一种高速动导数试验机构及其工作方法，属于航空气动力风洞特种试验技术领域。其包括驱动电机、偏心凸轮、滑槽块、滑槽轨道、转换杠杆、旋转驱动轴和模型支杆，驱动电机装有偏心凸轮，滑槽轨道装于支撑套筒内，滑槽轨道上滑动配合有滑槽块，偏心凸轮与滑槽块滑动配合，转换杠杆与支撑套筒转动连接，转换杠杆与滑槽块连接，旋转驱动轴与转换杠杆端部连接，旋转驱动轴上装有角度天平和测力天平。目的是为了解决现有滚转动导数试验装置中依靠刚性运动副实现运动转换导致偏心距过小，运动的稳定性变差，振动的幅度会明显降低，试验测量的准确度也会降低的问题，本发明提高运动系统的承载能力与稳定性，在大负载下保持振动幅值的稳定。
1.一种高速动导数试验机构，其特征在于：包括支撑套筒（1）、驱动电机（2）、减速器（3）、偏心凸轮（5）、滑槽块（6）、滑槽轨道（7）、转换杠杆（8）、转换杠杆支撑座（9）、旋转驱动轴（10）、模型支杆（11）、角度天平（12）和测力天平（13），支撑套筒（1）一端安装有模型支杆（11），并且二者内部连通，驱动电机（2）的输出端设置有减速器（3），减速器（3）固定安装于支撑套筒（1）内部，减速器（3）的输出端安装有偏心凸轮（5），滑槽轨道（7）固定安装于支撑套筒（1）内部侧壁上，滑槽轨道（7）上滑动配合有滑槽块（6），偏心凸轮（5）的偏心凸起端与滑槽块（6）的滑槽（61）滑动配合，转换杠杆（8）通过转换杠杆支撑座（9）与支撑套筒（1）底部建立转动连接，转换杠杆（8）一端与滑槽块（6）固定连接，旋转驱动轴（10）转动安装于模型支杆（11）内部，且一端探入支撑套筒（1）内后，与转换杠杆（8）固定连接，旋转驱动轴（10）另一端依次安装有角度天平（12）和测力天平（13）；
所述旋转驱动轴（10）一端设置有十字铰链柔性结构（101），旋转驱动轴（10）插装于十字铰链柔性结构（101）底部；
所述十字铰链柔性结构（101）包括外环板（8‑1），内半环板（8‑2）、底座（8‑3）和连接梁组（8‑4），底座（8‑3）底部插装有旋转驱动轴（10），外环板（8‑1）底部固定安装于底座（8‑3）内，外环板（8‑1）内设置有内半环板（8‑2），内半环板（8‑2）外侧壁与外环板（8‑1）一端内侧壁贴合，内半环板（8‑2）内侧壁通过连接梁组（8‑4）与外环板（8‑1）另一端内侧壁建立固定连接；
所述连接梁组（8‑4）包括至少两个连接梁，连接梁两端分别与内半环板（8‑2）内侧壁和外环板（8‑1）内侧壁建立固定连接，每相邻两个连接梁十字交叉布置。
2.根据权利要求1所述的一种高速动导数试验机构，其特征在于：所述减速器（3）通过减速器支撑座（4）固定安装于支撑套筒（1）内部。
3.根据权利要求2所述的一种高速动导数试验机构，其特征在于：所述旋转驱动轴（10）通过支撑轴承（14）转动安装于模型支杆（11）内部。
4.一种高速动导数试验机构的工作方法，是基于权利要求3所述的一种高速动导数试验机构上实现的，其特征在于，包括：
步骤1，驱动电机（2）带动偏心凸轮（5）转动，偏心凸轮（5）的偏心凸起端带动滑槽块（6）在滑槽轨道（7）进行横向摆动，滑槽块（6）输出为左右方向上的正弦振动，故转换杠杆（8）随着滑槽块（6）做正弦摆动；
步骤2，由于转换杠杆（8）与转换杠杆支撑座（9）转动连接的约束下，转换杠杆（8）做旋转运动，即转换杠杆（8）整体上作绕转换杠杆支撑座（9）轴线的转动，而转换杠杆（8）右下端与旋转驱动轴（10）固连，故只能作绕旋转驱动轴（10）轴线的转动，转换杠杆（8）两端之间的运动方向转化就由转换杠杆（8）上的十字铰链柔性结构（101）来实现；
步骤3，对运动进行分解分析，转换杠杆（8）右侧端点设为A点，转换杠杆（8）左侧与十字铰链柔性结构（101）的连接点设为B点，通过转换杠杆（8）右侧端点A点的运动位移，构建坐标系（X，Y，Z），其中转换杠杆（8）右端的运动位移为（Y，Z）方向；
步骤4，设转换杠杆（8）与转换杠杆支撑座（9）的转动轴线为OO’，十字铰链柔性结构（101）与旋转驱动轴（10）的连接点设为C点，旋转驱动轴（10）与角度天平（12）的连接点为D，B点做两个运动，分别是绕O点做的转动运动和绕轴线CD做的转动运动，并通过角度天平（12）和测力天平（13）获取旋转驱动轴（10）的实时运动姿态。
一种高速动导数试验机构及其工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高速动导数试验机构，应用于高速风洞动导数试验中，属于航空气动力风洞特种试验技术领域。
背景技术
[0002] 目前，高速风洞滚转动导数试验机构大多数通过刚性运动副将电机的连续旋转运动转换为滚转方向上的往复正弦运动，最终实现模型绕轴线的滚转往复振动。典型机构的特征是模型的振动角度振幅由偏心轴的偏心距与其和模型支杆轴线之间的距离比值决定。由于受风洞尺寸限制，滚转动导数试验机构设计时偏心轴与模型支杆轴线之间的距离基本固定，对于1.2米量级高速风洞，该距离一般在50毫米范围内，而滚转角度振幅一般在1.5°以内，经计算，偏心轴的偏心距就不大于0.13毫米。过小的偏心距导致了运动过程中间隙影响占比较大，运动的稳定性变差，振动的幅度会明显降低，试验测量的准确度也会降低，这种问题在模型大负载情况下表现的尤为明显。
[0003] 因此，亟需提出一种新型的一种高速动导数试验机构，以解决上述技术问题。
发明内容
[0004] 本发明研发目的是为了解决现有滚转动导数试验装置中依靠刚性运动副实现运动转换导致偏心距过小，进而引发的运动过程中间隙影响占比较大，运动的稳定性变差，振动的幅度会明显降低，试验测量的准确度也会降低的 问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] 方案一、一种高速动导数试验机构，包括支撑套筒、驱动电机、减速器、偏心凸轮、滑槽块、滑槽轨道、转换杠杆、转换杠杆支撑座、旋转驱动轴、模型支杆、角度天平和测力天平，支撑套筒一端安装有模型支杆，并且二者内部连通，驱动电机的输出端设置有减速器，减速器固定安装于支撑套筒内部，减速器的输出端安装有偏心凸轮，滑槽轨道固定安装于支撑套筒内部侧壁上，滑槽轨道上滑动配合有滑槽块，偏心凸轮的偏心凸起端与滑槽块的滑槽滑动配合，转换杠杆通过转换杠杆支撑座与支撑套筒底部建立转动连接，转换杠杆一端与滑槽块固定连接，旋转驱动轴转动安装于模型支杆内部，且一端探入支撑套筒内后，与转换杠杆固定连接，旋转驱动轴另一端依次安装有角度天平和测力天平。
[0007] 优选的：所述旋转驱动轴一端设置有十字铰链柔性结构，旋转驱动轴插装于十字铰链柔性结构底部。
[0008] 优选的：所述十字铰链柔性结构包括外环板，内半环板、底座和连接梁组，底座底部插装有旋转驱动轴，外环板底部固定安装于底座内，外环板内设置有内半环板，内半环板外侧壁与外环板一端内侧壁贴合，内半环板内侧壁通过连接梁组与外环板另一端内侧壁建立固定连接。
[0009] 优选的：所述连接梁组包括至少两个连接梁，连接梁两端分别与内半环板内侧壁和外环板内侧壁建立固定连接，每相邻两个连接梁十字交叉布置。
[0010] 优选的：所述减速器通过减速器支撑座固定安装于支撑套筒内部。
[0011] 优选的：所述旋转驱动轴通过支撑轴承转动安装于模型支杆内部。
[0012] 方案二、一种高速动导数试验机构的工作方法，是方案一所述的一种高速动导数试验机构上实现的，包括：
[0013] 步骤1，驱动电机带动偏心凸轮转动，偏心凸轮的偏心凸起端带动滑槽块在滑槽轨道进行横向摆动，滑槽块输出为左右方向上的正弦振动，故转换杠杆随着滑槽块做正弦摆动；
[0014] 步骤2，由于转换杠杆与转换杠杆支撑座转动连接的约束下，转换杠杆做旋转运动，即转换杠杆整体上作绕转换杠杆支撑座轴线的转动，而转换杠杆右下端与旋转驱动轴固连，故只能作绕旋转驱动轴轴线的转动，转换杠杆两端之间的运动方向转化就由转换杠杆上的十字铰链柔性结构来实现；
[0015] 步骤3，对运动进行分解分析，转换杠杆右侧端点设为A点，转换杠杆左侧与十字铰链柔性结构的连接点设为B点，通过转换杠杆右侧端点A点的运动位移，构建坐标系（X，Y，Z），其中转换杠杆右端的运动位移为（Y，Z）方向；
[0016] 步骤4，设转换杠杆与转换杠杆支撑座的转动轴线为OO’，十字铰链柔性结构与旋转驱动轴的连接点设为C点，旋转驱动轴与角度天平的连接点为D，B点做两个运动，分别是绕线OO’做的转动运动和绕轴线CD做的转动运动，并通过角度天平和测力天平获取旋转驱动轴的实时运动姿态。
[0017] 本发明具有以下有益效果：
[0018] 1.本发明针对现有运动转换机构中的不足，提出一种全新思路的运动转换机构，在狭小空间位置处由柔性机构来代替滑动运动幅，消除间隙的影响，同时，结合杠杆结构形式，对运动位移进行放大，然后再使用偏心轴进行驱动，由于运动位移得到了放大，相应地偏心轴的偏心距也得到了放大，对间隙的敏感度得到了降低，影响量就也大幅降低；
[0019] 2.本发明的十字铰链柔性结构具有抵抗气动载荷强的特点，模型的大滚转力矩不会对柔性机构产生大的弹性变形，提升了机构的运动稳定性与抗负载能力，替代传统的纯刚性传递机构实现不同方向上的运动转换，大大降低了机构传递中的间隙影响量；
[0020] 3.本发明可以增大偏心距，从而降低滑动间隙所占比重，减小间隙影响，提高运动系统的稳定性，在大负载下保持振动幅值的稳定。
附图说明
[0021] 图1是一种高速动导数试验机构的结构示意图；
[0022] 图2是一种高速动导数试验机构的爆炸图；
[0023] 图3是一种高速动导数试验机构的配合安装图；
[0024] 图4是一种高速动导数试验机构的剖面图；
[0025] 图5是图3的俯视图；
[0026] 图6是一种高速动导数试验机构的十字铰链柔性结构的结构示意图；
[0027] 图7是一种高速动导数试验机构的十字铰链柔性结构的配合安装图；
[0028] 图8是一种高速动导数试验机构的结构力传递原理图。
[0029] 图中：1‑支撑套筒，2‑驱动电机，3‑减速器，4‑减速器支撑座，5‑偏心凸轮，6‑滑槽块，7‑滑槽轨道，8‑转换杠杆，9‑转换杠杆支撑座，10‑旋转驱动轴，11‑模型支杆，12‑角度天平，13‑测力天平，14‑支撑轴承，61‑滑槽，101‑十字铰链柔性结构，8‑1‑外环板，8‑2‑内半环板，8‑3‑底座，8‑4‑连接梁组。
具体实施方式
[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0031] 本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
[0032] 具体实施方式一：结合图1‑图8说明本实施方式，本实施方式的一种高速动导数试验机构，包括支撑套筒1、驱动电机2、减速器3、减速器支撑座4、偏心凸轮5、滑槽块6、滑槽轨道7、转换杠杆8、转换杠杆支撑座9、旋转驱动轴10、模型支杆11、角度天平12和测力天平13，支撑套筒1一端安装有模型支杆11，并且二者内部连通，驱动电机2的输出端设置有减速器3，所述减速器3通过减速器支撑座4固定安装于支撑套筒1内部，减速器3的输出端安装有偏心凸轮5，滑槽轨道7固定安装于支撑套筒1内部侧壁上，滑槽轨道7上滑动配合有滑槽块6，偏心凸轮5的偏心凸起端与滑槽块6的滑槽61滑动配合，转换杠杆8通过转换杠杆支撑座9与支撑套筒1底部建立转动连接，转换杠杆8一端与滑槽块6固定连接，所述旋转驱动轴10通过支撑轴承14转动安装于模型支杆11内部，且一端探入支撑套筒1内后，插装于转换杠杆8的十字铰链柔性结构101底部，旋转驱动轴10另一端依次安装有角度天平12和测力天平13，在支撑轴承14的约束下，旋转驱动轴10只能做滚转运动。转换杠杆8左下端做绕旋转驱动轴10轴线的滚转振动，而转换杠杆8右上端所做的是绕转换杠杆支撑座9轴线的转动，两者之间的运动转换就是由转换杠杆8上的十字铰链柔性结构101实现的。将常规运动转换之间的滑动运动幅替代为柔性传递结构，应用材料本身的弹性变形实现运动形式的转换，而将偏心轴的作用点进行转移，增大偏心行程，这样就可以增大偏心距，从而降低滑动间隙所占比重，减小间隙影响，提高运动系统的稳定性，在大负载下保持振动幅值的稳定。
[0033] 运动转换机构的核心部件是转换杠杆8，转换杠杆8中部采用铰接形式与转换杠杆支撑座9相连接，这是转换杠杆8的整个支点，转换杠杆8右端为转换杠杆8的输入端，转换杠杆8左面输出部分为一部分柔性结构，即设置的十字铰链柔性结构101。转换杠杆8为一个整体零件，输入端在水平面内做绕杠杆支点的转动，经过十字铰链柔性结构101把输出运动转换为绕振荡轴的滚转振动。
[0034] 所述十字铰链柔性结构101包括外环板8‑1，内半环板8‑2、底座8‑3和连接梁组8‑4，底座8‑3底部插装有旋转驱动轴10，外环板8‑1底部固定安装于底座8‑3内，外环板8‑1内设置有内半环板8‑2，内半环板8‑2外侧壁与外环板8‑1一端内侧壁贴合，内半环板8‑2内侧壁通过连接梁组8‑4与外环板8‑1另一端内侧壁建立固定连接，该十字铰链柔性结构101具有抗负载能力强的特点，模型上滚转力矩达到极限值20牛∙米时，其滚角变化不大于0.1度，完全满足动导数试验要求。
[0035] 所述连接梁组8‑4包括至少两个连接梁，连接梁两端分别与内半环板8‑2内侧壁和外环板8‑1内侧壁建立固定连接，每相邻两个连接梁十字交叉布置。十字交叉布置的连接梁具有绕铰链对称中心转动方向刚性弱的特点，本实施方式的连接梁截面尺寸为3毫米*5毫米。针对旋转驱动轴转动1.5°状态，十字铰链柔性结构101所受最大应力不大于400MPa。
[0036] 转换杠杆上的十字铰链柔性结构101是整个设计的关键。转换杠杆8分为两部分，右面部分相当于普通杠杆，属于刚性结构，左面部分的十字铰链柔性结构101为柔性结构。十字铰链柔性结构101的特点为：从传递上看，转换杠杆8输出端与十字铰链柔性结构101的连接梁组8‑4一端连接，十字铰链柔性结构101的连接梁组8‑4另一端与外环板8‑1和内半环板8‑2组成的环形套相连，连接梁组8‑4具有绕十字心弹性变形大的特点，通过连接梁组8‑4参数的合理布置，本实施方式能够允许在材料的弹性变形范围内实现1.5度的转动。
[0037] 本实施方式还具有抗负载强的特点。风洞试验中，模型感受到的滚转力矩要传递到连接梁组8‑4，此时，连接梁组8‑4承担的载荷为绕滚转振荡轴线方向的滚转力矩，连接梁组8‑4在该方向上的承载能力很强，与普通刚性结构区别不大，这就保证了在模型受大滚转力矩载荷条件下，机构本身能够抵抗得住，不会由于气动载荷的作用带来额外的滚转方向上的弹性变形，该机构的偏心轴偏心距达到了2.4毫米，与刚性传递机构中的0.5毫米相比，得到了大幅提升，相应地对间隙的敏感度明显降低。
[0038] 具体实施方式二：结合图1‑图4说明本实施方式，基于具体实施方式一，本实施方式的一种高速动导数试验机构的工作方法，包括：
[0039] 步骤1，驱动电机2带动偏心凸轮5转动，偏心凸轮5的偏心凸起端带动滑槽块6在滑槽轨道7进行横向摆动，滑槽块6输出为左右方向上的正弦振动，故转换杠杆8随着滑槽块6做正弦摆动；
[0040] 步骤2，由于转换杠杆8与转换杠杆支撑座9转动连接的约束下，转换杠杆8做旋转运动，即转换杠杆8整体上作绕转换杠杆支撑座9轴线的转动，而转换杠杆8右下端与旋转驱动轴10固连，故只能作绕旋转驱动轴10轴线的转动，转换杠杆8两端之间的运动方向转化就由转换杠杆8上的十字铰链柔性结构101来实现；
[0041] 步骤3，对运动进行分解分析，转换杠杆8右侧端点设为A点，转换杠杆8左侧与十字铰链柔性结构101的连接点设为B点，通过转换杠杆8右侧端点A点的运动位移，构建坐标系（X，Y，Z），其中转换杠杆8右端的运动位移为（Y，Z）方向；
[0042] 步骤4，设转换杠杆8与转换杠杆支撑座9的转动点为O轴线为OO’，十字铰链柔性结构101与旋转驱动轴10的连接点设为C点，旋转驱动轴10与角度天平12的连接点为D，以50毫米力臂为例，即OB=50毫米，BC=60毫米，B点做两个运动，分别是绕线OO’做的转动运动和绕轴线CD做的转动运动，并通过角度天平12和测力天平13获取旋转驱动轴10的实时运动姿态，上述两个方向上的运动产生的位移差只有0.021毫米，可见差量很小，该量即使由纯粹刚性机构的弹性变形也很容易实现，在机构设计中可以忽略。两者之间相对变化较大的是转动，相当于杠杆绕十字铰链柔性结构101有一个1.5度的转动，而该角度的实现就是由十字铰链柔性结构101的弹性变形实现的。
[0043] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
