CN113494989A - 一种配置配平机构的风洞用双转轴装置及配平方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种配置配平机构的风洞用双转轴装置及配平方法，主要是解决目前风洞试验电机输出扭矩与试验流场堵塞度无法协调的问题而设计的，其主体包括一级旋转机构、二级旋转机构、配平机构和攻角支撑机构等，配平机构与一级旋转机构和模型的总重心分别置于二级旋转机构旋转轴线的两侧。该双转轴装置结构紧凑简单，拆装方便，通过两个谐波电机减速器组合和两个编码器实现两个传动轴的精确角度旋转和定位，且设置配平机构，实现了有限空间范围内布置小力矩电机驱动，装置堵塞度小；配重机构设置升力板借助升力平衡试验的力矩，且采用金属橡胶与传动轴进行相连，极大降低了配平机构使用过程中振动影响。
Description
技术领域
本发明是一种配置配平机构的风洞用双转轴装置及配平方法，属于风洞试验技术领域。
背景技术
目前许多风洞均配置有双转轴机构，使用这种支撑方式，通过双转轴机构的前、后轴转动和迎角机构协同动作，可实现模型无滚转角的横向试验。随着航空航天技术的不断发展，乘波体和升力体等翼身融合体布局的飞行器不断涌现，带给风洞试验技术设备的控制要求越来越高，在风洞中产生的力或力矩相对常规布局的飞行器越来越大，进而在风洞中对模型姿态进行远程控制的机电设备要求越来越高。一般而言，所需扭矩和功率越高，则所选驱动设备(如电机、减速器、制动器等)的体积尺寸均会变大，对于一定尺寸的风洞而言，其弊端是试验设备在风洞流场截面所占的比例越高，即堵塞度变大，会影响到风洞流场马赫数的建立以及流场品质，进而对模型测力测压数据的精准度造成负面影响。因而，如何在不增大驱动设备的尺寸基础上实现新型飞行器大攻角大升力情况的姿态变化是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种配置配平机构的风洞用双转轴装置及配平方法，通过调节悬臂支架的预置角度、配平块的重量，减少因一级运动机构的重力矩带来的电机输出扭矩；通过设置不同形状的升力板，借助升力平衡试验的力矩，能减少试验过程中试验模型大攻角大升力产生的力矩；通过在悬臂支架和传动轴连接处设置金属橡胶，减少配平机构在流场中的振动对二级旋转机构传动轴的影响；通过设置配平机构，实现了有限空间范围内布置小力矩电机驱动，流场堵塞度小。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，包括一级旋转机构、二级旋转机构、配平机构、弯刀，传动减振机构，第一轴承，第二轴承，第三轴承和攻角支撑机构；
所述一级旋转机构尾部固定安装试验模型，并通过第一轴承支撑在弯刀一端；一级旋转机构带动试验模型进行一级旋转；
所述二级旋转机构通过第二轴承支撑在攻角支撑机构上，并与弯刀另一端固定连接；二级旋转机构通过弯刀带动一级旋转机构，进而带动试验模型进行二级旋转；
传动减振机构通过第三轴承支撑在攻角支撑机构上，二级旋转机构通过传动减振机构带动配平机构旋转；
配平机构包括悬臂支架、升力板和配重块，所述悬臂支架一端与传动减振机构连接，另一端设有内腔，所述内腔中设有配重块；所述升力板固定安装于配平机构上，所述升力板前缘为斜面，用于在在气流作用下减小试验模型产生的力矩；
所述攻角支撑机构依次带动二级旋转，一级旋转机构和试验模型进行整体俯仰运动。
进一步的，所述悬臂支架的内腔中设有多个配重块；所述多个配重块具有不同的密度的圆柱体；所述多个配重块的数量和密度组合根据配平需求确定。
进一步的，所述升力板的前缘斜面相对气流设有多种角度，根据试验需要在悬臂支架上安装具有其中一种角度的升力板。
进一步的，所述一级旋转机构包括尾支杆、第一传动轴、第一电机减速器组合、第一编码器；
第一传动轴一端与尾支杆固定连接，另一端与第一电机减速器组合的输出轴固定连接，所述第一传动轴通过第一轴承支撑在弯刀上，第一电机减速器组合驱动第一传动轴带动尾支杆进行旋转运动；所述试验模型与尾支杆固定连接；
所述第一编码器用于测量第一传动轴的旋转角度，即由第一传动轴带动试验模型进行旋转的旋转角度。
进一步的，第一编码器的转子和定子分别与第一传动轴和弯刀固定连接；所述第一电机减速器组合包括中空电机、谐波减速器，制动器和编码器，能根据第一编码器测得的的旋转角度进行反馈控制。
进一步的，所述二级旋转机构包括第二传动轴、第二电机减速器组合和第二编码器；
第二传动轴一端与弯刀固定连接，另一端与第二电机减速器组合的输出轴固定连接，并通过第二轴承支撑在攻角支撑机构上，所述第二电机减速器组合驱动第二传动轴带动弯刀进而带动一级旋转机构旋转；
所述第二编码器)用于测量第二传动轴的旋转角度，即由第二传动轴带动试验模型进行旋转的旋转角度。
进一步的，所述第二编码器的转子和定子分别与第二传动轴和攻角支撑机构固定连接；第二电机减速器组合包括中空电机、谐波减速器，制动器和编码器，能根据第二电机减速器组合测得的的旋转角度进行反馈控制。
进一步的，所述传动减振机构包括第三传动轴；
所述第三传动轴一端与第二传动轴套合连接，另一端与悬臂支架一端套合连接；所述第二电机减速器组合驱动第二传动轴带动第三传动轴旋转，进而带动配平机构旋转。
进一步的，所述第二传动轴设有第二键，所述第三传动轴一端通过第二键与第二传动轴套合连接；第三传动轴另一端设有第一键，通过第一键与悬臂支架一端套合连接；所述第一键与悬臂支架之间设有第一垫片，所述第二键与第三传动轴之间设有第二垫片。
进一步的，所述第一垫片和第二垫片采用金属橡胶材料；第一垫片和第二垫片为U字形，分别包裹第一键和第二键，用于在传递扭矩时缓冲减振，减少配平机构在气流冲击下对第二传动轴造成振动冲击。
一种配置配平机构的风洞用双转轴装置的配平方法，采用上述一种配置配平机构的风洞用双转轴装置实现，包括以下步骤：
S1将试验模型与一级旋转机构固定连接，使一级旋转机构和二级旋转机构按照试验所需旋转方向旋转；
在不安装配平机构和重力作用的情况下，使试验模型和一级旋转机构的整体重心处在二级旋转机构的旋转轴线所在水平面的一侧；
S2将配平机构中的悬臂支架安装于二级旋转机构旋转轴线所在水平面的另一侧，在此侧调节配平机构的重心与二级旋转机构旋转轴线所在的平面相对于所述水平面的夹角，并利用配重块进行重量设置，保证包含了配重块的配平机构的重心与其距离二级旋转机构旋转轴线的水平距离之乘积等于试验模型、一级旋转机构和二级旋转机构的整体重心与其距离二级旋转机构旋转轴线的水平距离之乘积；
S3根据试验需求，将升力板安装于悬臂支架上，使升力板在气流作用下产生与试验模型相反的力矩，平抑试验模型攻角和升力产生的力矩作用。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种配置配平机构的风洞用双转轴装置中增加了配平机构，设计了配平机构的具体结构及与其他部件的连接方式；通过设置配平机构，实现了有限空间范围内布置小力矩电机驱动，流场堵塞度小；
(2)本发明配平方法中通过调节悬臂支架的预置角度、配平块的重量，减少因一级运动机构的重力矩带来的电机输出扭矩；
(3)本发明通过设置具有不同前缘斜面角度的升力板，借助升力平衡试验的力矩，能减少试验过程中试验模型大攻角大升力产生的力矩；
(4)本发明一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，通过在悬臂支架和传动轴连接处设置金属橡胶，减少配平机构在流场中的振动对二级旋转机构传动轴的影响；
(5)本发明一种配置配平机构的风洞用双转轴装置中，通过两个谐波电机减速器组合和两个编码器实现两个传动轴的精确角度旋转和定位，有利于实现自动化控制；
(6)本发明一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，结构紧凑简单，拆装方便，在风洞试验技术领域具有广泛的应用前景，特别适用于实现新型飞行器大攻角大升力情况的姿态变化的试验场景，且满足风洞流场堵塞度和流场品质满足试验精度的要求。
附图说明
图1为本发明一种配置配平机构的风洞用双转轴装置的结构示意图；其中图1(a)为整体结构示意图，图1(b)为图1(a)在A-A方向的剖视图，图1(c)为图1(a)在B-B方向的剖视图；
图2为本发明一种配置配平机构的风洞用双转轴装置的立体图；
图3为本发明一种配置配平机构的风洞用双转轴装置中配平机构的立体图；
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、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。
本发明公开一种配置配平机构的风洞用双转轴装置及配平方法，主要是解决目前风洞试验电机输出扭矩与试验流场堵塞度无法协调的问题而设计的，其主体包括一级旋转机构、二级旋转机构、配平机构和攻角支撑机构等，一级旋转机构和二级旋转机构均包括传动轴、空心电机和编码器等，二级旋转机构通过前置弯刀与一级旋转机构相连，通过传动轴与配平机构相固连，并且通过轴承与攻角支撑机构相连，配平机构包括悬臂支架、配重块和升力板等，与一级旋转机构和模型的总重心分别置于二级旋转机构旋转轴线的两侧，且通过调节悬臂支架的预置角度、配平块的重量，减少因一级运动机构的重力矩带来的电机输出扭矩，通过设置不同形状的升力板，可减少试验过程中因气流引起的大滚转力矩，通过在悬臂支架和传动轴连接处设置金属橡胶垫片，减少配平机构在流场中的振动对二级旋转机构传动轴的影响。该双转轴装置结构紧凑简单，拆装方便，通过两个谐波电机减速器组合和两个编码器实现两个传动轴的精确角度旋转和定位，且设置配平机构，实现了有限空间范围内布置小力矩电机驱动，装置堵塞度小；配重机构设置升力板借助升力平衡试验的力矩，且采用金属橡胶垫片与传动轴进行相连，极大降低了配平机构使用过程中振动影响。
实施例1
本发明为一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，包括一级旋转机构、二级旋转机构、配平机构、传动减振机构，攻角支撑机构，第一轴承15，弯刀21，第三轴承41、和第二轴承20。如图1和图2所示。一级旋转机构包括尾支杆11、第一传动轴12、第一电机减速器组合13、第一编码器14等，第一传动轴12一端与尾支杆11固连，另一端与第一电机减速器组合13的输出轴固连，并通过第一轴承15支撑在弯刀21上，在第一电机减速器组合13的驱动下能对尾支杆11和第一传动轴12进行旋转运动，并通过第一编码器14对旋转角度进行精确测量，二级旋转机构包括第二传动轴22、第二电机减速器组合24、第二编码器23等，第二传动轴22一端与弯刀21固连，另一端分别与第二电机减速器组合24和第三传动轴42固连，并通过第二轴承20支撑在攻角支撑机构0上，传动减振机构包括第三传动轴42、第一键43，第二键45和第一垫片44，第二垫片46，所述垫片采用金属橡胶，第三传动轴42一端依次通过第一键43和第一垫片44与悬臂支架31相套合，一端依次通过第二键45和第二垫片46与第二传动轴22相套合，并通过第三轴承41支撑在攻角支撑机构0上。
如图3所示，配平机构包括悬臂支架31、升力板32和配重块33等，悬臂支架31一端与第三传动轴42套合固定，另一端内腔可设置多种不同密度的配重块33组合固定，且在中间侧面设置升力板28固定，在第二电机减速器组合24的驱动下，能实现第二传动轴22、弯刀21、一级旋转机构、传动减振机构和配平机构等进行旋转运动，并通过第二编码器23对旋转角度进行精确测量。
第一编码器14和第二编码器23的转子分别与第一传动轴12和第二传动轴22固连，定子分别与弯刀21和攻角支撑机构0固连，所述第一编码器14用于测量第一传动轴12的旋转角度，即由第一传动轴12带动试验模型进行旋转的旋转角度，第二编码器23用于测量第二传动轴22的旋转角度，即由第二传动轴22带动试验模型进行旋转的旋转角度，根据第一编码器14和第二编码器23测量的模型角度误差反馈给相应电机对第一传动轴12和第二传动轴22的旋转角度进行调节。第一电机减速器组合13和第二电机减速器组合24包括中空电机、谐波减速器、制动器和编码器等的主体，能根据第一编码器14和第二编码器23的测量角度进行反馈控制；弯刀21连接一级旋转机构和二级旋转机构，并通过对其更换设置两机构的旋转轴线夹角；第一垫片44，第二垫片46的材料为金属橡胶，形状为U字形，包裹第一键43和第二键45，在传递扭矩时缓冲减振，减少配平机构在气流冲击下对第二传动轴22造成振动冲击；配重块33的形状为圆柱体，数量设置为多种不同密度，通过配平需要进行多种不同密度和数量进行组合；升力板32的前缘斜面在气流作用下产生升力，其斜面相对气流的角度根据试验需要进行更换调节；攻角支撑机构0能够实现对试验模型、一级旋转机构和二级旋转机构整体进行俯仰运动。
一种配置配平机构的风洞用双转轴装置的配平方法，包括如下步骤：
(1)将试验模型与第一传动轴12相固连，分别选择试验时第二传动轴22和第一传动轴12的旋转方向，使第一传动轴12和第二传动轴22按照试验所需旋转方向旋转，在无配平机构和重力作用下，使试验模型和一级旋转机构的整体重心处在二级旋转机构的旋转轴线所在水平面的一侧，即第二传动轴22旋转轴线所在水平面的一侧；
(2)将配平机构中的悬臂支架31安装于二级旋转机构旋转轴线所在水平面的另一侧，在此侧调节配平机构的重心与二级旋转机构旋转轴线所在的平面相对于所述水平面的夹角，并对不同密度的配重块33进行组合，利用配重块33进行重量设置，保证包含了配重块33的配平机构的重心与其距离二级旋转机构旋转轴线的水平距离之乘积等于试验模型、一级旋转机构和二级旋转机构的整体重心与其距离二级旋转机构旋转轴线的水平距离之乘积；
(3)根据实际风洞试验情况，为平抑模型大攻角大升力产生的力矩作用，在悬臂支架31的一侧面安装升力板32，使其产生与试验模型相反的力矩，减少第二电机减速器组合24的输出扭矩。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
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。
Claims (11)
1.一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，包括一级旋转机构、二级旋转机构、配平机构、弯刀(21)，传动减振机构，第一轴承(15)，第二轴承(20)，第三轴承(41)和攻角支撑机构(0)；
所述一级旋转机构尾部固定安装试验模型，并通过第一轴承(15)支撑在弯刀(21)一端；一级旋转机构带动试验模型进行一级旋转；
所述二级旋转机构通过第二轴承(20)支撑在攻角支撑机构(0)上，并与弯刀(21)另一端固定连接；二级旋转机构通过弯刀(21)带动一级旋转机构，进而带动试验模型进行二级旋转；
传动减振机构通过第三轴承(41)支撑在攻角支撑机构(0)上，二级旋转机构通过传动减振机构带动配平机构旋转；
配平机构包括悬臂支架(31)、升力板(32)和配重块(33)，所述悬臂支架(31)一端与传动减振机构连接，另一端设有内腔，所述内腔中设有配重块(33)；所述升力板(32)固定安装于配平机构上，所述升力板(32)前缘为斜面，用于在在气流作用下减小试验模型产生的力矩；
所述攻角支撑机构(0)依次带动二级旋转，一级旋转机构和试验模型进行整体俯仰运动。
2.根据权利要求1所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述悬臂支架(31)的内腔中设有多个配重块(33)；所述多个配重块(33)具有不同的密度的圆柱体；所述多个配重块(33)的数量和密度组合根据配平需求确定。
3.根据权利要求1所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述升力板(32)的前缘斜面相对气流设有多种角度，根据试验需要在悬臂支架(31)上安装具有其中一种角度的升力板(32)。
4.根据权利要求1所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述一级旋转机构包括尾支杆(11)、第一传动轴(12)、第一电机减速器组合(13)、第一编码器(14)；
第一传动轴(12)一端与尾支杆(11)固定连接，另一端与第一电机减速器组合(13)的输出轴固定连接，所述第一传动轴(12)通过第一轴承(15)支撑在弯刀(21)上，第一电机减速器组合(13)驱动第一传动轴(12)带动尾支杆(11)进行旋转运动；所述试验模型与尾支杆(11)固定连接；
所述第一编码器(14)用于测量第一传动轴(12)的旋转角度，即由第一传动轴(12)带动试验模型进行旋转的旋转角度。
5.根据权利要求4所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述第一编码器(14)的转子和定子分别与第一传动轴(12)和弯刀(21)固定连接；所述第一电机减速器组合(13)包括中空电机、谐波减速器，制动器和编码器，能根据第一编码器(14)测得的的旋转角度进行反馈控制。
6.根据权利要求1所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述二级旋转机构包括第二传动轴(22)、第二电机减速器组合(24)和第二编码器(23)；
第二传动轴(22)一端与弯刀(21)固定连接，另一端与第二电机减速器组合(24)的输出轴固定连接，并通过第二轴承(20)支撑在攻角支撑机构(0)上，所述第二电机减速器组合(24)驱动第二传动轴(22)带动弯刀(21)进而带动一级旋转机构旋转；
所述第二编码器(23)用于测量第二传动轴(22)的旋转角度，即由第二传动轴(22)带动试验模型进行旋转的旋转角度。
7.根据权利要求6所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述第二编码器(23)的转子和定子分别与第二传动轴(22)和攻角支撑机构(0)固定连接；第二电机减速器组合(24)包括中空电机、谐波减速器，制动器和编码器，能根据第二电机减速器组合(24)测得的的旋转角度进行反馈控制。
8.根据权利要求6所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述传动减振机构包括第三传动轴(42)；
所述第三传动轴(42)一端与第二传动轴(22)套合连接，另一端与悬臂支架(31)一端套合连接；所述第二电机减速器组合(24)驱动第二传动轴(22)带动第三传动轴(42)旋转，进而带动配平机构旋转。
9.根据权利要求8所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述第二传动轴(22)设有第二键(45)，所述第三传动轴(42)一端通过第二键(45)与第二传动轴(22)套合连接；第三传动轴(42)另一端设有第一键(43)，通过第一键(43)与悬臂支架(31)一端套合连接；所述第一键(43)与悬臂支架(31)之间设有第一垫片(44)，所述第二键(45)与第三传动轴(42)之间设有第二垫片(46)。
10.根据权利要求9所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置，其特征在于，所述第一垫片(44)和第二垫片(46)采用金属橡胶材料；第一垫片(44)和第二垫片(46)为U字形，分别包裹第一键(43)和第二键(45)，用于在传递扭矩时缓冲减振，减少配平机构在气流冲击下对第二传动轴(22)造成振动冲击。
11.一种配置配平机构的风洞用双转轴装置的配平方法，其特征在于，采用权利要求1-10任一项所述的一种配置配平机构的风洞用双转轴装置实现，包括以下步骤：
S1将试验模型与一级旋转机构固定连接，使一级旋转机构和二级旋转机构按照试验所需旋转方向旋转；
在不安装配平机构和重力作用的情况下，使试验模型和一级旋转机构的整体重心处在二级旋转机构的旋转轴线所在水平面的一侧；
S2将配平机构中的悬臂支架(31)安装于二级旋转机构旋转轴线所在水平面的另一侧，在此侧调节配平机构的重心与二级旋转机构旋转轴线所在的平面相对于所述水平面的夹角，并利用配重块(33)进行重量设置，保证包含了配重块(33)的配平机构的重心与其距离二级旋转机构旋转轴线的水平距离之乘积等于试验模型、一级旋转机构和二级旋转机构的整体重心与其距离二级旋转机构旋转轴线的水平距离之乘积；
S3根据试验需求，将升力板(32)安装于悬臂支架(31)上，使升力板(32)在气流作用下产生与试验模型相反的力矩，平抑试验模型攻角和升力产生的力矩作用。
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