飛行模擬器六自由度運動平臺鉸鏈接口

康峰

摘要 ：本文著重分析由加拿大Mechtronix制造的波音737-800全動飛行模擬機運動平臺--鉸鏈接口，該模擬機由Rexroth公司提供的液壓運動系統。本文研究了HSE-6-MS-60-C-5/D型液動運動系統的頂部萬向接頭和平臺之間的界面。本文的目的是：能夠設計和制造集成在上述系統中的運動平臺的平臺鉸鏈接口。

關鍵詞：6自由度；上鉸鏈最大負載；上鉸鏈；運動平臺

1、運動系統

Rexroth 液壓運動系統的主要屬性如下：

- 型號： HSE-6-MS-60-C-5/D

- 自由度： 6

- 作動筒行程： 1524mm（60英寸）

- 上鉸鏈最大負載： 11385kg（25100 磅）

2、 運動基座

運動基座包括以下部分：

-3 x 萬向鉸鏈上支座組件

-6 x 運動伺服作動筒

-3 x 萬向鉸鏈下支座組件

-3 x 地面安裝板

2.1 軸定義

6個伺服作動筒連接著上下萬向鉸鏈支座，可以完成6的自由度方向和位移變化，以下圖2.1為6自由度軸的定義和運動作動筒的編號

圖2.1軸定義

用下列名稱代表六個自由度。

縱向（Surge）） ： X方向位移

橫向（Sway）） ： Y方向位移

垂直（Heave）） ： Z方向位移

橫滾（Roll）） ： 繞X軸的旋轉

俯仰（Pitch）） ： 繞Y軸的旋轉

航向（Yaw）） ： 繞Z軸的旋轉

3、上平臺--鉸鏈接口

3.1頂部接頭旋轉點的位置

本運動系統使用的坐標系如圖2-1所示。該圖也給出頂部和底

部接頭的編號規定。所有的坐標系都是右手直角坐標系。每一軸的正向，順時針方向是旋轉的正方向。運動平臺坐標系固定運動系統的運動平臺上。運動平臺坐標系的XY平面位于頂部連接面內，Z軸向下。 旋轉： 右手直角坐標系，順時針方向旋轉

圖3.1 坐標系定義

運動平臺坐標系的原點位于頂部接頭旋轉點所組成的三角形的質心，稱為運動參考點（MRP）。頂部接頭旋轉點在運動平臺坐標系中的坐標如表3-1所示

表3—1 上鉸鏈坐標系

3.2 萬向接頭配置

頂部萬向接頭被集成為三個組件，運動平臺一角一個。

3.3 接頭和平臺的連接

頂部萬向接頭應用螺栓固定以支撐集成在平臺中的板。連接接頭與平臺的螺栓必須要預載以承載剪切力FXY（頂部接頭與平臺之間）和螺栓上的最大拉力。剪切力FXY是由頂部接頭與平臺之間的摩擦帶來的。需要192 kN 的預載。一個螺栓上的最大拉力為264 kN。這些值包括了一個為2的安全系數。為了將預載分散在平臺上，需要大的墊圈。

使用下列材料可以使連接滿足這些要求：

（1）數目是一個頂部接頭的。系統包括三個頂部接頭。

（2）該值包括了一個額外的1.4的安全系數，以保證所需預載。

該安全數取決于鉸鏈方式所列出的材料和扭矩能夠為頂部接頭的最差負載情況提供為2的安全系數。為避免妨礙作動筒，在頂部接頭的上表面以下不安裝任何設備。

4、平臺設計力

每一頂部接頭加載有兩個伺服作動筒。考慮到了下列負載情況：

最差負載情況：

一個作動筒以額定力負載頂部接頭，另一個作動筒以最大力載頂部頭。

額定力是正常操作時可能產生的力，是提供指定性能所需的力。最大力是在故障（緩沖，閥無效等）時可能產生的力。對所有可能的系統位置（伸長和縮短作動筒的64種組合）都進行了研究以找到在連接單元上產生的力與力矩以及螺栓上的最大拉力。結果見圖4-1。一個螺栓上的最大拉力為132 kN。這些結果不包含安全系數。

圖4-1 平臺設計力

5、平臺設計加速度

正常操作期間，運動系統在運動參考點至少能夠產生下列非同步加速度：

沖擊：6m/s2 （20英尺/ s2 ） 橫滾：144度/s2

振動：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

這些值是理論值，是用作動筒能夠產生的最大額定力計算得出的。

在正常模擬時，因為用軟件進行了限制所以不會達到這些值。在手動操作時，一定的檢測信號（例如階躍響應）可能產生這些加速度。 這些值不包括常規的重力加速度。

在最差情況故障時，假定運動系統能夠在鉸鏈以上負載（LAK）的COG（重心）處產生的最大加速度為2.5g，這個2.5g的加速度矢量的方向未知，并且它不包括常規的重力加速度。

6、平臺設計剛度

平臺內的支撐板的最小local共振頻率應高于20Hz。該數字可以用每個支撐板的反射質量為50000kg（每個作動筒25000kg）計算得出。

如圖4-1圖中畫出了作動筒1和6的頂部墊片 給出了最差情況：

一個作動筒205 kN /-115kN

一個作動筒91 kN /-34kN

在坐標系原點產生的力：

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平面內的力矢量。

7、結束語

以上給出的是關于全動模擬器上鉸鏈平臺力的指標，這對于全動模擬器運動平臺的搭建和保證安全正常飛行時相當重要的。

本人從事模擬機維護工作24年，維護過包括加拿大CAE公司，加拿大Mechtronix公司和我國第一臺全動Y7-100模擬機，深知我們國家的模擬機和先進國家模擬機的差距，尤其在運動系統上有著巨大的差距，這就要求我們對運動系統的機構理論深入的分析，研制出先進的接口鉸鏈組件和低速性能好，承載能力強，頻響快的驅動元件，提高運動系統的平滑性和穩定性。隨著我國的大飛機CRJ-21的投入商業運行，和C919的試飛成功，中國的大飛機已逐步跨進世界先進水平，相信總有一天我們的國產模擬機也將進入世界先進水平。

參考文獻：

[1]張日華.六自由度飛行模擬器的單通道電液位置伺服系統的研究 [J]哈爾濱工業大學 學報，1997.

[2] 吳重光.仿真技術[M].化學工業出版社，2000.

[3]王行仁 飛行實時仿真系統技術[M] 北京：北京航天航空大學出版社.1998.

[4]王旭水，駱函秀，吳江宇，等.六自由度并聯電液伺服平臺的特點及應用 [J] 液壓與氣動 1995 .

（作者單位：中國民航飛行學院模擬機訓練中心）