CN114136584A - 一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，天平本体由上往下依次包括一体成型的舵面连接件、轴向力元件、五分量元件和模型连接件，在风洞实验时，通过舵面连接件将待测舵面的气动力实时传递到天平本体上，天平本体上各分量的敏感元件感受到气动载荷后将气动力分解为x、y、z三个方向的力和三个方向的力矩，在气动载荷的作用下敏感环上布置的应变计所组成的惠斯通电气桥仅在轴向力X的作用下产生输出，五分量元件上不同位置布置的应变计组成的五个桥路，可以使得五个桥路依次只在法向力Y、俯仰力矩Mz、侧向力Z、偏航力矩My和铰链力矩Mx的作用下产生输出，从而得到天平本体坐标系下的六分量气动力，获得六分量的气动数据。

Description

一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平

技术领域

本发明涉及空气动力学技术领域，尤其是涉及一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平。

背景技术

铰链力矩试验是风洞测力试验中最为重要的类型之一，主要用于测量作用在飞行器舵面上的气动力，其中对舵面转轴的力矩称为铰链力矩。该类试验可以获得舵面所需的操纵功率，为选择或设计操纵装置的助力器提供依据，同时舵面的各分量气动力也可以用于校核舵面和舵轴的强度，为飞行器的仿真提供输入数据。

铰链力矩天平是实现铰链力矩测量的核心元件，在实际风洞铰链力矩测量试验中，轮毂式铰链力矩天平由于其外形小巧，可随意放置在全模型腔内的任意位置，横置或斜置以适应不同的舵轴安置形式，也容易实现多个舵面多天平的同时测量，并且轮毂式天平的刚度较大，能降低弹性变形引入的测量误差。因此，轮毂式结构的铰链力矩天平在实际的测量试验中最为常见。

目前，因传统天平结构的轴向力元件较为复杂，占用空间较多，无法直接应用于轮毂式结构上，因此当前轮毂式铰链力矩天平一般以五分量居多，缺少轴向力元件，使获得的气动参数一直缺少沿舵轴方向的气动力，除此之外，缺失的轴向力也使得天平公式中缺少轴向力对其它分量的干扰，进一步限制了现有五分量天平的精度，这成了制约当前铰链力矩试验能力的重要限制因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，针对目前风洞铰链力矩测量试验中轮毂式天平一般无轴向力元件的问题，提供了一种具有六分量测量能力的铰链力矩天平，能够同步测量舵面的六分量气动力，该天平在保持轮毂式传统优点的同时，具备了六分量气动力测量能力，并进一步提高了天平的可靠性和测量精度，使风洞铰链力矩的试验能力得到提升。

一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，包括天平本体，所述天平本体由上往下依次包括一体成型的舵面连接件、轴向力元件、五分量元件和模型连接件，所述轴向力元件包括敏感环，所述敏感环的顶端设有第一十字梁，所述敏感环的底端设有第二十字梁，所述第一十字梁相对于所述第二十字梁沿所述敏感环的中轴线45°错开，所述敏感环的上下两端均粘贴有应变计，所述应变计连接形成用于测量轴向力X的惠斯通电桥，所述五分量元件上粘贴有应变计，所述五分量元件上的所述应变计连接形成分别用于测量侧向力Z、偏航力矩My、法向力Y、俯仰力矩Mz和铰链力矩Mx的惠斯通电桥。

进一步的，所述天平本体的外侧套装有天平护罩，所述天平护罩底端与所述模型连接件的顶端固定连接。

进一步的，所述五分量元件包括相互平行的五根梁柱，五根所述梁柱包括中心位置的所述梁柱和等间距设置在中心位置所述梁柱外围的四根梁柱，五根所述梁柱的横截面形状均为矩形。

进一步的，所述舵面连接件的顶端设有方形孔和若干个螺纹孔，所述方形孔设置在所述舵面连接件顶端的中心位置，所述螺纹孔均匀分布在所述方形孔的四周。

进一步的，所述轴向力元件的顶面高于所述天平护罩的顶面。

进一步的，所述敏感环底端靠近所述第二十字梁的根部位置以其顶端相同位置均设有所述应变计，所述敏感环上下两端的所述应变计连接形成用于测量轴向力X的惠斯通电桥，所述第一十字梁的顶端与所述舵面连接件连接，所述第二十字梁的底端与所述五分量元件连接。

进一步的，所述梁柱沿Y轴和Z轴分布，中心位置的所述梁柱位于Y轴和Z轴的交汇处，所述第二十字梁沿Y轴和Z轴分布，第二十字梁的轴心线与X轴重合。

进一步的，所述天平护罩的外侧安装有集线器，所述集线器与所述天平护罩的内部连通，所述集线器与所述天平护罩之间螺纹连接，所述集线器的轴线与所述天平护罩的轴线相互垂直且相交。

进一步的，所述模型连接件的底端设有与其同轴线的凸台。

进一步的，所述轴向力元件的最大直径小于所述天平护罩的内径。

本发明的技术方案提供了一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，在风洞实验时通过舵面连接件将待测舵面的气动力实时传递到天平本体上，天平本体上各分量的敏感元件感受到气动载荷后将气动力分解为x、y、z三个方向的力和三个方向的力矩，并通过轴向力元件和五分量元件上由应变计连接形成的惠斯通电桥进行实时输出，从而得到天平本体坐标系下的六分量气动力，获得六分量的气动数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明天平本体的整体结构示意图；

图3为本发明天平本体的主视图；

图4为本发明图3中沿A-A的剖视图；

图5为本发明图3中沿B-B的剖视图；

图6为本发明图3中沿C-C的剖视图；

图7为本发明轴向力元件中惠斯通电桥的组建示意图；

附图标记说明：1-天平本体、101-舵面连接件、1011-方形孔、1012-螺纹孔、102-轴向力元件、1021-敏感环、1022-第一十字梁、1023-第二十字梁、103-梁柱、104-模型连接件、1041-连接孔、1042-通孔、1043-销孔、2-天平护罩、3-集线器、4-应变计、5-引线孔；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1～图7所示，一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，包括天平本体1和套装在天平本体1外侧的天平护罩2，天平护罩2可以有效保护天平本体内2由应变计4连接形成的惠斯通电桥免受磕碰，并且能有效阻隔风洞气流对天平本体1的冲刷，进一步提高实验的测量精度，天平本体1由上往下依次包括一体成型的舵面连接件101、轴向力元件102、五分量元件和模型连接件104，天平护罩2底端与模型连接件104的顶端固定连接，五分量元件和轴向力元件102上均粘贴有应变计4，轴向力元件102上的应变计4连接形成用于测量轴向力X的惠斯通电桥，五分量元件上应变计4连接形成分别用于测量侧向力Z、偏航力矩My、法向力Y、俯仰力矩Mz和铰链力矩Mx的惠斯通电桥。

五分量元件包括相互平行的五根梁柱103，五分量元件为五柱梁结构，五根所述梁柱103包括中心位置的梁柱103和等间距设置在中心位置梁柱103外围的其余四根梁柱103，五根梁柱103的横截面形状均为矩形，五根梁柱103的间距以及梁柱103的截面尺寸可根据天平本体1的量程做出适应性的调整设计，五根梁柱103沿Y轴和Z轴分布，中心位置的梁柱103位于Y轴和Z轴的交汇处。外侧的四根梁柱103上均粘贴有若干个应变计4，应变计4连接形成分别用于测量侧向力Z、偏航力矩My、法向力Y、俯仰力矩Mz和铰链力矩Mx的惠斯通电桥。关于五分量元件上应变计4的粘贴位置以及惠斯通电桥的搭建属于本领域技术人员的公知技术，再此不再赘述。

舵面连接件101的顶端设有方形孔1011和若干个螺纹孔1012，方形孔1011设置在舵面连接件101顶端的中心位置，螺纹孔1012均匀分布在方形孔1011的四周，方形孔1011用于舵面安装时的定位，防止舵面绕舵轴产生旋转，保证关键载荷分量铰链力矩Mx的测量精度，螺纹孔1012用于将待测舵面压紧至舵面连接件101上。

轴向力元件102整体呈轮毂式结构，轮毂式结构的轴向力元件102用于阻隔风洞气流向下传递，同时也加长了热传递的路径，保证五分量元件所测五个载荷分量的测量精度，轴向力元件102包括敏感环1021，敏感环1021的顶端设有第一十字梁1022，敏感环1021的底端设有第二十字梁1023，第二十字梁1023沿Y轴和Z轴分布，第一十字梁1022相对于第二十字梁1023沿敏感环1021的中轴线45°错开，敏感环1021底端靠近第二十字梁1023的根部位置以其顶端相同位置均粘贴有应变计4，应变计4粘贴在敏感环1021上靠近第二十字梁1023的沿Z轴方向，即法向力Y加载时的中性层附近以降低较大的法向力Y对轴向力测量的干扰，敏感环1021上下两端的应变计4连接形成用于测量轴向X的惠斯通电桥，第一十字梁1022的顶端与舵面连接件101连接，第二十字梁1023的底端与五分量元件连接。轴向力元件102的最大直径小于天平护罩2的内径，防止轴向力元件102与天平护罩2的接触造成测量精度不高。轴向力元件102的顶面高于天平护罩2的顶面，使天平护罩2的顶端不干扰舵面的安装。

轴向力元件102靠近五分量元件的一侧沿其轴向开设有四个引线孔5，开设引线孔5用于轴向力元件102中电桥的走线。

天平护罩2用于保护天平本体1的应变计4以及避免桥路在天平本体1安装及拆卸过程中受到磕碰而引起天平本体1故障，另一方面天平护罩2的外侧安装有集线器3，集线器3也可固定天平本体1的外引线，防止在天平本体1操作中因外引线拉扯过大导致接线端子处损坏造成的断线事故，大大提高了天平本体1的整体可靠性。除此之外，天平护罩2可以在风洞试验时有效阻隔风洞气流、尤其是风洞热气流对天平本体1的冲刷，大幅度降低天平本体1的温度效应，提高天平本体1中各载荷单元的测量精度；其中集线器3与天平护罩2的内部连通，集线器3与天平护罩2之间螺纹连接，集线器3的轴线与天平护罩2的轴线相互垂直且相交。

模型连接件104的底端设有与其同轴线的凸台，用于天平本体1安装时与模型间的定位，模型连接件104整体呈法兰形状，模型连接件104的周向均匀开设有销孔1043和四个通孔1042，通孔1042用于穿过螺栓将模型连接件104压紧至模型上，销孔1043用于穿过销钉进行定位；模型连接件104上以及天平护罩2的底端还开设有若干个连接孔1041，使天平护罩2的底端与模型连接件104的顶面贴合后使用螺栓穿过天平护罩2上的连接孔1041后与模型连接件104上的连接孔1041进行旋合固定，从而将天平护罩2的底端压紧至模型连接件104的顶面。

模型连接件104的直径大于舵面连接件101的直径，通过大端法兰面与模型进行连接，配合柱面定位，安装精度高，安装预紧力对天平本体1的应力干扰小，测量精度高。通过小端法兰面与舵面连接，配合方形孔1011定位，周向定位精度高，有利于提高铰链力矩的测量精度。

综合本发明的一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，该铰链力矩天平精度高、可靠性高，能够在保证传统五分量轮毂式天平刚度大、体积小、精度高等优点的前提下，同步实现轴向力的高精度测量，达到六分量舵面气动数据的测量能力。

工作原理：

本发明的技术方案提供了一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，在进行风洞实验时，天平本体1通过模型连接件104安装至实验模型上，并将待测舵面与天平本体1上的舵面连接件101相连接，舵面的气动载荷通过舵面连接件101传递至轴向力元件102和五分量元件上，在气动载荷的作用下敏感环1021上布置的应变计4所组成的惠斯通电气桥仅在轴向力X的作用下产生输出，而在法向力Y、俯仰力矩Mz、侧向力Z、偏航力矩My和铰链力矩Mx的作用下，不同应变计4产生的输出能够相互抵消，使整个桥路不产生额外输出，实现天平本体1对轴向力X的解耦能力，在气动载荷的作用下通过五分量元件上不同位置布置应变计4，并组成五个桥路，可以使得五个桥路依次只在法向力Y、俯仰力矩Mz、侧向力Z、偏航力矩My和铰链力矩Mx的作用下产生输出，而在其他各分量的作用下不产生输出，实现对各测量分力的解耦能力。该铰链力矩天平结构小巧紧凑，加工难度低，可充分利用模型内腔空间，可实现多天平同步测量，可根据不同的试验模型和载荷进行类似系列设计，从而满足不同试验的需要，应用性强。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，包括天平本体，所述天平本体由上往下依次包括一体成型的舵面连接件、轴向力元件、五分量元件和模型连接件，所述轴向力元件包括敏感环所述敏感环的顶端设有第一十字梁，所述敏感环的底端设有第二十字梁，所述第一十字梁相对于所述第二十字梁沿所述敏感环的中轴线45°错开，所述敏感环的上下两端均粘贴有应变计，所述应变计连接形成用于测量轴向力X的惠斯通电桥，所述五分量元件上粘贴有应变计，所述五分量元件上的所述应变计连接形成分别用于测量侧向力Z、偏航力矩My、法向力Y、俯仰力矩Mz和铰链力矩Mx的惠斯通电桥。

2.根据权利要求1所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述天平本体的外侧套装有天平护罩，所述天平护罩底端与所述模型连接件的顶端固定连接。

3.根据权利要求1所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述五分量元件包括相互平行的五根梁柱，五根所述梁柱包括中心位置的所述梁柱和等间距设置在中心位置所述梁柱外围的四根梁柱，五根所述梁柱的横截面形状均为矩形。

4.根据权利要求1所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述舵面连接件的顶端设有方形孔和若干个螺纹孔，所述方形孔设置在所述舵面连接件顶端的中心位置，所述螺纹孔均匀分布在所述方形孔的四周。

5.根据权利要求2所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述轴向力元件的顶面高于所述天平护罩的顶面。

6.根据权利要求3所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述敏感环底端靠近所述第二十字梁的根部位置以其顶端相同位置均设有所述应变计，所述敏感环上下两端的所述应变计连接形成用于测量轴向力X的惠斯通电桥，所述第一十字梁的顶端与所述舵面连接件连接，所述第二十字梁的底端与所述五分量元件连接。

7.根据权利要求6所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述梁柱沿Y轴和Z轴分布，中心位置的所述梁柱位于Y轴和Z轴的交汇处，所述第二十字梁沿Y轴和Z轴分布，第二十字梁的轴心线与X轴重合。

8.根据权利要求2所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述天平护罩的外侧安装有集线器，所述集线器与所述天平护罩的内部连通，所述集线器与所述天平护罩之间螺纹连接，所述集线器的轴线与所述天平护罩的轴线相互垂直且相交。

9.根据权利要求1所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述模型连接件的底端设有与其同轴线的凸台。

10.根据权利要求2所述的轮毂式结构的六分量铰链力矩天平，其特征在于，所述轴向力元件的最大直径小于所述天平护罩的内径。

Images