本發(fā)明涉及一種小型化大載荷一體式五分量動態(tài)俯仰天平，屬于風(fēng)洞測試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在進行飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與飛行器動態(tài)品質(zhì)分析時，氣動力和力矩以氣動導(dǎo)數(shù)形式出現(xiàn)，即靜、動穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)，由于產(chǎn)生機理復(fù)雜，通常利用強迫振動風(fēng)洞試驗獲取上述參數(shù)。

動導(dǎo)數(shù)風(fēng)洞試驗利用模型振蕩來模擬飛行器的剛體運動模態(tài)從而得到動導(dǎo)數(shù)。隨著高速飛機、導(dǎo)彈、火箭和再入飛行器的發(fā)展，飛行品質(zhì)和動穩(wěn)定性問題越來越被重視，動導(dǎo)數(shù)試驗也變得越來越重要。特別是超音速、高超音速范圍以及大幅度擾動和大范圍機動條件下的試驗和測量技術(shù)，包括天平系統(tǒng)、模型和支撐系統(tǒng)，都需要進行優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)新型面對稱飛行器的風(fēng)洞試驗任務(wù)要求，一方面飛行器法向載荷大，要解決載荷與剛度匹配問題，研制新型動態(tài)天平技術(shù)以形成面對稱飛行器的動態(tài)試驗?zāi)芰?。另一方面，要求同時精確測量飛行器的靜導(dǎo)數(shù)與動導(dǎo)數(shù)。目前的動態(tài)俯仰天平采用五分量天平和單分量鉸鏈前后串聯(lián)組合的形式，組合后軸向尺寸大，空間占用率高，不適合小展弦比飛行器試驗。且組合式天平校心與轉(zhuǎn)軸之間的距離大，試驗精度上有所不足。

新型面對稱飛行器的特點主要是法向載荷遠大于橫向載荷，為此，需要一種小型化大載荷一體式的動態(tài)俯仰天平來解決上述問題，能夠進行這一類飛行器的動態(tài)風(fēng)洞試驗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種小型化大載荷一體式五分量動態(tài)俯仰天平，占用體積較小，又增強了天平的剛度和承載能力，并且實現(xiàn)動態(tài)試驗所需要的振動幅度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種小型化大載荷一體式五分量動態(tài)俯仰天平，包括：俯仰天平內(nèi)芯、俯仰天平外壁、轉(zhuǎn)軸、應(yīng)變梁、壓緊螺釘、滑動軸承；

俯仰天平內(nèi)芯包括頭部圓錐面段、變截面梁、配合段和驅(qū)動梁，變截面梁用于測量五分量氣動載荷，配合段上設(shè)置有圓形通孔和矩形通孔，俯仰天平外壁為筒狀結(jié)構(gòu)，包括空心配合段和尾部圓錐面段，空心配合段上設(shè)置有圓形通孔和矩形通孔；

俯仰天平內(nèi)芯設(shè)置在俯仰天平外壁內(nèi)部，滑動軸承套在轉(zhuǎn)軸外部，且穿過俯仰天平外壁和俯仰天平內(nèi)芯上的圓形通孔，將俯仰天平外壁和俯仰天平內(nèi)芯配合在一起，應(yīng)變梁穿過俯仰天平外壁和俯仰天平內(nèi)芯上的矩形通孔，用于測量俯仰天平內(nèi)芯的轉(zhuǎn)角；壓緊螺釘將應(yīng)變梁和轉(zhuǎn)軸固定在俯仰天平外壁上。

俯仰天平內(nèi)芯的驅(qū)動梁位于俯仰天平外壁的空心配合段內(nèi)部，且空心配合段的內(nèi)徑大于驅(qū)動梁的最大徑向尺寸。

空心配合段的內(nèi)徑比驅(qū)動梁的最大徑向尺寸大至少10mm。

俯仰天平內(nèi)芯繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)幅度不小于1°。

俯仰天平內(nèi)芯的頭部圓錐面段為1:10圓錐面，俯仰天平外壁的尾部圓錐面段為1:10圓錐面。

俯仰天平內(nèi)芯的驅(qū)動梁尾部端面上設(shè)置有凹槽，用于驅(qū)動俯仰天平內(nèi)芯繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)俯仰簡諧運動。

俯仰天平內(nèi)芯的變截面梁為彈性段，最大分別承受10000N法向力和120Nm俯仰力矩載荷。

俯仰天平內(nèi)芯變截面梁的校準中心與轉(zhuǎn)軸的中心重合，作為測量基準。

俯仰天平外壁的最大直徑小于51mm。

滑動軸承采用高銅合金鑲嵌固體潤滑軸承。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明提出了獨特的動態(tài)俯仰天平設(shè)計思想，突破了傳統(tǒng)前后串聯(lián)式天平的設(shè)計方法，使得動態(tài)天平整體體積小，減小了天平直徑，內(nèi)外組合式結(jié)構(gòu)則縮短了動態(tài)天平長度，天平變形小，提高了動態(tài)天平的剛度和承載能力。

(2)本發(fā)明技術(shù)方案中，動態(tài)天平校準中心與轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)重合，提高了動態(tài)天平測量的精度。

(3)本發(fā)明中應(yīng)變梁可獨立拆裝。相對于現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明的試驗精度更高，裝配難度更低。在地面調(diào)試過程中僅需要更改應(yīng)變梁的厚度來匹配模型載荷即可，無需重復(fù)拆卸整套裝置，有效提升試驗效率。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于大載荷風(fēng)洞試驗天平試驗中，具有良好的實用性和推廣價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明五分量動態(tài)俯仰天平的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的剖視圖；

圖3為圖1的零件組成示意圖；

圖4為現(xiàn)有技術(shù)下的動態(tài)天平結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行進一步的詳細描述。

新型面對稱飛行器由于法向載荷大、縱橫向載荷不匹配對風(fēng)洞動態(tài)天平技術(shù)提出了新的要求，而且風(fēng)洞尺寸限制導(dǎo)致動態(tài)天平要進行小型化設(shè)計。本發(fā)明提出了一種小型化大載荷一體式五分量動態(tài)俯仰天平，能夠提供有效的橫向載荷輸出而且也提升了法向載荷承載能力，同時測量精準度也得到了很好的提高。

如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明提出了一種小型化大載荷一體式五分量動態(tài)俯仰天平，包括：俯仰天平內(nèi)芯1、俯仰天平外壁2、轉(zhuǎn)軸3、應(yīng)變梁4、壓緊螺釘5、滑動軸承6。

俯仰天平內(nèi)芯1包括頭部圓錐面段、變截面梁、配合段和驅(qū)動梁，變截面梁用于測量五分量氣動載荷，配合段上設(shè)置有圓形通孔和矩形通孔，俯仰天平外壁2為筒狀結(jié)構(gòu)，包括空心配合段和尾部圓錐面段，空心配合段上設(shè)置有圓形通孔和矩形通孔。

俯仰天平內(nèi)芯1設(shè)置在俯仰天平外壁2內(nèi)部，滑動軸承6套在轉(zhuǎn)軸3外部，且穿過俯仰天平外壁2和俯仰天平內(nèi)芯1上的圓形通孔，將俯仰天平外壁2和俯仰天平內(nèi)芯1配合在一起，應(yīng)變梁4穿過俯仰天平外壁2和俯仰天平內(nèi)芯1上的矩形通孔，矩形結(jié)構(gòu)用于確保應(yīng)變梁4可以完全跟隨俯仰天平內(nèi)芯1進行運動，測量出俯仰天平內(nèi)芯1的轉(zhuǎn)角；壓緊螺釘5將應(yīng)變梁4和轉(zhuǎn)軸3固定在俯仰天平外壁2上，用于抑制運動過程中的應(yīng)變梁4和轉(zhuǎn)軸3受到的橫向分量。

俯仰天平內(nèi)芯1的驅(qū)動梁位于俯仰天平外壁2的空心配合段內(nèi)部，且空心配合段的內(nèi)徑大于驅(qū)動梁的最大徑向尺寸?？招呐浜隙蔚膬?nèi)徑比驅(qū)動梁的最大徑向尺寸大至少10mm，為俯仰天平內(nèi)芯1的俯仰簡諧運動預(yù)留足夠的空間，避免俯仰天平內(nèi)芯1在運動過程中與俯仰天平外壁2發(fā)生碰撞。

俯仰天平內(nèi)芯1繞轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)幅度不小于1°，從而能夠更加精確的獲得氣動載荷的變化情況，有利于提升測量精度。

俯仰天平內(nèi)芯1的頭部圓錐面段為1:10圓錐面，俯仰天平外壁2的尾部圓錐面段為1:10圓錐面。采用1:10的圓錐面進行連接可以增大部件之間的接觸面積，使連接更加緊密，減小因機械結(jié)構(gòu)間隙造成的影響。

俯仰天平內(nèi)芯1的驅(qū)動梁尾部端面上設(shè)置有凹槽，用于驅(qū)動俯仰天平內(nèi)芯1繞轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)俯仰簡諧運動。

俯仰天平內(nèi)芯1的變截面梁為彈性段，最大分別承受10000N法向力和120Nm俯仰力矩載荷；該量程可以滿足新型面對稱飛行器的載荷要求，保證俯仰天平內(nèi)芯1具有足夠的剛度。

俯仰天平內(nèi)芯1變截面梁的校準中心與轉(zhuǎn)軸3的中心重合，作為測量基準，提高測量精度，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。

俯仰天平外壁2的最大直徑小于51mm，限制動態(tài)俯仰天平的整體體積；因此在新型面對稱飛行器試驗?zāi)Ｐ洼^小的情況能夠完成安裝，同時由于動態(tài)俯仰天平的體積較小也可以匹配其他動態(tài)試驗?zāi)Ｐ停梢栽黾討?yīng)用廣度。

滑動軸承6采用高銅合金鑲嵌固體潤滑軸承，該軸承使用壽命長，無需后期添加潤滑劑，使動態(tài)俯仰天平在使用壽命期限內(nèi)無需重復(fù)拆裝。

工作原理：

俯仰天平內(nèi)芯1的驅(qū)動梁尾部端面上設(shè)置有凹槽，與試驗支撐機構(gòu)上的偏心凸輪連接，在受到偏心凸輪提供的偏心載荷后，通過凹槽轉(zhuǎn)換為俯仰方向上的往復(fù)運動。從而驅(qū)動俯仰天平內(nèi)芯1的驅(qū)動梁繞轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)俯仰天平內(nèi)芯1整體的俯仰簡諧運動，同時帶動應(yīng)變梁4進行同步運動，測量俯仰天平內(nèi)芯1的運動角度。俯仰天平內(nèi)芯1的頭部圓錐面段連接試驗?zāi)Ｐ?，俯仰天平?nèi)芯1的變截面梁測量試驗?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中受到的載荷變化情況。

實施例

如圖4所示，現(xiàn)有技術(shù)下通常采用五分量天平和單分量鉸鏈前后串聯(lián)形式的動態(tài)俯仰天平。在1.2米量級風(fēng)洞下，常規(guī)五分量天平的直徑一般為40mm，而本發(fā)明的小型化大載荷一體式五分量動態(tài)俯仰天平的直徑則縮小至36mm。兩者尺寸參數(shù)對比如下：

下表為1.2米量級風(fēng)洞下，常規(guī)五分量天平與小型化大載荷一體式五分量動態(tài)俯仰天平的量程對比。

五分量動態(tài)俯仰天平相較于常規(guī)五分量天平，軸向尺寸大幅度減小，同時隨著直徑的降低整體體積也得以減小，為試驗?zāi)Ｐ吞峁└嗟膬?nèi)部空間，以便其他測量設(shè)備的布置。此外，本實施例的動態(tài)俯仰天平可以承載更大的載荷，其中法向力的提升尤為突出，相較于常規(guī)五分量天平，本實施例可以用于新型面對稱飛行器的動態(tài)試驗。

下表為本實施例的動態(tài)俯仰天平的校準精度指標。

根據(jù)上表可以看出，本實施例的動態(tài)俯仰天平具有非常好的重復(fù)性和較高的精準度。

通過對本實施例動態(tài)俯仰天平的結(jié)構(gòu)模型振型和頻率計算分析，其模態(tài)頻率較高，表明其具有較高的剛度特性，動態(tài)俯仰天平輸出電壓信號將具有更好的周期性，從而保證測量結(jié)果具有相對更高的精準度。這一點在有限元動態(tài)仿真中得到了驗證，該結(jié)構(gòu)可以有效復(fù)現(xiàn)輸入的強迫振動信號，能夠完成高精度地進強迫行振動響應(yīng)。