1.本发明属于机械传动领域，涉及一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置及模拟方法。


背景技术：

2.在研制飞机舱门作动系统过程中，需要设计一种精确模拟飞机舱门负载特性的负载模拟装置，可同时模拟重力负载、摩擦负载、突风扰动负载，舱门密封负载等多种载荷。通过对飞机舱门作动系统进行加载试验，来确保飞机舱门作动系统能够满足飞机实际使用需求，而目前并没有相关负载模拟设计，实现对飞机舱门作动系统进行加载试验，无法满足飞机舱门实际使用过程的模拟需求。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置及模拟方法，实现了同时模拟重力负载、惯性负载、摩擦负载、突风扰动负载等多种载荷。
4.本发明解决技术的方案是：
5.一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，包括n个凸轮组、输入轴、3n个联轴器和摩擦盘；n个凸轮组和摩擦盘通过输入轴串联；3n个联轴器设置在输入轴上；每个凸轮组包括重力凸轮模拟装置、惯量凸轮模拟装置和风载凸轮模拟装置；每个凸轮组中，重力凸轮模拟装置、惯量凸轮模拟装置和风载凸轮模拟装置依次通过输入轴串联，且重力凸轮模拟装置与惯量凸轮模拟装置之间、惯量凸轮模拟装置与风载凸轮模拟装置之间均设置一个联轴器，n个凸轮组共用2n个联轴器；相邻2个凸轮组之间均设置1个联轴器，凸轮组之间共用n-1个联轴器；串联的n个凸轮组尾端通过1个联轴器与摩擦盘连接。
6.在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，负载模拟装置还包括3n+1个支架，n为不小于1的正整数；每个凸轮组设置有3个支架，重力凸轮模拟装置、惯量凸轮模拟装置和风载凸轮模拟装置分别对应1个支架；摩擦盘对应设置1个支架。
7.在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，所述重力凸轮模拟装置包括重力凸轮和重力砝码；其中，支架实现对输入轴的支撑，且将套装在输入轴上的重力凸轮限位在支架顶部实现周向转动；重力砝码通过钢丝绳连接到重力凸轮外圆侧壁处，通过重力砝码自重产生对应扭矩；重力凸轮带动重力砝码模拟重力负载；
8.所述惯量凸轮模拟装置包括惯量凸轮和惯量砝码；其中，支架实现对输入轴的支撑，且将套装在输入轴上的惯量凸轮限位在支架顶部实现周向转动；惯量砝码通过钢丝绳连接到惯量凸轮外圆侧壁处，通过惯量砝码自重产生对应扭矩；惯量凸轮带动惯量砝码模拟惯量负载；
9.支架实现对输入轴的支撑，且将套装在输入轴上的摩擦盘限位在支架顶部实现周向转动；通过在摩擦盘盘面施加摩擦阻力，实现模拟摩擦载荷。
10.在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，所述风载凸轮模拟装置包括风载凸
轮、风载砝码和弹簧；其中，支架实现对输入轴的支撑，且将套装在输入轴上的风载凸轮限位在支架顶部实现周向转动；风载砝码通过弹簧连接到风载凸轮外圆侧壁处，通过风载砝码自重产生对应扭矩。
11.在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，所述风载凸轮模拟装置还包括支撑杆；支撑杆的根部指向输入轴，头部沿风载凸轮径向与风载凸轮内壁接触，通过支撑杆实现对风载凸轮外凸圆型面的支撑；支撑杆为弯折杆结构，通过支撑杆弯折实现风载凸轮外径的变化；风载凸轮带动风载砝码模拟风载。
12.在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，当风载凸轮周向转动到凸点接近水平位置时，支撑杆迅速弯折回收，风载凸轮的凸点变由弯折后的支撑杆支撑；弹簧及其连接的风载砝码，均由弯折前支撑杆长度的支撑位置瞬时移动到弯折后支撑杆长度的支撑位置；风载砝码产生突变的速度，实现模拟突变干扰扰动风载；释放瞬间风载砝码产生的动能e为其中，m为风载砝码质量，v为风载砝码线速度；对负载模拟装置产生的附加力f为f＝e/s，s为风载砝码位移。
13.在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，设定弯折前支撑杆的轴向长度为l，弯折后支撑杆剩余轴向长度为
14.在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，所述重力凸轮、惯量凸轮为外形面固定无变化的相同凸轮结构；以输入轴中心为中心，将凸轮的最小半径r1水平放置，最小半径r1所在水平线设置为0
°
；沿逆时针每30
°
设置一个半径，依次得到凸轮的半径r2-半径r12；将r1至r2的外端圆滑曲线连接，即得到凸轮结构的外形面；
15.则各半径ri的计算公式为：
[0016][0017]
式中，i为半径r2-半径r12的半径的序号；
[0018]
a为参数，a取值范围为r1-2r1；
[0019]
θ为第i个半径所在直线与0
°
直线的夹角。
[0020]
在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，所述摩擦盘为圆盘状结构。
[0021]
在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，所述重力凸轮、惯量凸轮和风载凸轮采用相同的可调节凸轮组件，可调节凸轮组件包括变凸轮和m个作动器；每个作动器以输入轴中心为中心，沿变凸轮径向方向设置，且m个作动器在变凸轮内部发散均匀分布；m个作动器的外端实现对变凸轮外圆型面的支撑；m为不小于3的正整数。
[0022]
在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，所述作动器为沿轴向伸缩结构；通过作动器的伸缩实现对变凸轮外圆型面的改变；设定作动器完全收缩状态下轴向长度为r，作动器完全伸出状态下轴向长度为2r，即作动器实现对变凸轮外圆型面的半径从r-2r的调整。
[0023]
在上述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置，相邻2个凸轮之间的间距不小于2倍凸轮的厚度；各砝码呈单侧设置在各凸轮的同侧或交错分布在各凸轮的两侧；输入轴实现带动重力凸轮、惯量凸轮和风载凸轮旋转，输入轴的输入转速小于1000r/min。
[0024]
一种基于权利要求1所述的一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置实现的一种凸轮式飞机舱门负载模拟方法，输入轴通过3n个联轴器带动n个凸轮组和摩擦盘同步转动，实现对飞机舱门承受重力负载、惯量负载、风载负载和摩擦负载的模拟。
[0025]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0026]
(1)本发明的占地面积小，一般飞机货舱舱门面积为1m
×
1.5m到2m
×
3m不等，机身尺寸更大，加载凸轮直径可做到φ200mm以下甚至更小，可大幅减小负载模拟装置的占地面积；
[0027]
(2)本发明的重力凸轮曲线、大小、个数及砝码均可配置，通过配置可实现任意连续负载曲线加载，模拟不同舱门质量、质心及不同四连杆机构情况下的任意载荷；
[0028]
(3)本发明风载凸轮通过随机瞬间形变释放钢丝绳上的弹簧及砝码模拟突然施加的扰动风载，并能够持续作用。
附图说明
[0029]
图1为本发明舱门负载模拟装置示意图；
[0030]
图2为本发明同列分布示意图；
[0031]
图3为本发明风载凸轮模拟装置示意图；
[0032]
图4为本发明外形面固定凸轮示意图；
[0033]
图5为本发明凸轮运行时的受力情况示意图；
[0034]
图6为本发明凸轮提供的出力半径和角度关系曲线。
具体实施方式
[0035]
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
[0036]
本发明提供一种凸轮式飞机舱门负载模拟装置及模拟方法，将各凸轮组和摩擦盘41通过支架9架起，重力凸轮11、惯量凸轮21和风载凸轮31、三种凸轮安装在输入轴7上。重力凸轮11配合重力砝码12模拟重力负载；风载凸轮31配合风载砝码32模拟风载；惯量凸轮21配合惯量砝码22调节系统总惯量，模拟惯性负载，同时起调节整个轴系动平衡作用。本发明实现了同时模拟重力负载、惯性负载、摩擦负载、突风扰动负载等多种载荷。
[0037]
凸轮式飞机舱门负载模拟装置，如图1所示，包括n个凸轮组、输入轴7、3n个联轴器8和摩擦盘41；n个凸轮组和摩擦盘41通过输入轴7串联；3n个联轴器8设置在输入轴上；每个凸轮组包括重力凸轮模拟装置1、惯量凸轮模拟装置2和风载凸轮模拟装置3；每个凸轮组中，重力凸轮模拟装置1、惯量凸轮模拟装置2和风载凸轮模拟装置3依次通过输入轴7串联，且重力凸轮模拟装置1与惯量凸轮模拟装置2之间、惯量凸轮模拟装置2与风载凸轮模拟装置3之间均设置一个联轴器8，n个凸轮组共用2n个联轴器8；相邻2个凸轮组之间均设置1个联轴器8，凸轮组之间共用n-1个联轴器8；串联的n个凸轮组尾端通过1个联轴器8与摩擦盘41连接。凸轮式飞机舱门负载模拟方法具体为，输入轴7通过3n个联轴器8带动n个凸轮组和摩擦盘41同步转动，实现对飞机舱门承受重力负载、惯量负载、风载负载和摩擦负载的模拟。
[0038]
本发明中负载模拟装置通过串联多个凸轮组，模拟更为复杂的工况。凸轮组可采用单侧布置亦可采用交错布置方式来达到载荷模拟的要求，各组凸轮间距不小于2倍凸轮
厚度。
[0039]
负载模拟装置还包括3n+1个支架9，n为不小于1的正整数；每个凸轮组设置有3个支架9，重力凸轮模拟装置1、惯量凸轮模拟装置2和风载凸轮模拟装置3分别对应1个支架9；摩擦盘41对应设置1个支架9。
[0040]
重力凸轮模拟装置1包括重力凸轮11和重力砝码12；其中，支架9实现对输入轴7的支撑，且将套装在输入轴7上的重力凸轮11限位在支架9顶部实现周向转动；重力砝码12通过钢丝绳连接到重力凸轮11外圆侧壁处，通过重力砝码12自重产生对应扭矩；重力凸轮11带动重力砝码12模拟重力负载；
[0041]
所述惯量凸轮模拟装置2包括惯量凸轮21和惯量砝码22；其中，支架9实现对输入轴7的支撑，且将套装在输入轴7上的惯量凸轮21限位在支架9顶部实现周向转动；惯量砝码22通过钢丝绳连接到惯量凸轮21外圆侧壁处，通过惯量砝码22自重产生对应扭矩；惯量凸轮21带动惯量砝码22模拟惯量负载。
[0042]
支架9实现对输入轴7的支撑，且将套装在输入轴7上的摩擦盘41限位在支架9顶部实现周向转动；通过在摩擦盘41盘面施加摩擦阻力，实现模拟摩擦载荷。
[0043]
风载凸轮模拟装置3包括风载凸轮31、风载砝码32和弹簧33；其中，支架9实现对输入轴7的支撑，且将套装在输入轴7上的风载凸轮31限位在支架9顶部实现周向转动；风载砝码32通过弹簧33连接到风载凸轮31外圆侧壁处，通过风载砝码32自重产生对应扭矩。
[0044]
弹簧33的刚度k参考：k＝gd4/8d13n，g为弹簧33材料切变模量，d为弹簧33线径，d1为弹簧33中径，n为弹簧33圈数，系统可以根据所需冲击载荷来预先设置弹簧刚度。
[0045]
如图3所示，风载凸轮模拟装置3还包括支撑杆34；支撑杆34的根部指向输入轴7，头部沿风载凸轮31径向与风载凸轮31内壁接触，通过支撑杆34实现对风载凸轮31外凸圆型面的支撑；支撑杆34为弯折杆结构，通过支撑杆34弯折实现风载凸轮31外径的变化；风载凸轮31带动风载砝码32模拟风载。
[0046]
当风载凸轮31周向转动到凸点接近水平位置时，支撑杆34迅速弯折回收，风载凸轮31的凸点变由弯折后的支撑杆34支撑；弹簧33及其连接的风载砝码32，均由弯折前支撑杆34长度的支撑位置瞬时移动到弯折后支撑杆34长度的支撑位置；风载砝码32产生突变的速度，实现模拟突变干扰扰动风载；释放瞬间风载砝码32产生的动能e为其中，m为风载砝码32质量，v为风载砝码32线速度；对负载模拟装置产生的附加力f为f＝e/s，s为风载砝码32位移。故而会对系统产生突变扭矩。
[0047]
设定弯折前支撑杆34的轴向长度为l，弯折后支撑杆34剩余轴向长度为
[0048]
如图4所示，重力凸轮11、惯量凸轮21为外形面固定无变化的相同凸轮结构；以输入轴7中心为中心，将凸轮的最小半径r1水平放置，最小半径r1所在水平线设置为0
°
；沿逆时针每30
°
设置一个半径，依次得到凸轮的半径r2-半径r12；将r1至r2的外端圆滑曲线连接，即得到凸轮结构的外形面。
[0049]
则各半径ri的计算公式为：
[0050]
[0051]
式中，i为半径r2-半径r12的半径的序号；
[0052]
a为参数，a取值范围为r1-2r1；
[0053]
θ为第i个半径所在直线与0
°
直线的夹角。
[0054]
摩擦盘41为圆盘状结构。
[0055]
重力凸轮11、惯量凸轮21可以使用普通凸轮也可使用可调节凸轮，可调节凸轮通过多个作动器6，来实时调节凸轮外形以达到不同运动曲线，实现不同工况下载荷的模拟。
[0056]
重力凸轮11、惯量凸轮21和风载凸轮31采用相同的可调节凸轮组件，可调节凸轮组件包括变凸轮5和m个作动器6；每个作动器6以输入轴7中心为中心，沿变凸轮5径向方向设置，且m个作动器6在变凸轮5内部发散均匀分布；m个作动器6的外端实现对变凸轮5外圆型面的支撑；m为不小于3的正整数。
[0057]
作动器6为沿轴向伸缩结构；通过作动器6的伸缩实现对变凸轮5外圆型面的改变；设定作动器6完全收缩状态下轴向长度为r，作动器6完全伸出状态下轴向长度为2r，即作动器6实现对变凸轮5外圆型面的半径从r-2r的调整。
[0058]
相邻2个凸轮之间的间距不小于2倍凸轮的厚度；各砝码呈单侧设置在各凸轮的同侧(如图2所示)或交错分布在各凸轮的两侧(如图1所示)。输入轴7实现带动重力凸轮11、惯量凸轮21和风载凸轮31旋转，输入轴7的输入转速小于1000r/min。
[0059]
作动器6可以采用液压缸+活塞杆或者电机+丝杠等多种方案，包括作动器基座和作动器推杆，推杆可以伸缩调节，来达到调整凸轮外形曲线的目的。
[0060]
图5为凸轮运行时的受力情况，t＝r(θ)
×
g(x)，t为凸轮产生的扭矩负载，r(θ)凸轮中心到边距离，g(x)为砝码重力，g(x)＝a+bx,其中a为钢丝绳及砝码框架自重，b为增加单个砝码重量，x为砝码数量，x≥0，惯性凸轮的转动惯量为j＝∑miri2，mi为凸轮质量，ri为质心到转轴中心距离,惯性凸轮可以通过改变外形，以产生不同的转动惯量来调整系统响应速度；
[0061]
图6为凸轮提供的出力半径和角度关系曲线，凸轮逆时针旋转不同的角度凸轮边缘砝码距离轴心的位置随之不断变化，进而产生不同长度的力臂r(θ)，配合砝码重量g(x)可产生不同的力矩t，以达到全工况载荷的模拟；
[0062]
n个凸轮组通过联轴器8相互串联，可根据不同工况选择不同数量的加载系统，实现全工况模拟。
[0063]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。