飞机模拟器方向舵双人联动结构设计

飞机模拟器方向舵双人联动结构设计三自由度复合运动机构Double Linkage Structure of Aircraft Simulator RudderTriple DOF Complex Motion Mechanism摘要 方向舵是用来修正飞机航向和小角度转向，采用复合运动机构来控制方向舵的偏转从而使飞机完成航向的调转。复合运动机构已经成为现代机械传动结构中最基本的机构形式。根据企业对飞机模拟器方向舵控制机构产品运动机构的要求，写出需求分析，从而根据需求分析，进行机械结构和运动形式设计。完善飞机方向舵联动结构，使飞行人员在训练过程中更利于掌控方向舵的偏转，完成飞机航向调整。“关键词” 飞机方向舵 联动结构 复合运动 ABSTRACTThe rudder is used to modify the aircraft small-angle heading , using complex motion mechanism to control the rudder deflection mechanism so that the aircraft turned around to complete the course. Complex motion mechanism has become the most basic institutions form in modern structure . According to the requirements of business for aircraft simulator product movement mechanism rudder control mechanism , writing analysis of requirement, then,we design mechanical structures and form of motion . Improving the aircraft rudder linkage structure, which is helpful to pilot controlling the rudder deflection more conveniently during the training process , and completing airplane heading adjustment.“Key Words” Aircraft Simulator Rudder Linkage Structure Complex Motion Mechanism绪论 复合运动机构已经成为现代机械传动结构中最基本的机构形式。其中，双自由度复合运动机构是复合机构的设计基础。 本设计以具有双自由度复合运动要求的某型飞机模拟训练器方向舵机构为设计原型，根据对机构的使用要求，对其运动形式进行分析，通过方向舵机构运动机构进行改进，完成整体结构产品的设计。 本课题以具有双自由度复合运动要求的方向舵机构为设计原型，以用户对产品的功能要求为设计依据，参考市场上已有的产品，通过改进设计，实现结构布局和非电量（位移量）的电测量（电压），最后完成操纵过程的单项控制。通过本课题设计，实现双自由度的设计结构同时，为多自由度的结构设计打下基础，对学生培养分析与解决实际问题的能力，增强科研意识打下基础。主要研究内容：1) 根据现代机械传动技术的应用状况，产品可靠性的工作要求，以及企业对飞机模拟器方向舵控制机构产品运动机构的要求。根据“双联控制双自由度复合运动”的基本构想，完成某型飞机模拟训练器方向舵控制装置结构的仿真设计。2）根据企业对飞机模拟器方向舵控制机构产品运动机构的要求，写出需求分析，根据需求分析，进行机械结构和运动形式设计。3）根据企业对飞机模拟器方向舵控制机构产品电信号测量的要求，进行机械结构和运动形式以及电测量形式的选择设计。4）利用相关的设计软件，绘图软件分别绘出总体结构图，零部件图，装配图以及写出设计说明书。参与实现和加工实物产品。 目录第1章 概述，第2章 用户需求， 2.1 外形， 2.2 功能， 2.3 位移测量， 2.4 力感，第3章 设计思路，第4章 设计图纸，第5章 说明书，第6章 设计感想，17正文1.概述自由度是构件相对于参考系的独立运动，多个构件则组成了机构，构件之间通过一定的组合方式连接，使其能产生硬顶的相互运动。当两个构件通过一定方式直接接触时或点或线或面的方式，且能发生相对运动的连接称为运动副。而运动副中的构件的独立运动受到约束，自由度也就受到变化。 飞机模拟器方向舵双人联动结构是一种复合运动机构，现代机械传动结构中最基本的机构形式就是复合运动机构。其中，双自由度复合运动机构是复合机构的设计基础。此次设计以具有双自由度复合运动要求的某型飞机模拟训练器方向舵机构为设计原型，根据对机构的使用要求，对其运动形式进行分析，通过方向舵机构运动机构进行改进，完成整体结构产品的设计。 方向舵是用来修正飞机航向和小角度转向。飞机方向舵安装在垂直尾翼上，多数用于角度较小的转向。早在从两次世界大战到二十一世纪的“黄金时期”，方向舵的操作由驾驶员用脚底的两块踏板实现；而如今采用复合运动机构来控制方向舵的偏转从而使飞机完成航向的调转。现代机械传动结构在机械工程中应用非常广泛，主要是指利用机械方式传递动力和运动的传动。分为两类：一是靠机件间的摩擦力传递动力与摩擦传动，二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动。 作为现代传动技术的基础的基础产品、如机械传动产品、轴承及液压、气动、液力传动产品等在国民经济和国防建设中的地位和作用十分重要。 近年来，国外传动技术由于广泛应用了高新技术成果，如微电子技术，计算机技术，传感技术，现代控制技术，先进制造技术，摩擦磨损技术及新材料等，使基础产品在水平、品种及扩展应用领域方面都有很大提高和发展，其主要发展趋势如下。1.1.1液压传动与控制技术节省能耗，提高效率广泛应用负荷传感系统，它具有流量适应控制和负载压力自动补偿功能，效率可提高30%以上。用AC电机或变频电机驱动定量泵由其组成的系统可提高效率最高达50%。发展机电一体化元件和系统如电子控制变量泵（即用电子系统控制泵的各种变量型式）。发展具有比例阀的耐污染和伺服阀高精度、高频响的直动型电液控制阀。发展内置电子系统的电液伺服比例元件、电磁阀、液压定位油缸等。重视环保采取措施降低泵的噪声和液压系统渗漏，重视系统的污染控制，保证系统工作可靠性和寿命。适应主机机电一体化的需要发展小型化、轻量化、复合化元件，发展集成化元件和系统，以减少配管和压力损失，节省空间，便于维修。应用现代控制技术，提高电液压自动控制系统的性能如自适应控制、鲁棒控制，模糊控制等。大力发展水压系统和元件，扩大其应用领域。1.1.2气动传动与控制技术向轻量化、小型化和低能耗方向发展如发展适应电子器件和药品生产的超小型气阀。国外小型电磁气阀能耗仅为0.5W，发展积木式气源处理装置，减小尺寸、便于维护。执行元件多样化发展伺服气缸，带控制元件和系统的组合式气缸。适应用户需要，发展除圆形外的米字型、方型、紧凑型气缸。与电子技术结合发展气动伺服系统，智能化元件、阀岛及总线连接系统。向高速、高频、高寿命和高可靠性方向发展1.1.3运动系统和元件（轴承，滚珠丝杠等）轴承在总体水平提高的基础上，向三高方向发展，即高速度、高精度、高性能方向发展。1.2.1现状和差距我国基础产品工业已形成门类齐全、有一定生产能力和技术水平的生产科研体系。尤其是近十年来基础产品工业得到国家支持，装备水平有所提高，目前已能生产品种规格齐全的产品，已能为汽车、工程机械、农业机械、机床、塑机、冶金矿山、发电设备、石油化工、铁路、船舶、港口、轻工、电子、医药以及国防工业提供品种基本齐全的产品。通过科研攻关和产学研结合，在液压伺服比例系统和元件、气动控制系统、大功率调速型液力偶合器、高速齿轮、汽车和铁路轴承、精密主轴轴承等方面有所突破，不少成果已用于生产。在产品CAD和CAT、仿真技术、自动控制理论应用、齿轮及轴承降噪、海水及水压传动等方面已取得可喜的进展，并得到广泛应用。1.2.2产品性能低、可靠性差除行业重点厂外，大部分工厂由于管理水平低，装备落后，产品寿命和可靠性较差。国产柱塞泵、电磁阀以及气动元件寿命低于国外水平，铁路轴承寿命约为100万km，为国外的1/2，重载高速齿轮寿命也低于国外同类产品水平。国产电液比例阀和伺服阀虽然在动态及静态性能方面与国外相当，但寿命和可靠性与国外有差距。1.2.3产品创新和自我开发能力弱，自行设计水平低产品CAD和CAT技术应用尚处于低水平阶段。仿真、优化设计应用尚不普遍。尚未建立完整的、适用的有关轴承、齿轮、液压、气动元件和系统的数据库。产品设计还处在经验设计和静力学设计阶段；有限元设计、模拟仿真设计和可靠性设计尚未得到广泛采用。 完善飞机模拟器方向舵联动结构设计，使飞行人员在训练过程中更利于掌控方向舵的偏转，使其掌握飞行驾驶技术。在训练用飞行模拟器上，人们在地面就可以操纵飞行器，其方法与在实际飞行器上完全一样，并能体验到飞行器在空中飞行时各种感觉。因此，不用开真正的飞机通过空中飞行来学习驾驶技术，节约培养飞行员的成本。 2. 用户需求 根据企业对飞机模拟器方向舵控制机构产品运动机构的要求，写出需求分析，根据需求分析，进行机械结构和运动形式设计。同时根据企业对飞机模拟器方向舵控制机构产品电信号测量的要求，进行机械结构和运动形式以及电测量形式的选择设计。 参考市场上已有的产品，以具有双自由度复合运动要求的方向舵机构为设计原型，结合用户对产品的功能要求为设计依据，诸多方面的考量，通过改进设计，实现结构布局和非电量（位移量）的电测量（电压），最后完成操纵过程的单项控制。 2.1外形市场上的产品原型如图2.1所示，是一款双人联动结构的飞机模拟器方向舵的传动装置。本次所设计的联动结构实在这市场产品原型基础上多增加一个自由度的构件，使飞行驾驶员在驾驶操作过程中更加方便调转飞机航行方向。 图2.1 市场产品原型 在市场已有产品的基础上增加另一个自由度之后，所设计的产品侧视图如图2.2所示。在原有的脚踏管上通过轴承焊接一薄片从而连接新安装的脚踏管，再安装一个位移测量器，测量新安装的脚踏管的运动角度。 2.2功能 表2.2.1 联动结构中主要零件零件材质规格数量备注形状尺寸 单位（mm）脚踏管45#钢圆管 23.6*108 壁厚2.54表面镀锌处理限位块120#钢方管19.2*19.2*34.2 壁厚1.52表面静电喷涂运动横梁19.2*19.2*118壁厚1.52运动纵梁19.2*19.2*162.9壁厚1.52联动横杆19.2*19.2*175壁厚1.51传动竖杆19.2*19.2*115壁厚1.51转动支架50.4*50.4*100.2壁厚2.51限位块219.2*19.2*50.20壁厚1.51底座扁管32*42.4*312壁厚 2.5以下，对各零件在本联动结构中的功能做细述。脚踏管 当飞行驾驶员需要对飞机航向进行调整时，将脚置于脚踏管上，施加 外力，联动结构便可开始工作，调整航向。限位块 就是限制位置的“铁块”，用螺钉将限位块固定在联动结构相关部位， 控制行程的，采用固定式，由图可以清楚地得知，产品三处的限位 块，分别限制在运动纵梁上的脚踏管的位置，防止脚踏管在外力的 作用下，发生相对运动。另一处的限位块安装在运动下横梁的下方，除了上述作用之外，同时通过螺钉连接传动竖轴。 底座 联动结构最下方的一个部件，它直接与底板接触，把支架的支撑力传递到底板。U型支架 U型支架是通过焊接方式直接安装在底座上的，起支撑作用的构架。转动支架安装在U 型支架中间，通过螺钉连接并锁死，使转动支架与底座所在平面呈35度倾斜角。转动支架 同样起支撑的作用，作为联动结构中运动平面的支承面。运动横梁 通过螺钉安装在转动支架上。并且在转动支架中嵌入两个轴承，同时安装一个位移测量计。传动竖杆 将运动轴运动过程中的能量、力传递到联动横杆。联动横杆 连接另一个飞机模拟器方向舵的联动结构，接收传动竖杆传递的能 量与力，将其传动到与方向舵连接的轴上与另一个联动结构，使另 一个联动结构做出相应运动。弹簧 控制机械的运动，控制运动横梁的运动过程；吸收振动和冲击能量； 储存及输出能量作为动力；联动结构利用弹簧的复位功能可以复 位。吊环螺钉 提供安装弹簧的地方，使联动结构能正常运动。螺钉 用于固定构件的相对位置。把螺钉旋入待紧定的零件的螺孔中，以 其末端紧压在另一零件的表面上，即把前一零件固定在后一零件 上。螺母 与螺栓或螺杆拧在一起用来起紧固作用的零件。垫片 垫在被连接件与螺母之间的零件。形状为扁平形的金属环。增加被联接件的支撑面积以减小接触处的压强和避免拧紧螺母时擦伤被联接件的表面。用来保护被连接件的表面不受螺母擦伤，分散螺母对被连接件的压力。位移测量计 测量联动结构运动过程中所发生的角位移和线位移。运动梁 联动结构中运动的主要构件。 2.3位移测量 位移测量是线位移和角位移的统称。测位移的装置有多种，不同原理的测量装置精度和价格以及适用范围不同。有电阻式，电容式，电感式，光电式，超声波式等等。把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。电阻式位移计适用于布设在混凝土结构物或其它材料结构物内及表面，测量结构物伸缩缝或周边缝的开合度(变形)，亦可用于测量土坝、土堤、边坡、桥梁等结构物的位移、沉陷、应变、滑移等。电阻式传感器具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。 电位器式传感器是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为和它 成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。 成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。应变片式传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 当被测结构物发生变形时，带动位移计测杆产生位移，通过转换机构传递给滑动式电阻器，滑动式电阻器将位移物理量转变为电信号量，经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物位移的变化量。 考量到电阻式位移传感器的优点及安装特性，因此我选择它作为联动结构中的位移测量器。 2.4力感力是无形的，所谓力感，其实是一种机械表现出的反作用力。在设计过程中如何让驾驶员在飞行过程中确切的感受到自己操作时所使用力的大小，因此，我们需要增加能感受到的装置。在此，我引入弹簧这一装置，可是驾驶员更为直观地感受力。弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。按受力性质，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧，螺旋弹簧即扭转弹簧，是承受扭转变形的弹簧，它的工作部分也是密绕成螺旋形。大多数材料都有不同程度的弹性，如果将其弯曲，便会以很大的力量恢复其原形。将弹簧安装在机械上，利用其弯曲回弹性，如纺织机、车床、钻机、磨面机和锯。操作者用手或脚踏板给出下压冲程，将工作机械往下拉，这时用绳索固定在机械上的一根杆弹回，产生往复运动。弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件，弹簧在受载时能产生较大的弹性变形，把机械功或动能转化为变形能，而卸载后弹簧的变形消失并回复原状，将变形能转化为机械功或动能。弹簧的作用不仅体现在力感上，在设计过程中还充分利用了弹簧的其他功能。控制机械的运动，控制运动横梁的运动过程。吸收振动和冲击能量，在驾驶员操作过程中避免了一定的从脚踏管传递过来的能量。储存及输出能量作为动力，反过来说弹簧又一定程度上存储了之前的冲击能量，为传动机构的运动提供了能量。复位功能 弹簧在外力作用下发生形变，撤去外力后，弹簧就能恢复状态。很多工具和设备都是利用弹簧这一性质来复位的。此联动结构的复位也是利用了弹簧的复位功能。当驾驶员撤去外力时，即脚踏管不再传递驾驶员的外力时，联动结构则可以复位。对飞机的航向单次调整结束。 3.设计思路 根据国内市场需求，依靠科技进步，不断调整产品结构。对适销对路产品要不断提高产品质量，增加品种规格和发展变型产品；对一些市场急需、国内尚不能供应的产品，不断创新，本着效益第一的原则来设计产品。针对产品品种发展和保证产品质量的需求，有计划地进行技术改造、设备更新。大力推广新工艺、新材料，提高产品技术含量和降低成本。 飞机模拟器方向舵联动结构这一产品的设计，采用系统化的设计方法。系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。其中具有代表性的是：(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、设计成本控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。 由构思到设计将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的任务要求。 从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，参考已有的市场产品原型，便能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。 4.设计图纸 见附录 5.说明书5.1设备说明 5.1.1 设备用途 产品名为飞机模拟器方向舵双人联动结构，是对飞机模拟器的方向舵进行控制，方向舵的作用是用来修正飞机航向和小角度转向，安装在驾驶舱的传动结构对飞机方向舵操控，从而使驾驶员准确把握飞机的航向。 5.1.2 设备主要技术参数 底座 扁管 32*42.4*312（单位：mm）上焊接一U型支架 转动支架 方管 50.4*50.4*100.2（单位：mm），通过螺钉与螺母的配合 使用，将转动支架安装在U型支架上，支架内部嵌有外径40mm， 内径17mm的轴承两个。转动支架与底座所在平面呈35度倾斜 角。 高度 安装在运动梁上的脚踏管距离底座所在平面高度为198mm，符 合人体正常脚板长度。 注：其余参数见具体设计图纸。 5.1.3 设备安装设备安装时注意调节各地脚的高度使设备保持水平。安装地点应注意设备操作、维护和修理的必要空间。 5.1.4 润滑 设备垫圈螺母处需每周注机油一次，使联动结构保持正常使用，从而保证其控制精度及使用寿命。5.2 操作方法説明结构形式原理 运动横梁与纵梁其简化图如图5.1所示，A、B、C、D四点表示两根运动纵梁与两根运动横梁的接触点，E、F两点是两根运动横梁与转动支架的接触点。脚踏管安装在运动纵梁上，当施加外力时，一边的运动纵梁与脚踏管向下运动，此时的运动梁简化图如图5.2所示。由两幅图可以清楚得知，运动横梁与运动纵梁起始构成的矩形变化成平行四边形，转动的中心不变，都是矩形的中心。 图5.1 运动梁简化图 图5.2 施加外力之后的运动梁简化图 6.设计感想 毕业设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习。 毕业设计给我带来了诸多的收获，使我更加扎实的掌握了cad画图的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，经过老师的悉心指导，结合自己的思考，终于解决了这些问题。但也暴露出了前期我在这设计方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌