CN101793593A

CN101793593A - 风洞模型支撑装置

Info

Publication number: CN101793593A
Application number: CN201010102469A
Authority: CN
Inventors: 关立文; 王立平; 汪劲松; 张�浩
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2010-08-04

Abstract

本发明公开了一种风洞模型支撑装置，包括动平台，所述动平台具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；夹持装置，所述夹持装置与所述动平台相连接并用于固定支撑所述模型；以及第一和第二驱动单元，所述第一和第二驱动单元设置在所述动平台上，并用于驱动所述夹持装置以使所述夹持装置获得沿着纵向和横向转动的自由度。根据本发明的风洞模型支撑装置，可实现风洞试验中模型的六自由度，且通过并联的第一驱动单元和第二驱动单元可以有效地扩大所能实现模型的俯仰和滚转振幅，降低了驱动单元的加速度和运动速度并减少了运动行程，结构简单且可靠。

Description

风洞模型支撑装置

技术领域

本发明涉及一种风洞实验装置，尤其是涉及一种用于风洞实验中模型的支撑装置。

背景技术

风洞实验是空气动力学研究三个基本手段之一，风洞实验成果最强有力地推动了航空航天事业的发展。在风洞实验中，需用支架系统把模型支撑在风洞之中，这个支架就是风洞模型支撑，它是实现风洞模型姿态控制的机构。常用的模型支撑方式包括腹撑、尾撑、背撑和张线支撑等。在不同种类的风洞试验中，不同支撑方式有各自的特点和优势。在实验中要求飞机模型的俯仰、偏航、滚转、升沉、横向平移和纵向平移。

随着并联机构的出现及相关理论的逐渐成熟，并联机构以其高刚度、高响应速度和误差不累积等优点，很快应用到风洞模型支撑系统中。目前大多采用的风洞模型支撑系统有Stewart平台的并联机构风洞模型系统和Hexaglide(6-PSS)并联机构风洞模型支撑系统。虽然这两类风洞模型支撑系统具有较高的动态响应特性，但是很难满足风洞模型试验中对飞机模型做高频率、大振幅运动的实验要求。因为在风洞试验中，飞机模型是由一根杆件与动平台固连，在试验过程中动平台不能进入风区，这就要求动平台和飞机模型之间的杆件长度至少大于风洞的半径。由于风洞半径的限制，当模型做大振幅、高频率运动时，会使风洞模型支撑系统所需要的输入加速度相当大，这是一般的驱动单元无法实现的，而且结构复杂，且制造、装配成本较高。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种可扩大模型的俯仰和滚转振幅、结构简单且可靠的用于风洞中的风洞模型支撑装置。

根据本发明的一个实施例的风洞模型支撑装置，包括动平台，所述动平台具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；夹持装置，所述夹持装置与所述动平台相连接并用于固定支撑所述模型；以及第一和第二驱动单元，所述第一和第二驱动单元设置在所述动平台上，并用于驱动所述夹持装置以使所述夹持装置获得沿着纵向和横向转动的自由度。

根据本发明的风洞模型支撑装置，可实现风洞试验中模型的六自由度，且通过并联的第一驱动单元和第二驱动单元可以有效地扩大所能实现模型的俯仰和滚转振幅，降低了驱动单元的加速度和运动速度并减少了运动行程，降低了控制系统的复杂程度，结构简单并且可靠性强。

另外，根据本发明的风洞模型支撑装置还具有如下附加技术特征：

所述第一驱动单元和所述第二驱动单元垂直布置。

第一驱动单元包括：第一驱动电机；以及第一曲柄连杆机构，所述第一驱动电机驱动所述第一曲柄连杆机构以实现所述夹持装置的纵向和横向转动自由度中的一个。

所述第一曲柄连杆机构包括：第一曲柄摇杆机构，所述第一曲柄摇杆机构的从动件为第一摇杆，且第一摇杆末端铰接有第一刚性杆，所述第一刚性杆的另一端与所述夹持装置可转动地连接且可上下运动，以使第一曲柄带动第一摇杆做摆动使第一刚性杆带动所述夹持装置运动；和第一齿轮齿条机构，所述第一齿轮齿条机构与所述第一驱动电机相连接，用以驱动第一曲柄摇杆机构，其中所述第一齿轮齿条机构中第一齿条的一端与第一曲柄相铰接。

第二驱动单元包括：第二驱动电机；以及第二曲柄连杆机构，所述第二驱动电机驱动所述第二曲柄连杆机构以实现所述夹持装置的纵向和横向转动自由度中的另一个。

所述第二曲柄连杆机构包括：第二曲柄摇杆机构，所述第二曲柄摇杆机构的从动件为第二摇杆，且第二摇杆末端铰接有第二刚性杆，所述第二刚性杆的另一端与所述夹持装置可转动地连接且可上下运动，以使第二曲柄带动第二摇杆做摆动使第二刚性杆带动所述夹持装置运动；和第二齿轮齿条机构，所述第二齿轮齿条机构与所述第二驱动电机相连接，用以驱动第二曲柄摇杆机构，其中所述第二齿轮齿条机构中第二齿条的一端与第二曲柄相铰接。

所述夹持装置为虎克铰，其包括：上铰链架，所述上铰链架的顶端与所述动平台底部通过动平台连接件进行连接，所述上铰链架成拱形且两端分别形成有在同一轴线上的第一圆孔；下铰链架，所述下铰链架的底端通过模型连接件与所述模型进行连接，所述下铰链架形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一轴线上的两个凸缘，所述两个凸缘上分别形成有第二圆孔，所述两个第二圆孔的轴线与所述第一圆孔的轴线相垂直；以及十字轴，所述十字轴的四个轴端分别可转动地设在所述两个第一圆孔和两个第二圆孔中。

根据本发明的风洞模型支撑装置，在虎克铰上形成了两组轴线相互垂直的转动副，并且相交于十字轴的中心点。由此，两个上铰链架和下铰链架可以分别绕十字轴做独立转动。由于驱动单元的运动副都是低副，且组成运动副的原件表面全是圆柱面或平面，因而加工、安装和调整都比较方便，可以获得较高的精度；组成运动副的原件间的接触都是面接触，它所承受的单位压力较小，故磨损较小，可靠性较高。

所述第一和第二刚性杆的下端分别通过第一球铰和第二球铰与所述虎克铰相铰接。

所述刚性杆的下端与下铰链架的边缘铰接，且铰接点分别在十字轴的两条轴线所在的竖直面上。

所述动平台具有三个平动自由度和一个转动自由度，即沿Z轴的升降、沿Y轴的横向平动、沿X轴的纵向平动和绕Z轴的偏航。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的风洞模型支撑装置的在YOZ平面上的结构示意图；

图2是图1中所示的风洞模型支撑装置的虎克铰的示意图；以及

图3是图1中所示的风洞模型支撑装置的第一驱动单元在XOZ平面上的示意图。

附图标记：

1.模型；2.动平台；

3.第一驱动单元；

4.第二驱动单元；

5.虎克铰

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”及O-XYZ坐标系等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-3描述根据本发明的一个实施例的风洞模型支撑装置。

如图1-图3所示，根据本发明实施例的风洞模型支撑装置包括动平台2、夹持装置5、第一驱动单元3和第二驱动单元4。其中，动平台2具有三个平动自由度和至少一个转动自由度。可选地，动平台2具有四个自由度，即三个平动自由度和至少一个转动自由度，即沿Z轴的升降、沿Y轴的横向平动、沿X轴的纵向平动和绕Z轴的偏航。当然，在本发明的另一个示例中，动平台2也可以具有六个自由度，即沿Z轴的升降、沿Y轴的横向平动、沿X轴的纵向平动、绕Z轴的偏航、绕Y轴的俯仰及绕X轴的滚转。

夹持装置5与动平台2相连接并用于固定支撑模型1。可选地，夹持装置5为虎克铰。如图2所示，虎克铰5包括上铰链架51、下铰链架52和十字轴53。其中，在上铰链架51的顶端与动平台2底部通过动平台连接件21进行固定连接。而下铰链架52的底端通过模型连接件11与模型1进行连接。

具体地，上铰链架51成拱形，其两端分别形成有第一圆孔511，两个第一圆孔511在同一轴线上，且该轴线沿X轴方向。下铰链架52形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一轴线上的两个凸缘521，两个凸缘521上分别形成有第二圆孔522，两个第二圆孔522的轴线与第一圆孔511的轴线相垂直，即沿Y轴方向。十字轴53的四个轴端分别可转动地设在两个第一圆孔511和两个第二圆孔522中，从而形成了两组轴线相互垂直的转动副：A、B及C、D。其中，A、B转动副的轴线沿X轴方向，而C、D转动副的轴线沿Y轴方向，并且相交于十字轴53的中心点O。由此，两个上铰链架51和下铰链架52可以分别绕十字轴53做独立转动。

如图1和图3所示，第一驱动单元3和第二驱动单元4相互垂直地设置在动平台2上，并用于驱动虎克铰5以使虎克铰5获得沿着X轴和Y轴转动的自由度。例如，假设第一驱动单元3沿X轴布置，而第二驱动单元4沿Y轴布置。

如图3所示，第一驱动单元3包括第一驱动电机31和第一曲柄连杆机构。第一驱动电机31通过第一电机支撑311安装在动平台2上，且驱动第一曲柄连杆机构以实现虎克铰5绕Y轴的俯仰运动。

具体地，第一曲柄连杆机构包括第一曲柄摇杆机构33和第一齿轮齿条机构32。

第一齿轮齿条机构32由第一驱动电机31驱动，并用以驱动第一曲柄摇杆机构33，其中，第一齿轮321通过第一皮带轮34与第一驱动电机31相连接。第一齿轮齿条机构32通过第一齿轮齿条机构支架324安装在动平台2上，且在第一齿轮齿条机构支架324上还安装有可绕其轴线转动的第一齿轮齿条机构套筒323。第一齿轮321位于第一齿轮齿条机构套筒323内且与第一齿轮齿条机构套筒323转动连接，而第一齿条322和第一齿轮321在第一齿轮齿条机构套筒323内啮合，从而使得第一齿轮齿条机构套筒323随着第一齿条322的运动绕第一齿轮齿条机构支架324的轴线转动。第一齿轮齿条机构32中第一齿条322的一端与第一曲柄摇杆机构33的第一曲柄331相铰接，可选地，该第一齿条322铰接在第一曲柄331的中部。

第一曲柄摇杆机构33的主动件为第一曲柄331，而从动件为第一摇杆332。第一曲柄摇杆机构33通过第一曲柄支架334和第一刚性杆支架335安装在动平台2上，其中，第一曲柄331的下端铰接在第一曲柄支架334上、且上端与第一摇杆332的一端铰接，而第一摇杆332的另一端与第一刚性杆333的上端铰接。在第一刚性杆支架335上固定有第一刚性杆套筒3331。第一刚性杆333的下端与虎克铰5可转动地连接且可在第一刚性杆套筒3331中上下运动，以使第一曲柄331带动第一摇杆332做摆动使第一刚性杆333带动虎克铰5运动。例如，第一刚性杆333可与虎克铰5通过第一球铰35相铰接，具体地，第一刚性杆333的下端与下铰链架52的边缘铰接，且铰接点在十字轴53的X轴线所在竖直面的E点上，E点位置如图2中所示。

如图1所示，第二驱动单元3包括第二驱动电机41和第二曲柄连杆机构。第二驱动电机41通过第二电机支撑411安装在动平台2上，且驱动第二曲柄连杆机构以实现虎克铰5绕X轴的滚转运动。

具体地，第二曲柄连杆机构包括第二曲柄摇杆机构43和第二齿轮齿条机构42。

第二齿轮齿条机构42由第二驱动电机41驱动，并用以驱动第二曲柄摇杆机构43，其中，第二齿轮421通过第二皮带轮44与第二驱动电机41相连接。第二齿轮齿条机构42通过第二齿轮齿条机构支架424安装在动平台2上，且在第二齿轮齿条机构支架424上还安装有可绕其轴线转动的第二齿轮齿条机构套筒423。第二齿轮421位于第二齿轮齿条机构套筒423内且与第二齿轮齿条机构套筒423转动连接，而第二齿条422和第二齿轮421在第二齿轮齿条机构套筒423内啮合，从而使得第二齿轮齿条机构套筒423随着第二齿条422的运动绕第二齿轮齿条机构支架424的轴线转动。第二齿轮齿条机构42中第二齿条422的一端与第二曲柄摇杆机构43的第二曲柄431相铰接，可选地，该第二齿条422铰接在第二曲柄431的中部。

第二曲柄摇杆机构43的主动件为第二曲柄431，而从动件为第二摇杆432。第二曲柄摇杆机构43通过第二曲柄支架434和第二刚性杆支架435安装在动平台2上，其中，第二曲柄431的下端铰接在第二曲柄支架434上、且上端与第二摇杆432的一端铰接，而第二摇杆432的另一端与第二刚性杆433的上端铰接。在第二刚性杆支架435上固定有第二刚性杆套筒4331。第二刚性杆433的下端与虎克铰5可转动地连接且可在第二刚性杆套筒4331中上下运动，以使第二曲柄431带动第二摇杆432做摆动使第二刚性杆433带动虎克铰5运动。例如，第二刚性杆433可与虎克铰5通过第二球铰45相铰接，具体地，第二刚性杆433的下端与下铰链架52的边缘铰接，且铰接点在十字轴53的Y轴线所在竖直面的H点上，H点位置如图2中所示。

下面将参考图1-图3来详细描述根据本发明的风洞模型支撑装置的工作过程。

首先描述根据本发明的风洞模型支撑装置用来实现模型的滚转运动的过程。第一驱动电机31驱动第一皮带轮34带动第一齿轮321转动，而后带动第一齿条322沿Y轴方向来回运动，并带动第一曲柄331绕着第一曲柄支架334摆动，进而使得第一摇杆332带动第一刚性杆333上下运动，虎克铰5的C-D转动副转动，从而实现模型1绕Y轴的俯仰运动。

然后描述根据本发明的风洞模型支撑装置用来实现模型的俯仰运动的过程。第二驱动电机41驱动第二皮带轮44带动第二齿轮421转动，而后带动第二齿条422沿X轴方向来回运动，并带动第二曲柄431绕着第二曲柄支架434摆动，进而使得第二摇杆432带动第二刚性杆433上下运动，虎克铰5的A-B转动副转动，从而实现模型1绕X轴的滚转运动。

根据本发明的风洞模型支撑装置，可实现风洞试验中模型的六自由度，且通过并联的第一驱动单元3和第二驱动单元4可以有效地扩大所能实现模型1的俯仰和滚转振幅，降低了驱动单元的加速度和运动速度并减少了运动行程，结构简单并且可靠性强。

另外，根据本发明的风洞模型支撑装置，在虎克铰上形成了两组轴线相互垂直的转动副，并且相交于十字轴的中心点。由此，两个上铰链架和下铰链架可以分别绕十字轴做独立转动。由于驱动单元的运动副都是低副，且组成运动副的原件表面全是圆柱面或平面，因而加工、安装和调整都比较方便，可以获得较高的精度；而且组成运动副的原件间的接触都是面接触，因此它所承受的单位压力较小，故磨损较小，可靠性较高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种风洞模型支撑装置，包括：

动平台，所述动平台具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；

夹持装置，所述夹持装置与所述动平台相连接并用于固定支撑所述模型；以及

第一和第二驱动单元，所述第一和第二驱动单元设置在所述动平台上，并用于驱动所述夹持装置以使所述夹持装置获得沿着纵向和横向转动的自由度。

2.根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中，所述第一驱动单元和所述第二驱动单元垂直布置。

3.根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中，第一驱动单元包括：

第一驱动电机；以及

第一曲柄连杆机构，所述第一驱动电机驱动所述第一曲柄连杆机构以实现所述夹持装置的纵向和横向转动自由度中的一个。

4.根据权利要求3所述的风洞模型支撑装置，其中，所述第一曲柄连杆机构包括：

第一曲柄摇杆机构，所述第一曲柄摇杆机构的从动件为第一摇杆，且第一摇杆末端铰接有第一刚性杆，所述第一刚性杆的另一端与所述夹持装置可转动地连接且可上下运动，以使第一曲柄带动第一摇杆做摆动使第一刚性杆带动所述夹持装置运动；和

第一齿轮齿条机构，所述第一齿轮齿条机构与所述第一驱动电机相连接，用以驱动第一曲柄摇杆机构，其中所述第一齿轮齿条机构中第一齿条的一端与第一曲柄相铰接。

5.根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中，第二驱动单元包括：

第二驱动电机；以及

第二曲柄连杆机构，所述第二驱动电机驱动所述第二曲柄连杆机构以实现所述夹持装置的纵向和横向转动自由度中的另一个。

6.根据权利要求5所述的风洞模型支撑装置，其中，所述第二曲柄连杆机构包括：

第二曲柄摇杆机构，所述第二曲柄摇杆机构的从动件为第二摇杆，且第二摇杆末端铰接有第二刚性杆，所述第二刚性杆的另一端与所述夹持装置可转动地连接且可上下运动，以使第二曲柄带动第二摇杆做摆动使第二刚性杆带动所述夹持装置运动；和

第二齿轮齿条机构，所述第二齿轮齿条机构与所述第二驱动电机相连接，用以驱动第二曲柄摇杆机构，其中所述第二齿轮齿条机构中第二齿条的一端与第二曲柄相铰接。

7.根据权利要求4或6所述的风洞模型支撑装置，其特征在于，所述夹持装置为虎克铰，其包括：

上铰链架，所述上铰链架的顶端与所述动平台底部通过动平台连接件进行连接，所述上铰链架成拱形且两端分别形成有在同一轴线上的第一圆孔；

下铰链架，所述下铰链架的底端通过模型连接件与所述模型进行连接，所述下铰链架形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一轴线上的两个凸缘，所述两个凸缘上分别形成有第二圆孔，所述两个第二圆孔的轴线与所述第一圆孔的轴线相垂直；以及

十字轴，所述十字轴的四个轴端分别可转动地设在所述两个第一圆孔和两个第二圆孔中。

8.根据权利要求7所述的风洞模型支撑装置，其特征在于，所述第一和第二刚性杆的下端分别通过第一球铰和第二球铰与所述虎克铰相铰接。

9.根据权利要求8所述的风洞模型支撑装置，其特征在于，所述刚性杆的下端与下铰链架的边缘铰接，且铰接点分别在十字轴的两条轴线所在的竖直面上。

10.根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其特征在于，所述动平台具有三个平动自由度和一个转动自由度。