采用平面二次包络环面蜗杆的风洞模型支撑机构设计

采用平面二次包络环面蜗杆的风洞模型支撑机构设计

甘小明，陈万华，虞择斌，韩洪伟

(中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

Design of Sting Model Support in Wind Tunnel Using Planar Double Enveloping Worm

GAN Xiaoming，CHEN Wanhua，YU Zebin，HAN Hongwei

(China Aerodynamic Research and Development Center，Mianyang 621000，China)

摘要：风洞是研究航空航天飞行器的基础性关键性地面设备，模型支撑系统是风洞的关键部件，其运动精度和动态特性直接影响风洞试验精度。采用平面二次包络环面蜗杆作为模型支撑系统的传动部件，对模型支撑系统进行有限元分析和优化设计，并将计算结果运用在设计中。模型支撑系统实际运行结果表明，各项设计指标满足使用要求。

关键词：二次包络；风洞；模型支撑机构

中图分类号：TH132

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)07-0028-03

收稿日期：2015-01-15

作者简介：甘小明(1971-)，男，四川邻水人，副研究员，硕士，主要从事航空航天地面模拟设备设计。

Abstract：Wind tunnels are the basic and key facilities in developing aircraft for aviation and spaceflight. Model support mechanism are the key part in wind tunnels, because the motion precision and dynamic characteristics directly affect the precision of the wind tunnel test. The transmission of the sting model support uses a planar double enveloping worm. Finite element analysis and optimizing is conducted on the sting model support. Tests running the sting model support show the design is successful.

Key words：double enveloping；wind tunnel； model support mechanism

0引言

风洞是研究航空航天飞行器气动力气动热的基础性、关键性地面设备[1]。风洞模型支撑系统是风洞的关键部件，要求其抗冲击和承载能力强、稳定性好及传动精度高。采用普通传动机构难以满足上述要求；平面二次包络环面蜗杆副具有传动精度高、承载能力强、效率高和寿命长的优点[2-5]，是模型支撑系统理想的传动机构。

1平面二次包络环面蜗杆成型机理

平面二次包络环面蜗杆副是经过二次包络运动所形成的运动副，如图1所示。第1次包络是以特定齿面的蜗轮作为产形轮，与被加工的蜗杆齿面啮合，围绕假想的基圆锥以角速度ω0绕轴线回转，同时被加工蜗杆绕自身轴线以角速度ω1回转，以此进行包络展成环面蜗杆的过程；第2次包络是以包络环面蜗杆为产形轮(蜗轮滚刀)，按照相同的传动比和中心距，包络展成新的蜗轮齿面过程。包络环面蜗杆与其展成的蜗轮构成的传动副，称为平面二次包络环面蜗杆传动副。

图1　平面二次包络环面蜗杆副

平面二次包络蜗杆传动与一般的蜗轮蜗杆传动相比，具有以下优点：蜗轮蜗杆副同时接触的齿数多，且为双线接触；蜗轮蜗杆副瞬时接触线与相对滑动速度夹角大，接近70°～90°，易于形成润滑油膜，润滑条件好，齿面抗磨损能力强；瞬时接触线法向诱导法曲率小，齿面接触应力小，传动的承载能力大，抗胶合能力强[6-9]。

2风洞模型支撑系统结构设计

2.1　模型支撑机构方案

模型支撑机构采用全弯刀结构形式，属于尾支撑布局。弯刀机构是目前航空航天飞行器试验应用最为广泛的支撑形式，主要用于调整试验用飞行器的攻角，常称为迎角机构或α机构。应用弯刀机构进行试验具有以下优点：

a.支撑机构位于模型下游，对模型表面的气流流动影响较小，测量数据较其他支撑方式更为准确。

b.弯刀机构运动链简单且为通用支撑机构，运行精度高，试验能力强。

c.弯刀支板呈弧形，机构运行到攻角范围内的任意角度对气流的影响基本相同，试验数据重复性好。

模型支撑机构主要由全弯刀支板、导轨座、滑块座、伺服电机、圆弧导轨副及平面二次包络环面蜗杆副组成，如图2所示。滑块座与弯刀支板通过螺栓和销连接，圆弧导轨副分别安装在滑块座和导轨座上。整个模型支撑机构安装在支架段驻室内上下平台上。

图2　模型支撑机构组成

2.2　迎角机构运动原理

迎角机构运动链为：弯刀支板→蜗轮蜗杆→减速机→伺服电机。即伺服电机带动减速机驱动平面二次包络蜗轮蜗杆运动，蜗轮蜗杆带动弯刀支板沿着圆弧导轨绕模型旋转中心作圆弧运动，从而改变模型的攻角。采用该布局具有结构紧凑、传动链简单、承载能力强和运行精度高的优点。

3驱动机构选型计算

3.1　负载力矩计算

根据弯刀机构在0°攻角及上下极限位置的重心位置(坐标原点位于旋转中心，如图3所示)，并按照下述公式，计算出最大驱动力矩，以确定蜗轮蜗杆输入输出力矩。

图3弯刀支板在运动范围内的重心位置

转动惯量为：J=m·I2加速力矩为：Ta+J·a惯性力矩为：TG=G·z总力矩为：T0=Ta+TgI为转动半径;y，z为坐标值;J为转动惯量；m为弯刀支板质量;Ta为加速力矩;a为加速度;Tg为惯性力矩;G为重力加速度;T0为总力矩。

蜗轮实际输出力矩为T2w=Mz+T0，其中蜗杆输出转矩为T2≥T2w·KA·K1。

通过上式计算出蜗杆输入转矩为41.6 N·m，蜗杆材料选用40CrNi锻，直径为110 mm，蜗轮材料选用ZCuSn10Pb1，按照参考文献[10]中相关公式，对蜗杆受力分析和强度计算，结果表明所设计的蜗杆副满足强度要求。

3.2　平面二次包络蜗轮蜗杆主要参数

根据模型支撑机构传动的中心距、传动比(由模型支撑机构的运行速度、电机转速及减速机减速比确定)，可以确定蜗轮齿数及蜗杆头数。蜗轮蜗杆具体参数如表1所示。

表1蜗轮蜗杆传动主要参数

蜗杆头数蜗轮齿数蜗轮端面模数/mm分度圆压力角/(°)蜗杆包围蜗轮齿数蜗轮齿宽/mm传动比齿顶隙13007.62.56603001.5

4弯刀支板有限元计算

目前，有限元分析已成为解决工程实际问题的一种最有效的方法，通过有限元分析可以校核结构应力应变及探知结构的动态特性。因此，对模型支撑机构中的关键部件——全弯刀支板进行有限元分析，可计算其在气动载荷及重力作用下的应力应变；对其模态分析，可计算出各阶频率及振型。通过对弯刀支板建立有限元模型，施加载荷和确定边界条件，对其进行静力和模态分析，计算结果如图4～图6及表2所示。

图4　应力云图

图5　变形云图

图6　前4阶振型云图

表2　前6阶振型频率　　Hz

通过图4～图6及表2可知，弯刀支板的最大应力为245 MPa，位于弯刀支板前端与模型相连处，弯刀支板选用30CrMnSiA锻材料，应力小于其许用应力；最大变形为0.89 mm，位于弯刀支板末端，变形量不影响模型支撑机构的运行精度。由前6阶振型及振动频率计算结果可知，弯刀支板振型以整体扭转为主，频率与风洞内的气流激励频率相差超过20%，不会发生共振。

5结束语

在模型支撑机构设计中，采用承载能力强、运行精度高的平面二次包络环面蜗杆副作为传动机构，并对模型支撑系统中的弯刀支板进行有限元分析，得到了弯刀支板的应力应变及模态结果。模型支撑机构实际运行情况和型号试验表明，模型支撑机构的各项技术指标完全满足设计要求。

参考文献：

[1]刘政崇.风洞结构设计[M].北京：中国宇航出版社，2005.

[2]刘一扬，杨现卿.平面二次包络环面蜗杆传动的研究现状与发展趋势[J].机械工程师，2007(7)：85-87.

[3]孙昌佑，林菁，孙传文.平面二包环面蜗轮的特征建模[J].上海师范大学学报：自然科学版，2006，35(5)：48-49.

[4]黄安贻，夏江敬，张仲甫.平面二次包络环面蜗杆传动多目标优化设计[J].机械设计，2003，20(9)：40-41，44.

[5]孙贤会， 谢永波， 梁宏山.平面二次包络环面蜗杆传动极限传动比的确定[J].林业机械与木工设备，1999(3)：11-13.

[6]张彦钦，张光辉，邱昕洋.平面二次包络环面蜗杆传动齿面接触应力计算[J].四川大学学报：工程科学版，2011，43(5)：247-251.

[7]吴志欢，姚立纲，陈志良.平面二次包络环面蜗杆传动参数化设计系统的开发[J].机械，2003，30(6)：30-32.

[8]张彦钦.平面二次包络环面蜗杆传动强度分析及试验[D].重庆：重庆大学，2010.

[9]韦康南.平面二次包络环面蜗杆传动设计与评价研究[D].福州：福州大学，2004.

[10]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.