一种测力天平和驱动轴一体化滚转动导数试验装置 |
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| 申请号 | CN202410296312.5 | 申请日 | 2024-03-15 | 公开(公告)号 | CN117890073B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所; | 发明人 | 徐明; 才义; 周航; 潘金柱; 王碧玲; 刘力夫; | ||||
| 摘要 | 一种测 力 天平和 驱动轴 一体化 滚转 动导数试验装置，属于航空 气动 力试验测量技术领域。本 发明 解决了现有滚转动导数测量装置存在的模型空间受限，测力天平和旋 转轴 连接误差大及 刚度 性能差的问题。技术要点：一体化测力天平安装在外支杆内， 角 度天平套装在一体化测力天平上，一体化测力天平的 旋转轴 后端与运动转换机构连接；所述外支杆的后端与 电机 支杆连接，运动转换机构、电机及减速器均置于电机支杆内，电机的输出端连接减速器的输入端，减速器的输出端连接运动转换机构，电机及减速器带动偏 心轴 连续旋转运动，经过滑槽 块 运动转换作用，实现一体化测力天平连续旋转运动。本装置适用于高、低速 风 洞 飞行器 动导数试验中对滚转动导数的测量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种测力天平和驱动轴一体化滚转动导数试验装置，其特征在于，包括一体化测力 |
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| 说明书全文 | 一种测力天平和驱动轴一体化滚转动导数试验装置技术领域背景技术[0002] 强迫振动试验方法是一种常见的风洞动导数试验方法。强迫振动方法是使用激振器强迫模型在某一自由度下作固定频率和固定振幅的简谐振动。滚转动导数试验装置是天平模型系统在滚转方向作固定频率、固定振幅的简谐振动。通常滚转动导数试验装置结构形式为：天平和旋转轴通过轴承安装在尾支杆内整体固定在风洞攻角机构上，通过激振器和运动转换机构实现旋转轴、测力天平、模型系统作简谐振动。位移元件测量模型的运动姿态，天平用来测量模型的气动力载荷、模型惯性力，经过数据处理可以计算出模型的动导数。 [0003] 滚转动导数试验装置角度测量元件布置位置通常有两种方式：第一种角度测量元件布置在旋转轴的后端，试验时只有旋转轴本身在模型的腔体内，角度天平在模型尾部的后面。此种结构形式适用于模型腔体空间尺寸严重受限情况比如大长细比类模型、尾部急剧收缩模型。此种布局解决了模型空间布局的困扰但同时产生了新的问题，角度测量元件、测力天平元件之间距离较远，模型真实位置状态和角度天平测量状态有一定的失真，而且由于旋转轴为细长杆，试验时容易产生振动、变形，模型、旋转轴的振动对角度天平测量结果具有一定的影响。 [0004] 第二种角度测量元件布置在旋转轴的前端，且靠近测量天平附件，这样能解决模型状态和角度天平测量状态失真及振动影响的问题。但是角度天平由于需要套在旋转轴上，角度天平外径较大，受试验模型空间的限制，往往第二种试验结构很难布置在模型腔体内，模型需要尾部放大，对滚转动导数试验测量结果带来一定影响。中国专利CN201621417283.0公开了一种用于滚转动导数实验的天平测量装置，即为第二种角度天平布局形式，该专利主要发明内容为运动转换机构。中国专利CN202310015603.8公开了一种高速动导数试验机构及其工作方法，同为第二种角度天平布局形式，该专利主要发明内容为运动转换机构。中国专利CN201910065769.4公开了一种可复校核的双位移滚转动导数试验装置，即为第二种角度天平布局形式，该发明内容主要为可以实现角度测量天平的可复校核。 [0005] 无论是以上哪种布局方式，测力天平和旋转轴之间的连接基本采用锥面配合连接，并用斜劈键拉紧。采用锥面配合连接带来问题：一、锥度连接需要满足一定的配合长度才能配合紧固、牢靠。这样造成测力天平元件中心和角度天平元件距离比较大，旋转轴从固定外支杆伸出距离增加。如中国专利CN201621417283.0和中国专利CN202310015603.8布局形式都是同样的问题。二、测力天平和旋转轴之间通过斜劈键拉紧，安装时容易对运动转换机构产生冲击振动影响。三、由于测力天平和旋转轴之间的锥度连接增加了同轴度误差。 [0006] 因此，针对现有滚转动导数测量装置存在的技术问题，亟需研制一套既能满足模型空间要求，又能减小连接误差及满足刚度要求的滚转动导数测量装置。 发明内容[0007] 本发明为了克服现有滚转动导数测量装置存在的模型空间受限，测力天平和旋转轴连接误差大及刚度性能差的问题，进而提供了一种测力天平和驱动轴一体化滚转动导数试验装置，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。 [0008] 本发明的技术方案： [0009] 一种测力天平和驱动轴一体化滚转动导数试验装置，包括一体化测力天平、角度天平、外支杆、运动转换机构、减速器、电机支杆、电机； [0010] 所述一体化测力天平安装在外支杆内，角度天平套装在一体化测力天平上，一体化测力天平的旋转轴后端与运动转换机构连接；所述外支杆的后端与电机支杆连接，运动转换机构、电机及减速器均置于电机支杆内，电机的输出端连接减速器的输入端，减速器的输出端连接运动转换机构； [0012] 所述滑槽块上开设有滑槽和扁口槽，所述滑槽和扁口槽上下布置，所述一体化测力天平的旋转轴后端设置有扁口，所述扁口与扁口槽配合固定，所述偏心轴的前端通过滑动轴承与滑槽配合，偏心轴的后端与减速器的输出端连接，减速器通过减速器座支撑固定在电机支杆内。 [0013] 所述电机及减速器带动偏心轴连续旋转运动，经过滑槽块运动转换作用，实现一体化测力天平连续旋转运动，一体化测力天平的后端设置一个扁口和滑槽块上的扁口槽连接，起到传递扭矩和定位的作用，偏心轴在滑槽块内滑动，实现偏心轴连续旋转运动转换为一体化测力天平的滚转振动，运动转换机构的设计既能满足模型空间要求，又能减小连接误差及满足刚度要求。 [0014] 进一步地：所述滑槽的前端设置有挡盖。防止滑槽里润滑油试验过程中飞溅出去。 [0015] 进一步地：所述扁口槽上开设有两个螺钉孔，扁口插装在扁口槽内并通过两个紧定螺钉与螺钉孔配合固定。如此设置，刚度更好，实现滑槽块和一体化测力天平尾部无间隙传动。 [0017] 进一步地：所述一体化测力天平为测力天平和旋转轴的一体化结构，测力天平前端通过锥面和模型连接，测力天平前端设置有第一基准平台，作为天平装配、校准、试验时定位基准面；测力天平元件形式为四柱梁元件，四柱梁元件上设置第一应变片，组成惠斯顿电桥用来测量模型的法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩。 [0018] 进一步地：所述角度天平为由16片角度天平梁构成的“鼠笼式结构”，角度天平梁为阶梯状结构形式，角度天平梁布局形式为前宽后窄，角度天平梁上设置4片第二应变片，组成惠斯顿电桥用来测量模型的滚转振动角度。阶梯状结构形式，前宽后窄部件既能更好地满足粘贴合适尺寸的应变片，又能实现角度天平外径尽可能小，更好地满足模型内腔安装空间的要求。 [0019] 进一步地：所述角度天平的前端和一体化测力天平采用螺钉和销钉连接，角度天平的后端和外支杆的前圆环采用螺钉和销钉连接。 [0020] 进一步地：所述外支杆的尾端设置有第二基准平台，用于实现外支杆地面组装、校准和试验时定位基准；外支杆的尾部开设有多个椭圆型孔，外支杆的尾部通过螺栓穿过椭圆型孔和电机支杆的法兰端连接。椭圆型孔可以实现第二基准平台调平，外支杆和电机支杆之间有相对加工误差时，螺栓可以固定在电机支杆上，实现外支杆相对电机支杆滚转方向±2度调整，保证外支杆和电机支杆平行。 [0021] 本发明有益效果体现在： [0022] 相对于现有技术，本发明一种测力天平和驱动轴一体化滚转动导数试验装置，适用于高、低速风洞飞行器动导数试验中对滚转动导数的测量，可以测量滚转振动试验时模型的五分量气动载荷，角度天平可以测力模型的振动角度，通过运动转换机构实现电机的连续旋转运动转换为模型的滚转振动，本发明能够准确地检测动导数试验中模型的气动力载荷、振动角度通过数据处理可以得到飞行器的动导数量值，为飞行器设计提供依据。本发明可以解决既能满足模型空间要求，又能减小连接误差及满足刚度要求的滚转动导数试验中测量装置的技术问题。 [0023] 本发明中一体化测力天平结构紧凑，加工方便，测力元件为四柱梁布局设计，各元件之间相互干扰较小；测量元件和旋转轴一体设计，减小连接间隙，减小外径尺寸。 [0024] 本发明中角度天平梁采用阶梯状空间布局设计，动导数机构外形尺寸紧凑，更好地满足了飞行器模型空间尺寸要求。 [0025] 本发明中运动转换机构和一体化测力天平连接紧密牢固，传动无间隙，振动平稳，系统可靠性高。 [0027] 图1是本发明的一种测力天平和驱动轴一体化滚转动导数试验装置的示意图； [0028] 图2是本发明中的一体化测力天平和角度天平局部示意图； [0029] 图3是本发明中的一体化测力天平示意图； [0030] 图4是本发明中的测力天平元件剖面图； [0031] 图5是本发明中的角度天平示意图； [0032] 图6是本发明中的运动转换机构示意图； [0033] 图7是本发明中的滑槽块示意图； [0034] 图8是本发明中的外支杆示意图； [0035] 图9是本发明中的外支杆侧视图； [0036] 图10是本发明中的一体化测力天平校准示意图。 [0037] 其中，附图标记分别为： [0038] 1‑一体化测力天平；2‑角度天平；3‑冲压外圈滚针轴承；4‑外支杆；5‑运动转换机构；6‑减速器；7‑电机支杆；8‑深沟球轴承；9‑电机；10‑校准支杆；11‑第一基准平台；12‑第一应变片；13‑扁口；14‑四柱梁元件；21‑第二应变片；22‑角度天平梁；41‑第二基准平台；42‑椭圆型孔；51‑滑动轴承；52滑槽块；53‑偏心轴；54‑减速器座；521‑挡盖；522‑滑槽；523‑扁口槽；524‑螺钉孔。 具体实施方式[0039] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。 [0040] 实施例1，结合图1至图10说明本实施例，本实施例提供了一种测力天平和驱动轴一体化滚转动导数试验装置，包括一体化测力天平1、角度天平2、外支杆4、运动转换机构5、电机支杆7、减速器6、电机9；所述运动转换机构5包括滑槽块52、滑动轴承51、偏心轴53和减速器座54。 [0041] 所述一体化测力天平1通过一个冲压外圈滚针轴承3和两个深沟球轴承8支撑在外支杆4内，形成前、中、后三处支撑点，实现轴承滚转方向自由振动；所述一体化测力天平1为测力天平和旋转轴的一体化结构，测力天平前端通过锥面和模型连接，测力天平前端设置有第一基准平台11，作为天平装配、校准、试验时定位基准面；测力天平元件形式为四柱梁元件14，四柱梁元件14上设置第一应变片12，组成惠斯顿电桥用来测量模型的法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩。 [0042] 具体地：所述一体化测力天平1主体部分直径为46mm，长为1200mm，设计载荷法向力Y=4000N，四柱梁元件14截面为18mm×14mm，在四柱梁元件14上共布置24片第一应变片12组成5个惠斯顿电桥，在四柱梁元件14上下表面外侧的第一应变片12组成桥路测量法向力、在四柱梁元件14上下表面中间的第一应变片12组成桥路测量俯仰力矩；在四柱梁元件14左右表面外侧的第一应变片12组成桥路测量侧向力和滚转力矩、四柱梁元件14左右表面中间的第一应变片12组成桥路测量偏航力矩。 [0043] 所述角度天平2套装在一体化测力天平1上，角度天平2的前端和一体化测力天平1采用螺钉和销钉连接，角度天平2的后端和外支杆4的前圆环采用螺钉和销钉连接。所述角度天平2为由角度天平梁22构成的“鼠笼式结构”，角度天平梁22为阶梯状结构形式，角度天平梁22布局形式为前宽后窄，角度天平梁22上设置4片第二应变片21，组成惠斯顿电桥用来测量模型的滚转振动角度。阶梯状结构形式，前宽后窄部件既能更好地满足粘贴合适尺寸的应变片，又能实现角度天平外径尽可能小，更好地满足模型内腔安装空间的要求。角度天平2通过特殊的结构布局及第二应变片21粘贴位置组桥方式可以消除试验过程中气动力载荷对天平角度值的影响。 [0044] 具体地：所述角度天平2主体部分直径为52mm，长为74mm，滚转振动角度θ=1.5度，所述角度天平2由16片角度天平梁22构成的“鼠笼式结构”，其中在左右方向布置2片，上下方向各布置7片。角度天平梁22的厚度为1mm，角度天平梁22的前端宽度为4.2mm，角度天平梁22的后端宽度为1mm，角度天平梁22的长度为50mm。左右方向角度天平梁22的前端布置4个第二应变片21组成惠斯顿电桥，用来测量模型滚转振动角度。 [0045] 所述一体化测力天平1的旋转轴后端与运动转换机构5连接；所述外支杆4的后端与电机支杆7连接，运动转换机构5、电机9及减速器6均置于电机支杆7内，电机9的输出端连接减速器6的输入端，减速器6的输出端连接运动转换机构5。 [0046] 所述滑槽块52上开设有滑槽522和扁口槽523，所述滑槽522和扁口槽523上下布置，所述一体化测力天平1的旋转轴后端设置有扁口13，所述扁口13与扁口槽523配合固定，所述偏心轴53的前端通过滑动轴承51与滑槽522配合，偏心轴53的后端与减速器6的输出端连接，减速器6通过减速器座54支撑固定在电机支杆7内。所述滑槽522的前端设置有挡盖521。防止滑槽里润滑油试验过程中飞溅出去。所述扁口槽523上开设有两个螺钉孔524，扁口13插装在扁口槽523内并通过两个紧定螺钉与螺钉孔524配合固定。如此设置，刚度更好，实现滑槽块和一体化测力天平尾部无间隙传动。 [0047] 所述外支杆4的尾端设置有第二基准平台41，用于实现外支杆4地面组装、校准和试验时定位基准；外支杆4的尾部开设有多个椭圆型孔42，外支杆4的尾部通过螺栓穿过椭圆型孔42和电机支杆7的法兰端连接。椭圆型孔42可以实现第二基准平台41调平，外支杆4和电机支杆7之间有相对加工误差时，螺栓可以固定在电机支杆7上，实现外支杆相对电机支杆滚转方向±2度调整，保证外支杆4和电机支杆7平行。 [0048] 所述电机9及减速器6带动偏心轴53连续旋转运动，经过滑槽块52运动转换作用，实现一体化测力天平1连续旋转运动，一体化测力天平1的后端设置一个扁口13和滑槽块52上的扁口槽523连接，起到传递扭矩和定位的作用，偏心轴53在滑槽块52内滑动，实现偏心轴53连续旋转运动转换为一体化测力天平1的滚转振动，运动转换机构5的设计既能满足模型空间要求，又能减小连接误差及满足刚度要求。 [0049] 所述一体化测力天平1进行校准时，校准支杆10套在一体化测力天平1上，校准支杆10通过2个销钉和2个螺钉与一体化测力天平1连接，校准支杆10上设置8个紧定螺钉，使一体化测力天平1能和校准支杆10无间隙紧密连接。 |
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