38 直升机操纵线系空间连杆机构设计分析-刘诗汉(4).doc

第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机操纵线系空间连杆机构设计分析刘诗汉 曹国廷 马 虎（空军第一航空学院，河南信阳，464000）摘 要： 直升机操纵线系中连杆机构设计的基本问题是要实现输入输出两个旋转运动在空间的线性传递。以CATIA为平台，对两种典型空间连杆机构进行骨架设计和运动模拟，比较了两种方案的运动传递特性。分析指出：含中间转轴的双正交RSSR串联机构能在较大范围内保持输出与输入间的线性关系。适当选择构件尺寸，能使输出与输入相等；而直接连接的单RSSR机构能否保持输出与输入的线性关系由初始条件决定。关键词 空间连杆机构; 操纵线系; 线性; 机构运动模拟; RSSR0 引言直升机操纵系统中大量使用空间连杆机构，其作用是将驾驶杆绕固定轴线的旋转运动转移到空间另一位置，为伺服机构提供输入（伺服机构起放大器作用，产生更大的操纵力和运动距离，以满足执行机构大载荷大行程的要求）。为了使驾驶员正确感受自己的操纵力度和幅度，保证装备良好的操纵性，驾驶杆转动的角度、角速度等的大小在转移的过程中应基本不变或作线性变化。因此，直升机操纵线系中连杆机构设计的基本问题是要实现输入输出两个旋转运动在空间的线性传递。空间连杆机构分析的常用传统方法是解析法1。现代先进的CAD/CAE/CAM软件为研究空间连杆机构设计提供了精确高效的分析工具。本文利用CATIA强大的三维建模、零部件装配和运动模拟功能，对直升机操纵线系中的空间连杆机构进行骨架设计和运动模拟2，详细讨论了两种典型设计方案的运动传递特性3-4，确定了最优方案及其设计原则。1 初始条件及设计要求图1 空间连杆机构设计初始条件空间连杆机构的位置关系如图1所示，图中O点是操纵杆与机架铰接的中心点，以O为原点建立空间直角坐标系，铰链轴沿x方向，则操纵杆以O点为中心，绕x轴转动。T点是输出摇臂的铰链中心，铰链轴与y轴平行。T点的坐标为（t1,t2,t3）。要求通过连杆机构将操纵杆的旋转运动传递给输出摇臂，操纵杆的转动范围为（10+12），输出杆的转动范围与操纵杆基本相同，并基本保持线性关系。2 设计计算2.1 结构布局方案设计实现上述要求的具体的连杆机构很多，但总起来可以归纳为直接连接和间接连接两类，下面分别讨论这两种连接方式。为简化计算，将操纵杆和输出摇臂的初始位置设置为铅直向下。方案1：直接连接即用一根连杆将操纵杆的一端与输出摇臂的一端相连，如图2所示。图中A点为操纵杆的下端，r1为其回转半径。B点为输出摇臂的下端，r2为其回转半径。连杆AB的长度为l。由于A点以O点为中心绕x轴转动，而B点以T为中心绕平行于y的轴旋转，两点的运行轨迹不在同一平面内，连杆AB作空间运动，因此连杆两端应以球面副进行连接。因此这一方案所构建的空间连杆机构即为RSSR机构。2：间接连接图2 设计方案1即通过中间机构将操纵杆与输出摇臂联结起来，如图3所示是最为简捷的间接连接方案。图中DCE为中间摇臂，C点为其回转中心，转轴方向与z轴平行。中间摇臂与操纵杆之间用连杆AD相连，连杆长，摇臂回转半径r3；中间摇臂与输出摇臂之间用连杆BE相连，连杆长l2，摇臂回转半径r4。初始状态时，AD平行于y轴，BE平行于x轴，ADCD，BECE。由于A点以O点为中心绕x轴转动，而D点以C为中心绕平行于z的轴旋转，AD两点的运行轨迹不在同一平面内，连杆AD作空间运动，因此连杆AD两端应以球面副进行连接。同理，连杆BE两端也应以球面副连接。这样，在O与C之间形成一个RSSR机构，在C与T之间形成另一个RSSR机构，中间在C处共一个旋转副，前一机构的输出是后一机构的输入，两个机构串联，且其输入轴分别与各自的输出轴垂直。这里称之为双正交RSSR串联机构。图3 设计方案22.2 输入输出转角的关系初始状态时各点的坐标分别为A（0,0, r1），B（t1, t2, t3r2），C（r3, l1, r1），D（0, l1, r1），E（t1l2, t2, t3r2），且有t12+t22+( t3r2+ r1)2=l2 （1）l 1+ r4= t2 （2）l 2+ r3= t1 (3)图4 输入输出转角的传递关系设操纵杆转过角度1时，输出摇臂转动角度2。如图4所示。此时A转至A， A点坐标为（0, r1sin1, r1cos1）；B转至B， B点坐标为（t1r2sin2, t2, t3r2cos2）。按方案1设计时，A、B两点由连杆连接，由于杆长l一定，则有(t1r2sin2)2+( t2+r1sin1)2+( t3r2cos2+ r1cos1)2=l2 （4）式（4）中只有一个未知数2，给定一个输入转角1时，便可求得一个输出转角2（去掉不合理值）。按方案2设计时，当操纵杆转过角度1，A点运动到A点，中间摇臂的CD支臂转过角度3，D点运动到D点；支臂CE转过角度4，E点运动到E点。由于CD支臂和CE支臂固联，必有3=4 (5)D点的坐标为（r3r3cos3, l1 r3sin3, r1），E 点的坐标为（t1l2r4sin4, t2r4+r4cos4, t3r2）。A、D之间由杆长为l1的连杆连接，则有(r3r3cos3)2+( l1 r3sin3+ r1sin1)2+( r1 r1cos1)2= l12 (6)B、E之间由杆长为l2的连杆连接，则有(r2sin2 l2r4sin4) 2+(r4r4cos4)2+( r2r2cos2)2= l22 (7)式（5）、（6）、（7）中只有三个未知数，有确定的解。即对于给定的输入转角1，可求得一个对应的输出转角2（去掉不合理值）。3 运动模拟及结果分析图5 输入转角1与输出转角2的关系在CATIA零件设计工作台中进行零件的设计，在CATIA装配设计工作台中进行零件的装配。这里采用自顶向下的设计模式4-5，按照图2和图3所示各零件的装配位置，设计操纵杆、输出摇臂、中间摇臂和连杆。进入CATIA机构运动分析平台进行运动副的设置，并进行运动模拟，机构中各参数的值如表1所示，两种设计方案的模拟结果如图5所示。表1 机构中各参数的取值（单位：mm）t1t2t3r1r2r3r4ll1l2988800-5617056145561271744843对于方案1，输入摇臂的转角从22变化到24时，输出摇臂的转角从约90变化到约75，在（1010）范围内有较好的线性度，而在（1010）范围外，线性度变差，输入转角小于15时线性度明显恶化。而在（2224）范围外，无法有效地进行运动传递。对于方案2，输入转角从50变化到50时，输出转角从约60变化到约80，在（5030）范围内有较好的线性度，输入转角大于30时，线性度变差，大于40时，线性度明显恶化。而且方案2的输入输出关系曲线各点的斜率明显比方案1的小，这表明一定的输入角度变化引起的输出角度变化小，两者大致保持等量关系，这种关系对于操纵系统的设计很重要，因为操作人员能感受自己动作的幅度和力度，如果操作人员的微小操纵导致执行机构大幅度的运动，将给操纵人员造成错觉，使机构的操纵性变差6。由图5知，当1很小时，2也小，对于方案2，可以推知3和4也很小，则有sin11，sin22，sin3=sin43=4，cos11，cos21, cos31，cos41，将以上关系代入（4）、（6）、（7）式，考虑（1）、（2）、（3）式，忽略1、2、3、4的高阶项，化简后得：2=( t2 r1/ t1r2)1 (8)2=( r4/ r2)( r1/r3)1 (9)（8）式表明，对于方案1，输出角度与输入角度的关系由初始条件确定，即与输入输出摇臂的长度和输入输出转轴的相对位置有关，只有当t2 r1= t1r2时，才能实现输出与输入相等的运动传递。（9）式表明，输出角度与输入角度的关系只与输入输出摇臂及中间摇臂的长度有关，而与输入输出转轴的相对位置无关，设计中间摇臂时，使r3=r1，r4=r2，即能保证输出角度与输入角度相等，有利于提高装置的操作性。4 结论用连杆机构实现含有空间运动的运动传递时，可以用连杆通过球面副直接连接，也可以通过中间摇臂进行连接。直接连接方式具有结构简单，零件数少的优点，在小角度输入时，输出与输入具有线性关系，这种关系由初始条件决定，不便于实现特定的设计要求。间接连接方式能够在较大范围内保持输入输出之间的线性关系，且只与输入输出摇臂的长度有关而与输入输出转轴的相对位置无关。适当选择构件的几何参数，能使输出角度与输入基本相等。参 考 文 献1 韩建友.高等机构学M. 北京：机械工业出版社，2004.2 盛选禹，盛选军，等.CATIA V5运动和力学分析实例教程M. 北京：化学工业出版社，2008：35-793 张玉茹.空间连杆机构的传动指标J. 机械设计， 1992, 2:32-344 单岩，谢龙汉. CATIA V5机械设计应用实例M. 北京：清华大学出版社，2004. 105 张长. 基于CATIA软件平台的自顶向下参数化装配设计 青海大学学报（自然科学版）J. 2007, 1: 83-85 6 杨一栋. 直升机飞行控制M. 北京：国防工业出版社，2011. 6On the Design of Spatial Linkage Mechanism Used in Helicopters Malipulation System Liu Shihan Cao Guoting Ma Hu (The First Aeronautical Institute of The Air Force, Xinyang464000, China) Abstract： The essential task of designing a linkage machanism used in a helicopters malipulation system is to achieve linear transmission between the input rotation and the output rotation. Two kimds of typical mechanisms are constructed in terms of skeleton and kinematic simulation is conducted within CATIA. Then motion transmission characteristics of the two kinds of mechanisms are compared. Conclusions are drawn from the comparation for the design of Spatial Linkage Mechanism Used in Helicopters Malipulation System. For the serial dual orthogonal RSSR mechanism with a medium rotation shaft, its input can be transmitted linearly to its output within a wide range of rotaton angle. By optimizing parameters of the mechanism structure, the output can be the samd as the input. But for the single RSSR mechanism in which the input rod is