飛行模擬器操縱加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

王 輝，莫 凡

（中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

飛行員對(duì)飛機(jī)飛行動(dòng)作的操縱主要是通過(guò)駕駛室內(nèi)的操縱機(jī)構(gòu)（主要指操縱桿、方向盤(pán)、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(dòng)作；方向盤(pán)控制方向舵的橫向偏轉(zhuǎn)以控制飛機(jī)的偏航動(dòng)作；腳踏板控制副翼的縱向偏轉(zhuǎn)以控制飛機(jī)的橫滾動(dòng)作［1－2］。舵面通過(guò)擾動(dòng)流過(guò)其表面的氣流來(lái)發(fā)揮作用，當(dāng)舵面偏轉(zhuǎn)時(shí)，氣流會(huì)同樣給舵面一個(gè)反作用力，這個(gè)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?。?］。在飛行模擬器中，操縱加載機(jī)構(gòu)用來(lái)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(duì)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(duì)其動(dòng)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(dòng)作（操縱桿的偏轉(zhuǎn)、方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)、腳踏板的踩踏）均可通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)。

當(dāng)駕駛機(jī)構(gòu)的動(dòng)作導(dǎo)致導(dǎo)桿向左移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)左側(cè)彈簧的右端面，使其壓縮，此時(shí)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(shí)，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(shí)，飛行模擬器的控制系統(tǒng)對(duì)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(dòng)螺母右移，螺母帶動(dòng)外殼1、外殼2右移，此時(shí)外殼1推動(dòng)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(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)程中，操縱桿前后偏轉(zhuǎn)的力臂較長(zhǎng)，故俯仰操縱的動(dòng)作行程和折算到加載機(jī)構(gòu)上的操縱力是最大的，對(duì)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(duì)其進(jìn)行動(dòng)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(duì)直線加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對(duì)操縱桿以及相關(guān)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境下，對(duì)加載機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(guò)程旨在驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)和加載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可行性，故對(duì)主動(dòng)部件（操縱桿）施加力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真，得到相關(guān)從動(dòng)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(duì)操縱桿的動(dòng)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(shí)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(duì)施加于操縱桿手柄的力的變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(shí)刻為10.5N，之后均勻增加，到1.5s時(shí)為98N，此過(guò)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(shí)之后均勻減小，到3s時(shí)減為98－87.5＝10.5N，此過(guò)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(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)和相關(guān)動(dòng)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(shí)間曲線

圖4 各運(yùn)動(dòng)副的力—時(shí)間曲線

此過(guò)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(duì)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(guò)程進(jìn)行了介紹，并對(duì)其進(jìn)行了三維建模及動(dòng)力學(xué)仿真分析。在以上動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉和死點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)曲線平滑，表明此機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上具有運(yùn)動(dòng)可行性、合理性，也符合加載機(jī)構(gòu)執(zhí)行所需功能時(shí)的動(dòng)力學(xué)要求。

［1］陳建東.全球民用全飛行模擬器現(xiàn)狀［J］.民航經(jīng)濟(jì)與技術(shù)，1998，49（2）：51－52.

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