一种亚跨超风洞90°大攻角耦合360°滚转装置的制作方法

本发明是一种应用于亚跨超声速风洞的大攻角机械机构，属于实验空气动力学领域。主要是通过齿轮组差动带动拉杆实现支撑段组件绕支臂旋转，得到支架上模型不同的攻角，通过拉线传感器的电位器反馈攻角角度，此机构利用偏心曲柄滑块机构的逆运动能够精确实现-15°～90°甚至120°的大范围的攻角范围，滚转角机构能够实现360°滚转。在滚转机构的支撑段组件前端加装0-x°侧滑角接头整个机构可实现攻角、滚转角、侧滑角的耦合模拟。控制精度3’。并能实时采集。

背景技术：

随着军事科学技术的高速发展，在新型导弹与飞机设计中对机动性的要求越来越高，现代飞机与导弹飞行边界得以扩大以适应机动性增大的要求。实现高机动性需要在大攻角下多姿态角飞行。随着各种高机动性导弹与飞机设计任务的立项研制，进行大攻角多姿态角耦合风洞试验日渐重要，对设备自动化水平和精密化水平要求更高。相应地亚跨超声速风洞装备大攻角机构已是非常必要。

攻角也称迎角，是风洞试验中重要的气动参数。现在飞行器风洞特种试验中所需测量的攻角范围大至90°甚至180°，数据精确性要求高，目前，国内外亚跨超声速风洞攻角机构基本采取轨道弯刀结构，能够实现的攻角范围是-15°～30°，攻角范围较小，难以调节，精确度不高，越来越不能满足现代飞行器设计提出的大攻角要求。迫切需要一种能实现大范围攻角的机构。

此外国内外亚跨超声速风洞滚转角机构多采用设计多套支杆，在支杆上周向打不同滚转角的键槽或楔子孔实现滚转角。滚转角按一定的差值间断布置滚转角，间断不连续；支杆设计需要多套，设计加工周期长，每次更换滚转角需重新装拆模型。使用效率低，需要人工拆装，自动化水平和精确性都偏低。

国内1.2m量级风洞fl-24风洞的90°攻角机构采用单臂尾支结构，机构绕定点转动实现-5～60°攻角，更换55°接头实现50～115°攻角。模型攻角α≤60°时,模型长度lb≤0.6m，模型攻角α>60°，模型长度lb≤0.4m。实现90°攻角时需要更换55°接头，分段实现；效率低，且存在数据在衔接点60°攻角附近存在偏移现象。

国内2.4m量级风洞fl-26风洞的90°攻角机构采用关节式尾支结构，攻角范围-6～96°。攻角α≤60°模型长度lb≤1m；攻角α>60°，模型lb≤0.6m。该结构虽可连续实现90°攻角，关节多结构复杂、关节及弧形弯刀尾支撑占用空间大，导致阻塞比大，试验模型长度相对试验段尺寸偏小。

fl-24和fl-26风洞可实现攻角、侧滑角的耦合模拟，不能实现连续90°攻角和360°滚转角的模拟。

综上所述，迫切需要一种能实现能连续实现90°大范围攻角、模型尺寸大、阻塞度小、90°大攻角和360°滚转角连续耦合模拟的风洞试验机构。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题：本发明克服现有技术的缺点，提供了一种亚跨超风洞90°大攻角耦合360°滚转装置，利用偏心曲柄滑块机构的逆运动能够连续精确实现-15°～90°甚至120°的大范围的攻角范围。1.2m量级风洞模型长度可达800mm，阻塞度≤3％。可以扩大超音速和亚音速条件下的风洞大攻角试验能力。

本发明的技术解决方案：一种亚跨超风洞90°大攻角耦合360°滚转装置，包括底板、限位器，立柱、上底板、伺服电机减速机组件、主输出齿轮、大直径齿轮、主丝杠组件、辅丝杠组件、小直径齿轮、竖直锥齿轮组件、水平锥齿轮组件、配重组件、辅丝杠转接头组件、主丝杠转接头组件、拉杆、油杯、拉线传感器、密封板、管线组件、支臂、连杆、管接头组件、支撑段组件、假支杆、直线导轨和滑块支座组件；

下底板通过立柱和上底板连接；在立柱的上、下行程极限处安装限位器限制配重组件上下运动；

伺服电机减速机组件、主输出齿轮、大直径齿轮、主丝杠螺母组件、辅丝杠螺母组件、小直径齿轮、竖直锥齿轮组件、水平锥齿轮组件、配重组件均安装在上底板上；所述竖直锥齿轮组件、水平锥齿轮组件互相垂直组成手摇机构；

伺服电机减速机组件的输出轴与主输出齿轮固定连接；大直径齿轮与主丝杠螺母组件的螺母座固定连接；主丝杠螺母组件通过主丝杠转接头组件与支臂固定连接；小直径齿轮与辅丝杠组件的螺母座固定连接；辅丝杠组件通过辅丝杠转接头组件与拉杆固定连接；拉杆和支杆、支杆和支撑段、支臂和支撑段通过滚针轴承相连形成相对转动，使得拉杆、支臂、支杆、支撑段组成偏心曲柄滑块机构；

油杯固定安装在支臂的挡板上；

拉线传感器拉线一端固连在支臂，一端固定于下底板；

密封板固定在下底板上；

管线组件一端连接在支撑段尾端，一端固定在下底板上

固定在支臂的直线导轨和固定于下底板上的滑块组件实现竖直相对运动；

运动流程如下：该机构动力采用伺服电机减速机组件作为驱动，经过由一个主输出齿轮、一个大直径齿轮和小直径齿轮组成的减速齿轮组传动；大直径齿轮通过主丝杠螺母组件带动支臂，小直径齿轮通过副丝杠组件带动拉杆；拉杆、支臂、支杆、支撑段组成偏心曲柄滑块机构；通过拉杆与支臂之间差动实现相对运动，其相对运动距离的不同，使安装在支撑段的模型支杆天平组件抬头、低头，形成正、负攻角，并保持各个攻角下模型在试验段上、下壁板间均匀分布；该机构攻角变化范围-15°～90°，通过更换主输出齿轮、大直径齿轮小直径齿轮实现改变齿数比，并且改变机构斜拉杆长度和支撑段偏转角度，可将攻角角度扩大到120°；可以扩大超音速和亚音速条件下的风洞大攻角试验能力。

风测控系统的攻角反馈系统通过用外部的象限仪测量安装在支撑段上的假支杆实际转动的角度，同时测量出并用安装在支臂上的拉线传感器的电位器，得到攻角度数和电位器反馈电压对应关系，得到-15°～90°甚至120°攻角和电位的拟合关系式进行反馈控制。

支臂通过直线导轨和安装于底板上的滑块组件实现竖直运动；支臂材质为30crmnsia，分为上、中、下三部分，上部分横截面为带矩形凹槽的结构，凹槽安装固定直线导轨；中间部分横截面为夹角为45°的尖楔形结构，下部分纵截面为前端为15°，后端为60°尖角型结构。

支撑段为带预偏30°的拐接头；支撑段预偏角度由0°到60°，整个机构实现60°到120°的攻角；支撑段材质为30crmnsia。

与支撑段组件连接的外部支杆周向上加工0°-360°键槽和楔子孔。

在支撑段组件前端加装0°-x°的侧滑角β接头。

在支撑段组件前端加装侧滑角β接头与支撑段组件上均加装0°-360°键槽和楔子孔。

外部天平、与支撑段组件连接的外部支杆或侧滑角β接头、支撑段、风洞中心轴线在同一轴线上。

其大直径齿轮与小直径齿轮减速比i的为：((lz+lm)sinαmax+lx)/((lz+lm)sinαmax)；式中：lz为支杆长度，lm为外部试验模型长度，αmax为攻角最大角度，lx为连杆长度。

配重组件包括导向轮、导向轮支撑组件、钢丝绳、钢丝绳夹、配重块、连接销；导向轮安装在导向轮支撑组件，钢丝绳缠绕在导向轮的凹槽里，一端通过连接销与主丝杠转接头组件连接，另一端与配重块连接；钢丝绳夹用于固定钢丝绳。

所述竖直锥齿轮组件包括直齿轮、支座、轴、成对圆锥滚子轴承、锥齿轮；直齿轮安装在轴的一端，锥齿轮安装在轴的另一端，轴与支座通过成对圆锥滚子轴承连接；所述水平锥齿轮组件包括锥齿轮、轴、支座、成对圆锥滚子轴承、摇把；锥齿轮安装在轴的一端，摇把安装在轴的另一端，轴与支座通过成对圆锥滚子轴承连接。

所述天平模型支杆组件和假支杆通过1：10的锥配合安装在支撑段上。

支撑段组件可实现高精度大扭矩360°滚转。由整流锥、直支撑、空心轴、高强度轴承、外接轴、轴承盖、电机座、中空型伺服电机谐波减速机组件等结构组成。中空型伺服电机谐波减速机组件安装在电机座上，电机座固定在直支撑后端上，外接轴安装在中空型伺服电机谐波减速机组件上。空心轴通过键与外接轴相连，空心轴与直支撑通过成对高强度滚针轴承连接而相对转动，轴承两端通过轴承盖固定。整流锥安装在直支撑前端。中空型伺服电机谐波减速机组件带动与空心轴连接的假支杆或外部的天平模型支杆组件实现360°滚转。滚转角控制精度可达到±3＇。

90°攻角机构和360°滚转机构相互独立运转。

通过攻角机构和滚转机构组合实现模型偏航角的变化。模型的任何攻角α、侧滑角β可以通过攻角机构αm和滚转机构γ组合实现。解算公式为：

tanα＝cosγ·tanαm

sinβ＝sinγ·sinαm

支撑段组件前端加装侧滑角22°的β接头，可实现90°甚至攻角、360°滚转角、22°侧滑角的三自由度多姿态耦合模拟。

本发明相对于其他技术的优点：

1、本发明专利的大攻角机构，所实现的攻角范围大。

本发明克服了现有亚跨超声速风洞攻角机构基本采取轨道弯刀结构只能够实现的攻角范围是-15°～30°，不能满足现代飞行器设计提出的大攻角要求的缺点提供了一种应用于亚跨超声速风洞的90°大攻角机械机构，该机构可一次性连续实现攻角-15°～90°，通过更换主输出齿轮、大直径齿轮、小直径齿轮实现改变齿数比，并将机构斜拉杆长度和支撑段偏转角度，可将攻角角度扩大到120°。可以扩大超音速和亚音速条件下的风洞大攻角试验能力。

2、本发明专利一种大攻角机构为提供了采用偏心曲柄滑块运动的逆运动的原理实现超大攻角新的原理设计方法。传统的攻角方法设计方法主要有：弯刀结构、换支杆+换模型、关节式尾支等。弯刀结构实现攻角范围小、换支杆+换模型的方法不能实现连续攻角且造价高效率低；关节式尾支存在控制复杂、阻塞度大、试验模型小的缺点；而采用偏心曲柄滑块运动的逆运动的原理设计的攻角可达到90°甚至120°，攻角范围大，可连续实现攻角、攻角越大机构的阻塞度越小、模型长度在1.2m量级风洞中90°攻角可达到800mm。而2.4m量级风洞的关节式尾支结构90°攻角时模型长度仅为600mm。综上，偏心曲柄滑块运动的逆运动的原理设计原理各方面优势明显。

3、本发明专利一种大攻角机构，全攻角范围内无跳点，无需数据修正。该机构使用同一尺寸模型即可一次性连续实现攻角-15°～90°，无需更换模型尺寸大小和支杆结构位置，故试验数据无需因为对支杆和模型的改变而进行数据修正，试验数据光滑无跳点。

4、攻角机构阻塞度小于常规攻角机构。攻角机构0°时阻塞度≤3.9％，90°攻角时机构阻塞度仅为0.8％。攻角机构越大机构本身的阻塞度越小。将90°大攻角机构带来的干扰量降到最低。克服了常规攻角机构攻角越大机构阻塞度越大造成机构干扰量和90°攻角时非定常测量量相当的问题。

5、本发明专利的360°滚转角机构，可连续实现360°高精度大扭矩载荷的精确控制。解决了以往通过多支杆采用键槽孔配合实现滚转角的方法滚转角间断不连续、使用效率低的问题。

6、本发明专利通过装置的攻角机构和滚转角机构可解算模型攻角和侧滑角。滚转角机构前端加装侧滑角22°的β接头，可实现连续90°甚至120°攻角、360°滚转角、22°侧滑角的三自由度多姿态耦合模拟。该大攻角机构的研制，使在风洞中成功模拟了飞行器在空气中各种飞行姿态，特别是解决了大攻角多姿态角耦合飞行姿态的模拟问题。

7、本发明专利一种大攻角机构，比常规机构调节起来方便快捷高效。常规的试验攻角机构安装在风洞本体上，试验准备时更换模型就不能进行风洞试验。占用风洞本体试验吹风时间，效率低；本90°攻角机构与特种试验段组合使用。整个系统模块化通过下底板用多组螺栓安装固定于特种试验段上的定位平台上，拆除安装非常方便，移开特种试验段和90角机构即可进行下一次试验。试验准备和撤离都不占用风洞本体吹风时间。互不影响，提高了吹风效率和试验准备效率。

附图说明

图1为90°大攻角耦合360°滚转装置图

图2为90°大攻角耦合360°滚转装置驱动部分详图

图3为90°大攻角耦合360°滚转装置攻角部分详图

图4为90°大攻角耦合360°滚转装置主丝杠组件结构图

图5为90°大攻角耦合360°滚转装置支臂结构图

图6为90°大攻角耦合360°滚转装置手摇机构组件结构图

图7为90°大攻角耦合360°滚转装置配重组件结构图

图8为90°大攻角耦合360°滚转装置支撑段组件360°滚转机构图

图9为120°大攻角耦合360°滚转装置的结构示意总图

图10为120°大攻角耦合360°滚转装置攻角部分详图

图11为90°大攻角耦合360°滚转装置攻角机构原理图

图12为-2～22°侧滑角β接头结构图

图13为90°大攻角耦合360°滚转装置安装示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：但实施例不是对本发明的限定。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

如图1-3所示，一种90°大攻角耦合360°滚转装置，包括下底板1、限位器2，立柱3、上底板4、伺服电机减速机组件5、主输出齿轮6、大直径齿轮7、主丝杠组件8、辅丝杠组件9、小直径齿轮10、竖直锥齿轮组件11、水平锥齿轮组件12、配重组件13、辅丝杠转接头组件14、主丝杠转接头组件15、拉杆16、油杯17、拉线传感器18、密封板19、管线组件20、支臂21、连杆22、管接头组件23、支撑段组件24、假支杆25、直线导轨组件26、滑块支座组件27。

伺服电机减速机组件5、主输出齿轮6、大直径齿轮7、主丝杠组件8、辅丝杠组件9、小直径齿轮10、锥齿轮组件11、锥齿轮组件12、配重组件13等均通过螺栓螺钉等安装固定在上底板4上。上底板4与下底板1通过立柱3固定。立柱3、主丝杠组件8、辅丝杠组件9、配重组件13的钢丝绳的长度均通过系统运动最大行程确定。

主丝杠组件8通过主丝杠转接头组件15与支臂21连接。辅丝杠组件9通过辅丝杠转接头组件14与拉杆16连接。支臂21、连杆22、管接头组件23、支撑段组件24互相之间通过高强度滚针轴承连接。

主丝杠组件8如图4所示。主要由高精度丝杠8-1、圆锥滚子轴承8-2、外套筒8-3、内套筒8-4、小盖板8-5、大盖板8-6组成。高精度丝杠8-1的螺母与齿轮7通过螺钉固连，齿轮7的旋转运动转化为丝杠的直线运动，丝杠通过主丝杠转接头组件15带动支臂21竖直直线运动。

副丝杠组件9结构形式与主丝杠组件8相同，不再赘述。

支臂21结构其如图。支臂21通过高精度直线导轨26和安装于底板1上的滑块组件27实现高精度竖直上下运动。支臂材质为30crmnsia，增强了系统刚性和强度。支臂21分为上、中、下三部分，上部分横截面为带矩形凹槽的结构，凹槽安装固定直线导轨26；中间部分横截面为夹角为45°的尖楔形结构，在整个攻角运行范围内，在试验段上下壁板之间的范围内其支臂前端横截面为夹角为45°的尖楔形结构，相对于矩形结构避免支臂在超音速时产生额外的激波。扩大了流场稳定区域。下部分纵截面为前端为15°，后端为60°尖角型结构。纵截面前端与水平线夹角为15°，后端与水平线为60°，保证了支臂的结构刚度和结构强度、运行关系角度具有唯一性。

互相垂直的竖直锥齿轮组件11、水平锥齿轮组件12组成手摇机构，如图6所示。将绕y轴的旋转转换为绕x轴的旋转运动，方便人工手摇调试。竖直锥齿轮组件11由直齿轮11-1、支座11-2、轴11-3、成对圆锥滚子轴承11-4、锥齿轮11-5等组成。直齿轮11-1安装在轴11-3的一端，锥齿轮11-5安装在轴11-3的另一端，轴11-3与支座11-2通过成对圆锥滚子轴承11-4连接。水平锥齿轮组件12由锥齿轮12-1、轴12-2、支座12-3、成对圆锥滚子轴承12-4、摇把12-5等组成。锥齿轮12-1安装在轴12-2的一端，摇把12-5安装在轴12-2的另一端，轴11-3与支座12-2通过成对圆锥滚子轴承12-4连接。

配重组件13如图7所示。由导向轮13-1、导向轮支撑组件13-2、钢丝绳13-3、钢丝绳夹13-4、配重块13-5、连接销13-6等组件组成。导向轮13-1安装在导向轮支撑组件13-2，钢丝绳13-3缠绕在导向轮13-1的凹槽里，一端通过连接销13-6与主丝杠转接头组件15连接，另一端与配重块13-5连接。钢丝绳夹13-4用于固定钢丝绳。其配重块用于平衡支臂质量。减少伺服电机无用功率。降低结构启动冲击载荷。减轻结构质量。

油杯17固定安装在支臂21的挡板上。用于润滑支臂21和拉杆16。

拉线传感器18拉线一端固连在支臂21，一端固定于下底板1。用于反馈支臂位置并通过数学解算求得实际攻角。

密封板19通过螺栓固定在下底板1，通过与支臂21公差配合，保证支臂上下运行平稳的同时保证减少漏气量，使用动密封进行密封。

管线组件20一端连接在支撑段24尾端，一端固定在下底板1上。用于保护天平测量控制线路，避免被亚跨超声速气流吹断。

固定在支臂21的高精度直线导轨26和固定于下底板1上的滑块组件27可实现高精度竖直上下相对运动。

连杆22通过圆锥滚子轴承分别与拉杆16和支撑段组件24相连。

管接头组件23用于连接管线组件20和支撑段组件24。其通过螺纹连接在支撑段组件24，通过多组螺栓固定管线组件20。保证在整个攻角范围内管线内部线路无折损。

支撑段组件24如图8所示。包括整流锥24-1、高强度滚针轴承24-2、直支撑24-3、空心轴24-4、外接轴24-5、轴承盖24-6、电机座24-7、中空型伺服电机谐波减速机组件24-8。支撑段组件24的直支撑24-3为预偏角度a＝30°的直接头。保持两耳座孔中心距离一定，通过改变两耳座孔中心到支撑段组件圆柱中心的距离实现预偏角度，将原有的拐接头改为直接头。支撑段组件24的直支撑24-3预偏角度由0°到60°，整个机构实现60°到120°的攻角；支撑段24材质为30crmnsia。

直支撑24-3中空型伺服电机谐波减速机组件24-8安装在电机座24-7上，电机座24-7固定在直支撑24-3后端上，外接轴24-5安装在中空型伺服电机谐波减速机组件24-8上。空心轴24-4通过键与外接轴24-5相连，空心轴24-4与直支撑24-3通过成对高强度滚针轴承24-2连接而相对转动，轴承两端通过轴承盖24-6固定。整流锥24-1安装在直支撑24-3前端。中空型伺服电机谐波减速机组件24-8带动与空心轴24-4连接的假支杆25或外部的天平模型支杆组件实现360°滚转。滚转角控制精度可达到±3＇。

90°攻角机构和360°滚转机构相互独立运转。

假支杆25通过的柱配合和键、螺钉连接等与支撑段组件24实现固定。假支杆25用于前期设备调试测量攻角角度。实际使用时对应位置采用外部的天平模型支杆系统进行试验。

主要运动流程是：该机构动力采用伺服电机减速机组件5，经过由一个主输出齿轮6、一个大直径齿轮7和小直径齿轮10组成的减速齿轮组传动；大直径齿轮7通过主丝杠组件8带动支臂21，小直径齿轮10通过副丝杠组件9带动拉杆16。拉杆16、尖楔形支臂21、支杆22、支撑段组件24组成偏心曲柄滑块机构；通过拉杆16与支臂21之间差动实现相对运动，其相对运动距离的不同，使模型支杆天平组件25抬头、低头，形成正、负攻角，并保持各个攻角下模型在试验段上、下壁板间均匀分布。该机构攻角变化范围-15°～90°，90°攻角机构的支撑段24为预偏角度30°的拐接头，材质为30crmnsia。通过更换齿轮6、齿轮7、齿轮10实现改变齿数比，并且改变机构斜拉杆22长度和支撑段24-3偏转角度，可将攻角角度扩大到即可实现-15°～120°。24-3偏转角度改变方法为：保持两耳座孔中心距离一定，通过改变两耳座孔中心到支撑段组件圆柱中心的距离实现预偏角度，将原有的拐接头改为直接头。在直支撑24-3前端使用15°接头，即可实现0～135°角度的攻角运行范围。120°攻角机构结构图如图9、图10。可以扩大超音速和亚音速条件下的风洞大攻角试验能力。

其攻角运动的基本原理利用偏心曲柄滑块机构的逆运动精确实现-15°～90°攻角。如图11所示。攻角机构系统是实现给定攻角的核心部件。实现攻角运动的基本原理为偏心曲柄滑块运动逆运动，滑块c即拉杆16，在尖楔形支臂21的导向槽内运动带动连杆bc即支杆22、使得连杆ab即支撑段组件24绕a点在尖楔形支臂21上运动实现攻角运动。所不同的时本设计通过c和a的差动位移带动连杆ab实现攻角变化，将差动量实际设计参数带入相应运动规律经过相应计算可得具体的运动规律。

其大直径齿轮7与小直径齿轮10减速比i的初步确定方法为：((lz+lm)sinαmax+lx)/((lz+lm)sinαmax)；式中：lz为支杆长度，lm为试验模型长度，αmax为攻角最大角度。lx为连杆22长度。该公式普适于本机构60°～120°攻角机构选择方法，该方法可保证模型中心与风洞轴线基本重合。例如：60°攻角机构，lz为450mm，lm为1050mm，lx为236mm，i＝1.28；90°攻角机构，lz为500mm，lm为800mm，lx为333.75mm，i＝1.37；

通过攻角机构和滚转机构组合实现模型偏航角的变化。模型的任何攻角α、侧滑角β可以通过攻角机构αm和滚转机构γ组合实现。解算公式为：

tanα＝cosγ·tanαm

sinβ＝sinγ·sinαm

在支撑段组件24前端通过柱配合加装如图12所示的-2°～22°的侧滑角β接头。可以实现90°120°攻角α、360°滚转角γ、22°侧滑角β的多姿态耦合模拟。

通过机构走不同的攻角，通过用安装在支撑段组件24上的假支杆25测量模型转动的实际角度，假支杆25等效于天平模型支杆系统。并用安装在支臂21上的拉线传感器18的电位器得到攻角度数和电位器反馈电压，将实际的攻角和反馈电压值上传给工控机，得到攻角和电位的拟合关系式，从而在试验过程中，通过不同的反馈电压得到真实攻角角度，攻角范围-15°～90°120°并将该角度传给风洞测控系统。由计算机根据程序执行相应控制动作，提高攻角测量的准确性，攻角控制精度可达到±3＇。

整个系统0-0模块化通过下底板1用多组螺栓安装固定于特种试验段0-1上的定位平台上，拆除安装非常方便，试验准备和撤离都不占用风洞本体吹风时间。互不影响，提高了吹风效率和试验准备效率。如图13。最终完成90°120°大攻角耦合360°滚转装置多姿态角耦合模拟风洞试验。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。