王 輝，莫 凡

（中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

飛行員對飛機(jī)飛行動作的操縱主要是通過駕駛室內(nèi)的操縱機(jī)構(gòu)（主要指操縱桿、方向盤、腳踏板）控制機(jī)體上相應(yīng)的舵面（升降舵、方向舵、副翼）實(shí)現(xiàn)的。操縱桿控制升降舵的縱向偏轉(zhuǎn)以控制飛機(jī)的俯仰動作；方向盤控制方向舵的橫向偏轉(zhuǎn)以控制飛機(jī)的偏航動作；腳踏板控制副翼的縱向偏轉(zhuǎn)以控制飛機(jī)的橫滾動作［1－2］。舵面通過擾動流過其表面的氣流來發(fā)揮作用，當(dāng)舵面偏轉(zhuǎn)時，氣流會同樣給舵面一個反作用力，這個反作用力叫做操縱負(fù)荷。操縱負(fù)荷的大小主要由空速以及舵面的偏轉(zhuǎn)程度等因素決定，空速越大，舵面偏轉(zhuǎn)程度越大，操縱負(fù)荷越大；反之，操縱負(fù)荷越小［3］。在飛行模擬器中，操縱加載機(jī)構(gòu)用來提供上述操縱負(fù)荷。操縱負(fù)荷的逼真度是飛行模擬器飛行訓(xùn)練水平的重要參數(shù)之一，對于飛行員的訓(xùn)練質(zhì)量有重要影響［4］。本文提出了一種新型的直線加載機(jī)構(gòu)，并對其動力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。

1 直線加載機(jī)構(gòu)工作原理

本文所述的直線加載機(jī)構(gòu)如圖1所示，操縱機(jī)構(gòu)的動作（操縱桿的偏轉(zhuǎn)、方向盤的轉(zhuǎn)動、腳踏板的踩踏）均可通過相應(yīng)的運(yùn)動轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成直線加載機(jī)構(gòu)中導(dǎo)桿的直線運(yùn)動。

當(dāng)駕駛機(jī)構(gòu)的動作導(dǎo)致導(dǎo)桿向左移動時，導(dǎo)桿帶動左側(cè)彈簧的右端面，使其壓縮，此時左側(cè)彈簧提供操縱負(fù)荷。當(dāng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)中螺母位于如圖1所示位置時，提供的操縱負(fù)荷最小。當(dāng)需要加大操縱負(fù)荷到一定值時，飛行模擬器的控制系統(tǒng)對伺服馬達(dá)發(fā)出指令，使絲杠朝相應(yīng)方向旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角位移，帶動螺母右移，螺母帶動外殼1、外殼2右移，此時外殼1推動左側(cè)彈簧的左端面使其產(chǎn)生相應(yīng)的形變量，從而使導(dǎo)桿輸出的操縱負(fù)荷增加到相應(yīng)值。同理可得導(dǎo)桿右移時機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，不再冗述。

圖1 直線加載機(jī)構(gòu)

2 直線加載機(jī)構(gòu)的三維建模

由于飛機(jī)操縱過程中，操縱桿前后偏轉(zhuǎn)的力臂較長，故俯仰操縱的動作行程和折算到加載機(jī)構(gòu)上的操縱力是最大的，對加載機(jī)構(gòu)要求最高［5－6］，故本文僅以俯仰操縱中該直線加載機(jī)構(gòu)為例對其進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。其中各零件尺寸與性能的設(shè)計(jì)以某型飛行模擬器的操縱特性為依據(jù)，其俯仰操縱的主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 某型飛行模擬器俯仰操縱主要力學(xué)參數(shù)

在UG 8.0建模環(huán)境下，對直線加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對操縱桿以及相關(guān)運(yùn)動轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，得到的俯仰操縱機(jī)構(gòu)三維模型如圖2所示。操縱桿通過一轉(zhuǎn)軸與外界鉸連，其一端為手柄端，另一端與一連桿鉸接；連桿另一端與加載機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿鉸接。操縱桿、連桿、導(dǎo)桿構(gòu)成一種曲柄被限制在小角位移范圍內(nèi)擺動的特殊曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。操縱桿手柄距轉(zhuǎn)軸的距離為850mm，轉(zhuǎn)軸到連桿端距離為100mm，則操縱桿手柄上的力以近似8.5倍放大后施加于加載機(jī)構(gòu)的導(dǎo)桿上。

3 直線加載機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真

將上述建模結(jié)果從UG 8.0建模環(huán)境中導(dǎo)入到UG 8.0動力學(xué)仿真環(huán)境下，對加載機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。

圖2 俯仰操縱機(jī)構(gòu)三維模型

此仿真過程旨在驗(yàn)證運(yùn)動轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)和加載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動可行性，故對主動部件（操縱桿）施加力驅(qū)動進(jìn)行仿真，得到相關(guān)從動部件的位移和力的結(jié)果。在操縱桿手柄上施力，模擬飛行員對操縱桿的動作，使操縱桿朝某一方向偏轉(zhuǎn)一定角度，再回原位。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，計(jì)算確定的彈簧性能參數(shù)如表2所示。彈簧初始安置空間尺寸設(shè)計(jì)確定彈簧的預(yù)緊力以保證操縱桿偏轉(zhuǎn)初始時刻的最小操縱負(fù)荷10.5N，操縱負(fù)荷隨操縱桿偏轉(zhuǎn)角度的增大而逐漸增大，故施加在手柄上的力也要逐漸增大。使用STEP函數(shù)對施加于操縱桿手柄的力的變化進(jìn)行驅(qū)動，設(shè)置STEP函數(shù)為：

此設(shè)置表示施加在手柄上的操縱力在0時刻為10.5N，之后均勻增加，到1.5s時為98N，此過程操縱桿偏轉(zhuǎn)角度將逐漸增大；施加在手柄上的操縱力自1.5s時之后均勻減小，到3s時減為98－87.5＝10.5N，此過程操縱桿偏轉(zhuǎn)角度將逐漸減小直至回歸原位。提交系統(tǒng)進(jìn)行解算，生成運(yùn)動仿真動畫和相關(guān)動力學(xué)曲線圖，如圖3、圖4所示。

表2 彈簧參數(shù)

圖3 各標(biāo)記點(diǎn)的位移—時間曲線

圖4 各運(yùn)動副的力—時間曲線

此過程中，操縱桿最大偏轉(zhuǎn)角為16.34°，可滿足設(shè)計(jì)要求15°的最大偏轉(zhuǎn)；另外，彈簧受到的最大壓力為926.7N，符合該尺寸彈簧的選型要求。

4 結(jié)論

本文對某種新型飛行模擬器操縱負(fù)荷直線加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作過程進(jìn)行了介紹，并對其進(jìn)行了三維建模及動力學(xué)仿真分析。在以上動力學(xué)仿真過程中，機(jī)構(gòu)運(yùn)動無干涉和死點(diǎn)，運(yùn)動曲線平滑，表明此機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上具有運(yùn)動可行性、合理性，也符合加載機(jī)構(gòu)執(zhí)行所需功能時的動力學(xué)要求。

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