力，可以把材料的许用应力对弹性模量的比值当作材料的质量指标，应从这几个方面考虑：材料的稳定性，对于惯导级陀螺仪，要求变形的稳定值范围为(1～10)×10^-6；具有高的许用应力〔σ〕，以便在一定承载能力下使接头尺寸为最小；具有低的弹性模量E，弹性模量温度系数要低，要求为恒弹性材料；材料的阻尼系数δ要小，常用材料为弹性合金马氏体时效钢。

目前获得广泛应用的挠性接头多为分离式结构，其平衡环、内、外挠性杆单独加工，然后采用胶粘或焊接的方式联结在一起，组合时挠性杆容易受力变性，增大了正交漂移系数，组合精度难于保证，定位与固定在工艺上仍有一定难度，组装应力使漂移系数稳定性差，同时可靠性降低，将影响陀螺仪耐力学环境能力。

动力调谐陀螺仪是两自由度挠性支承陀螺仪，其转子经挠性支承与电机驱动轴连接，并在电机的驱动下，相对壳体作高速转动。当动调陀螺仪在调谐转速下工作时，挠性接头的弹性恢复力矩可以完全被平衡环振荡运动产生的动力反弹性力矩所抵消。这时陀螺仪转子将稳定在惯性空间，成为不受约束的自由转子。在捷联惯测组合系统应用时，陀螺仪与伺服回路组成闭合系统，在力矩器产生的力矩驱动下，陀螺转子跟踪仪表壳体运动，分别测量沿陀螺仪两输出轴的加矩电流(或经I/F变换为脉冲频率)值，则可分别测得仪表壳体绕相应输入轴相对惯性空间的运动角速度，经捷联解算即可得到运载体的角速度。

现有动调陀螺仪存在功耗大、体积大、重量大的缺点，陀螺仪体积小、精度高、测量范围广等要求较难同时满足，挠性接头由内、外挠性接头组和而成，结构复杂，组合困难，不易加工，耐力学环境能力低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种小型整体式挠性接头及利用该整体式挠性接头组成的微型大速率动调陀螺仪。

小型整体式挠性接头由一块弹性材料制作而成，体积小、结构简单，避免了内、外挠性接头的焊接环节，提高了挠性接头的加工精度。

微型大速率动调陀螺仪采用哑铃式对称结构，一端为陀螺仪转动部分，另一端为驱动电机部分，小型整体式挠性接头将陀螺仪转动部分和电机驱动部分进行连接，减小了动调陀螺仪的体积，提高了陀螺仪耐力学环境能力，提高了陀螺仪的测量精度。

本发明的技术解决方案为：一种小型整体式挠性接头，由整体弹性材料制成，包括上环、平衡环和下环三部分，上环为法兰盘结构，法兰盘中心加工成一个带有螺纹的内孔，平衡环为筒状结构，平衡环的外壁均布四对直径相同的通孔，每对通孔之间互呈90度分布，其中第一对通孔与第三对通孔相对平衡环的轴线呈180度对称，第二对通孔与第四对通孔相对平衡环的轴线呈180度对称，第一对通孔两孔之间的圆心连线和第三对通孔两孔之间的圆心连线与平衡环轴向之间的夹角均为135度，第二对通孔两孔之间的圆心连线和第四对通孔两孔之间的圆心连线与平衡环轴向之间的夹角均为45度，四对通孔两孔之间各形成一组细径，第一对通孔中的第一通孔与第三对通孔中的第六通孔之间、第一对通孔中的第二通孔与第三对通孔中的第五通孔之间、第二对通孔中的第三通孔与第四对通孔中的第八通孔之间、第二对通孔中的第四通孔与第四对通孔中的第七通孔之间均通过通槽相连通，下环为“T”型结构，下环的中心加工有内螺纹用于和动调陀螺仪的电机驱动轴联结，外部加工有外螺纹用于和动调陀螺仪的限制环联结。

一种微型大速率动调陀螺仪，主要包括单边开口飞轮、磁钢环组件、隔磁环、导磁环、整体式挠性接头、调整平衡环、限止环、调谐杆、力矩器骨架、力矩器线圈、磁芯、传感器线圈、绝缘子、底座、电机定子、电机转子、驱动轴、上轴承、下轴承、挡板、内轴套、外轴套、螺帽，底座将动调陀螺仪分为电机驱动部分和陀螺仪转子部分，其中磁钢环组件、隔磁环、导磁环顺序粘接在单边开口飞轮上组成陀螺仪转子部分，整体式挠性接头的上环与单边开口飞轮相连，下环通过驱动轴与电机驱动部分相连，调谐杆安装在调整平衡环内后整体粘接在整体式挠性接头内部、限止环粘接在整体式挠性接头外部，整体式挠性接头的平衡环部分、调整平衡环、调谐杆共同组成挠性调谐装置，力矩器线圈粘贴于力矩器骨架上组成力矩器组件并位于陀螺仪转子内，力矩器组件整体固定在底座上，传感器线圈粘贴于磁芯上并固定在底座上，传感器线圈与导磁环构成电感式传感器，挡板、上轴承、内轴套、外轴套、下轴承固定在支座和驱动轴之间构成驱动轴的支撑机构，电机转子通过螺帽固定安装在驱动轴一端带动驱动轴转动，电机定子固定在底座上，绝缘子用于将力矩器组件、电感式传感器和电机信号线引出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的小型整体式挠性接头由一块弹性材料加工而成，将平衡环、上环、下环固联在一起，避免了上、下环的焊接环节，解决了挠性接头加工难度大，精度难保证，耐力学环境能力差，结构复杂的问题，可以减小正交漂移系数，提高漂移系数稳定性。

(2)本发明的动调陀螺仪由于采用哑铃式对称结构，一端为陀螺仪转动部分，另一端为电机驱动部分，陀螺仪转动部分和电机驱动部分的连接采用小型整体式挠性接头，该结构与传统组合式挠性接头相比，结构更简单，避免了上、下挠性支承组合，将该小型挠性接头应用于动力调谐陀螺仪，使得动力调谐陀螺仪的外型尺寸可以由原来的Φ50×78mm缩小为Φ28×34mm，并且可以减少装配误差，缩短陀螺仪的加工周期，提高陀螺仪正交漂移系数的稳定性和耐力学环境能力。

(3)调整平衡环和调谐杆采用高比重钨基合金材料制成，材料密度高，为18.5g/cm³，通过调整平衡环可以初步调节平衡环极转动惯量与赤道转动惯量，进而调整与调整平衡环螺纹连接的调谐杆，可以实现精细调谐，方便可靠。

(4)磁钢环组件采用八块高磁能积铷铁硼永磁合金N45M制作而成，提高了气隙磁密；单边开口飞轮、隔磁环、导磁环采用高饱和软磁材料1J50制作，形成良好磁路，以减小漏磁，提高主气息磁通密度；

(5)力矩器骨架采用氮化铝高导热材料，力矩器线圈使用耐高温漆包线绕制线圈，提高散热能力，改善大速率下大电流带来的热效应，提高陀螺仪速率线性度精度，陀螺仪静态测量精度小于0.1°/h，最大测量范围为300°/s。

(6)驱动轴支承装置采用C106093A2微型滚珠轴承，轴承尺寸小，摩擦力矩小，使驱动轴运转平稳，使用内、外轴套高度差调整轴承承受的预紧力，提高轴系结构刚度，提高陀螺仪耐力学环境性能。

附图说明

图1为整体式挠性接头的立体图；

图2为整体式挠性接头的主视图；

图3为图1的剖面图；

图4为图2的剖面图，截取剖面与图3相差90°；

图5为挠性接头平衡环部分的侧面展开图；

图6为动调陀螺仪的组成结构图；

图7为动调陀螺仪中调整平衡环的外形图；

图8为动调陀螺仪中力矩器定圈组件组成结构图；

图9为动调陀螺仪中陀螺仪转子部分组成结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2、3、4所示，小型挠性接头由整体弹性材料制成，其结构包括上环101、平衡环102和下环103三部分组成，调整环102为筒状结构，内部用于放置调整平衡环，平衡环102外壁均布四对通孔104，每对通孔之间互呈90度分布，每个通孔的直径为Φ3mm。如图5所示，四对通孔104分别为第一通孔401、第二通孔402、第三通孔403、第四通孔404、第五通孔405、第六通孔406、第七通孔407、第八通孔408，其中第一通孔401与第二通孔402作为第一对通孔，第三通孔403与第四通孔404作为第二对通孔，第五通孔405与第六通孔406作为第三对通孔，第七通孔407与第八通孔408作为第四对通孔，其中第一对通孔与第三对通孔沿调整环的轴线呈180度对称，第二对通孔与第四对通孔沿调整环的轴线呈180度对称，第一对通孔与第二对通孔、第二对通孔与第三对通孔、第三对通孔与第四对通孔、第四对通孔与第一对通孔相互垂直。其中第一通孔401与第二通孔402两孔之间的圆心连线和第五通孔405与第六通孔406两孔之间的圆心连线与平衡环轴向之间的夹角均为135度，并在两孔之间形成一组0.03mm宽度的细径5，其中第三通孔403与第四通孔404两孔之间的圆心连线和第七通孔407与第八通孔408两孔之间的圆心连线与平衡环轴向之间的夹角均为45度，并在两孔之间形成一组0.03mm宽度的细径5，四对通孔4共形成四组细径5，四组细径5中相临的两组互呈90°，由于每组细径均与平衡环2的轴向斜置45°，可同时承受径向及轴向载荷，相邻两组细颈垂直分布，可使陀螺转子绕相互正交的两个轴转动，使陀螺仪具有两个自由度。四对通孔中每两个通孔通过一个宽度为0.35mm的通槽6相连通，其中第一通孔401与第六通孔406相连通，第二通孔402与第五通孔405相连通，第三通孔403与第八通孔408相连通，第四通孔404与第七通孔407相连通，本实用新型的这种设计结构可以减小陀螺仪正交漂移系数，降低动态误差，更好的保证陀螺仪的耐力学环境能力。如图4所示，上环1为一个法兰盘结构，法兰盘中心加工成一个用于安装陀螺仪静平衡螺帽的内孔，内孔加工有M5螺纹，法兰盘四周均布加工12个Φ1.4mm通孔，并将任意四个互成90度的通孔加工成沉头孔用于和陀螺仪飞轮联结。如图3和图4所示，下环3为“T”型结构，下环3的外圆加工成M8螺纹，用于和动调陀螺仪的限制环联结，内孔加工有M1.6螺纹，用于和动调陀螺仪的电机驱动轴联结。

小型整体式挠性接头材料采用铌基无磁性恒弹制成，该材料由钢铁研究总院生产，通常使用3J33，材料弹性模量E较小，为1×10⁷～1.15×10⁷g/mm²，减小了挠性接头角位移刚度K₀，提高了挠性接头的灵敏度，陀螺仪正交漂移系数小于4(°)/h/g，本实用新型由于避免了内、外挠性接头组合环节，可以提高陀螺仪耐力学环境能力，陀螺仪耐冲击大于50g，耐过载大于40g，耐随机振动大于6g。本实用新型的挠性接头外形尺寸为Φ8.5×9.5mm，为设计小型化陀螺仪提供可行性。

如图6所示，微型大速率动调陀螺仪采用哑铃式结构，包括前盖1、单边开口飞轮2、磁钢环组件3、隔磁环4、导磁环5、整体式挠性接头6、调整平衡环7、限止环8、调谐杆9、力矩器骨架10、力矩器线圈11、磁芯12、传感器线圈13、绝缘子14、底座15、电机定子16、电机转子17、驱动轴18、上轴承19、下轴承20、挡板21、内轴套22、外轴套23、螺帽24、螺母25、后盖26，底座15将动调陀螺仪分为电机驱动部分和陀螺仪转子部分，其中磁钢环组件3、隔磁环4、导磁环5顺序粘接在单边开口飞轮2上组成陀螺仪转子部分，整体式挠性接头6的上环与单边开口飞轮2相连，下环通过驱动轴18与电机驱动部分相连，调谐杆9安装在调整平衡环7内后整体粘接在整体式挠性接头6内部、限止环8粘接在整体式挠性接头6外部，整体式挠性接头6的平衡环部分、调整平衡环7、限止环8和调谐杆9共同组成挠性调谐装置，力矩器线圈11粘贴于力矩器骨架10上组成力矩器组件并位于陀螺仪转子内，力矩器组件整体固定在底座15上，传感器线圈13粘贴于磁芯12上并固定在底座15上，传感器线圈13与导磁环5构成电感式传感器，挡板21、上轴承19、内轴套22、外轴套23、下轴承20固定在支座15和驱动轴18之间构成驱动轴18的支撑机构，电机转子17通过螺帽24固定安装在驱动轴18一端带动驱动轴18转动，电机定子16固定在底座15上，绝缘子14用于将力矩器组件、电感式传感器和电机信号线引出。底座15在径向方向通过玻璃烧结方式安装了16个绝缘子导电杆，绝缘子14为仪表内部电气部件与外部输出插座的联结装置；电机组件由电机定子16、电机转子17、驱动轴18、上轴承19、下轴承20、挡板21、内轴套22、外轴套23、螺帽24、螺母25组成，采用小型磁滞电机，电机转速为12000转/分钟，工作电流0.15A，同步时间小于10秒，惯性时间8～15秒，电机支撑系统为一对背靠背安装的C106093A2微型滚珠轴承，该型号轴承洛阳轴承研究所生产，轴承为含油轴承，可使用于120℃以下的环境温度，电机寿命可达到15000小时，该种型号的轴承尺寸小，摩擦力矩小，使驱动轴运转平稳，使用内、外轴套高度差调整轴承承受的预紧力，可以提高轴系结构刚度，提高陀螺仪耐力学环境性能。

电机驱动轴18通过整体式挠性接头6与陀螺转子相连，当对电机定子16激磁绕组通以三相交流电时，将产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，电机转子17连同驱动轴18一起带动整体式挠性接头6及陀螺转子作高速旋转，电感式传感器测量出陀螺仪转子的偏转角信号，此信号经前置放大器、伺服回路放大解调后输给力矩器线圈11，力矩器定圈与陀螺仪转子上的磁钢环组件3组成永磁动铁式力矩器，可对陀螺施加必要的控制力矩。

如图7所示，调整平衡环为“T”形结构，采用高比重钨基合金材料制成，密度为18.5g/cm³，通过调整平衡环可以初步调节平衡环极转动惯量与赤道转动惯量，进而调整与调整平衡环螺纹连接的调谐杆，可以实现精细调谐，方便可靠。

如图8所示，陀螺仪力矩器定圈组件由力矩器骨架10、力矩器线圈11组成，力矩器骨架10使用氮化铝高导热材料，力矩器线圈11使用耐高温漆包线绕制线圈，力矩器线圈11尽量增加力矩器线圈匝数，匝数达到160匝，线圈的线径d＝0.1mm，这样可以提高力矩器力矩系数，改善大速率下大电流带来的热效应，提高陀螺仪速率线性度精度，使陀螺仪静态测量精度小于0.1°/h，最大测量范围为300°/s。

如图9所示，陀螺仪转动部分由单边开口飞轮2、磁钢环组件3、隔磁环4、导磁环5组成，飞轮2为单边开口，结构形式简单，单边开口飞轮2、隔磁环4、导磁环5采用高饱和软磁材料1J50制作，具有较好的综合磁性能，初始导磁率和最大导磁率较高，μ_0.8＞3.5×10³Gs/Oe，μ_m＞2.5×10⁴Gs/Oe，磁钢环组件3由八块扇形磁钢拼装成磁环，采用高磁能积铷铁硼永磁合金N45M材料，径向充磁。单边开口飞轮2、隔磁环4和导磁环5可以形成良好磁路，以减小漏磁，漏磁小于5Gs，提高主气息磁通密度达到3900Gs，可以提高力矩器力矩系数。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。