CN101726401B - 一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置，电机装在电机支杆内，电机出轴通过减速器、连轴器与传动轴的连接，传动轴与天平支杆转动连接，天平支杆的后端与电机支杆的前端固定连接，传动轴的前端设有偏心轮，偏心轮设有凸块，凸块***滑块的滑槽中；十字弹簧天平的上、下十字弹簧分别呈十字交叉形结构，其前、后端通过前座与天平框架固定连接；上、下十字弹簧中心部位装设有支撑圆柱，本发明是一种新型俯仰动导数天平装置。通过设计特殊的振动机构、十字弹簧天平和俯仰五分量天平结构，能够在大迎角下测量飞行器的俯仰直接导数，和偏航振动诱导的滚转交叉导数。能够满足风洞试验要求。

Description

一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置

技术领域

本发明涉及的是天平测量装置，具体的是能够测量飞行器的俯仰直接导数和偏航振动诱导的滚转交叉导数的一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置。

背景技术

动稳定性导数简称动导数，它是飞行器六个气动系数(即三维直角坐标系中三个力和三个力矩系数)对飞行器姿态参数时间变化率(p、q、r、α、β、dV/dt)的导数。动导数是飞行器引导***、控制***及动态品质分析中不可缺少的原始气动参数。特别是对于航天飞机、飞船、先进性能军用战斗机，它们都要在大迎角下飞行，通常会出现气流分离、涡的脱落与破裂、纵向与横向运动的气动交感以及迟滞等现象，动导数对飞行器气动特性则有更大的影响。

该俯仰动导数试验天平测量装置能够同时测量飞行器的俯仰直接导数，和偏航振动诱导的滚转交叉导数。飞行器在大迎角下飞行，其流场十分复杂，动导数对飞行器气动特性影响较大。为此，我们需要测得飞行器在大迎角下的动导数。在大迎角下飞行，飞行器的气动载荷比较大，目前的俯仰动导数装置中的十字弹簧天平无法满足既承受模型的升力载荷，又要测得模型的角度，不能解决这一相互矛盾的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，而提供通过采用十字弹簧天平和俯仰五分量天平结构能够在大迎角下测量飞行器的俯仰直接导数和偏航振动诱导的滚转交叉导数，能满足风洞试验需要的一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置。

上述的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置，包括振动机构、十字弹簧天平和俯仰五分量天平；所述振动机构包括电机支杆、电机、减速器、传动轴、天平支杆、偏心轮和滑块；上述电机固定装设在电机支杆内，电机的出轴与减速器的输入轴固定连接，减速器的输出轴经连轴器与传动轴的后端连接；其结构特点是：

传动轴位于天平支杆的腔体中，传动轴通过前、中、后多个轴承与天平支杆转动连接，天平支杆的后端与电机支杆的前端固定连接，传动轴的前端设有偏心轮，偏心轮与传动轴为一体连接，偏心轮的前端面设有凸块，凸块***滑块的滑槽中；

上述十字弹簧天平，包括支撑圆柱、前座、后座和两组上、下十字弹簧；所述上、下十字弹簧位于同一垂直面上，上、下十字弹簧的中间相互交叉，且交叉点固定连接，两组上、下十字弹簧分别设置在相对的两侧，两组上、下十字弹簧的中间装设有支撑圆柱，支撑圆柱分别对应与上、下十字弹簧的中心固定连接；两组上、下十字弹簧的前端通过前座与天平框架一体连接；上、下十字弹簧的后端与后座固定连接，后座与天平支杆固定连接，在两组上、下十字弹簧中心交叉点的上、下表面分别设置有两组阻值相同的应变片R1-R4和R5-R8，两组应变片R1-R4和R5-R8分别相互连接构成电桥；电桥的输入、输出端分别对应与外接控制器相关接线端连接；

上述俯仰五分量天平包括上、下支臂、鼠笼元件、中间连接体和四柱梁，所述上、下支臂的中部插接在十字弹簧天平的支撑圆柱上，上、下支臂的前部与天平框架一体连接，上、下支臂后端的中间设有豁口30，滑块7的后端装设在豁口30中，上、下支臂18和19的后端与滑块固定连接；上述鼠笼元件是中空的圆柱体，位于前座的前端，鼠笼元件与前座一体连接，鼠笼元件是俯仰五分量天平的一部分，鼠笼元件内水平设有上、下对称、均匀设置的多个支撑梁和至少二个水平设置的测量梁，在至少二个测量梁的每个梁的上、下两面分别设置有应变片R9-R10和R11-R12，多个应变片对应组成电桥；鼠笼元件的前端与中间连接体的一个端面固定连接，中间连接体的另一个端面与四柱梁的后端面固定连接，四柱梁的前端面与前锥体的后端面固定连接。俯仰五分量天平是采用一块高强度钢材整体加工得到的。

上述四柱梁包括外壳、两个大梁、两个小梁和多个应变片；所述结构相同的两个大梁相互上、下对称的水平设置在外壳内并与外壳固定连接，结构相同的两个小梁相互左右对称的水平设置在外壳内并与外壳固定连接，在截面为方形的大梁的四个面上每个面分别设置有一个应变片，上面大梁设置的应变片为R13-R17，下面大梁设置的应变片为R18-R21，在截面为方形的小梁的四个面上每个面分别设置有二个应变片，左面小梁设置的应变片为R22-R29，右面小梁设置的应变片为R22-R29。

本发明的工作原理：

若要测得飞行器的俯仰直接导数和偏航振动诱导的滚转交叉导数，需要设计一种振动机构能够使模型做振幅为1度的正弦振动，而且振动要平稳。测量直接导数需要测得模型的振动角度、测得模型的气动载荷。测量偏航振动诱导的滚转交叉导数，还需要模型做偏航振动时在滚转方向要有一定的柔度，即具有0.1度的滚转角度。

本发明具备必要的检测条件，能快捷、准确的检测出俯仰直接导数和偏航振动诱导的滚转交叉导数。具体做法是：电机减速器通过连轴器带动传动轴连续转动，传动轴前端为偏心轴，偏心轴在滑块的滑槽里滑动。滑块安放在十字弹簧天平的滑槽内，左右方向受到约束，只有在上、下方向具有自由度，可以运动，这样偏心轮的连续旋转运动就转变为滑块的上、下往复运动。俯仰五分量天平后端上、下支臂和滑块连接成为一整体，前端和十字弹簧天平的前端相连。十字弹簧天平的十字弹簧部分和支撑圆柱能够共同约束俯仰五分量天平的中心位置不变。这样滑块的上、下往复运动又进一步转变为俯仰五分量天平绕十字弹簧中心做正弦运动。通过合理设计偏心轮的偏心距和滑块到十字弹簧中心的尺寸，可以实现俯仰五分量天平绕十字弹簧中心做正弦运动，且振幅为1度。

在十字弹簧中心贴4片阻值350Ω的应变片，组成一个电桥。先通过地面加载求出角度幅值θ和电压值的函数公式。在试验中在通过测得电桥的电压输出求出模型角度幅值θ。要使十字弹簧在偏心轴施加驱动力矩时能够产生1度变形，十字弹簧片厚度设计尺寸不能太大。而在大迎角下模型受到的气动载荷很大，若气动载荷都由十字弹簧片承担，十字弹簧片的强度将不能满足要求，十字弹簧片的变形也超过设计要求。为此，现发明新的结构形式，在弹簧片的中心设计一个支撑圆柱，模型的升力由支撑圆柱来承担，俯仰力矩由支撑圆柱和偏心轴共同承担。这样既能保证十字弹簧振幅为1度平稳振动，又能承受模型的气动载荷。从而十字弹簧天平可以测量模型的振动角度幅值θ的量值。

俯仰五分量天平用来测量模型的气动载荷，升力、俯仰力矩、侧力偏、偏航力矩、滚转力矩。为测得偏航振动诱导的滚转交叉导数(模型竖立起来置即为偏航振动)，需要模型做偏航振动时在滚转方向具有一定的柔度，即为0.1度的滚转角度。以往的常规天平在滚转方向上的刚度较高，不能满足此要求。现发明新的结构形式，在俯仰五分量天平加入一“鼠笼元件”在滚转方向上具有一定的柔度，在滚转力矩下变形为0.1度，同时在升力、侧力方向上刚度较高，能在升力、俯仰力矩、侧力、偏航力矩作用下满足强度要求。“鼠笼元件”同时还能测得模型的滚转力矩。鼠笼元件由三十四片支撑梁和2片测量梁组成，在测量梁上贴4片阻值350Ω的应变片组成一个电桥。先通过地面加载求出滚转力矩和电桥输出电压值的函数公式。在试验中在通过测得电桥的电压输出求出模型的滚转力矩。同理通过俯仰五分量天平其它各个电桥、四柱梁能测量模型的升力、俯仰力矩、侧力偏、偏航力矩。

本发明的特点：

本发明采用俯仰动导数实验的天平测量装置总体振动结构布局，即电机、传动轴、滑块、十字弹簧天平和俯仰五分量天平等整体连接形式，准确的完成俯仰直接导数和偏航振动诱导的滚转交叉导数检测。

本发明采用了支撑圆柱部件，使十字弹簧天平呈特殊结构。

本发明采用了“鼠笼元件”，使俯仰五分量天平呈特殊的结构形式。

本发明设计科学、合理、富有创意，整体结构紧凑、体积小、低功耗、成本低廉，性能稳定、可靠，环境适应性和实用性较强，具有较好的发展前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的十字弹簧天平局部结构示意图。

图3是图2的俯视示意图。

图4是本发明的十字弹簧天平部件连接示意图。

图5是图4的俯视示意图。

图6是本发明的俯仰五分量天平局部结构示意图。

图7是图6的俯视示意图。

图8是图6的A-A向剖视示意图。

图9是图6的B-B向剖视示意图。

具体实施方式

实施例

一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置，包括振动机构、十字弹簧天平8和俯仰五分量天平10；所述振动机构包括电机支杆1、电机2、减速器3、传动轴5、天平支杆4、偏心轮6和滑块7；上述电机2固定装设在电机支杆1内，电机2的出轴与减速器3的输入轴固定连接，减速器3的输出轴经连轴器11与传动轴5的前端连接，传动轴5位于天平支杆4的腔体中，传动轴5通过前、中、后多个轴承与天平支杆4转动连接，天平支杆4的前端与电机支杆1的后端固定连接，传动轴5的后端设有偏心轮6，偏心轮6与传动轴5为一体连接，偏心轮6的后端面设有凸块21，凸块21***滑块7上设有的滑槽22中；

上述十字弹簧天平8包括支撑圆柱9、上十字弹簧13、下十字弹簧14、后座15和前座16；所述上十字弹簧13、下十字弹簧14位于同一垂直面上，上十字弹簧13、下十字弹簧14的中间相互交叉，且交叉点固定连接，上十字弹簧13、下十字弹簧14分别设置在相对的两侧，上十字弹簧13、下十字弹簧14的中间装设有支撑圆柱9，支撑圆柱9分别对应与上十字弹簧13、下十字弹簧14的中心固定连接；上十字弹簧13、下十字弹簧14的后端和后座15固定连接，后座15与天平支杆4固定连接；上十字弹簧13、下十字弹簧14的前端通过前座16与天平框架17固定连接；在上十字弹簧13、下十字弹簧14中心交叉点的上、下表面分别设置有两组阻值相同的应变片R1-R4和应变片R5-R8，两组应变片R1-R4和应变片R5-R8分别相互连接构成电桥；电桥的输入、输出端分别对应与外接控制器相关接线端连接；

上述俯仰五分量天平10包括上支臂18和下支臂19、鼠笼元件12、中间连接体20和四柱梁25，所述上支臂18和下支臂19的中部插接在十字弹簧天平8的支撑圆柱9上，上支臂18和下支臂19的前部与天平框架17一体连接，上支臂18和下支臂19后端的中间设有豁口30，滑块7的后端装设在豁口30中，上支臂18和下支臂19的后端与滑块7固定连接；上述鼠笼元件12是中空的圆柱体，位于前座16的前端，鼠笼元件12与前座16一体连接，鼠笼元件12是俯仰五分量天平10的一部分，鼠笼元件12内水平设有上、下对称、均匀设置的三十四个支撑梁23和二个水平设置的测量梁24，在二个测量梁24的每个梁的上、下两面分别设置有应变片R9-R10和应变片R11-R12，四个应变片R9、R10、R11和R12组成电桥；鼠笼元件12的前端与中间连接体20的一个端面固定连接，中间连接体20的另一个端面与四柱梁25的后端面固定连接，四柱梁25的前端面与前锥体26的后端面固定连接。前锥体26与实验飞行器连接。

俯仰五分量天平10是采用一块高强度钢材整体加工得到的。

上述四柱梁25包括外壳27、两个大梁28、两个小梁29和多个应变片；结构相同的两个大梁28相互上、下对称的水平设置在外壳27内并与外壳27固定连接，结构相同的两个小梁29相互左右对称的水平设置在外壳27内并与外壳27固定连接，在截面为方形的大梁28的四个面上每个面分别设置有一个应变片，上面大梁28设置的应变片为R13-R17，下面大梁28设置的应变片为R18-R21，在截面为方形的小梁29的四个面上每个面分别设置有二个应变片，左面小梁28设置的应变片为R22-R29，右面小梁28设置的应变片为R22-R29。

Claims (2)

1.一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置，包括振动机构、十字弹簧天平(8)和俯仰五分量天平(10)；所述振动机构包括电机支杆(1)、电机(2)、减速器(3)、传动轴(5)、天平支杆(4)、偏心轮(6)和滑块(7)；上述电机(2)固定装设在电机支杆(1)内，电机(2)的出轴与减速器(3)的输入轴固定连接，减速器(3)的输出轴经连轴器与传动轴(5)的前端连接，传动轴(5)位于天平支杆(4)的腔体中，传动轴(5)通过前、中、后多个轴承与天平支杆(4)转动连接，天平支杆(4)的前端与电机支杆(1)的后端固定连接；其特征在于：

传动轴(5)的后端设有偏心轮(6)，偏心轮(6)与传动轴(5)为一体连接，偏心轮(6)的后端面设有凸块(21)，凸块(21)***滑块(7)的滑槽(22)中；

上述十字弹簧天平(8)包括支撑圆柱(9)、上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)、后座(15)和前座(16)；所述上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)位于同一垂直面上，上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)的中间相互交叉，且交叉点固定连接，上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)分别设置在相对的两侧，上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)的中间装设有支撑圆柱(9)，支撑圆柱(9)分别对应与上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)的中心固定连接；上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)的后端与后座(15)固定连接，后座(15)与天平支杆(4)固定连接；上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)的前端通过前座(16)与天平框架(17)一体连接；在上十字弹簧(13)、下十字弹簧(14)中心交叉点的上、下表面分别设置有两组阻值相同的应变片R1-R4和应变片R5-R8，两组应变片R1-R4和应变片R5-R8分别相互连接构成电桥；

上述俯仰五分量天平(10)包括上支臂(18)和下支臂(19)、鼠笼元件(12)、中间连接体(20)和四柱梁(25)，所述上支臂(18)和下支臂(19)的中部插接在十字弹簧天平(8)的支撑圆柱(9)上，上支臂(18)和下支臂(19)的前部与天平框架(17)一体连接，上支臂(18)和下支臂(19)后端的中间设有豁口(30)，滑块(7)的后端装设在豁口(30)中，上支臂(18)和下支臂(19)的后端与滑块(7)固定连接；上述鼠笼元件(12)是中空的圆柱体，位于前座(16)的前端，鼠笼元件(12)与前座(16)一体连接，鼠笼元件(12)是俯仰五分量天平(10)的一部分，鼠笼元件(12)内水平设有上、下对称、均匀设置的多个支撑梁(23)和至少两个水平设置的测量梁(24)，在至少两个测量梁(24)的上、下两面分别设置有多个应变片，多个应变片组成电桥；鼠笼元件(12)的前端与中间连接体(20)的一个端面固定连接，中间连接体(20)的另一个端面与四柱梁(25)的后端面固定连接，四柱梁(25)的前端面与前锥体(26)的后端面固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于俯仰动导数实验的天平测量装置，其特征在于：上述四柱梁(25)包括外壳(27)、两个大梁(28)、两个小梁(29)和多个应变片；结构相同的两个大梁(28)相互上、下对称的水平设置在外壳(27)内并与外壳(27)固定连接，结构相同的两个小梁(29)相互左右对称的水平设置在外壳(27)内并与外壳(27)固定连接，在截面为方形的大梁(28)的四个面上每个面分别设置有一个应变片，在截面为方形的小梁(29)的四个面上每个面分别设置有二个应变片。

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