CN117890072B - 一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置 - Google Patents

Abstract

一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，属于航空气动力试验测量技术领域。本发明解决了现有俯仰动导数测量装置存在的天平结构连接易松动，振动机构不平稳，测力天平和旋转轴连接误差大及刚度性能差的问题。技术要点：前锥体、测力天平和上下支臂顺次连接，角度天平连接在上下支臂内，连接筒主体的后端与外支杆固定连接；滑槽块通过方型槽卡装在连接台上，滑槽块的后端开有滑槽，弧形滑块滑动安装在滑槽内；偏心轴转动安装在外支杆内，偏心轴的前端插入连接筒主体，并通过轴套安装在弧形滑块上的圆孔内，偏心轴带动轴套在圆孔内做旋转运动，偏心轴的后端通过减速器与电机连接。本装置用于风洞飞行器俯仰动导数测量。

Description

一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置

技术领域

本发明涉及一种俯仰动导数试验装置，具体涉及一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，属于航空气动力试验测量技术领域。

背景技术

强迫振动试验方法是一种常见的风洞动导数试验方法。强迫振动方法是使用激振器强迫模型在某一自由度下作固定频率和固定振幅的简谐振动。俯仰动导数试验装置是天平模型系统在俯仰方向作固定频率、固定振幅的简谐振动。通常俯仰动导数试验装置结构形式为：天平和旋转轴通过轴承安装在尾支杆内整体固定在风洞攻角机构上，通过激振器和运动转换机构实现旋转轴、测力天平、模型系统作简谐振动。角度天平测量模型的运动姿态，测力天平用来测量模型的气动力载荷、模型惯性力，经过数据处理可以计算出模型的动导数。

俯仰动导数试验装置结构布局形式通常有两种方式：第一种振动机构在模型的外部，振动机构带动支杆、天平、整体做俯仰振动。在振动机构上设置角度天平或角度编码器测量模型的振动角度。此种结构形式主要应用于低速动导数试验装置和高速小尺寸模型动导数试验装置。此种结构形式适用于模型腔体空间尺寸严重受限情况的模型。此种布局解决了模型空间布局的困扰但同时产生了新的问题，角度测量元件、测力天平元件之间距离较远，模型真实位置状态和角度天平测量状态有一定的失真。低速动导数试验振动机构在试验段外部，对模型尾部流场干扰较小。但高速动导数试验，此种布局结构形式，振动机构通常安装在试验段中部支架上，振动机构对模型尾部流场有一定的影响。中国专利CN201611200009.2公开了一种尾振动的俯仰动导数试验测量装置，即为第一种振动结构布局形式，该专利主要介绍运动转换机构及角度天平结构形式。

第二种角度测量元件布置在俯仰振动中心位置和测力天平校准中心重合，这样能解决模型状态和角度天平测量状态失真。角度天平和测力天平通常为两个独立零件，测力天平和角度天平通过配合段、螺钉连接成一个整体。此种结构形式主要应用于高速动导数试验装置，该结构形式相比外部振动结构形式可以实现大载荷飞行器动导数试验。此种结构形式，测力天平和角度天平通过连接段和螺纹连接，很难消除两个零件之间的间隙，特别是在试验振动过程中，连接处容易松动，对天平振动曲线产生一定的影响。中国专利CN200910220596.5公开了一种用于俯仰动导数试验的天平测量装置，即为第二种振动结构布局形式，该专利主要介绍运动转换机构及角度天平结构形式及天平组桥方式。中国专利CN201810531762.2公开了一种俯仰动导数天平保护装置，同为第二种振动结构布局形式，该专利主要介绍天平保护机构的结构形式及原理，及该天平保护机构如何在高马赫动导数试验中对动导数天平起到保护作用。

因此，针对现有俯仰动导数测量装置存在的技术问题，亟需研制一套天平结构连接紧密，振动机构平稳，减小连接误差及满足刚度要求的俯仰动导数测量装置。

发明内容

本发明为了克服现有俯仰动导数测量装置存在的天平结构连接易松动，振动机构不平稳，测力天平和旋转轴连接误差大及刚度性能差的问题，进而提供了一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，包括一体化天平、滑槽块、弧形滑块、偏心轴、外支杆和轴套；

一体化天平由一块高强度钢整体加工而成，包括前锥体、测力天平、角度天平、上下支臂、连接台、连接筒主体，所述前锥体、测力天平和上下支臂顺次连接，所述角度天平连接在上下支臂内，上下支臂后端连接有连接台，上下支臂的侧面与连接筒主体的前端连接，连接筒主体的后端与外支杆固定连接；

所述滑槽块的前端开有方型槽，滑槽块通过方型槽卡装在连接台上，并通过螺钉紧固连接，所述滑槽块的后端开有滑槽，弧形滑块滑动安装在滑槽内；弧形滑块在滑槽内绕滑槽中心转动；

所述弧形滑块上加工有圆孔，偏心轴转动安装在外支杆内，偏心轴的前端插入连接筒主体，并通过轴套安装在弧形滑块上的圆孔内，偏心轴带动轴套在圆孔内做旋转运动，偏心轴的后端通过减速器与电机连接。

所述滑槽块、弧形滑块、偏心轴和轴套构成运动转换机构，所述电机及减速器带动偏心轴做连续旋转运动，偏心轴带动弧形滑块上下运动，弧形滑块在上下运动的同时绕弧形滑块圆心微转动，弧形滑块带动上下支臂做上下运动，上下支臂的前端和角度天平的前端为一体的，角度天平在受到力矩驱动作用时只能绕其中心转动。由于弧形滑块可以实现绕其圆心微转动，这样可以实现轴套只受上下方向的力，防止在前后方向受强迫力矩对其造成破坏，所以偏心轴的连续旋转运动可以转换为一体化天平绕角度天平中心转动。

进一步地：所述测力天平通过前锥体与模型连接，前锥体上设置有第一基准平台，作为天平装配、校准、试验时定位基准面，测力天平为四柱梁结构形式，四柱梁为上下各布置两个梁，四柱梁上粘贴第一应变片，组成惠斯顿电桥，用来测量模型的法向力、俯仰力矩、滚转力矩、侧向力和偏航力矩。

进一步地：角度天平由交叉的三个梁组成，中间为宽梁，两边为窄梁，在两边窄梁中心位置上设置4个第二应变片，组成惠斯顿电桥测量模型的振动角度。

进一步地：所述上下支臂的后部加工有工艺缝，用于与角度天平的尾部分开。此工艺缝采用电火花加工。

进一步地：所述连接筒主体的前部开设有通槽形成左右支臂，所述左右支臂与上下支臂连接，连接筒主体的后部为圆筒形结构，圆筒形结构的筒底板上开设有过孔，所述偏心轴穿过过孔。

进一步地：所述外支杆的前端外壁上设置配合环体，配合环体上加工有键槽，外支杆的前端插入圆筒形结构，圆筒形结构的端部设置有端面键，所述端面键与键槽配合，圆筒形结构的侧壁上加工有销孔和沉头孔，圆筒形结构通过销钉、螺钉与外支杆进行固定。如此设置，更好地起到紧固连接和防松的作用，防止在动导数试验过程中，在大载荷、大振动情况下，连接出现松动的情况。

进一步地：所述偏心轴通过一个滚针轴承和两个深沟球轴承支撑在外支杆内。形成前、中、后三处支撑点，实现轴承滚转方向自由振动。

进一步地：所述外支杆的尾端设置有第二基准平台，用于实现外支杆地面组装、校准和试验时定位基准；外支杆的尾部开设有多个椭圆型孔，外支杆的尾部通过螺栓穿过椭圆型孔和电机支杆连接。椭圆型孔可以实现第二基准平台调平，外支杆和电机支杆之间有相对加工误差时，螺栓可以固定在电机支杆上，实现外支杆相对电机支杆滚转方向±2度调整，保证外支杆和电机支杆平行。

本发明有益效果体现在：

相对于现有技术，本发明的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，通过一体化天平测量飞行器五分量气动力载荷，测量模型振动的角度位置状态，通过运动转换机构实现电机的连续旋转运动转换为模型的俯仰振动，本发明能够准确地检测动导数试验中模型的气动力载荷、振动角度，通过数据处理可以得到飞行器的动导数量值，为飞行器设计提供依据。

本发明结构紧凑，加工方便，巧妙地把测力天平和角度天平合并成一个整体，减小了连接带来的间隙。测力天平为四柱梁布局设计，各元件之间相互干扰较小。

本发明中滑槽块的设计可以实现轴套只受上下方向的力，弧形滑块绕其圆心微转动，这样可以防止在前后方向受强迫力矩对轴套产生破坏。

本发明一体化天平尾部设置端面键，在外支杆相配合的位置设置键槽，此种配合结构可以保证试验时，连接紧固、无松动。

本发明可以应用于飞行器动导数试验测试领域，可靠性、环境适用性和实用性较强，具有广泛的市场应用前景和良好的社会效益。

附图说明

图1是本发明的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置的示意图；

图2是本发明中的运动转换机构部分示意图；

图3是本发明中的一体化天平示意图；

图4是图3的局部剖视图；

图5是本发明中的四柱梁示意图；

图6是本发明中的外支杆轴测图；

图7是本发明中的外支杆侧视图；

图8是本发明中的滑槽块示意图；

图9是本发明中的弧形滑块示意图；

图10是本发明中的一体化天平校准示意图；

图11是本发明的偏心轴局部放大图。

其中，附图标记分别为：

1-一体化天平；2-滑槽块；3-弧形滑块；4-偏心轴；5-外支杆；6-深沟球轴承；8-滚针轴承；9-轴套；10-校准支杆；11-前锥体；12-测力天平；13-角度天平；14-上下支臂；15-连接台；16-连接筒主体；17-第一应变片；18-第二应变片；19-第三应变片；111-第一基准平台；141-工艺缝；161-左右支臂；162-过孔；163-端面键；164-销孔；165-沉头孔；21-方型槽；22-滑槽；31-圆孔；51-键槽；52-第二基准平台；53- 椭圆型孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

实施例1，结合图1-图11说明本实施例，本实施例提供了一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，包括一体化天平1、滑槽块2、弧形滑块3、偏心轴4、外支杆5和轴套9；

所述一体化天平1由一块高强度钢整体加工而成，包括前锥体11、测力天平12、角度天平13、上下支臂14、连接台15、连接筒主体16，所述前锥体11、测力天平12和上下支臂14顺次连接，所述角度天平13连接在上下支臂14内，上下支臂14后端连接有连接台15，上下支臂14的侧面与连接筒主体16的前端连接，连接筒主体16的后端与外支杆5固定连接。

所述测力天平12通过前锥体11与模型连接，前锥体11上设置有第一基准平台111，作为天平装配、校准、试验时定位基准面，测力天平12为四柱梁结构形式，四柱梁为上下各布置两个梁。

具体地：所述测力天平12主体部分直径为50mm，长为325mm，设计载荷法向力Y=4000N。四柱梁截面为8mm×15mm。在四柱梁上共布置24片第一应变片17组成5个惠斯顿电桥，在四柱梁上下表面外侧第一应变片17组成桥路测量法向力、四柱梁上下表面中间第一应变片17组成桥路测量俯仰力矩；在四柱梁左右表面外侧第一应变片17组成桥路测量侧向力和滚转力矩、四柱梁左右表面中间第一应变片17组成桥路测量偏航力矩。

所述角度天平13由交叉的三个梁组成，中间为宽梁，两边为窄梁，在两边窄梁中心位置上设置4个第二应变片18，组成惠斯顿电桥测量模型的振动角度。

具体地：所述中间宽梁宽度为23mm，两边窄梁宽度为13mm。俯仰振动角度θ=1度。在两边窄梁根部可以设置2个第三应变片19与在试验装置外部设置的 6个应变片组成两个四分之一桥惠斯顿电桥，监测角度元件根部应力。

所述滑槽块2的前端开有方型槽21，滑槽块2通过方型槽21卡装在连接台15上，并通过螺钉紧固连接，所述滑槽块2的后端开有滑槽22，弧形滑块3滑动安装在滑槽22内；弧形滑块3在滑槽22内绕滑槽中心转动；

所述弧形滑块3上加工有圆孔31，偏心轴4转动安装在外支杆5内，偏心轴4的前端插入连接筒主体16，并通过轴套9安装在弧形滑块3上的圆孔31内，偏心轴4带动轴套9在圆孔31内做旋转运动，偏心轴4的后端通过减速器与电机连接。

所述滑槽块2、弧形滑块3、偏心轴4和轴套9构成运动转换机构，所述电机及减速器带动偏心轴做连续旋转运动，偏心轴带动弧形滑块上下运动，弧形滑块在上下运动的同时绕弧形滑块圆心微转动，弧形滑块带动上下支臂做上下运动，上下支臂的前端和角度天平的前端为一体的，角度天平在受到力矩驱动作用时只能绕其中心转动。由于弧形滑块可以实现绕其圆心微转动，这样可以实现轴套只受上下方向的力，防止在前后方向受强迫力矩对其造成破坏，所以偏心轴的连续旋转运动可以转换为一体化天平绕角度天平中心转动。

所述上下支臂14的后部加工有工艺缝141，用于与角度天平13的尾部分开。此工艺缝采用电火花加工。

所述连接筒主体16的前部开设有通槽形成左右支臂161，所述左右支臂161与上下支臂14连接，连接筒主体16的后部为圆筒形结构，圆筒形结构的筒底板上开设有过孔162，所述偏心轴4穿过过孔162。

所述外支杆5的前端外壁上设置配合环体，配合环体上加工有键槽51，外支杆5的前端插入圆筒形结构，圆筒形结构的端部设置有端面键163，所述端面键163与键槽51配合，圆筒形结构的侧壁上加工有销孔164和沉头孔165，圆筒形结构通过销钉、螺钉与外支杆进行固定。如此设置，更好地起到紧固连接和防松的作用，防止在动导数试验过程中，在大载荷、大振动情况下，连接出现松动的情况。

所述偏心轴4通过一个滚针轴承8和两个深沟球轴承6支撑在外支杆5内。形成前、中、后三处支撑点，实现轴承滚转方向自由振动。

所述外支杆5的尾端设置有第二基准平台52，用于实现外支杆地面组装、校准和试验时定位基准；外支杆5的尾部开设有多个椭圆型孔53，外支杆5的尾部通过螺栓穿过椭圆型孔53和电机支杆连接。椭圆型孔可以实现第二基准平台调平，外支杆和电机支杆之间有相对加工误差时，螺栓可以固定在电机支杆上，实现外支杆相对电机支杆滚转方向±2度调整，保证外支杆和电机支杆平行。

所述一体化天平1进行校准时，校准支杆10套在一体化天平1上，校准支杆10通过2个销钉和2个螺钉与一体化天平1连接，校准支杆10上设置8个紧定螺钉，使一体化天平1能和校准支杆10无间隙紧密连接。

以上所述的实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，其特征在于，包括一体化天平（1）、滑槽块（2）、弧形滑块（3）、偏心轴（4）、外支杆（5）和轴套（9）；

一体化天平（1）由一块高强度钢整体加工而成，包括前锥体（11）、测力天平（12）、角度天平（13）、上下支臂（14）、连接台（15）、连接筒主体（16），所述前锥体（11）、测力天平（12）和上下支臂（14）顺次连接，所述角度天平（13）连接在上下支臂（14）内，上下支臂（14）后端连接有连接台（15），上下支臂（14）的侧面与连接筒主体（16）的前端连接，连接筒主体（16）的后端与外支杆（5）固定连接；

所述滑槽块（2）的前端开有方型槽（21），滑槽块（2）通过方型槽（21）卡装在连接台（15）上，并通过螺钉紧固连接，所述滑槽块（2）的后端开有滑槽（22），弧形滑块（3）滑动安装在滑槽（22）内；弧形滑块（3）在滑槽（22）内绕滑槽中心转动；

所述弧形滑块（3）上加工有圆孔（31），偏心轴（4）转动安装在外支杆（5）内，偏心轴（4）的前端插入连接筒主体（16），并通过轴套（9）安装在弧形滑块（3）上的圆孔（31）内，偏心轴（4）带动轴套（9）在圆孔（31）内做旋转运动，偏心轴（4）的后端通过减速器与电机连接。

2.根据权利要求1所述的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，其特征在于：所述测力天平（12）通过前锥体（11）与模型连接，前锥体（11）上设置有第一基准平台（111），作为天平装配、校准、试验时定位基准面，测力天平（12）为四柱梁结构形式，四柱梁为上下各布置两个梁，四柱梁上粘贴第一应变片（17），组成惠斯顿电桥，用来测量模型的法向力、俯仰力矩、滚转力矩、侧向力和偏航力矩。

3.根据权利要求2所述的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，其特征在于：角度天平（13）由交叉的三个梁组成，中间为宽梁，两边为窄梁，在两边窄梁中心位置上设置4个第二应变片（18），组成惠斯顿电桥测量模型的振动角度。

4.根据权利要求3所述的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，其特征在于：所述上下支臂（14）的后部加工有工艺缝（141），用于与角度天平（13）的尾部分开。

5.根据权利要求4所述的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，其特征在于：所述连接筒主体（16）的前部开设有通槽形成左右支臂（161），所述左右支臂（161）与上下支臂（14）连接，连接筒主体（16）的后部为圆筒形结构，圆筒形结构的筒底板上开设有过孔（162），所述偏心轴（4）穿过过孔（162）。

6.根据权利要求5所述的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，其特征在于：所述外支杆（5）的前端外壁上设置配合环体，配合环体上加工有键槽（51），外支杆（5）的前端插入圆筒形结构，圆筒形结构的端部设置有端面键（163），所述端面键（163）与键槽（51）配合，圆筒形结构的侧壁上加工有销孔（164）和沉头孔（165），圆筒形结构通过销钉、螺钉与外支杆进行固定。

7.根据权利要求6所述的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，其特征在于：所述偏心轴（4）通过一个滚针轴承（8）和两个深沟球轴承（6）支撑在外支杆（5）内。

8.根据权利要求7所述的一种测力天平和角度天平一体化俯仰动导数试验装置，其特征在于：所述外支杆（5）的尾端设置有第二基准平台（52），用于实现外支杆地面组装、校准和试验时定位基准；外支杆（5）的尾部开设有多个椭圆型孔（53），外支杆（5）的尾部通过螺栓穿过椭圆型孔（53）和电机支杆连接。