专利名称：一种飞机驾驶盘多维力测量组件及其测量方法
技术领域：
本发明属于航空工程试验检测领域，特别涉及一种飞机驾驶盘多维力测量组件及 其测量方法。
背景技术：
目前，在飞机驾驶盘力测量中，往往是针对特定的驾驶盘对其进行改造而完成驾 驶盘力的测量；或者是设计专门的夹具和连接件，使用通用的拉压力传感器、扭矩传感器测 量驾驶盘力。存在以下不足1、对特定的驾驶盘进行改造，需要根据驾驶盘的结构专门设计完成驾驶盘力测量 单元，作为驾驶盘的一部分与驾驶盘组合在一起。对驾驶盘改造的结果可能会影响驾驶盘 的强度等原有功能特性，另一方面，改造飞机驾驶盘的工艺复杂，实施难度大，导致成本也 很高，且不具有通用性。2、设计专门的夹具和连接件，使用通用的拉压力传感器只能完成纵向驾驶盘力测 量，需要将这些分散的夹具、连接件和拉压力传感器等组装在一起；而对于横向驾驶盘力测 量，同样需要设计专门的夹具和连接件，并将这些分散的夹具、连接件和扭矩传感器等组装 在一起。上述测量视线中，纵向和横向尺寸大，需要占用很大的空间，给现场安装与使用带 来很大困难。随着微电子技术、微机械加工技术、自动测量技术的发展，设计一种能完成飞机驾 驶盘力测量组件的条件已经成熟。

发明内容
本发明的目的是设计一种不需要对飞机驾驶盘进行改造、安装使用方便、测量精 度高且具有通用性的飞机驾驶盘多维力测量组件及其测量方法。本发明的技术方案是设计一种飞机驾驶盘多维力测量组件，由操纵手柄、水平力 信号检测单元、垂直力信号检测单元、安装连接单元在空间上按“一”字型结构连接成一体， 以安装连接单元为中心，在其两侧分别布置力信号检测单元和操纵手柄，操纵手柄布置在 最外端；其中操纵手柄用于施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况；水平力 信号检测单元用于检测操纵过程纵向操纵力的大小，垂直力信号检测单元用于检测操纵过 程横向操纵力的大小，要求所检测力信号连续、准确；安装连接单元用于驾驶盘力测量组件 与驾驶盘的安装连接，以便于通过对驾驶盘力测量组件的操作带动驾驶盘的运动，能间接 来操纵驾驶盘。所述操纵手柄、水平力信号检测单元、垂直力信号检测单元、安装连接单元相互连 接成一个整体；安装连接单元与力信号检测单元和操纵手柄可以制造为一个整体，这样做 的好处在于结构紧凑、简单、实用，占用空间尺寸小；安装连接单元与力信号检测单元和操 纵手柄也可以是独立零部件，使用连接件进行连接，组装成为一个整体。所述安装连接单元上布置多个定位安装孔，可采用通孔连接方式，也可以采用螺纹连接方式。所述水平方向力信号检测单元采用矩形框式结构，该矩形框结构由2个互相平行 的应变梁和与之垂直的2个连接端组成，在每个矩形框的两个应变梁面中心分别布置有2 个应变片，两个矩形框中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既纵向操纵 力的大小。同样，垂直方向力信号检测单元也采用矩形框式结构，该矩形框结构由2个互相 平行的应变梁和与之垂直的2个连接端组成，在每个矩形框的两个应变梁面中心分别布置 有2个应变片，两个矩形框中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既横向操 纵力的大小。同时提供一种用于飞机驾驶盘操纵力的测试方法，包括以下步骤根据驾驶盘的大小、形状等使用专门的夹具与安装连接单元连接，实现驾驶盘力 测量组件与驾驶盘的安装连接，以便于通过对驾驶盘力测量组件的操作带动驾驶盘的运 动，来间接操纵驾驶盘。通过操纵手柄施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况。本发明的优选方法进一步包括以下步骤在驾驶盘力测量中，将测量组件安装在驾驶盘与操作人员之间，以便于操作，在纵 向驾驶盘力测量中，通过操纵手柄向前推驾驶盘，或者是向后拉驾驶盘。在横向驾驶盘力测量中，通过操纵手柄顺时针旋转驾驶盘，或者是逆时针旋转驾 驶盘。由力信号检测单元检测操纵过程操纵力的大小，要求所检测力信号连续、准确；在 纵向操纵力的测量中，力值大小由水平方向力信号检测单元测量，向前推驾驶盘时，力信号 输出为正，向后拉驾驶盘时，力信号输出为负；在横向操纵力的测量中，力值大小由垂直方 向力信号检测单元测量，顺时针旋转驾驶盘时，力信号输出为正，逆时针旋转驾驶盘时，力 信号输出为负。本发明的优点是本发明将传统的传感器与测量中的夹具、连接件和施力单元集 成在一起，既不需要对驾驶盘进行改造，也不需要设计专门的夹具和连接件，结构紧凑、简 单，空间尺寸小，安装使用方便，测试精度高，符合飞机驾驶盘实际操纵情况，适用于各种类 型飞机驾驶盘操纵力的测量。


图1为本发明组成结构图；图2为本发明一个实施例的组成结构图；图3为本发明垂直力信号检测单元原理示意图；图4为本发明水平力信号检测单元原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明本实施例组成结构如图2，垂直力信号检测单元[3]和[5]以安装连接单元[4]中 心线对称，分别布置在安装连接单元[4]的两侧；水平力信号检测单元[2]和[6]同样以安装连接单元[4]中心线对称，分别布置在垂直力信号检测单元[3]和[5]的两侧；操纵手柄 [1]和[7]也以安装连接单元[4]中心线对称，分别布置在水平力信号检测单元[3]和[5] 的两侧。水平力信号检测单元[2]和垂直力信号检测单元[3]互相连接，水平力信号检测 单元[5]和垂直力信号检测单元[6]互相连接，均采用一体化的矩形框式结构，这样，整体 体积小、结构简单、实用；在水平力信号检测单元[2]矩形框前后弹性变形面上布置有2组 电阻应变片，在水平力信号检测单元[6]矩形框前后弹性变形面上也布置有2组电阻应变 片，这样就在水平力信号检测单元[2]和[6]矩形框前后弹性变形面上布置有4组电阻应 变片，组成全桥电路，完成水平方向操纵力的测量；在垂直力信号检测单元[3]矩形框前后 弹性变形面上布置有2组电阻应变片，在垂直力信号检测单元[5]矩形框前后弹性变形面 上也布置有2组电阻应变片，这样就在垂直力信号检测单元[3]和[5]矩形框前后弹性变 形面上布置有4组电阻应变片，组成全桥电路，完成垂直方向操纵力的测量。安装连接单元[4]上布置有2个通孔，用于与驾驶盘的定位连接。测量组件操纵手柄[1]和[7]、水平力信号检测单元[2]和[6]、垂直力信号检测 单元[3]和[5]、安装连接单元[4]是完整一体，这样具有整体效果好的特点。操纵手柄[1]和[7]靠近驾驶盘的一侧为多段弧形，靠近操作人员一侧为整段的 圆弧，符合人体工程学，便于手握手柄来施加操纵力。图3为本发明垂直力信号检测单元原理示意图。驾驶盘多维力测量组件中垂直力信号检测单元[3]、[5]分别采用矩形框式结构， 是2个形状相同矩形框，用于垂直力信号的检测。单个矩形框结构由2个互相平行的应变 梁[18]、[19]和与之垂直的2个连接端组成，在每个矩形框的两个应变梁[18]、[19]的内 侧平面中心分别布置有2个应变片[8]、[9]，两个矩形框中的4个应变片接成桥路，测量垂 直于应变梁平面的力，既横向操纵力的大小。下面，分析力信号检测原理。对于飞机横向运动的操纵，是通过旋转驾驶盘进行的，在初始状态下施加力为垂 直方向，一般规定，逆时针的旋转信号为正，顺时针的旋转方向信号为负。这样，对驾驶盘多 维力测量组件操作而言，测量横向操纵力时，是通过操纵手柄[1]、[7]来完成的。初始状态 时，操纵手柄[1]施力方向垂直向下，操纵手柄[7]施力方向垂直向上，形成逆时针的旋转 运动。以垂直力信号检测单元[3]为例，当通过操纵手柄[1]施力时，其作用与Z轴平 行，力的方向与Z方向相反，这时，应变梁[18]、[19]产生变形，由于在应变梁[18]、[19]的 内侧平面中心分别布置有2个应变片[8]、[9]，应变片[8]受到压缩，而应变片[9]受到拉 伸；反之，当通过操纵手柄[1]施加反向力时，其作用与Z轴平行，力的方向与Z方向一致， 这时，在应变梁[18]、[19]的内侧平面中心分别布置应变片[8]受到拉伸，而应变片[9]受 到压缩。同样，对于垂直力信号检测单元[5]，通过操纵手柄[7]施力时，其作用与Z轴平 行，力的方向与Z方向相同，应变片[12]受到压缩，应变片[13]受到拉伸。将上述垂直力信号检测单元[3]和[5]中的4个应变片[8]、[9]、[12]、[13]接 成全桥形式，就可以测量操纵手柄[1]、[7]所施加横向操纵力的大小。
图4为本发明水平力信号检测单元原理示意图。对于飞机纵向运动的操纵，是通过向前或者是向后推拉驾驶盘进行的，在初始状 态下施加力为水平方向，一般规定，向前推驾驶盘信号为正，向后拉驾驶盘信号为负。纵向 操纵力的测量是通过驾驶盘多维力测量组件中水平力信号检测单元[2]、[6]实现的，是2 个形状相同矩形框。水平力信号检测单元[2]单个矩形框结构由2个互相平行的应变梁 [21]、[22]和与之垂直的2个连接端组成，在每个矩形框的两个应变梁[21]、[22]的内侧 平面中心分别布置有2个应变片[14]、[15]。以水平力信号检测单元[2]为例，当通过操纵手柄[1]施力时，其作用与Y轴平 行，力的方向与Y方向相同，这时，应变梁[21]、[22]产生变形，由于在应变梁[21]、[22]的 内侧平面中心分别布置有2个应变片[14]、[15]，应变片[14]受到拉伸，而应变片[15]受 到压缩；反之，当通过操纵手柄[1]施加反向力时，其作用与Y轴平行，力的方向与Y方向相 反，这时，在应变梁[21]、[22]的内侧平面中心分别布置应变片[14]受到压缩，而应变片 [15]受到拉伸。同样，对于水平力信号检测单元[6]，通过操纵手柄[7]施力时，其作用与Z轴平 行，力的方向与Z方向相同，应变片[16]受到拉伸，应变片[17]受到压缩。将上述垂直力信号检测单元[2]和[6]中的4个应变片[14]、[15]、[16]、[17]接 成全桥形式，就可以测量操纵手柄[1]、[7]所施加纵向操纵力的大小。
权利要求
一种飞机驾驶盘多维力测量组件，测量组件由操纵手柄[1]和[7]、水平力信号检测单元[2]和[6]、垂直力信号检测单元[3]和[5]、安装连接单元[4]在空间上按“一”字型结构连接而成，其特征在于以安装连接单元[4]为中心，在其两侧依次分别布置力信号检测单元[3]和[5]、[2]和[6]及操纵手柄[1]和[7]，操纵手柄[1]和[7]布置在最外端，力信号检测单元[3]和[5]最靠近安装连接单元[4]。
2.根据权利要求1所述的飞机驾驶盘多维力测量组件，其特征在于，测量组件操纵手 柄[1]和[7]、水平力信号检测单元[2]和[6]、垂直力信号检测单元[3]和[5]、安装连接 单元[4]是完整一体。
3.根据权利要求1或2所述的飞机驾驶盘多维力测量组件，其特征在于水平力信号检 测单元[2]和[6]采用一体化的矩形框式结构。
4.根据权利要求1或2所述的飞机驾驶盘多维力测量组件，其特征在于垂直力信号检 测单元[3]和[5]采用一体化的矩形框式结构。
5.根据权利要求1或2或3所述的飞机驾驶盘多维力测量组件，其特征在于，所述水平 力信号检测单元矩形框结构由2个互相平行的应变梁和与之垂直的2个连接端组成，在每 个矩形框的两个应变梁面中心分别布置有2个应变[14]、[15]和[16]、[17]，两个矩形框 中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既纵向操纵力的大小。
6.根据权利要求1或2或4所述的飞机驾驶盘多维力测量组件，其特征在于，所述垂直 力信号检测单元矩形框结构由2个互相平行的应变梁和与之垂直的2个连接端组成，在每 个矩形框的两个应变梁面中心分别布置有2个应变[8]、[9]和[12]、[13]，两个矩形框中 的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既横向操纵力的大小。
7.根据权利要求1或2所述的飞机驾驶盘多维力测量组件，其特征在于，安装连接单元 [4]上布置的多个定位安装孔可采用通孔连接方式，也可以采用螺纹连接方式。
8.一种飞机驾驶盘力测量方法，其特征在于，根据驾驶盘的大小、形状等使用专门的夹 具与安装连接单元连接，实现驾驶盘力测量组件与驾驶盘的安装连接，通过对驾驶盘力测 量组件的操作带动驾驶盘的运动，间接操纵驾驶盘。
9.根据权利要求8所述飞机驾驶盘力测量方法，其特征在于，通过操纵手柄施加操纵 力，模拟驾驶员操纵实际情况。
10.根据权利要求8所述飞机驾驶盘力测量方法，其特征在于，在驾驶盘力测量中，将 测量组件安装在驾驶盘与操作人员之间，以便于操作。
11.根据权利要求8所述飞机驾驶盘力测量方法，其特征在于，在纵向驾驶盘力测量 中，通过操纵手柄向前推驾驶盘，或者是向后拉驾驶盘。
12.根据权利要求8所述飞机驾驶盘力测量方法，其特征在于，在横向驾驶盘力测量 中，通过操纵手柄顺时针旋转驾驶盘，或者是逆时针旋转驾驶盘。
13.根据权利要求8所述飞机驾驶盘力测量方法，其特征在于，在纵向操纵力的测量 中，力值大小由水平方向力信号检测单元测量。
14.根据权利要求8所述飞机驾驶盘力测量方法，其特征在于，在横向操纵力的测量 中，力值大小由垂直方向力信号检测单元测量。
全文摘要
本发明公开了一种飞机驾驶盘多维力测量组件及其测量方法，属于航空工程试验检测领域。该测量组件由操纵手柄、水平方向力信号检测单元、垂直方向力信号检测单元、安装连接单元在空间上按“一”字型结构组合而成，以安装连接单元为中心，在其两侧分别布置力信号检测单元和操纵手柄，操纵手柄布置在最外端，力信号检测单元的两端分别与安装连接单元和操纵手柄连接。测量组件通过安装连接单元与驾驶盘连接，操纵力通过操纵手柄施加到驾驶盘并操纵其运动，通过力信号检测单元测量操纵力的大小。本发明具有结构紧凑、简单，工作可靠、测试精度高，符合飞机驾驶盘实际操纵情况，安装使用调整方便的特点，适用于各种类型飞机驾驶盘操纵力的测量。
文档编号G01L5/22GK101881679SQ20101011924
公开日2010年11月10日 申请日期2010年3月8日 优先权日2010年3月8日
发明者支超有, 薛峰, 高承雍 申请人:中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所