CN107290123B - 多自由度风洞大攻角装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度风洞大攻角装置，包括：横移机构、偏航机构、攻角机构、主框架、上框架、主支杆、尾支杆、支杆连接杆和第一升降机；其中，所述横移机构位于底部；所述偏航机构与所述横移机构相连接；所述攻角机构与所述偏航机构相连接；所述主框架与所述攻角机构相连接；所述上框架与所述主框架相连接；所述主支杆和所述尾支杆安装在所述攻角机构上；所述支杆连接杆将所述主支杆和所述尾支杆相连接；所述第一升降机与所述主框架相连接。本发明能够使模型实现上下、左右两个自由度的平移运动和俯仰、偏航两个自由度的旋转运动，并能实现位置和角度的快速准确定位和重复。
Description
技术领域
本发明属于航空航天风洞实验领域，尤其涉及一种多自由度风洞大攻角装置。
背景技术
空气动力学的研究对航空航天飞行器的研制以及空气动力学的发展起着决定性的作用，而风洞实验则一直是实验空气动力学研究领域最为重要且有效的手段。
要完成风洞实验，就需要把模型支撑在风洞中。风洞模型攻角的形式取决于模型的支撑形式，根据模型试验要求不同，模型支撑形式也有所不同，包括全机模型的尾撑、腹撑、张线支撑和半模型支撑等。一般情况下，攻角为-10°～25°左右，目前大部分风洞都配置有大攻角试验装置，模型的攻角范围可达-90°～110°左右，而张线支撑装置可实现攻角在-180°～180°之间任意变化。目前，风洞攻角系统的主要发展方向为大攻角及特大攻角。
随着航空航天技术的发展，型号研制对试验数据的精度要求越来越高，老的大攻角装置从性能到精度已不能满足试验的需要，因此，需要研制新的大攻角装置，使其支撑的模型位置精度更高，并具有可靠的重复性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多自由度风洞大攻角装置，该装置能够使模型实现上下、左右两个自由度的平移运动和俯仰、偏航两个自由度的旋转运动，并能实现位置和角度的快速准确定位和重复。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种多自由度风洞大攻角装置，包括：横移机构、偏航机构、攻角机构、主框架、上框架、主支杆、尾支杆、支杆连接杆和第一升降机；其中，所述横移机构位于底部；所述偏航机构与所述横移机构相连接；所述攻角机构与所述偏航机构相连接；所述主框架与所述攻角机构相连接；所述上框架与所述主框架相连接；所述主支杆和所述尾支杆安装在所述攻角机构上；所述支杆连接杆将所述主支杆和所述尾支杆相连接；所述第一升降机与所述主框架相连接。
上述多自由度风洞大攻角装置中，所述横移机构包括底座、升降机座、第二升降机和导轨；其中，所述底座安装在风洞上洞壁上；所述导轨与所述偏航机构相连接；所述第二升降机通过所述升降机座安装在所述底座上，所述第二升降机与所述偏航机构相连接，以带动所述偏航机构沿导轨作左或右的平移运动。
上述多自由度风洞大攻角装置中，所述偏航机构包括顶板、底板、铜套、大回转支撑、小齿轮、上轴承座、连接板、电机、减速机、减速器输出轴和连接座；其中，所述底板安装在所述导轨上，所述大回转支撑的固定端安装在所述底板上，所述大回转支撑的活动端与所述顶板相连接；所述铜套安装在所述顶板上，主支杆穿过所述铜套与所述攻角机构连接；所述电机安装在所述减速机上，所述减速机安装在所述连接板上，所述连接板和所述上轴承座均固定在所述底板上，所述上轴承座对所述减速器输出轴进行限位支撑，所述小齿轮安装在所述减速器输出轴上，与所述大回转支撑齿配合。
上述多自由度风洞大攻角装置中，所述攻角机构包括蜗杆、攻角框架、尾支杆连接杆、蜗轮、配重拉杆、蜗轮转轴、升降机螺母、转接轴和攻角动力总成；其中，所述攻角框架与所述主框架相连接，所述攻角框架通过所述升降机螺母与所述第一升降机连接，所述第一升降机通过所述升降机螺母能够使所述攻角框架进行上或下的平移运动；所述蜗杆与所述攻角动力总成连接在一起，均安装在所述攻角框架上，所述蜗轮通过所述蜗轮转轴安装在所述攻角框架上，所述蜗轮与所述蜗杆配合安装在一起；所述尾支杆连接杆的一端与所述蜗轮相连接，另一端与所述尾支杆相连接；所述攻角框架的底部孔槽与所述主支杆配合安装，底部孔槽的中心轴线与所述尾支杆连接杆在同一平面上；所述配重拉杆安装在所述蜗轮上，用以安装配重；所述转接轴与所述蜗轮转轴同心连接；所述主支杆、所述尾支杆、所述支杆连接杆和所述尾支杆连接杆形成一个平行四边形，运动时，攻角动力总成带动所述蜗杆和所述蜗轮运动，进而带动所述尾支杆连接杆转动，从而使所述尾支杆带动所述支杆连接杆相对主支杆销孔的轴线转动，实现攻角的准确变化。
上述多自由度风洞大攻角装置中，所述主框架包括主框架主体、轴承座总成、导轨总成、小回转底座、滑轮座、升降机座和小回转支撑；其中，所述主框架主体安装在所述顶板上，所述轴承座总成安装在所述主框架主体上，与所述升降机螺母和所述升降机座在一条直线上，用以安装所述第一升降机；所述导轨总成安装在所述主框架主体上，用以限制攻角机构的上或下运动并提供水平方向的支撑；所述小回转底座安装在所述主框架主体的上部，与所述小回转支撑的转动端相连接，所述小回转支撑的固定端与所述上框架相连接，所述小回转支撑与所述大回转支撑同心安装；所述升降机座安装在所述主框架主体的上部，用以安装所述第一升降机，所述滑轮座安装在主框架主体的上部两侧，用以安装配重。
上述多自由度风洞大攻角装置中，所述上框架包括上框架主体、导轨、连接横板和斜支梁；其中，所述上框架主体通过所述斜支梁安装在风洞壁上，所述导轨安装在上框架主体上；所述连接横板安装在所述导轨上，并与所述主框架的小回转支撑的固定端连接。
上述多自由度风洞大攻角装置中，所述底座用型钢焊接而成。
上述多自由度风洞大攻角装置中，所述主框架主体由型钢焊接而成。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明使模型在风洞中能实现上下、左右、俯仰和偏航四自由度的运动；偏航角度可实现360°变化范围，一次模型安装俯仰角度可实现-10°～+90°变化；
(2)本发明在偏航机构中选用了上下两个回转支撑，提高了偏航运动的精度和整个装置的刚度；攻角机构采用了平行四边形原理，结构简单，运动准确；
(3)本发明的整套装置通用性强，结构清晰，其设计方案可应用于其他不同尺寸的风洞中；
(4)本发明能快速准确地使模型到达要求的位置和角度。
附图说明
图1是本发明的多自由度风洞大攻角装置的结构示意图；
图1-1是本发明的多自由度风洞大攻角装置的又一结构示意图；
图1-2是本发明的多自由度风洞大攻角装置的另一结构示意图；
图2是本发明的横移机构的结构示意图；
图3(a)是本发明的偏航机构的结构示意图；
图3(b)是本发明的偏航机构的又一结构示意图；
图3(c)是本发明的偏航机构的另一结构示意图；
图4(a)是本发明的攻角机构的结构示意图；
图4(b)是本发明的攻角机构的又一结构示意图；
图4(c)是本发明的攻角机构的另一结构示意图；
图5(a)是本发明的主框架的结构示意图；
图5(b)是本发明的主框架的又一结构示意图；
图5(c)是本发明的主框架的另一结构示意图；
图5(d)是本发明的主框架的另一结构示意图；
图6(a)是本发明的上框架的结构示意图；
图6(b)是本发明的上框架的又一结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
本发明是一种应用于航空航天风洞实验中的大攻角装置，该装置能够使模型实现上下、左右两个自由度的平移运动和俯仰、偏航两个自由度的旋转运动，并能实现位置和角度的快速准确定位和重复。
如图1、图1-1和图1-2所示，该大攻角装置包括横移机构1、偏航机构2、攻角机构3、主框架4、上框架5、主支杆6、尾支杆7、支杆连接杆8和第一升降机9。横移机构1在最下方，上面依次安装有偏航机构2、主框架4、上框架5和第一升降机9，攻角机构3安装在主框架4上，主支杆6和尾支杆7安装在攻角机构3上，支杆连接杆8将主支杆6和尾支杆7连接在一起，同时另一端连接模型。
图2为本发明的横移机构的结构示意图。如图2所示，横移机构1包括底座10、升降机座11、第二升降机12和导轨13。底座10用型钢焊接而成，安装在风洞上洞壁上，其安装导轨13的安装面需加工，以满足导轨13的安装要求；导轨13与偏航机构2中的底板15连接；第二升降机12通过升降机座11安装在底座10上，第二升降机12与偏航机构2中的连接座23连接，以带动偏航机构2沿导轨13作左右的平移运动。
图3(a)是本发明的偏航机构的结构示意图；图3(b)是本发明的偏航机构的又一结构示意图；图3(c)是本发明的偏航机构的另一结构示意图。如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，偏航机构2主要由顶板14、底板15、铜套16、大回转支撑17、小齿轮18、上轴承座19、连接板20、电机21、减速机22和连接座23等组成。底板15安装在横移机构1的导轨13上，大回转支撑17固定端安装在底板15上，活动端与顶板14连接；铜套16安装在顶板14上，主支杆6从此穿过偏航机构2与攻角机构3连接，铜套16对主支杆6起限位支撑作用，减小其变形位移；电机21安装在减速机22上，减速机22安装在连接板20上，连接板20和上轴承座19均固定在底板15上，上轴承座19对减速器输出轴221进行限位支撑，小齿轮18安装在减速器输出轴221上，与大回转支撑17齿配合。运动时，电机21带动减速机22的减速机输出轴221转动，带动小齿轮18转动，小齿轮18带动大回转支撑17活动端及顶板14做偏航运动。
图4(a)是本发明的攻角机构的结构示意图；图4(b)是本发明的攻角机构的又一结构示意图；图4(c)是本发明的攻角机构的另一结构示意图。如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，攻角机构3主要由蜗杆24、攻角框架25、尾支杆连接杆26、蜗轮27、配重拉杆28、蜗轮转轴29、升降机螺母30、转接轴31和攻角动力总成32等组成。攻角框架25与主框架4中的导轨总成35连接，通过升降机螺母30与第一升降机9连接，第一升降机9通过升降机螺母30可使攻角机构3沿导轨总成35进行上下的平移运动，导轨总成35不但对攻角机构3起限位作用，同时还起水平方向的支撑作用；蜗杆24与攻角动力总成32连接在一起，均安装在攻角框架25上，蜗轮27通过蜗轮转轴29安装在攻角框架25上，蜗轮27与蜗杆24配合安装在一起；尾支杆连接杆26安装在蜗轮27上，另一端与尾支杆7连接，蜗轮27的正下方、攻角框架25的底部孔槽251与主支杆6配合安装，孔槽251中心轴线与尾支杆连接杆26在同一平面上；见图1，主支杆6、尾支杆7、支杆连接杆8和尾支杆连接杆26处在一个平行四边形中，运动时，攻角动力总成32带动蜗杆24、蜗轮27运动，带动尾支杆连接杆26转动，从而使尾支杆7带动支杆连接杆8相对主支杆销孔61的轴线转动，实现攻角的准确变化；配重拉杆28安装在蜗轮27上，用以安装配重，转接轴31与蜗轮转轴29同心连接，可连接角度传感器用以检测角度。
图5(a)是本发明的主框架的结构示意图；图5(b)是本发明的主框架的又一结构示意图；图5(c)是本发明的主框架的另一结构示意图；图5(d)是本发明的主框架的另一结构示意图。如图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)所示，主框架4主要由主框架主体33、轴承座总成34、导轨总成35、小回转底座36、滑轮座37、升降机座38、小回转支撑39等组成。主框架主体33由型钢焊接而成，安装在偏航机构2的顶板14上，轴承座总成34安装在主框架主体33上，与升降机螺母30和升降机座38在一条直线上，用以安装第一升降机9；导轨总成35安装在主框架主体33的四个角上，用以限制攻角机构3的上下运动并提供水平方向的支撑；小回转底座36安装在主框架主体33的上面，与小回转支撑39的转动端连接，小回转支撑39的固定端与上框架5的连接横板42连接，小回转支撑39与大回转支撑17同心安装；升降机座38安装在主框架主体33的上面，用以安装第一升降机9，滑轮座37安装在主框架主体33上面两侧，用以安装配重。
图6(a)是本发明的上框架的结构示意图；图6(b)是本发明的上框架的又一结构示意图。如图6(a)和图6(b)所示，上框架5主要由上框架主体40、导轨41、连接横板42和斜支梁43等组成。上框架主体40通过斜支梁43安装在风洞壁上，导轨41安装在上框架主体40上，连接横板42安装在导轨41上，同时与主框架4上的小回转支撑39的固定端连接。上框架5的导轨41可限制主框架4左右平移时的运动轨迹，同时通过连接横板42、小回转支撑39对主框架4起到支撑作用，提高了偏航运动的精度和整个装置的刚度。
装置工作描述：如图1所示，整套装置安装在风洞上壁，安装在底座10上的第二升降机12通过与偏航机构2中的连接座23连接，带动偏航机构2及其以上机构沿导轨13和导轨41作左右方向的平移运动；电机21和减速机22通过小齿轮18传动，带动大回转支撑17及其以上机构做偏航运动，同时小回转支承39也一同转动，并起到限位和支撑作用；第一升降机9通过升降机螺母30带动攻角机构3沿导轨总成35进行上下的平移运动，导轨总成35不但对攻角机构3起限位作用，同时还起水平方向的支撑作用；攻角动力总成32带动蜗杆24、蜗轮27运动，带动尾支杆连接杆26转动，使尾支杆7带动支杆连接杆8相对主支杆销孔61的轴线转动，实现模型攻角的变化。该装置各自由度运动互不干涉，既可同时运动，又可单独运动。
本发明使模型在风洞中能实现上下、左右、俯仰和偏航四自由度的运动；偏航角度可实现360°变化范围，一次模型安装俯仰角度可实现-10°～+90°变化；本发明在偏航机构中选用了上下两个回转支撑，提高了偏航运动的精度和整个装置的刚度；攻角机构采用了平行四边形原理，结构简单，运动准确；本发明的整套装置通用性强，结构清晰，其设计方案可应用于其他不同尺寸的风洞中；本发明能快速准确地使模型到达要求的位置和角度。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多自由度风洞大攻角装置，其特征在于包括：横移机构(1)、偏航机构(2)、攻角机构(3)、主框架(4)、上框架(5)、主支杆(6)、尾支杆(7)、支杆连接杆(8)和第一升降机(9)；其中，
所述横移机构(1)位于底部；
所述偏航机构(2)与所述横移机构(1)相连接；
所述攻角机构(3)与所述偏航机构(2)相连接；
所述主框架(4)与所述攻角机构(3)相连接；
所述上框架(5)与所述主框架(4)相连接；
所述主支杆(6)和所述尾支杆(7)安装在所述攻角机构(3)上；
所述支杆连接杆(8)将所述主支杆(6)和所述尾支杆(7)相连接；
所述第一升降机(9)与所述主框架(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的多自由度风洞大攻角装置，其特征在于：所述横移机构(1)包括底座(10)、升降机座(11)、第二升降机(12)和导轨(13)；其中，
所述底座(10)安装在风洞上；
所述导轨(13)与所述偏航机构(2)相连接；
所述第二升降机(12)通过所述升降机座(11)安装在所述底座(10)上，所述第二升降机(12)与所述偏航机构(2)相连接，以带动所述偏航机构(2)沿导轨(13)作左或右的平移运动。
3.根据权利要求2所述的多自由度风洞大攻角装置，其特征在于：所述偏航机构(2)包括顶板(14)、底板(15)、铜套(16)、大回转支撑(17)、小齿轮(18)、上轴承座(19)、连接板(20)、电机(21)、减速机(22)、减速器输出轴(221)和连接座(23)；其中，
所述底板(15)安装在所述导轨(13)上，所述大回转支撑(17)的固定端安装在所述底板(15)上，所述大回转支撑(17)的活动端与所述顶板(14)相连接；
所述铜套(16)安装在所述顶板(14)上，所述主支杆(6)穿过所述铜套(16)与所述攻角机构(3)连接；
所述电机(21)安装在所述减速机(22)上，所述减速机(22)安装在所述连接板(20)上，所述连接板(20)和所述上轴承座(19)均固定在所述底板(15)上，所述上轴承座(19)对所述减速器输出轴(221)进行限位支撑，所述小齿轮(18)安装在所述减速器输出轴(221)上，与所述大回转支撑(17)齿配合。
4.根据权利要求3所述的多自由度风洞大攻角装置，其特征在于：所述攻角机构(3)包括蜗杆(24)、攻角框架(25)、尾支杆连接杆(26)、蜗轮(27)、配重拉杆(28)、蜗轮转轴(29)、升降机螺母(30)、转接轴(31)和攻角动力总成(32)；其中，
所述攻角框架(25)与所述主框架(4)相连接，所述攻角框架(25)通过所述升降机螺母(30)与所述第一升降机(9)连接，所述第一升降机(9)通过所述升降机螺母(30)能够使所述攻角框架(25)进行上或下的平移运动；
所述蜗杆(24)与所述攻角动力总成(32)连接在一起，均安装在所述攻角框架(25)上，所述蜗轮(27)通过所述蜗轮转轴(29)安装在所述攻角框架(25)上，所述蜗轮(27)与所述蜗杆(24)配合安装在一起；
所述尾支杆连接杆(26)的一端与所述蜗轮(27)相连接，另一端与所述尾支杆(7)相连接；
所述攻角框架(25)的底部孔槽(251)与所述主支杆(6)配合安装，底部孔槽(251)的中心轴线与所述尾支杆连接杆(26)在同一平面上；
所述配重拉杆(28)安装在所述蜗轮(27)上，用以安装配重；
所述转接轴(31)与所述蜗轮转轴(29)同心连接；
所述主支杆(6)、所述尾支杆(7)、所述支杆连接杆(8)和所述尾支杆连接杆(26)形成一个平行四边形，运动时，攻角动力总成(32)带动所述蜗杆(24)和所述蜗轮(27)运动，进而带动所述尾支杆连接杆(26)转动，从而使所述尾支杆(7)带动所述支杆连接杆(8)相对主支杆销孔(61)的轴线转动，实现攻角的准确变化。
5.根据权利要求4所述的多自由度风洞大攻角装置，其特征在于：所述主框架(4)包括主框架主体(33)、轴承座总成(34)、导轨总成(35)、小回转底座(36)、滑轮座(37)、升降机座(38)和小回转支撑(39)；其中，
所述主框架主体(33)安装在所述顶板(14)上，所述轴承座总成(34)安装在所述主框架主体(33)上，与所述升降机螺母(30)和所述升降机座(38)在一条直线上，用以安装所述第一升降机(9)；
所述导轨总成(35)安装在所述主框架主体(33)上，用以限制攻角机构(3)的上或下运动并提供水平方向的支撑；
所述小回转底座(36)安装在所述主框架主体(33)的上部，与所述小回转支撑(39)的转动端相连接，所述小回转支撑(39)的固定端与所述上框架(5)相连接，所述小回转支撑(39)与所述大回转支撑(17)同心安装；
所述升降机座(38)安装在所述主框架主体(33)的上部，用以安装所述第一升降机(9)，所述滑轮座(37)安装在主框架主体(33)的上部两侧，用以安装配重。
6.根据权利要求5所述的多自由度风洞大攻角装置，其特征在于：所述上框架(5)包括上框架主体(40)、导轨(41)、连接横板(42)和斜支梁(43)；其中，
所述上框架主体(40)通过所述斜支梁(43)安装在风洞壁上，所述导轨(41)安装在上框架主体(40)上；
所述连接横板(42)安装在所述导轨(41)上，并与所述主框架(4)的小回转支撑(39)的固定端连接。
7.根据权利要求2所述的多自由度风洞大攻角装置，其特征在于：所述底座(10)用型钢焊接而成。
8.根据权利要求5所述的多自由度风洞大攻角装置，其特征在于：所述主框架主体(33)由型钢焊接而成。
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