Стенд нагрузочный для испытания рулевых приводов аэродинамических поверхностей летательного аппарата Российский патент 2023 года по МПК G01N3/20 G01M9/00 G01M5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области рулевых приводов летательных аппаратов и может быть использовано для испытаний рулевых приводов (РП) с целью имитации нагрузок, действующих со стороны аэродинамической поверхности.

Уровень техники

Известен «Узел нагружения» (см. патент RU 119827 U1, F15B 15/26, опубликован 27.08.2012), выбранный в качестве прототипа.

Узел нагружения предназначен для создания нагрузок при испытаниях рулевых машин. Он содержит корпус, шток, пружины, крышки, эластичные кольца, поджимаемые регулирующими натяг упорами, упоры в средней части на корпусе и на штоке, равные по ширине, и снабжен имитатором регулируемой нагрузки, выполненным в виде плавающих поршней остановленных на средние упоры на корпусе и на штоке, при этом пружины одним торцом опираются на плавающие поршни, другим торцом опираются на крышки, а в полости корпуса под плавающие поршни подведен воздух под давлением.

Узел нагружения работает следующим образом. К штоку узла нагружения стыкуется шток рулевой машины, при среднем положении их штоков. При этом узел нагружения и рулевая машина закреплены на неподвижном кронштейне. При действии силы от рулевой машины шток узла нагружения втягивается, при этом упор на штоке действует на плавающий поршень, который преодолевает усилие пружины, а также усилие, возникающее на поршне от давления воздуха. При обратном ходе штока, плавающий поршень опирается на упор корпуса, а шток преодолевает усилие от противоположной пружины и давление воздуха под противоположным плавающим поршнем. Задавая разные давления воздуха, подаваемые в полости под плавающими поршнями можно получить разные нагрузки на штоке рулевой машины.

Недостатки прототипа:

- нелинейность нагрузочной характеристики узла, связанная с политропными процессами в воздухе под поршнями, при этом показатель политропы существенно меняется в зависимости от скорости перемещения штока;

- узел способен создавать только компенсирующие (возвращающие в нейтральное положение) нагрузки;

- наличие трения между уплотнениями поршней и штока, которое зависит от давления уплотняемого воздуха, от шероховатости уплотняемых поверхностей, от наличия и состояния смазки, от старения эластомерного материала уплотнений;

- при испытании РП, выходное звено которого является вращательным, данный узел будет создавать паразитные нагрузки на вал привода, которые могут исказить результаты испытаний;

- необходимость иметь оборудование для подготовки и подачи сжатого воздуха, регулирования его давления.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат, который устраняет указанные выше недостатки, заключается в использовании для нагружения вала РП двух зеркально-симметричных четырехзвенных плоских рычажных механизмов и упругих элементов (торсионов), при этом зеркальность обеспечивает компенсацию сил, действующих на вал привода со стороны нагружающего механизма. Все шарниры могут быть выполнены в виде подшипников качения, что позволит минимизировать влияние трения на получаемые характеристики испытываемого привода. Торсионы, при помощи рычагов закрепленных на неподвижных концах торсионов и регулируемой тяги, могут быть закручены с неким предварительным моментом, при этом в зависимости от направления и величины предварительной закрутки торсионов может быть обеспечен, как компенсирующий (стремящийся вернуть привод в нейтральное положение) шарнирный момент с различным градиентом, так и перекомпенсирующий (стремящийся вывести привод из нейтрального положения).

Минимальное отклонение нагрузочной характеристики от линейности обеспечивается подбором кинематических параметров механизма и жесткости торсионов.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 показана кинематическая схема стенда. Она включает в себя раму 1, имитатор аэродинамической поверхности 2, который устанавливается на выходном валу РП и имитирует момент инерции аэродинамической поверхности, две серьги 3, подвижные рычаги торсионов 4, торсионы 5, неподвижные рычаги торсионов 6, регулируемую тягу 7.

На Фиг. 2 показана кинематическая схема стенда (без торсионов 5, рычагов 6 и тяги 7) в нейтральном и отклоненном положении и даны обозначения кинематических параметров механизма.

Осуществление изобретения

Стенд работает следующим образом.

Торсионы 5, при помощи рычагов 6 и регулируемой тяги 7, закручены с предварительным моментом , который через рычаги 4 создает усилия на серьги 3, при этом если усилие растягивает серьгу, то стенд создает компенсирующую нагрузку, если сжимает ее, то – перекомпенсирующую. В нейтральном положении линия действия сил проходит через ось привода и момент, действующий на привод со стороны стенда, равен нулю.

При повороте вала РП вместе с имитатором 2 в любую сторону от нейтрального положения серьга 3 так же поворачивается и между осью привода и линией действия силы появляется плечо, таким образом, на привод со стороны стенда начинает действовать момент.

Определим соотношение кинематических параметров механизма и жесткости торсионов, при котором обеспечивается минимальное отклонение нагрузочной характеристики от линейности.

Угол отклонения имитатора 2, как правило, не превышает , в связи с чем, при длине серьги 3 и длине рычага 4 , угол отклонения рычагов 4 не превышает , а вертикальные перемещения шарниров соединяющих серьги 3 и рычаги 4 менее от длины рычага 4, что позволяет пренебречь этим перемещением при расчетах.

Приведенный к валу РП момент торсионов определим из равенства работ на элементарных приращениях углов отклонения имитаторов 2 и рычагов 4:

,

Где – крутильная жесткость торсиона.

Тогда:

.

Зависимость определим следующим образом:

.

С учетом малости углов , угол определим следующим образом:

.

Тогда:

;

.

Представим данные зависимости через разложение в ряд Маклорена, при этом степени с показателем более 3 исключаем ввиду их малости:

;

.

Тогда:

.

Слагаемое, содержащее , исключаем ввиду его малости, тогда:

.

Обратим внимание, что выражение приведенного момента торсионов содержит линейную составляющую и два слагаемых содержащих , при этом эти слагаемые имеют противоположный знак. Таким образом, возможно выразить величину угловой жесткости торсионов , которая обеспечит минимально возможное отклонение нагрузочной характеристики стенда от линейности:

.

Тогда нагрузочная характеристика стенда определяется выражением:

,

Где К - тангенс угла наклона нагрузочной характеристики (градиент шарнирного момента), который зависит только от момента предварительной закрутки торсионов:

.

Изобретение относится к области рулевых приводов летательных аппаратов и может быть использовано для испытаний рулевых приводов с целью имитации нагрузок, действующих со стороны аэродинамической поверхности. Стенд содержит два зеркально-симметричных четырехзвенных плоских рычажных механизма и упругие элементы – торсионы для нагружения вала рулевого привода. При этом зеркальность обеспечивает компенсацию сил, действующих на вал привода со стороны нагружающего механизма. Торсионы при помощи рычагов, закрепленных на неподвижных концах торсионов, и регулируемой тяги могут быть закручены с предварительным моментом. В зависимости от направления и величины предварительной закрутки торсионов может быть обеспечен как компенсирующий (т.е. стремящийся вернуть привод в нейтральное положение) шарнирный момент с различным градиентом, так и перекомпенсирующий (стремящийся вывести привод из нейтрального положения). Достигается повышение точности испытаний. 2 ил.

Стенд нагрузочный для испытания рулевых приводов летательного аппарата, содержащий раму, имитатор аэродинамической поверхности, серьги, торсионы с подвижными и неподвижными рычагами, регулируемую тягу, отличающийся тем, что стенд содержит только механическую систему, представляющую собой два зеркально-симметричных четырехзвенных плоских рычажных механизма и два торсиона с механизмом предварительной закрутки, с возможностью имитации различных аэродинамических шарнирных моментов и градиентов шарнирного момента.