采用平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的風(fēng)洞模型支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計

甘小明，陳萬華，虞擇斌，韓洪偉

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

Design of Sting Model Support in Wind Tunnel Using Planar Double Enveloping Worm

GAN Xiaoming，CHEN Wanhua，YU Zebin，HAN Hongwei

(China Aerodynamic Research and Development Center，Mianyang 621000，China)

摘要：風(fēng)洞是研究航空航天飛行器的基礎(chǔ)性關(guān)鍵性地面設(shè)備，模型支撐系統(tǒng)是風(fēng)洞的關(guān)鍵部件，其運動精度和動態(tài)特性直接影響風(fēng)洞試驗精度。采用平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿作為模型支撐系統(tǒng)的傳動部件，對模型支撐系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，并將計算結(jié)果運用在設(shè)計中。模型支撐系統(tǒng)實際運行結(jié)果表明，各項設(shè)計指標(biāo)滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：二次包絡(luò)；風(fēng)洞；模型支撐機(jī)構(gòu)

中圖分類號：TH132

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)07-0028-03

收稿日期：2015-01-15

作者簡介：甘小明(1971-)，男，四川鄰水人，副研究員，碩士，主要從事航空航天地面模擬設(shè)備設(shè)計。

Abstract：Wind tunnels are the basic and key facilities in developing aircraft for aviation and spaceflight. Model support mechanism are the key part in wind tunnels, because the motion precision and dynamic characteristics directly affect the precision of the wind tunnel test. The transmission of the sting model support uses a planar double enveloping worm. Finite element analysis and optimizing is conducted on the sting model support. Tests running the sting model support show the design is successful.

Key words：double enveloping；wind tunnel； model support mechanism

0引言

風(fēng)洞是研究航空航天飛行器氣動力氣動熱的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性地面設(shè)備[1]。風(fēng)洞模型支撐系統(tǒng)是風(fēng)洞的關(guān)鍵部件，要求其抗沖擊和承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好及傳動精度高。采用普通傳動機(jī)構(gòu)難以滿足上述要求；平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副具有傳動精度高、承載能力強(qiáng)、效率高和壽命長的優(yōu)點[2-5]，是模型支撐系統(tǒng)理想的傳動機(jī)構(gòu)。

1平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿成型機(jī)理

平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副是經(jīng)過二次包絡(luò)運動所形成的運動副，如圖1所示。第1次包絡(luò)是以特定齒面的蝸輪作為產(chǎn)形輪，與被加工的蝸桿齒面嚙合，圍繞假想的基圓錐以角速度ω0繞軸線回轉(zhuǎn)，同時被加工蝸桿繞自身軸線以角速度ω1回轉(zhuǎn)，以此進(jìn)行包絡(luò)展成環(huán)面蝸桿的過程；第2次包絡(luò)是以包絡(luò)環(huán)面蝸桿為產(chǎn)形輪(蝸輪滾刀)，按照相同的傳動比和中心距，包絡(luò)展成新的蝸輪齒面過程。包絡(luò)環(huán)面蝸桿與其展成的蝸輪構(gòu)成的傳動副，稱為平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動副。

圖1　平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副

平面二次包絡(luò)蝸桿傳動與一般的蝸輪蝸桿傳動相比，具有以下優(yōu)點：蝸輪蝸桿副同時接觸的齒數(shù)多，且為雙線接觸；蝸輪蝸桿副瞬時接觸線與相對滑動速度夾角大，接近70°～90°，易于形成潤滑油膜，潤滑條件好，齒面抗磨損能力強(qiáng)；瞬時接觸線法向誘導(dǎo)法曲率小，齒面接觸應(yīng)力小，傳動的承載能力大，抗膠合能力強(qiáng)[6-9]。

2風(fēng)洞模型支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1　模型支撐機(jī)構(gòu)方案

模型支撐機(jī)構(gòu)采用全彎刀結(jié)構(gòu)形式，屬于尾支撐布局。彎刀機(jī)構(gòu)是目前航空航天飛行器試驗應(yīng)用最為廣泛的支撐形式，主要用于調(diào)整試驗用飛行器的攻角，常稱為迎角機(jī)構(gòu)或α機(jī)構(gòu)。應(yīng)用彎刀機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗具有以下優(yōu)點：

a.支撐機(jī)構(gòu)位于模型下游，對模型表面的氣流流動影響較小，測量數(shù)據(jù)較其他支撐方式更為準(zhǔn)確。

b.彎刀機(jī)構(gòu)運動鏈簡單且為通用支撐機(jī)構(gòu)，運行精度高，試驗?zāi)芰?qiáng)。

c.彎刀支板呈弧形，機(jī)構(gòu)運行到攻角范圍內(nèi)的任意角度對氣流的影響基本相同，試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性好。

模型支撐機(jī)構(gòu)主要由全彎刀支板、導(dǎo)軌座、滑塊座、伺服電機(jī)、圓弧導(dǎo)軌副及平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副組成，如圖2所示?；瑝K座與彎刀支板通過螺栓和銷連接，圓弧導(dǎo)軌副分別安裝在滑塊座和導(dǎo)軌座上。整個模型支撐機(jī)構(gòu)安裝在支架段駐室內(nèi)上下平臺上。

圖2　模型支撐機(jī)構(gòu)組成

2.2　迎角機(jī)構(gòu)運動原理

迎角機(jī)構(gòu)運動鏈為：彎刀支板→蝸輪蝸桿→減速機(jī)→伺服電機(jī)。即伺服電機(jī)帶動減速機(jī)驅(qū)動平面二次包絡(luò)蝸輪蝸桿運動，蝸輪蝸桿帶動彎刀支板沿著圓弧導(dǎo)軌繞模型旋轉(zhuǎn)中心作圓弧運動，從而改變模型的攻角。采用該布局具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動鏈簡單、承載能力強(qiáng)和運行精度高的優(yōu)點。

3驅(qū)動機(jī)構(gòu)選型計算

3.1　負(fù)載力矩計算

根據(jù)彎刀機(jī)構(gòu)在0°攻角及上下極限位置的重心位置(坐標(biāo)原點位于旋轉(zhuǎn)中心，如圖3所示)，并按照下述公式，計算出最大驅(qū)動力矩，以確定蝸輪蝸桿輸入輸出力矩。

圖3彎刀支板在運動范圍內(nèi)的重心位置

轉(zhuǎn)動慣量為：J=m·I2加速力矩為：Ta+J·a慣性力矩為：TG=G·z總力矩為：T0=Ta+TgI為轉(zhuǎn)動半徑;y，z為坐標(biāo)值;J為轉(zhuǎn)動慣量；m為彎刀支板質(zhì)量;Ta為加速力矩;a為加速度;Tg為慣性力矩;G為重力加速度;T0為總力矩。

蝸輪實際輸出力矩為T2w=Mz+T0，其中蝸桿輸出轉(zhuǎn)矩為T2≥T2w·KA·K1。

通過上式計算出蝸桿輸入轉(zhuǎn)矩為41.6 N·m，蝸桿材料選用40CrNi鍛，直徑為110 mm，蝸輪材料選用ZCuSn10Pb1，按照參考文獻(xiàn)[10]中相關(guān)公式，對蝸桿受力分析和強(qiáng)度計算，結(jié)果表明所設(shè)計的蝸桿副滿足強(qiáng)度要求。

3.2　平面二次包絡(luò)蝸輪蝸桿主要參數(shù)

根據(jù)模型支撐機(jī)構(gòu)傳動的中心距、傳動比(由模型支撐機(jī)構(gòu)的運行速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速及減速機(jī)減速比確定)，可以確定蝸輪齒數(shù)及蝸桿頭數(shù)。蝸輪蝸桿具體參數(shù)如表1所示。

表1蝸輪蝸桿傳動主要參數(shù)

蝸桿頭數(shù)蝸輪齒數(shù)蝸輪端面模數(shù)/mm分度圓壓力角/(°)蝸桿包圍蝸輪齒數(shù)蝸輪齒寬/mm傳動比齒頂隙13007.62.56603001.5

4彎刀支板有限元計算

目前，有限元分析已成為解決工程實際問題的一種最有效的方法，通過有限元分析可以校核結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變及探知結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。因此，對模型支撐機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件——全彎刀支板進(jìn)行有限元分析，可計算其在氣動載荷及重力作用下的應(yīng)力應(yīng)變；對其模態(tài)分析，可計算出各階頻率及振型。通過對彎刀支板建立有限元模型，施加載荷和確定邊界條件，對其進(jìn)行靜力和模態(tài)分析，計算結(jié)果如圖4～圖6及表2所示。

圖4　應(yīng)力云圖

圖5　變形云圖

圖6　前4階振型云圖

表2　前6階振型頻率　　Hz

通過圖4～圖6及表2可知，彎刀支板的最大應(yīng)力為245 MPa，位于彎刀支板前端與模型相連處，彎刀支板選用30CrMnSiA鍛材料，應(yīng)力小于其許用應(yīng)力；最大變形為0.89 mm，位于彎刀支板末端，變形量不影響模型支撐機(jī)構(gòu)的運行精度。由前6階振型及振動頻率計算結(jié)果可知，彎刀支板振型以整體扭轉(zhuǎn)為主，頻率與風(fēng)洞內(nèi)的氣流激勵頻率相差超過20%，不會發(fā)生共振。

5結(jié)束語

在模型支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計中，采用承載能力強(qiáng)、運行精度高的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副作為傳動機(jī)構(gòu)，并對模型支撐系統(tǒng)中的彎刀支板進(jìn)行有限元分析，得到了彎刀支板的應(yīng)力應(yīng)變及模態(tài)結(jié)果。模型支撐機(jī)構(gòu)實際運行情況和型號試驗表明，模型支撐機(jī)構(gòu)的各項技術(shù)指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。

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