飞行模拟器六自由度运动平台铰链接口

康峰

摘要 ：本文着重分析由加拿大Mechtronix制造的波音737-800全动飞行模拟机运动平台--铰链接口，该模拟机由Rexroth公司提供的液压运动系统。本文研究了HSE-6-MS-60-C-5/D型液动运动系统的顶部万向接头和平台之间的界面。本文的目的是：能够设计和制造集成在上述系统中的运动平台的平台铰链接口。

关键词：6自由度；上铰链最大负载；上铰链；运动平台

1、运动系统

Rexroth 液压运动系统的主要属性如下：

- 型号： HSE-6-MS-60-C-5/D

- 自由度： 6

- 作动筒行程： 1524mm（60英寸）

- 上铰链最大负载： 11385kg（25100 磅）

2、 运动基座

运动基座包括以下部分：

-3 x 万向铰链上支座组件

-6 x 运动伺服作动筒

-3 x 万向铰链下支座组件

-3 x 地面安装板

2.1 轴定义

6个伺服作动筒连接着上下万向铰链支座，可以完成6的自由度方向和位移变化，以下图2.1为6自由度轴的定义和运动作动筒的编号

图2.1轴定义

用下列名称代表六个自由度。

纵向（Surge）） ： X方向位移

横向（Sway）） ： Y方向位移

垂直（Heave）） ： Z方向位移

横滚（Roll）） ： 绕X轴的旋转

俯仰（Pitch）） ： 绕Y轴的旋转

航向（Yaw）） ： 绕Z轴的旋转

3、上平台--铰链接口

3.1顶部接头旋转点的位置

本运动系统使用的坐标系如图2-1所示。该图也给出顶部和底

部接头的编号规定。所有的坐标系都是右手直角坐標系。每一轴的正向，顺时针方向是旋转的正方向。运动平台坐标系固定运动系统的运动平台上。运动平台坐标系的XY平面位于顶部连接面内，Z轴向下。 旋转： 右手直角坐标系，顺时针方向旋转

图3.1 坐标系定义

运动平台坐标系的原点位于顶部接头旋转点所组成的三角形的质心，称为运动参考点（MRP）。顶部接头旋转点在运动平台坐标系中的坐标如表3-1所示

表3—1 上铰链坐标系

3.2 万向接头配置

顶部万向接头被集成为三个组件，运动平台一角一个。

3.3 接头和平台的连接

顶部万向接头应用螺栓固定以支撑集成在平台中的板。连接接头与平台的螺栓必须要预载以承载剪切力FXY（顶部接头与平台之间）和螺栓上的最大拉力。剪切力FXY是由顶部接头与平台之间的摩擦带来的。需要192 kN 的预载。一个螺栓上的最大拉力为264 kN。这些值包括了一个为2的安全系数。为了将预载分散在平台上，需要大的垫圈。

使用下列材料可以使连接满足这些要求：

（1）数目是一个顶部接头的。系统包括三个顶部接头。

（2）该值包括了一个额外的1.4的安全系数，以保证所需预载。

该安全数取决于铰链方式所列出的材料和扭矩能够为顶部接头的最差负载情况提供为2的安全系数。为避免妨碍作动筒，在顶部接头的上表面以下不安装任何设备。

4、平台设计力

每一顶部接头加载有两个伺服作动筒。考虑到了下列负载情况：

最差负载情况：

一个作动筒以额定力负载顶部接头，另一个作动筒以最大力载顶部头。

额定力是正常操作时可能产生的力，是提供指定性能所需的力。最大力是在故障（缓冲，阀无效等）时可能产生的力。对所有可能的系统位置（伸长和缩短作动筒的64种组合）都进行了研究以找到在连接单元上产生的力与力矩以及螺栓上的最大拉力。结果见图4-1。一个螺栓上的最大拉力为132 kN。这些结果不包含安全系数。

图4-1 平台设计力

5、平台设计加速度

正常操作期间，运动系统在运动参考点至少能够产生下列非同步加速度：

冲击：6m/s2 （20英尺/ s2 ） 横滚：144度/s2

振动：6.6 m/s2 （22尺/ s2 ） 俯仰：132度/s2

垂直：20 m/s2 （66尺/ s2 ） 航向： 504度/s2

这些值是理论值，是用作动筒能够产生的最大额定力计算得出的。

在正常模拟时，因为用软件进行了限制所以不会达到这些值。在手动操作时，一定的检测信号（例如阶跃响应）可能产生这些加速度。 这些值不包括常规的重力加速度。

在最差情况故障时，假定运动系统能够在铰链以上负载（LAK）的COG（重心）处产生的最大加速度为2.5g，这个2.5g的加速度矢量的方向未知，并且它不包括常规的重力加速度。

6、平台设计刚度

平台内的支撑板的最小local共振频率应高于20Hz。该数字可以用每个支撑板的反射质量为50000kg（每个作动筒25000kg）计算得出。

如图4-1图中画出了作动筒1和6的顶部垫片 给出了最差情况：

一个作动筒205 kN /-115kN

一个作动筒91 kN /-34kN

在坐标系原点产生的力：

FX-min = -115756 N FX-max = 193907 N

FY-min = - 209825 N FY-max = 156065 N

FZ-min = -256287 N FZ-max = 131114 N

FXY-max = 223227 N

MX-min = -25105 Nm MX-max = 20304 Nm

MZ-min = -18970 Nm MZ-max = 14672 Nm

FXY是XY平面内的力矢量。

7、结束语

以上给出的是关于全动模拟器上铰链平台力的指标，这对于全动模拟器运动平台的搭建和保证安全正常飞行时相当重要的。

本人从事模拟机维护工作24年，维护过包括加拿大CAE公司，加拿大Mechtronix公司和我国第一台全动Y7-100模拟机，深知我们国家的模拟机和先进国家模拟机的差距，尤其在运动系统上有着巨大的差距，这就要求我们对运动系统的机构理论深入的分析，研制出先进的接口铰链组件和低速性能好，承载能力强，频响快的驱动元件，提高运动系统的平滑性和稳定性。随着我国的大飞机CRJ-21的投入商业运行，和C919的试飞成功，中国的大飞机已逐步跨进世界先进水平，相信总有一天我们的国产模拟机也将进入世界先进水平。

参考文献：

[1]张日华.六自由度飞行模拟器的单通道电液位置伺服系统的研究 [J]哈尔滨工业大学 学报，1997.

[2] 吴重光.仿真技术[M].化学工业出版社，2000.

[3]王行仁 飞行实时仿真系统技术[M] 北京：北京航天航空大学出版社.1998.

[4]王旭水，骆函秀，吴江宇，等.六自由度并联电液伺服平台的特点及应用 [J] 液压与气动 1995 .

（作者单位：中国民航飞行学院模拟机训练中心）