38 直升機(jī)操縱線系空間連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計分析-劉詩漢(4).doc

第二十八屆（2012）全國直升機(jī)年會論文直升機(jī)操縱線系空間連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計分析劉詩漢 曹國廷 馬 虎（空軍第一航空學(xué)院，河南信陽，464000）摘 要： 直升機(jī)操縱線系中連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題是要實現(xiàn)輸入輸出兩個旋轉(zhuǎn)運動在空間的線性傳遞。以CATIA為平臺，對兩種典型空間連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行骨架設(shè)計和運動模擬，比較了兩種方案的運動傳遞特性。分析指出：含中間轉(zhuǎn)軸的雙正交RSSR串聯(lián)機(jī)構(gòu)能在較大范圍內(nèi)保持輸出與輸入間的線性關(guān)系。適當(dāng)選擇構(gòu)件尺寸，能使輸出與輸入相等；而直接連接的單RSSR機(jī)構(gòu)能否保持輸出與輸入的線性關(guān)系由初始條件決定。關(guān)鍵詞 空間連桿機(jī)構(gòu); 操縱線系; 線性; 機(jī)構(gòu)運動模擬; RSSR0 引言直升機(jī)操縱系統(tǒng)中大量使用空間連桿機(jī)構(gòu)，其作用是將駕駛桿繞固定軸線的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)移到空間另一位置，為伺服機(jī)構(gòu)提供輸入（伺服機(jī)構(gòu)起放大器作用，產(chǎn)生更大的操縱力和運動距離，以滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)大載荷大行程的要求）。為了使駕駛員正確感受自己的操縱力度和幅度，保證裝備良好的操縱性，駕駛桿轉(zhuǎn)動的角度、角速度等的大小在轉(zhuǎn)移的過程中應(yīng)基本不變或作線性變化。因此，直升機(jī)操縱線系中連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題是要實現(xiàn)輸入輸出兩個旋轉(zhuǎn)運動在空間的線性傳遞?？臻g連桿機(jī)構(gòu)分析的常用傳統(tǒng)方法是解析法1?，F(xiàn)代先進(jìn)的CAD/CAE/CAM軟件為研究空間連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計提供了精確高效的分析工具。本文利用CATIA強(qiáng)大的三維建模、零部件裝配和運動模擬功能，對直升機(jī)操縱線系中的空間連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行骨架設(shè)計和運動模擬2，詳細(xì)討論了兩種典型設(shè)計方案的運動傳遞特性3-4，確定了最優(yōu)方案及其設(shè)計原則。1 初始條件及設(shè)計要求圖1 空間連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計初始條件空間連桿機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系如圖1所示，圖中O點是操縱桿與機(jī)架鉸接的中心點，以O(shè)為原點建立空間直角坐標(biāo)系，鉸鏈軸沿x方向，則操縱桿以O(shè)點為中心，繞x軸轉(zhuǎn)動。T點是輸出搖臂的鉸鏈中心，鉸鏈軸與y軸平行。T點的坐標(biāo)為（t1,t2,t3）。要求通過連桿機(jī)構(gòu)將操縱桿的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給輸出搖臂，操縱桿的轉(zhuǎn)動范圍為（10+12），輸出桿的轉(zhuǎn)動范圍與操縱桿基本相同，并基本保持線性關(guān)系。2 設(shè)計計算2.1 結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計實現(xiàn)上述要求的具體的連桿機(jī)構(gòu)很多，但總起來可以歸納為直接連接和間接連接兩類，下面分別討論這兩種連接方式。為簡化計算，將操縱桿和輸出搖臂的初始位置設(shè)置為鉛直向下。方案1：直接連接即用一根連桿將操縱桿的一端與輸出搖臂的一端相連，如圖2所示。圖中A點為操縱桿的下端，r1為其回轉(zhuǎn)半徑。B點為輸出搖臂的下端，r2為其回轉(zhuǎn)半徑。連桿AB的長度為l。由于A點以O(shè)點為中心繞x軸轉(zhuǎn)動，而B點以T為中心繞平行于y的軸旋轉(zhuǎn)，兩點的運行軌跡不在同一平面內(nèi)，連桿AB作空間運動，因此連桿兩端應(yīng)以球面副進(jìn)行連接。因此這一方案所構(gòu)建的空間連桿機(jī)構(gòu)即為RSSR機(jī)構(gòu)。2：間接連接圖2 設(shè)計方案1即通過中間機(jī)構(gòu)將操縱桿與輸出搖臂聯(lián)結(jié)起來，如圖3所示是最為簡捷的間接連接方案。圖中DCE為中間搖臂，C點為其回轉(zhuǎn)中心，轉(zhuǎn)軸方向與z軸平行。中間搖臂與操縱桿之間用連桿AD相連，連桿長，搖臂回轉(zhuǎn)半徑r3；中間搖臂與輸出搖臂之間用連桿BE相連，連桿長l2，搖臂回轉(zhuǎn)半徑r4。初始狀態(tài)時，AD平行于y軸，BE平行于x軸，ADCD，BECE。由于A點以O(shè)點為中心繞x軸轉(zhuǎn)動，而D點以C為中心繞平行于z的軸旋轉(zhuǎn)，AD兩點的運行軌跡不在同一平面內(nèi)，連桿AD作空間運動，因此連桿AD兩端應(yīng)以球面副進(jìn)行連接。同理，連桿BE兩端也應(yīng)以球面副連接。這樣，在O與C之間形成一個RSSR機(jī)構(gòu)，在C與T之間形成另一個RSSR機(jī)構(gòu)，中間在C處共一個旋轉(zhuǎn)副，前一機(jī)構(gòu)的輸出是后一機(jī)構(gòu)的輸入，兩個機(jī)構(gòu)串聯(lián)，且其輸入軸分別與各自的輸出軸垂直。這里稱之為雙正交RSSR串聯(lián)機(jī)構(gòu)。圖3 設(shè)計方案22.2 輸入輸出轉(zhuǎn)角的關(guān)系初始狀態(tài)時各點的坐標(biāo)分別為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)圖4 輸入輸出轉(zhuǎn)角的傳遞關(guān)系設(shè)操縱桿轉(zhuǎn)過角度1時，輸出搖臂轉(zhuǎn)動角度2。如圖4所示。此時A轉(zhuǎn)至A， A點坐標(biāo)為（0, r1sin1, r1cos1）；B轉(zhuǎn)至B， B點坐標(biāo)為（t1r2sin2, t2, t3r2cos2）。按方案1設(shè)計時，A、B兩點由連桿連接，由于桿長l一定，則有(t1r2sin2)2+( t2+r1sin1)2+( t3r2cos2+ r1cos1)2=l2 （4）式（4）中只有一個未知數(shù)2，給定一個輸入轉(zhuǎn)角1時，便可求得一個輸出轉(zhuǎn)角2（去掉不合理值）。按方案2設(shè)計時，當(dāng)操縱桿轉(zhuǎn)過角度1，A點運動到A點，中間搖臂的CD支臂轉(zhuǎn)過角度3，D點運動到D點；支臂CE轉(zhuǎn)過角度4，E點運動到E點。由于CD支臂和CE支臂固聯(lián)，必有3=4 (5)D點的坐標(biāo)為（r3r3cos3, l1 r3sin3, r1），E 點的坐標(biāo)為（t1l2r4sin4, t2r4+r4cos4, t3r2）。A、D之間由桿長為l1的連桿連接，則有(r3r3cos3)2+( l1 r3sin3+ r1sin1)2+( r1 r1cos1)2= l12 (6)B、E之間由桿長為l2的連桿連接，則有(r2sin2 l2r4sin4) 2+(r4r4cos4)2+( r2r2cos2)2= l22 (7)式（5）、（6）、（7）中只有三個未知數(shù)，有確定的解。即對于給定的輸入轉(zhuǎn)角1，可求得一個對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)角2（去掉不合理值）。3 運動模擬及結(jié)果分析圖5 輸入轉(zhuǎn)角1與輸出轉(zhuǎn)角2的關(guān)系在CATIA零件設(shè)計工作臺中進(jìn)行零件的設(shè)計，在CATIA裝配設(shè)計工作臺中進(jìn)行零件的裝配。這里采用自頂向下的設(shè)計模式4-5，按照圖2和圖3所示各零件的裝配位置，設(shè)計操縱桿、輸出搖臂、中間搖臂和連桿。進(jìn)入CATIA機(jī)構(gòu)運動分析平臺進(jìn)行運動副的設(shè)置，并進(jìn)行運動模擬，機(jī)構(gòu)中各參數(shù)的值如表1所示，兩種設(shè)計方案的模擬結(jié)果如圖5所示。表1 機(jī)構(gòu)中各參數(shù)的取值（單位：mm）t1t2t3r1r2r3r4ll1l2988800-5617056145561271744843對于方案1，輸入搖臂的轉(zhuǎn)角從22變化到24時，輸出搖臂的轉(zhuǎn)角從約90變化到約75，在（1010）范圍內(nèi)有較好的線性度，而在（1010）范圍外，線性度變差，輸入轉(zhuǎn)角小于15時線性度明顯惡化。而在（2224）范圍外，無法有效地進(jìn)行運動傳遞。對于方案2，輸入轉(zhuǎn)角從50變化到50時，輸出轉(zhuǎn)角從約60變化到約80，在（5030）范圍內(nèi)有較好的線性度，輸入轉(zhuǎn)角大于30時，線性度變差，大于40時，線性度明顯惡化。而且方案2的輸入輸出關(guān)系曲線各點的斜率明顯比方案1的小，這表明一定的輸入角度變化引起的輸出角度變化小，兩者大致保持等量關(guān)系，這種關(guān)系對于操縱系統(tǒng)的設(shè)計很重要，因為操作人員能感受自己動作的幅度和力度，如果操作人員的微小操縱導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅度的運動，將給操縱人員造成錯覺，使機(jī)構(gòu)的操縱性變差6。由圖5知，當(dāng)1很小時，2也小，對于方案2，可以推知3和4也很小，則有sin11，sin22，sin3=sin43=4，cos11，cos21, cos31，cos41，將以上關(guān)系代入（4）、（6）、（7）式，考慮（1）、（2）、（3）式，忽略1、2、3、4的高階項，化簡后得：2=( t2 r1/ t1r2)1 (8)2=( r4/ r2)( r1/r3)1 (9)（8）式表明，對于方案1，輸出角度與輸入角度的關(guān)系由初始條件確定，即與輸入輸出搖臂的長度和輸入輸出轉(zhuǎn)軸的相對位置有關(guān)，只有當(dāng)t2 r1= t1r2時，才能實現(xiàn)輸出與輸入相等的運動傳遞。（9）式表明，輸出角度與輸入角度的關(guān)系只與輸入輸出搖臂及中間搖臂的長度有關(guān)，而與輸入輸出轉(zhuǎn)軸的相對位置無關(guān)，設(shè)計中間搖臂時，使r3=r1，r4=r2，即能保證輸出角度與輸入角度相等，有利于提高裝置的操作性。4 結(jié)論用連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)含有空間運動的運動傳遞時，可以用連桿通過球面副直接連接，也可以通過中間搖臂進(jìn)行連接。直接連接方式具有結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)少的優(yōu)點，在小角度輸入時，輸出與輸入具有線性關(guān)系，這種關(guān)系由初始條件決定，不便于實現(xiàn)特定的設(shè)計要求。間接連接方式能夠在較大范圍內(nèi)保持輸入輸出之間的線性關(guān)系，且只與輸入輸出搖臂的長度有關(guān)而與輸入輸出轉(zhuǎn)軸的相對位置無關(guān)。適當(dāng)選擇構(gòu)件的幾何參數(shù)，能使輸出角度與輸入基本相等。參 考 文 獻(xiàn)1 韓建友.高等機(jī)構(gòu)學(xué)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.2 盛選禹，盛選軍，等.CATIA V5運動和力學(xué)分析實例教程M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：35-793 張玉茹.空間連桿機(jī)構(gòu)的傳動指標(biāo)J. 機(jī)械設(shè)計， 1992, 2:32-344 單巖，謝龍漢. CATIA V5機(jī)械設(shè)計應(yīng)用實例M. 北京：清華大學(xué)出版社，2004. 105 張長. 基于CATIA軟件平臺的自頂向下參數(shù)化裝配設(shè)計 青海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）J. 2007, 1: 83-85 6 楊一棟. 直升機(jī)飛行控制M. 北京：國防工業(yè)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