一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平

摘要

一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平，包括俯仰天平内芯、俯仰天平外壁、转轴、应变梁、压紧螺钉和滑动轴承。本发明采用内外组合式结构：俯仰天平内芯包括头部圆锥面段、变截面梁、配合段和驱动梁，配合段上设置有圆形通孔和矩形通孔；俯仰天平外壁为筒状结构，包括空心配合段和尾部圆锥面段，空心配合段上设置有圆形通孔和矩形通孔；转轴穿过圆形通孔将俯仰天平外壁和俯仰天平内芯配合在一起，应变梁穿过矩形通孔来测量俯仰天平内芯的转角。本发明结构合理紧凑，体积小，承载法向载荷大，精度高，在航天航空领域具有重大的应用价值，是一种大大拓展普通静态应变天平测量原理、参数、范围和使用功能的精密传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平，属于风洞测试技术领域。

背景技术

在进行飞行控制系统设计与飞行器动态品质分析时，气动力和力矩以气动导数形式出现，即静、动稳定导数，由于产生机理复杂，通常利用强迫振动风洞试验获取上述参数。

动导数风洞试验利用模型振荡来模拟飞行器的刚体运动模态从而得到动导数。随着高速飞机、导弹、火箭和再入飞行器的发展，飞行品质和动稳定性问题越来越被重视，动导数试验也变得越来越重要。特别是超音速、高超音速范围以及大幅度扰动和大范围机动条件下的试验和测量技术，包括天平系统、模型和支撑系统，都需要进行优化设计。

根据新型面对称飞行器的风洞试验任务要求，一方面飞行器法向载荷大，要解决载荷与刚度匹配问题，研制新型动态天平技术以形成面对称飞行器的动态试验能力。另一方面，要求同时精确测量飞行器的静导数与动导数。目前的动态俯仰天平采用五分量天平和单分量铰链前后串联组合的形式，组合后轴向尺寸大，空间占用率高，不适合小展弦比飞行器试验。且组合式天平校心与转轴之间的距离大，试验精度上有所不足。

新型面对称飞行器的特点主要是法向载荷远大于横向载荷，为此，需要一种小型化大载荷一体式的动态俯仰天平来解决上述问题，能够进行这一类飞行器的动态风洞试验。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平，占用体积较小，又增强了天平的刚度和承载能力，并且实现动态试验所需要的振动幅度。

本发明的技术解决方案是：

一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平，包括：俯仰天平内芯、俯仰天平外壁、转轴、应变梁、压紧螺钉、滑动轴承；

俯仰天平内芯包括头部圆锥面段、变截面梁、配合段和驱动梁，变截面梁用于测量五分量气动载荷，配合段上设置有圆形通孔和矩形通孔，俯仰天平外壁为筒状结构，包括空心配合段和尾部圆锥面段，空心配合段上设置有圆形通孔和矩形通孔；

俯仰天平内芯设置在俯仰天平外壁内部，滑动轴承套在转轴外部，且穿过俯仰天平外壁和俯仰天平内芯上的圆形通孔，将俯仰天平外壁和俯仰天平内芯配合在一起，应变梁穿过俯仰天平外壁和俯仰天平内芯上的矩形通孔，用于测量俯仰天平内芯的转角；压紧螺钉将应变梁和转轴固定在俯仰天平外壁上。

俯仰天平内芯的驱动梁位于俯仰天平外壁的空心配合段内部，且空心配合段的内径大于驱动梁的最大径向尺寸。

空心配合段的内径比驱动梁的最大径向尺寸大至少10mm。

俯仰天平内芯绕转轴转动，旋转幅度不小于1°。

俯仰天平内芯的头部圆锥面段为1:10圆锥面，俯仰天平外壁的尾部圆锥面段为1:10圆锥面。

俯仰天平内芯的驱动梁尾部端面上设置有凹槽，用于驱动俯仰天平内芯绕转轴旋转，实现俯仰简谐运动。

俯仰天平内芯的变截面梁为弹性段，最大分别承受10000N法向力和120Nm俯仰力矩载荷。

俯仰天平内芯变截面梁的校准中心与转轴的中心重合，作为测量基准。

俯仰天平外壁的最大直径小于51mm。

滑动轴承采用高铜合金镶嵌固体润滑轴承。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出了独特的动态俯仰天平设计思想，突破了传统前后串联式天平的设计方法，使得动态天平整体体积小，减小了天平直径，内外组合式结构则缩短了动态天平长度，天平变形小，提高了动态天平的刚度和承载能力。

(2)本发明技术方案中，动态天平校准中心与转轴实现重合，提高了动态天平测量的精度。

(3)本发明中应变梁可独立拆装。相对于现有的技术，本发明的试验精度更高，装配难度更低。在地面调试过程中仅需要更改应变梁的厚度来匹配模型载荷即可，无需重复拆卸整套装置，有效提升试验效率。本发明可以广泛应用于大载荷风洞试验天平试验中，具有良好的实用性和推广价值。

附图说明

图1为本发明五分量动态俯仰天平的结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为图1的零件组成示意图；

图4为现有技术下的动态天平结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

新型面对称飞行器由于法向载荷大、纵横向载荷不匹配对风洞动态天平技术提出了新的要求，而且风洞尺寸限制导致动态天平要进行小型化设计。本发明提出了一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平，能够提供有效的横向载荷输出而且也提升了法向载荷承载能力，同时测量精准度也得到了很好的提高。

如图1、图2、图3所示，本发明提出了一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平，包括：俯仰天平内芯1、俯仰天平外壁2、转轴3、应变梁4、压紧螺钉5、滑动轴承6。

俯仰天平内芯1包括头部圆锥面段、变截面梁、配合段和驱动梁，变截面梁用于测量五分量气动载荷，配合段上设置有圆形通孔和矩形通孔，俯仰天平外壁2为筒状结构，包括空心配合段和尾部圆锥面段，空心配合段上设置有圆形通孔和矩形通孔。

俯仰天平内芯1设置在俯仰天平外壁2内部，滑动轴承6套在转轴3外部，且穿过俯仰天平外壁2和俯仰天平内芯1上的圆形通孔，将俯仰天平外壁2和俯仰天平内芯1配合在一起，应变梁4穿过俯仰天平外壁2和俯仰天平内芯1上的矩形通孔，矩形结构用于确保应变梁4可以完全跟随俯仰天平内芯1进行运动，测量出俯仰天平内芯1的转角；压紧螺钉5将应变梁4和转轴3固定在俯仰天平外壁2上，用于抑制运动过程中的应变梁4和转轴3受到的横向分量。

俯仰天平内芯1的驱动梁位于俯仰天平外壁2的空心配合段内部，且空心配合段的内径大于驱动梁的最大径向尺寸。空心配合段的内径比驱动梁的最大径向尺寸大至少10mm，为俯仰天平内芯1的俯仰简谐运动预留足够的空间，避免俯仰天平内芯1在运动过程中与俯仰天平外壁2发生碰撞。

俯仰天平内芯1绕转轴3转动，旋转幅度不小于1°，从而能够更加精确的获得气动载荷的变化情况，有利于提升测量精度。

俯仰天平内芯1的头部圆锥面段为1:10圆锥面，俯仰天平外壁2的尾部圆锥面段为1:10圆锥面。采用1:10的圆锥面进行连接可以增大部件之间的接触面积，使连接更加紧密，减小因机械结构间隙造成的影响。

俯仰天平内芯1的驱动梁尾部端面上设置有凹槽，用于驱动俯仰天平内芯1绕转轴3旋转，实现俯仰简谐运动。

俯仰天平内芯1的变截面梁为弹性段，最大分别承受10000N法向力和120Nm俯仰力矩载荷；该量程可以满足新型面对称飞行器的载荷要求，保证俯仰天平内芯1具有足够的刚度。

俯仰天平内芯1变截面梁的校准中心与转轴3的中心重合，作为测量基准，提高测量精度，使结构更加紧凑。

俯仰天平外壁2的最大直径小于51mm，限制动态俯仰天平的整体体积；因此在新型面对称飞行器试验模型较小的情况能够完成安装，同时由于动态俯仰天平的体积较小也可以匹配其他动态试验模型，可以增加应用广度。

滑动轴承6采用高铜合金镶嵌固体润滑轴承，该轴承使用寿命长，无需后期添加润滑剂，使动态俯仰天平在使用寿命期限内无需重复拆装。

工作原理：

俯仰天平内芯1的驱动梁尾部端面上设置有凹槽，与试验支撑机构上的偏心凸轮连接，在受到偏心凸轮提供的偏心载荷后，通过凹槽转换为俯仰方向上的往复运动。从而驱动俯仰天平内芯1的驱动梁绕转轴3旋转，实现俯仰天平内芯1整体的俯仰简谐运动，同时带动应变梁4进行同步运动，测量俯仰天平内芯1的运动角度。俯仰天平内芯1的头部圆锥面段连接试验模型，俯仰天平内芯1的变截面梁测量试验模型在风洞中受到的载荷变化情况。

实施例

如图4所示，现有技术下通常采用五分量天平和单分量铰链前后串联形式的动态俯仰天平。在1.2米量级风洞下，常规五分量天平的直径一般为40mm，而本发明的小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平的直径则缩小至36mm。两者尺寸参数对比如下：

下表为1.2米量级风洞下，常规五分量天平与小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平的量程对比。

五分量动态俯仰天平相较于常规五分量天平，轴向尺寸大幅度减小，同时随着直径的降低整体体积也得以减小，为试验模型提供更多的内部空间，以便其他测量设备的布置。此外，本实施例的动态俯仰天平可以承载更大的载荷，其中法向力的提升尤为突出，相较于常规五分量天平，本实施例可以用于新型面对称飞行器的动态试验。

下表为本实施例的动态俯仰天平的校准精度指标。

根据上表可以看出，本实施例的动态俯仰天平具有非常好的重复性和较高的精准度。

通过对本实施例动态俯仰天平的结构模型振型和频率计算分析，其模态频率较高，表明其具有较高的刚度特性，动态俯仰天平输出电压信号将具有更好的周期性，从而保证测量结果具有相对更高的精准度。这一点在有限元动态仿真中得到了验证，该结构可以有效复现输入的强迫振动信号，能够完成高精度地进强迫行振动响应。