CN113044241A - 齿轮齿条展开翼实验平台及采用其的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮齿条展开翼实验平台及采用其的实验方法，该实验平台上安装有能够承装火工品的活塞缸，活塞缸与活塞杆相连，在活塞杆的端部设置齿条，齿条与翼片上的齿轮啮合，从而能够将火工品产生的推力转换为活塞杆直线运动，再通过齿轮齿条之间的传动，带动翼片旋转，翼片的运动形式与航空器上的折叠式机翼类似，再在翼片上添加阻碍其旋转的阻力装置，从而根据阻力装置提供阻力的大小及翼片的旋转角度来判断火工品的品类、数量是否满足要求，并可以据此对火工品的品类、数量做出相应调整，反复多次实验。

Description

齿轮齿条展开翼实验平台及采用其的实验方法

技术领域

本发明涉及一种展开机构的实验测试设备，具体涉及一种齿轮齿条展开翼实验平台及采用其的实验方法。

背景技术

在小型航空器上，折叠式机翼设计是一种常见的设计模式，能够有效减少机翼收纳在飞行器中时所占的空间。而折叠式机翼之中，齿轮齿条式机构具有做动时间短，行程可靠，以及结构简单的优点，所以采用齿轮齿条驱动的折叠式机翼较多。

目前，大多数利用齿轮齿条机构展开的折叠式机翼，其驱动力都是由火工品燃烧产生的压力驱动活塞缸产生的；而飞行器在飞行时，空气阻力作用于机翼上，会给机翼的展开带来较强的外界干扰，通常设计该机翼展开装置时，设计标定推力通常假设为恒定推力源，空气阻力假定为恒定阻力矩，以方便分析计算。

虽然空气阻力矩可以利用模拟得到一个可以接受的仿真结果，但是火工品燃烧产生的推力具有作用时间短，受环境影响大，推力大小变化不稳定的特性，因此，确定合理的用药量是设计一种齿轮齿条展开翼机构时候的关键步骤。通常的模拟计算方法不适用于火工品所使用药量的计算，需要采用多次实验来得到尽量准确的结果，另外，通常的模拟计算难以切实模拟出温度、风速、气压等因素对火工品实际产生推力的影响。所以现有的模拟计算方式存在诸多缺陷，有待于进一步完善改进。

由于上述原因，本发明人对现有的折叠式机翼设计方法做了深入研究，以期待设计出能够解决上述问题的实验平台及采用其的实验方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种齿轮齿条展开翼实验平台，该实验平台上安装有能够承装火工品的活塞缸，活塞缸与活塞杆相连，在活塞杆的端部设置齿条，齿条与翼片上的齿轮啮合，从而能够将火工品产生的推力转换为活塞杆直线运动，再通过齿轮齿条之间的传动，带动翼片旋转，翼片的运动形式与航空器上的折叠式机翼类似，再在翼片上添加阻碍其旋转的阻力装置，从而根据阻力装置提供阻力的大小及翼片的旋转角度来判断火工品的品类、数量是否满足要求，并可以据此对火工品的品类、数量做出相应调整，反复多次实验，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种齿轮齿条展开翼实验平台，该实验平台包括承装火工品的活塞缸，在活塞缸底部连接有活塞杆，活塞缸能够带动活塞杆往复移动；该实验平台还包括翼片，所述翼片与活塞杆相连，所述活塞杆往复移动能够带动翼片旋转，在所述活塞杆底部设置有齿条，在所述翼片的端部设置有齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合，所述翼片能够绕着齿轮的轴心旋转。

所述翼片和齿轮都设置有两个，对称分布于齿条的两侧；优选地，所述两个翼片能够彼此反向旋转，在未旋转前，两个翼片彼此平行设置；在齿条、齿轮的带动下，两个翼片能够各自旋转90度角。从而将火工品的冲击力转换为翼片的旋转动力，进而验证活塞缸中的火工品能否满足推动尾翼展开到预定角度的需求。

本发明的目的还在于提供一种齿轮齿条展开翼实验方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，在活塞缸中添加需要测试的火工品，并且关闭/密封该活塞缸；

步骤2，在翼片的安装孔上安装阻力装置；

步骤3，控制火工品点火工作，记录翼片的展开状态，读取拉力计的数值并记录；

步骤4，更换火工品，重复步骤1、步骤2和步骤3，再次记录翼片的展开状态，并且读取拉力计的数值并记录。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的齿轮齿条展开翼实验平台结构简单，操作简单、稳定性强，能够重复多次实验，实验成本低、速度快；

(2)本发明提供的齿轮齿条展开翼实验平台体积小，移动方便，能够将其置于期望的实验环境中进行多次反复实验；

(3)本发明提供的齿轮齿条展开翼实验平台的阻力装置设置形式多样，能够实现数字化测量，为精确调整、测试火工品提供硬件基础。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的齿轮齿条展开翼实验平台整体结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的齿轮齿条展开翼实验平台上去掉上盖后的结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的齿轮齿条展开翼实验平台上的阻力装置结构示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的齿轮齿条展开翼实验平台上的阻力装置爆炸图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的齿轮齿条展开翼实验平台阻力装置的横向连接件结构示意图。

附图标号说明：

1-活塞缸

2-活塞杆

3-齿条

4-翼片

41-安装孔

5-齿轮

61-销杆

62-横向连接件

63-档杆

64-夹口

65-豁槽

66-连接杆

67-夹持面

68-挡板

69-拉力计

7-上盖

8-下盖

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的齿轮齿条展开翼实验平台，如图1、图2中所示，该齿轮齿条展开翼实验平台包括承装火工品的活塞缸1，在活塞缸底部连接有活塞杆2，活塞缸1能够带动活塞杆2往复移动，该实验平台还包括翼片4，所述翼片4与活塞杆2相连，所述活塞杆2往复移动能够带动翼片4旋转。

在所述活塞杆2底部设置有齿条3，在所述翼片4的端部设置有齿轮5，所述齿轮5与所述齿条3啮合，所述翼片4能够绕着齿轮5的轴心旋转。

所述火工品在活塞缸1中工作产生的推力推动活塞杆及其上的齿条移动，齿条在移动过程中带动齿轮旋转，从而带动翼片4旋转。即，将火工品产生的推力转换为活塞杆的直线运动，再将该直线运动转换为翼片的旋转运动，在这个过程中既能够测量出火工品能够提供的力与时间的关系，还能够判断这样的力能否促使翼片旋转到预定位置或者预定角度。

在一个优选的实施方式中，如图2中所示，所述齿轮5上的齿分布在齿轮5的边缘，优选地，齿轮5上的齿不必布满齿轮的外边缘，齿的排布弧度与翼片4的旋转角度有关，该齿轮5上的齿布满齿轮边缘4～5弧度即可。

在一个优选的实施方式中，所述翼片4和齿轮5都设置有两个，对称分布于齿条3的两侧，所述两个翼片能够彼此反向旋转，在未旋转前，两个翼片4彼此平行设置；在齿条、齿轮的带动下，两个翼片4能够各自旋转90度角，旋转到极限位置时，两个翼片4基本共线。

在一个优选的实施方式中，所述翼片4的材质可以与小型航空器上折叠式机翼的材质一致；所述翼片4的大小、尺寸与小型航空器上折叠式机翼的大小、尺寸一致或者等比变化，从而能够确保实验结果的准确性，排出案外因素的干扰。

在一个优选的实施方式中，在两个翼片4上还设置有阻力装置，该阻力装置连接两个翼片4，阻碍翼片4旋转，所述齿条、齿轮带动翼片4旋转时，需要克服阻力装置提供的阻力，所述阻力装置的设置位置越靠近齿轮5，其能够提供的阻力力矩越小，所述阻力装置的设置位置越远离齿轮5，其能够提供的阻力力矩越大。

优选地，所述阻力装置包括弹簧、弹性绳、连接杆中的一种或多种；其中，所述弹簧为拉力弹簧，受到拉力后会产生与拉力相反的弹性作用力，所述弹性绳可以选择如橡皮筋、橡胶筋、松紧带等带有弹性的绳状材料进行制备；所述连接杆可以为无弹性的杆状结构，该杆状结构上设置有至少一个可拉断的节点，当所述连接杆两端受到的拉力超过临界值时，该连接杆能够从该节点处拉断，所述连接杆可以由金属材料制成，也可以由塑料等非金属材料制成。

在一个优选的实施方式中，该齿轮齿条展开翼实验平台还包括上盖7和下盖8，其中，齿条3和齿轮5都位于上盖7和下盖8之间，在所述上盖7和/或下盖8上开设有滑槽，所述活塞杆2和其上的齿条3位于所述滑槽中，在滑槽中往复移动，通过滑槽限定了活塞杆2活动方向，使得活塞杆仅能够沿着一个方向往复移动，防止活塞杆倾斜或者侧偏。

进一步优选地，所述上盖7和下盖8固结为一体；优选地，在上盖7和下盖8之间设置有至少两个彼此平行的转轴，且所述转轴都即与上盖7垂直，也与下盖8垂直；所述齿轮5套设在转轴上，齿轮能够绕着转轴旋转，更优选地，在齿轮和转轴之间安装有轴承，从而进一步降低齿轮旋转的摩擦力，减少外界因素干扰，从而提高实验精度。

优选地，所述轴承选用推力滚针轴承，在所述轴承上安装有AS垫圈；所述转轴两端都通过沉头螺钉与上盖7和下盖8固接，从而使得上盖7和下盖8之间彼此固接，所述转轴无旋转，仅仅起到支撑固定提供旋转中心的作用。

在一个优选的实施方式中，如图1和图2中所示，在所述翼片4上开设有安装孔41，所述阻力装置通过所述安装孔41固定安装在所述翼片4上。通过设置所述安装孔41能够简化阻力装置的安装过程，提高实验效率，并且还能够提高阻力装置与翼片4之间的连接强度，提高实验的准确性。

在一个优选的实施方式中，在所述下盖8上设置有机械限位凸台，用以限制翼片的旋转区域，使得两个翼片仅仅能够从彼此平行的状态各自旋转90度角，达到基本共线的状态。进一步地，当所述两个翼片彼此平行时，两个翼片之间保留有一定的间距，该间距至少能够满足阻力装置中连接杆的安装需求。

在一个优选的实施方式中，在所述阻力装置上还设置有拉力计，在所述拉力计上还设置有存储芯片，能够持续存储该拉力计上受到的拉力值，从而便于获知火工品提供的拉力的变化规律以及翼片上阻力的变化规律，能够充分丰富实验结果数据，获得更多的参数，以便于更好更快地确定合理的火工品种类及数量。

在实际实验过程中，所述阻力装置的安装过程比较繁琐，而且阻力装置的安装位置如果偏离中心，也会导致受力不均衡；

为此，本申请中更优选地提供一种如图3、图4中所示的阻力装置，所述阻力装置包括能够插入到所述安装孔41中的销杆61，且所述销杆61的截面形状及尺寸与安装孔41的截面形状及尺寸都基本一致，当所述销杆61插入到所述安装孔41中时，基本能够填满所述安装孔41。

在所述销杆61的两端设置有横向连接件62，在所述横向连接件62上设置有档杆63和夹口64；

优选地，在所述销杆61的上下两端都开设有豁槽65，所述横向连接件62一端能够嵌入到所述豁槽65中，再通过销钉将横向连接件62与销杆61固结，当所述豁槽65较大时，所述横向连接件62能够绕着销钉旋转，本申请中优选地，所述豁槽65的尺寸大小与横向连接件62端部的尺寸大小基本一致，从而使得横向连接件62与销杆61之间基本无相对运动，阻力装置整体结构更为稳固，受力稳定。

在一个优选的实施方式中，销杆61上的两个豁槽65之间的距离略大于或者基本等于所述安装孔41的深度，即略大于或者基本等于翼片4的厚度，再将横向连接件62安装到销杆61上以后，所述阻力装置与翼片4之间基本实现紧密连接，没有明显的缝隙及晃动空间，从而使得翼片展开过程中受到的拉力基本维持在同一个平面中，提高实验结果的稳定性，降低系统误差的干扰。

优选地，所述横向连接件62上的档杆63为向上或者向下伸出的杆状结构，其用于固定安装弹簧或者套设弹性绳；

所述销杆61至少设置有两个，分别安装在两个翼片4的安装孔41中，在所述销杆61上可以设置有两个横向连接件62，从而可以至少有两个档杆63，从而能够在翼片4的上下两侧各安装至少一组弹簧和/或至少一条弹性绳；所述弹性绳及弹簧的设置数量及销杆61的设置数量及位置都可以根据实验需要灵活选择；通过设置该销杆61能够方便于弹簧及弹性绳的安装更换，也能够提高实验的安全性、准确性。

优选地，所述横向连接件62上的夹口64用于夹持连接杆66；所述夹口64的开口大小可调，其上的夹持力大小也可调，能够夹持或者放开连接杆，当放开时，能够更换连接杆，当夹持时能够夹紧连接杆；更优选地，在所述夹口64内侧设置有截面程弧形的夹持面67，从而更加稳定地夹持截面程圆形的连接杆。

更优选地，如图5中所示，在所述档杆63的端部设置有挡板68；当弹性绳套设在档杆63上以后，通过该挡板68来防止弹性绳从档杆63上滑落，从而确保弹性绳在翼片展开过程中保持稳定；优选地，在所述档杆63上开设有环状豁槽；通过环状豁槽增大弹性绳与档杆63之间的摩擦力，进一步提高弹性绳的稳定性。

所述横向连接件62整体程长条形，其一端嵌入到销杆61的豁槽65中，并与销杆61固结，其另一端上设置有受力端，所述受力端包括档杆63和夹口64，即实验过程中产生的拉力都要作用在所述受力端上。

所述弹性绳或者弹簧上的弹力可以在实验开始前/后由计算机数学仿真确定，也可以由同批次、同型号的弹性绳或者弹簧实际测试得到。

如图5中所示，所述连接杆66两端为圆柱状，其截面尺寸从两端向中间逐渐减小，连接杆66的中部位置的截面尺寸最小，所述连接杆66由同一种材料加工形成，其中部最容易被拉断，且能够拉断该连接杆66的拉力临界值是已知的，也可以选用同批次同型号的连接杆进行测算。在实际实验过程中，可以根据具体情况选择是否添加该连接杆66。

所述连接杆能够检验瞬时最大拉力是否能够达到临界值，所述弹簧或者弹性绳能够检验火工品提供的作用力能否促使翼片持续完成展开过程。所述连接杆与弹性绳的组合能够更为接近真实地模拟尾翼展开过程中需要克服的阻力分布。

进一步优选地，所述拉力计69安装在所述横向连接件62上，所述横向连接件62设置有4个，在每个横向连接件62上都安装有拉力计69。所述拉力计69位于销杆61和受力端之间，所述受力端包括档杆63和夹口64，能够实时测量得到横向连接件62上承受的拉力大小，在所述拉力计上还设置有存储芯片，拉力计测量得到的数值实时存储到所述存储芯片中，每次实验结束后都要调取存储芯片中存储的拉力数值，为后续分析研究火工品的作用力提供数据支撑。其中，由于拉力计设置有多个，一般设置有4个，由于安装误差等原因，4个拉力计上测量得到的拉力值之间可能存储一定偏差，如果实验顺利，安装误差较小，各个拉力值之间的偏差相对较小，如果各个拉力值之间的偏差过大时，还能够通过比较具体拉力数值分析是否存在明显的数据失真，以便于进一步确定实验数据的准确性。

本发明提供的实验平台结构简单，移动方便，能够方便地将之置于预设的环境中进行尾翼展开实验，既能够增加对于环境适应性的测算准确性，还能够降低实验成本，提高实验效率。

一种用于测试齿轮齿条展开翼展开的实验方法，该方法可以选用上文所述的齿轮齿条展开翼实验平台进行，其中，该方法包括如下步骤：

步骤1，在活塞缸中添加需要测试的火工品，并且关闭/密封该活塞缸；

步骤2，在翼片的安装孔上安装阻力装置；

步骤3，控制火工品点火工作，记录翼片的展开状态，读取拉力计的数值并记录；

步骤4，更换火工品，重复步骤1、步骤2和步骤3，再次记录翼片的展开状态，并且读取拉力计的数值并记录。

在在一个优选的实施方式中，在执行步骤3以前，可以安装摄像机，通过摄像机实时拍摄翼片的运动轨迹，以便于进一步分析翼片的运动速度等参数。

在一个优选的实施方式中，在执行步骤2以前，获得阻力装置中弹簧、弹性绳的弹力值，获得连接杆拉断的临界拉力值。

在一个优选的实施方式中，在执行步骤2时，在安装阻力装置时，可以选择安装弹簧、弹性绳、连接杆中的一种或多种。

更优选地，将所述齿轮齿条展开翼实验平台放置在不同的环境下重复上述步骤1到步骤4，再次获得相应结果数据，所述不同的环境包括不同的温度条件、风速条件、湿度条件、气压条件等，以便于根据该飞行器预期的工作环境进行实验；如在零下20摄氏度、风速8m/s、相对湿度60％、0.1个标准大气压的条件下进行实验。

在一个优选的实施方式中，在调整温度进行实验时，在执行步骤1以后，可以将承装有火工品的活塞缸放置在设定的温度环境下，持续1-2天后，再进行步骤2和步骤3。

在进一步优选的实施方式中，所述步骤2包括如下子步骤，

子步骤1，将销杆61插入到所述安装孔41中，再将两个横向连接件62分别插入到销杆61的上下两个豁槽65中，通过销钉将横向连接件62与销杆61固结；

子步骤2，将弹簧或者弹性绳固定在分别位于两个翼片上的档杆63上，再可选择的将连接杆66的两端嵌入到夹口64中，夹紧夹口64，使得横向连接件62与连接杆66固接。

实验例：展开翼药量实验

实验环境：标准大气压，室外温度(-12℃)或者高温(60℃)或者低温(-40℃)。

实验结果如下：

实验结果：能够完成展开的实验中，拉力计度数为150N，根据实验结果可知环境温度、装药量都会影响展开能力和展开时间，可以通过调整单一变量做进一步实验，本申请提供的实验平台能够支持反复多次实验。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种齿轮齿条展开翼实验平台，其特征在于，该实验平台包括承装火工品的活塞缸(1)，

在活塞缸(1)底部连接有活塞杆(2)，活塞缸1能够带动活塞杆(2)往复移动，

该实验平台还包括翼片(4)，所述翼片(4)与活塞杆(2)相连，所述活塞杆(2)往复移动能够带动翼片(4)旋转。

2.根据权利要求1所述的齿轮齿条展开翼实验平台，其特征在于，

在所述活塞杆(2)底部设置有齿条(3)，

在所述翼片(4)的端部设置有齿轮(5)，所述齿轮5与所述齿条(3)啮合，所述翼片4能够绕着齿轮5的轴心旋转。

3.根据权利要求2所述的齿轮齿条展开翼实验平台，其特征在于，

所述翼片(4)和齿轮(5)都设置有两个，对称分布于齿条(3)的两侧；

优选地，所述两个翼片(4)能够彼此反向旋转，在未旋转前，两个翼片(4)彼此平行设置；在齿条(3)、齿轮(5)的带动下，两个翼片(4)能够各自旋转90度角。

4.根据权利要求1所述的齿轮齿条展开翼实验平台，其特征在于，

在两个翼片(4)上还设置有阻力装置，该阻力装置连接两个翼片(4)，阻碍翼片(4)旋转，所述齿条(3)、齿轮(5)带动翼片(4)旋转时，需要克服阻力装置提供的阻力。

5.根据权利要求4所述的齿轮齿条展开翼实验平台，其特征在于，

所述阻力装置包括弹簧、弹性绳、连接杆中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的齿轮齿条展开翼实验平台，其特征在于，

该实验平台还包括上盖(7)和下盖(8)，其中，齿条(3)和齿轮(5)都位于上盖(7)和下盖(8)之间。

7.根据权利要求1所述的齿轮齿条展开翼实验平台，其特征在于，

在所述翼片(4)上开设有安装孔(41)，所述阻力装置通过所述安装孔(41)固定安装在所述翼片(4)上。

8.根据权利要求1所述的齿轮齿条展开翼实验平台，其特征在于，

在所述阻力装置上还设置有拉力计，在所述拉力计上还设置有存储芯片，能够持续存储该拉力计上受到的拉力值。

9.一种用于测试齿轮齿条展开翼展开的实验方法，其特征在于，该方法是通过如权利要求1-8之一所述的齿轮齿条展开翼实验平台实现的。

10.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，

该方法包括如下步骤：

步骤1，在活塞缸中添加需要测试的火工品，并且关闭/密封该活塞缸；

步骤2，在翼片的安装孔上安装阻力装置；

步骤3，控制火工品点火工作，记录翼片的展开状态，读取拉力计的数值并记录；

步骤4，更换火工品，重复步骤1、步骤2和步骤3，重复记录翼片的展开状态，并且读取拉力计的数值并记录。

Images