適用于鋼索傳動的電傳飛機駕駛盤盤力測量方法研究

薛 瀛，郭建偉，田金強，張 勇

上海飛機設計研究院，上海 200232

0 引言

飛機駕駛盤操縱力驗證是對飛機操縱穩特性的一個重要方面，是飛機試飛、適航取證考核的重要指標。駕駛盤安裝于駕駛艙內，其空間狹小、結構復雜，很難布置較大的測試儀器。如果對駕駛盤本身進行改裝容易造成飛行員操縱不便，影響飛行安全，且無法達到較好的測量結果。

通常飛機的駕駛盤主要用來控制副翼舵面，對飛機進行滾轉操縱，其駕駛盤行程與舵面行程具有對應關系，使飛行員可以較直觀的了解此時舵面的狀態。大多數飛機駕駛盤都是通過鋼索傳動，經過一系列的傳力轉化操縱舵面運動的。在現代電傳飛機中駕駛盤鋼索已經不需要直接連接舵面，通過鋼索帶動傳感器運動，將電信號發往舵面處的作動器，推動舵面運動[1]。

因此電傳飛機的駕駛盤鋼索僅用于將飛行員操縱側的駕駛盤和傳感器，將飛行員的操縱位移轉化為電信號。其傳力路徑單一、直接，飛行員的操縱力完全作用在鋼索本身的張力上。通過測量鋼索張力可以反映出飛行員的操縱力。

1 電傳飛機盤力系統介紹

1.1 盤力的組成

圖1 感覺力包線

由于電傳飛機不能從舵面直接感受到舵面載荷，為了還原真實的飛機操縱感受，給飛行員以直觀的感受飛機的狀態，避免飛行員出現誤操縱影響飛機安全，所以合理的感覺力設計是電傳飛機的一個重要組成部分[2]。對于目前主流的設計思路，電傳飛機的盤力感覺系統主要包括：彈簧力；啟動力；動摩擦力[3]。

啟動力：又稱定中力，是操縱器件維持中立位置的特性。啟動力的主要來自機械系統本身的靜摩擦力，例如飛行員操縱駕駛盤由靜止到運動會有一個操縱力，該力就是啟動力，

彈簧力：該力用于模擬飛行員因操縱位移的變化產生的舵面載荷變化。其本質是根據彈簧的形變引起的，操縱位移越大所需的操縱力越大。

動摩擦力：該力是系統機械特性所決定的，與接觸面表面的粗糙程度和相對壓力有關，一般來說操縱力越大，動摩擦力越大，感覺力包線就越寬。

1.2 盤力的傳遞

駕駛盤和傳感器系統之間為鋼索連接，所有的力通過鋼索進行傳遞，駕駛盤后部為一滑輪分別纏繞兩根鋼索，每根鋼索通過卡塊纏繞在滑輪之上，同樣的在彈簧系統處也有一個滑輪相對應纏繞如圖2所示：

圖2 駕駛盤操縱簡圖

由圖2可知，駕駛盤本身并無任何力感設備，所有的力源均來自鋼索連接處的彈簧系統。因此駕駛盤上的操縱載荷完全通過鋼索傳遞到彈簧系統之上。

在順時針操縱駕駛盤時，主要的載荷均由鋼索1承受，在逆時針操縱駕駛盤時，主要的載荷均由鋼索2承受，如圖3所示。

2 盤力分析

2.1 鋼索受力分析

在操縱駕駛盤時，由于主動側鋼索受拉出現變形，彈簧系統從動端并非嚴格按照傳動比進行運動，行程略有滯后，假設駕駛盤運動角度θ1，彈簧系統運動角度θ2，駕駛盤半徑r，彈簧系統滑輪半徑R，鋼索原長度L，兩根鋼索材料一致，且預緊力一致均為F’。

圖3 鋼索運動分析圖

在順時針運動時鋼索1呈以下關系：

θ2＜θ1*r/R；

鋼索1受載后長度L1：

L1=L+（θ1*r/2π-θ2*R/2π）。

對于鋼索2的兩端由于同軸，駕駛盤和彈簧系統運動角度仍為θ1和θ2，但主動端變為彈簧系統端，因此鋼索2的長度L2為：

如圖4所示：

圖4 鋼索受力原理圖

由于兩根鋼索彈性系數K近似，根據胡克定律可知鋼索1張力F1和鋼索2張力F2分別為：

在一根鋼索受載操縱時另一根鋼索卸載操縱因此鋼索張力呈現出一邊上升而另一邊下降的趨勢。

2.2 駕駛盤受力分析

對于駕駛盤滑輪作用點的合力F如圖5所示為：

圖5 駕駛盤受力圖

兩點作用力為同心，因此根據力矩平衡得到駕駛盤處的操縱力F操縱力：

F操縱力*r盤= F *r；

其中：F合為駕駛盤滑輪處的合力；

r盤為駕駛盤把手處的有效半徑；

r為駕駛盤滑輪的有效半徑。

3 試驗驗證及結果分析

為了驗證通過測量鋼索張力換算得到駕駛盤操縱力方法的可行性，本文專門在試驗平臺上驗證了該方法，通過在駕駛盤鋼索中段加裝測試應變體，利用應變體形變測量鋼索所收的載荷，如圖6所示：

圖6 鋼索測量試驗圖

鋼索張力測量結果如下圖7所示：

圖7 鋼索張力測量圖

換算成盤力值如下圖8所示，可以看出通過測量鋼索張力得到的駕駛盤操縱力與圖1的設計狀態基本吻合，可以較好的得到駕駛盤的操縱力。

圖8 盤力換算圖

4 結論

本文主要介紹了通過測量鋼索張力換算得到駕駛盤操縱力方法的理論依據和推導過程。為電傳飛機盤力測量一種有效的解決方法。經過試驗證實，該方法有效測量駕駛盤操縱力，同加裝在駕駛盤處的扭矩傳感器測量得到的數據基本吻合，盤力曲線符合設計要求。

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