一种可复校核的双位移滚转动导数试验装置的制作方法

本发明涉及空气动力试验中的测量技术领域，具体来说是涉及一种可复校核的双位移滚转动导数试验装置，适用于高、低速风洞飞行器滚转动导数试验中对滚转动导数的测量。

背景技术：

近年来，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（偏转或平移）运动。其具体的实施过程为：将试验模型通过弹性元件或轴承用尾支杆支撑在风洞中，构成一个弹性系统。试验时，动导数试验装置与模型一起通过激振器在某个自由度下作固定频率、振幅的简谐振动，通过位移元件测量模型的运动参数，通过天平测量元件测量作用在模型上的空气动力与力矩，以及作用在模型——天平系统上的惯性力与力矩，经数据处理后得到动导数值，用这种方法可测量全部的动导数。

在涉及到飞行器模型滚转动导数试验装置时，位移元件一端与传动轴固定连接一端与支杆固定连接，而天平测量元件与位移元件是分离的，天平测量元件与传动轴连接；因为各个元件之间的连接是存在间隙的。传动装置的间隙控制问题，是动导数试验装置作动机构固有的问题，也是导致试验误差的主要原因。分析原因认为，一台动导数试验装置由多个零部件组成的，各传动部件（如轴承）之间必然存在间隙，同时现有的滚转位移元件，由于采用了四片薄壁梁结构，飞行器气动载荷不仅容易导致其结构出现弯曲变形，造成附加输出，而且还会产生严重的非线性输出，此种位移元件在安装固定的过程中，也容易叠加结构应力，导致测试波形失真。除此之外，通常情况下，位移测量元件布局于距天平测量元件后端较近的区域，其目的是提升两元件同一时刻的响应速度，减小惯性载荷作用于位移测量元件，同时也减小了传力部件变形、摩擦等环节对位移测量元件的影响，但这种布局也存在着不足：布局于天平测量元件后端的位移测量元件是通过中心轴、主轴、支杆、轴承等构成的传动部件，传动施力端距离测量元件距离较长，加之装置在试验中轴承固有间隙的存在，受载后各部件位置产生相对变化，对位移测量元件的测量有着直接的影响。

技术实现要素：

本发明为了解决传统滚转动导数试验装置在进行风洞试验时位移元件测试波形的失真的缺陷，提供了一种可复校核的双位移滚转动导数试验装置，完成对试验模型静、动态载荷以及滚转动导数的精确测量，本发明的装置采用独特的带铰链结构的位移元件以及双位移测量元件，通过有限元分析合理选择各元件的结构尺寸，调节各分量的灵敏度，增强了装置的承载能力，提高了滚转动导数的测量准度，并提高风洞试验安全性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可复校核的双位移滚转动导数试验装置，包括天平测量元件、前端位移元件和传动装置，所述传动装置包括中心轴，中心轴通过主轴、摇臂、偏心轴等部件与电机连接，

所述天平测量元件与前端位移元件为一体化结构轴向套在传动装置的中心轴上，一体化结构的前端位移元件的末端与传动装置的支杆固定连接，一体化结构的天平测量元件的末端与中心轴固定连接，

所述摇臂上连接有后端位移元件，后端位移元件通过铰链滑块与传动装置的综合接头连接用于获取滚转角位移；

在电机的带动下，传动装置中的中心轴、偏心轴、摇臂发生角位移，从而使得前段位移元件和后端位移元件发生形变，根据惠斯顿电桥原理，在两个位移元件上分别粘贴应变计组成惠斯顿电桥，将角位移大小转化为电信号，从而进行位前端和后端移元件的校准。

在上述技术方案中，所述一体化结构的前端位移元件与支杆之间采用双楔子结构构成的铰链连接。

在上述技术方案中，所述双楔子结构为：在支杆上沿着径向设置有对称的两组楔孔，与支杆上楔孔位置对应的前端位移元件上设置有相同大小的两组楔槽，两个楔子各自穿过支杆和前端位移天平上的一组楔孔和楔槽。

在上述技术方案中，对应位置上的楔孔、楔槽和楔子采用配加工结构，三者连接后相互之间无间隙。

在上述技术方案中，支杆上的两组楔孔和前端位移元件上的两组楔槽，以位移元件为中心对称分布。

在上述技术方案中，所述一体化结构的前端位移元件上沿着轴向在两端上分别设置有一组铰链槽。

在上述技术方案中，所述一组铰链槽是在沿着一体化结构的轴向上设置有多个各自在同一圆周面上的镂空结构。

在上述技术方案中，所述镂空结构不是完整的闭环，所述镂空结构在同一圆周方向分为若干段。

在上述技术方案中，所述后端位移元件采用单个矩形弹性梁作为测量元件的单分量天平，后端位移元件通过螺钉分别与摇臂和铰链滑块连接。

在上述技术方案中，所述铰链滑块包括与摇臂连接的滑块、用于与综合接头定位槽定位的定位块，定位块与滑块之间通过一个铰链结构连接，所述铰链结构为柔性铰链。

根据上面的结构方案，本发明的工作原理是：利用柔性铰链、天平系统的变形特点，采用铰链+天平测量元件结构设计天平测量元件，克服了轴向定位不准确对前端位移元件的测量造成的影响，同时减小了其他方向气动力及力矩对前端位移元件的影响，提高了位移元件测量的精准度。此外，采用在整台装置前、后端不同位置布置位移元件的方式，分别获得传动轴前、后端位移进行计算，这种方式获得的两组数据可以彼此监测，起到相互校正的作用。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：一是发展了独特的装置设计思想，突破了采用传统单独滚转位移元件进行测量的测量方式，在不同位置设置可“复校核”的双位移测量元件，二者彼此监测，相互校正。二是在位移元件的布置上前后端均采用了铰链的方式，避免了安装预应力对位移元件测量的影响，同时也削弱了气动载荷对测量元件的附加应力。三是可广泛应用于滚转动导数试验装置研制中，具有良好的实用性和推广价值。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有技术下装置的结构示意图；

图2是现有技术下前端位移元件端面连接的结构示意图；

图3是本发明的天平测量元件与位移元件的一体化结构示意图；

图4是图3是轴向侧视图；

图5是是本发明的前端位移元件端面连接的结构示意图；

图6是后端位移元件的结构示意图；

图7是本发明的实施例结构示意图；

其中：1是天平测量元件，2是前端位移元，3是铰链槽，4是楔槽，5是支杆，6是螺钉，7是楔子，8是后端位移元件，9是摇臂，10是滑块，11是定位块，12是铰链。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本实施例中的动导数试验装置是在现有的动导数试验装置的基础上提出改进，如图1所示为现有技术的装置，在装置的天平测量元件和前端位移元件均通过螺钉与中心轴连接，天平测量元件与前端位移元件通过中心轴关联到一起；如图2所述，现有技术中前端位移元件与支杆的连接采用在端面侧壁设置的四个插销，通过螺钉连接。因为四个螺钉是独立的四个连接主体，螺钉的拧紧力是无法精确控制导致每一个螺钉因为连接产生的应力是无法消除和控制的，而且四个应力的叠加非常巨大，严重的影响了测试精度。

本实施例其核心的思想是在传统的动导数装置上的尾端设置有后端位移元件，而且将传统的前端位移元件与天平测量元件进行一体化结构设计，天平测量元件与前端位移元件为一体化的方式前端位移元件末端与支杆连接，前端与中心轴连接，电机作为整套装置的传动施力端，中心轴通过主轴、摇臂、偏心轴等部件与电及连接，在电机的作用下，整套装置绕中心轴做小振幅的简谐运动。本实施例其设计载荷为：法向力y分量为3000n；俯仰力矩mz分量为60n*m；滚转力矩mx分量为16n*m；侧向力z分量为1000n；偏航力矩my分量为36n*m，前、后端位移元件角位移为1.2°。

本实施中后端位移元件为采用单个矩形弹性梁作为测量元件的单分量天平，一端通过两个m6螺钉与一个m6销螺钉与摇臂相连，另一端采用铰链滑块与综合接头相连，通过m6螺钉压紧。在定位方式的选择上，铰链滑块与综合接头之间加工有定位槽，同时铰链滑块上布置的铰链结构消除了轴向定位精度不高对后端位移元件测量的影响。后端位移元件通过测梁摇臂与综合接头的相对角位移来获得装置的滚转角位移的变化。

为了避免传统动导数装置中天平测量元件与前端位移元件之间传动环节带来的测试精度的影响，如图3所示，本实施例中将天平测量元件与前端位移元件进行一体化结构设计，一体化设计后的前端位移元件将不再直接与中心轴进行连接，而是一体化结构后的天平测量元件与中心轴连接，一体化结构后的前端位移元件的末端与中心轴外的支杆进行连接，前端位移元件与中心轴相互不接触；减少传统技术中需要两个部件都与中心轴连接从而带来的精度误差大的问题。

一体化结构后其中天平测量元件采用八柱弹性梁结构，用于测量升力、俯仰力矩、滚转力矩、侧力、偏航力矩。前端位移元件采用四片弹性梁的结构，同时在元件两侧布置了铰链结构，减小了轴向安装定位及气动载荷对动导数位移元件的影响。前端位移元件通过测量中心轴与支杆的相对角位移来获得装置的滚转角位移的变化。

为了进一步消除天平测量元件与前端位移元件之间的应力，如图4所示，在前端位移元件沿着轴向在元件的两端分别设置有一组铰链槽，通过铰链槽连消除天平测量元件与前端位移元件的扭转力产生的应力。因为天平测量元件与前端位移元件为一体化结构，因此铰链槽相当于在一体化结构的壁面上开槽；一组铰链槽沿着轴向至少包括有两个镂空结构，同一圆周上包括若干段镂空结构，镂空结构不能构成完整的闭环。一组铰链内的镂空结构相互呈中心对称分布。

如图5所示，改进后的前端位移元件与支杆的连接方式采用双楔子拉紧的方式，在中心轴的对称的两个侧面上分别设置有一个楔槽，而在支杆对应的位置设置有穿过支杆的楔孔，用一个楔子插入到楔槽和楔孔内进行锁紧。楔孔、楔槽和楔子三者采用配加工的方式，相互之间紧密接触，相互无间隙。本方案采用了两个楔子中心对称分布，在连接后楔子不但可以起到定位的作用，同时两个楔子共同拉紧可以确保中心轴与支杆之间不会出现偏移或转动，减少支杆和中心轴转动时产生的误差。

通过一体化结构两端各自与中心轴和支杆的连接方式的改进，克服了轴向定位不准确对前端位移元件的测量造成的影响，同时减小了其他方向气动力及力矩对前端位移元件的影响，提高了位移元件测量的精准度。

如图7所示，后端位移元件通过摇臂连接到中心轴上，后端位移元件的另一端连接到铰链滑块上，铰链滑块包括一个与后端位移元件连接的滑块，一个与综合接头定位槽连接的定位块，定位块与滑块之间通过铰链结构连接。定位块通过定位槽实现径向上的定位，而滑块通过铰链结构实现对于中心轴轴向上的应力消除。

天平测量元件、前端位移元件、后端位移元件的具体尺寸通过有限元分析的方法获得。根据有限元软件分析结果，适当调节各测量梁的尺寸，可以保证各测量单元的灵敏度。根据载荷特点与具体设计指标，所述的各测量梁可以被替换为其他结构形式的弹性元件。各测量梁与相应支撑梁及过渡段的连接均作倒圆处理，防止应力集中。

可“复校核”的双位移滚转动导数试验装置结构复杂，所述的三个关键测量部件，其测量梁相关位置表面均粘贴了应变计，组成惠斯通电桥，经计算机处理后实现了对作用在模型上的空气动力载荷五个分量以及滚转角位移的精确测量。

如图7所示是本发明的结构示意图，通过试验获取结果，传统位移元件在轴向位移0.15mm的情况下，粘贴应变计处的应力值最大为1060mpa，在气动载荷法向力3000n、mz=60n.m的情况下，粘贴应变计处的应力值，为600mpa、90mpa。从图5中可以看出，本实施例位移元件在轴向位移0.15mm的情况下，粘贴应变计处的应力值最大为6.2mpa，在气动载荷法向力3000n、mz=60n.m的情况下，粘贴应变计处的应力值，为13.2mpa、6mpa。因此，本实施例的位移元件较大程度地削弱了整个装置的轴向安装预应力以及气动载荷对位移元件的影响。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。