专利名称：风洞模型支撑装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风洞实验装备领域，尤其是涉及一种在风洞实验中用于对模型进行支
撑的风洞模型支撑装置。
背景技术：
风洞实验是进行空气动力学研究的三个基本手段之一，风洞实验的成果强有力地 推动了航空航天事业的发展。在风洞实验中，需要飞行器模型(以下简称模型)经常作出 俯仰、偏航、滚转、升沉、横向平移和纵向平移等姿态和动作。而要实现上述姿态和动作，必 须先用支架系统将模型支撑在风洞之中，这个支架即通常所称的风洞模型支撑系统，它是 实现风洞中模型姿态控制的机构。在风洞实验中，常用的模型支撑方式包括腹撑、尾撑、背 撑和张线支撑等。在不同种类的风洞试验中，会根据具体情况采用不同的支撑方式，这些不 同的支撑方式具有各自的特点和优势。 随着并联机构的出现及相关理论的逐渐成熟，并联机构以其高刚度、高响应速度 和误差不累积等优点，很快应用到风洞模型支撑系统中。目前广泛采用的风洞模型支撑系 统有Stewart平台的并联机构风洞模型系统和Hexaglide (6-PSS)并联机构风洞模型支撑 系统。虽然这两类风洞模型支撑系统具有较高的动态响应特性，但是很难满足风洞模型试 验中对模型做高频率、大振幅运动的实验要求。因为在风洞试验中，模型是由一根杆件与动 平台固连，在试验过程中动平台不能进入风区，这就要求动平台和模型之间的杆件长度至 少大于风洞的半径。然而由于风洞半径的限制，当模型做大振幅、高频率运动时，会使风洞 模型支撑系统所需要的输入加速度相当大，这是一般的驱动单元无法实现的，而且结构复 杂，制造、装配成本较高。

发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于 提出一种可扩大模型的俯仰和滚转振幅、能降低驱动单元的加速度、运动速度和运动行程， 结构简单且可靠的风洞模型支撑装置。 为此，根据本发明的一个实施例的风洞模型支撑装置，包括动平台，所述动平台 具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；夹持装置，所述夹持装置与所述动平台相连 接并用于固定支撑所述模型；以及第一和第二驱动单元，所述第一和第二驱动单元设置在 所述动平台上，用于驱动所述夹持装置以使所述夹持装置获得沿着纵向和横向转动的自由 度中的一个，其中，所述第一驱动单元包括第一驱动电机，以及第一齿轮齿条机构，所述第 一驱动电机驱动所述第一齿轮齿条机构，所述第一齿轮齿条机构进而驱动所述夹持装置， 以实现夹持装置的纵向或横向转动的自由度；所述第二驱动单元包括第二驱动电机，以 及第二齿轮齿条机构，所述第二驱动电机驱动所述第二齿轮齿条机构，所述第二齿轮齿条 机构进而驱动所述夹持装置，以实现所述夹持装置的纵向和横向转动的自由度中的另一
根据本发明的风洞模型支撑装置，可实现风洞试验中模型的六自由度运动，且通 过并联的第一驱动单元和第二驱动单元可以有效地扩大模型的俯仰和滚转振幅，降低了驱 动单元所需的加速度、运动速度并减少了运动行程，结构简单并且可靠性强。
另外，根据本发明实施例的风洞模型支撑装置还具有如下附加技术特征
所述第一驱动单元和所述第二驱动单元相互垂直地布置。 所述第一齿轮齿条机构包括第一齿轮，所述第一齿轮与所述第一驱动电机相连 接；和第一齿条，所述第一齿条的一端固接有第一刚性杆，所述第一刚性杆的另一端与所述 夹持装置可转动地连接且可上下运动，进而带动所述夹持装置运动。 所述第二齿轮齿条机构包括第二齿轮，所述第二齿轮与所述第二驱动电机相连 接；和第二齿条，所述第二齿条的一端固接有第二刚性杆，所述第二刚性杆的另一端与所述 夹持装置可转动地连接且可上下运动，进而带动所述夹持装置运动。 所述第一齿轮齿条机构还包括第一套筒；以及第一支架，所述第一支架固定在
所述动平台上并支撑所述第一套筒和第一齿轮，所述第一齿条与第一套筒相连接并与所述
第一齿轮在第一套筒中啮合，所述第一套筒和第一齿轮围绕第一支架可转动。 所述第二齿轮齿条机构还包括第二套筒；以及第二支架，所述第二支架固定在
所述动平台上并支撑所述第二套筒和第二齿轮，所述第二齿条与第二套筒相连接并与所述
第二齿轮在第二套筒中啮合，所述第二套筒和第二齿轮围绕第二支架可转动。 所述夹持装置为虎克铰，其包括上铰链架，所述上铰链架的顶端与所述动平台底
部通过动平台连接件进行连接，所述上铰链架成拱形且两端分别形成有在同一轴线上的第
一圆孔；下铰链架，所述下铰链架的底端通过模型连接件与所述模型进行连接，所述下铰链
架形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一轴线上的两个凸缘，所述两个凸缘上分别形成
有第二圆孔，所述两个第二圆孔的轴线与所述第一圆孔的轴线相垂直；以及十字轴，所述十
字轴的四个轴端分别可转动地设在所述两个第一圆孔和两个第二圆孔中。 所述第一和第二刚性杆的下端分别通过第一球铰和第二球铰与所述虎克铰相铰接。 所述刚性杆的下端与下铰链架的边缘铰接，且铰接点分别位于所述十字轴的两条 轴线所在的竖直面上。 根据本发明的风洞模型支撑装置，采用并联的第一和第二驱动单元的齿轮齿条机 构与虎克铰机构结合，使得上铰链架和下铰链架可以分别基于虎克铰上形成的两组轴线相 互垂直的转动副绕十字轴做独立转动，可扩大模型的俯仰和滚转振幅，并且能降低驱动单 元的加速度、运动速度和运动行程，结构简单、控制精确。 使用齿轮-齿条作为驱动装置，传动效率比较高，结构紧凑，传动承载能力大，工 作可靠，寿命长，传动比准确。在传动过程中可以保持瞬时传动比不变，冲击、振动及噪声尽
量小。此外，由于驱动装置的运动副都是低副，且组成运动副的原件表面全是圆柱面或平 面，因而加工、安装和调整都比较方便，可以获得较高的精度；组成运动副的原件间的接触 都是面接触，它所承受的单位压力较小，故磨损较小，可靠性较高。 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。


本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中图1是根据本发明实施例的风洞模型支撑装置在YOZ平面上的结构示意图
图2是图1中所示的风洞模型支撑装置的虎克铰的结构示意图。
主要附图标记说明100夹持装置200第一驱动单元300第二驱动单元Oll第一齿条012第二齿条021第一套筒022第二套筒031第一皮带轮032第二皮带轮041第一齿轮042第二齿轮051第一支架052第二支架6动平台071第一刚性杆072第二刚性杆8动平台连接件9上铰链架10十字轴11下铰链架121第一球铰122第二球铰13模型连接件14模型151第一支架152第二支架210第一驱动电机310第二驱动电机A转动副B转动副c转动副D转动副
具体实施例方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 在本发明的描述中，术语"纵向"、"横向"、"上"、"下"、"顶"、"底"及O-XYZ坐标系等
指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不
是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。例如，在本
发明中，所提及的横向可以指的是附图2中所示的Y轴方向，所述纵向可以指的是图2中所
指的X方向，反之亦可。而竖向指的是Z轴所指示的方向。需要说明的是，该说明仅出于示
例的目的，以方便普通技术人员理解本发明的要旨，而不能认为是限制本发明的保护范围。 下面参考附图描述根据本发明实施例的风洞模型支撑装置。 如图1和图2所示，根据本发明实施例的风洞模型支撑装置包括动平台6、夹持装
6置100、第一驱动单元200和第二驱动单元300。 其中，动平台6具有三个平动自由度和一个转动自由度。即沿Z轴的升降、沿Y轴 的横向平动、沿X轴的纵向平动和绕Z轴的偏航(转动)。当然，在本发明的另一个示例中， 动平台6也可以具有更多的自由度，比如在具有六个自由度时，为沿Z轴的升降、沿Y轴的 横向平动、沿X轴的纵向平动、绕Z轴的偏航、绕Y轴的滚转及绕X轴的俯仰。在该情况下， 本发明可以进一步加大所述动平台的六个自由度的幅度。 所述夹持装置100与动平台6相连接并用于固定支撑模型14。根据本发明的一个 实施例，所述夹持装置100与所述动平台6固接。 根据本发明的一个实施例，第一驱动单元200和第二驱动单元300相互垂直地设 置在动平台6上，即分别位于XOZ平面内和YOZ平面内并且分别布置在X轴的轴线方向上 以及Y轴的轴线方向上，用于驱动夹持装置100以使夹持装置100获得沿着X轴和Y轴转 动的自由度。例如，假设第一驱动单元200沿X轴布置，第一驱动单元200将控制夹持装置 100，进而使模型绕Y轴做滚转运动；此时，则第二驱动单元300沿Y轴布置，第二驱动单元 300将控制夹持装置IOO，进而使模型绕X轴做俯仰运动。 根据本发明一个的实施例，所述夹持装置100为虎克铰。如图2所示，虎克铰100 包括上铰链架9、下铰链架11和十字轴10。其中，在上铰链架9的顶端与动平台6底部通 过动平台连接件8进行固定连接。而下铰链架11的底端通过模型连接件13与模型14进 行连接。 具体地，上铰链架9成拱形，其两端分别形成有第一圆孔101，两个第一圆孔101在 同一轴线上，且该轴线沿X轴方向。下铰链架ll形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一 轴线上的两个凸缘lll，两个凸缘111上分别形成有第二圆孔102，两个第二圆孔102的轴 线与第一圆孔101的轴线相垂直，即沿Y轴方向。十字轴10的四个轴端分别可转动地设在 两个第一圆孔101和两个第二圆孔102中，从而形成了两组轴线相互垂直的转动副A、B及 C、D。其中，A、B转动副的轴线沿X轴方向，而C、D转动副的轴线沿Y轴方向，并且相交于十 字轴10的中心点0。由此，上铰链架9和下铰链架11可以分别绕十字轴10做独立转动。
如图1所示，第一驱动单元200进一步包括第一驱动电机210，以及第一齿轮齿 条机构220，第一驱动电机210驱动第一齿轮齿条机构220，第一齿轮齿条机构220进而驱 动夹持装置100，以实现夹持装置100的绕Y轴转动的自由度，即使模型14进行滚转。
根据本发明的一个实施例，第一齿轮齿条机构220进一步包括第一齿轮041，第 一齿轮041与第一驱动电机210相连接；和第一齿条Oll，所述第一齿条011的一端固接有 第一刚性杆071，第一刚性杆071的另一端与夹持装置100可转动地连接且可上下运动，进 而带动夹持装置100运动。 具体地，第一齿轮齿条机构220还包括第一套筒021 ;以及第一支架051，第一支 架051固定在动平台6上并支撑第一套筒021和第一齿轮041 ，第一齿条011设置于第一套 筒021中并与第一齿轮041在第一套筒021中啮合，第一套筒021和第一齿轮041围绕第 一支架051可转动。 换言之，第一齿轮齿条机构220由第一驱动电机210驱动，进而经由第一刚性杆 071驱动虎克铰100滚转。更具体地，第一齿轮齿条机构220通过第一支架051安装在动平 台6上，第一驱动电机210与第一皮带轮031主动轮相连，第一驱动电机210带动第一皮带
7轮031主动轮转动，第一皮带轮031从动轮带动第一齿轮041转动，通过齿轮-齿条传动， 与第一齿条Oil固连的第一刚性杆071带动虎克铰100的下铰链架11绕十字轴10转动。 第一齿轮041位于第一套筒021内且与第一套筒021转动连接，第一齿条Oil和第一齿轮 041在第一套筒021内啮合，从而使得第一套筒021随着第一齿条Oll的运动绕第一支架 051的轴线转动。第一齿轮齿条机构220中第一齿条Oll的一端与第一刚性杆071的一端 相连接。第一刚性杆071再带动虎克铰100运动。例如，第一刚性杆071可与虎克铰100通 过第一球铰121相铰接。具体地，第一刚性杆071的下端与下铰链架ll的边缘E点铰接， 且铰接点E位于十字轴10的X轴所在的竖直面上，即XOZ平面内。可选地，E点位于十字 轴10的X轴线上。当然，第一刚性杆071的下端也可设置成与下铰链架11的边缘F点铰 接，所述E点、F点如图2中所示相对设置，此不赘述。 请再参见图l，第二驱动单元300进一步包括第二驱动电机310和第二齿轮齿条 机构320，第二驱动电机310驱动第二齿轮齿条机构320，第二齿轮齿条机构320进而驱动 夹持装置100，以实现夹持装置100的绕X轴转动的自由度，即使模型14进行俯仰。
根据本发明的一个实施例，第二齿轮齿条机构320进一步包括第二齿轮042，第 二齿轮042与第二驱动电机310相连接；和第二齿条012，第二齿条012的一端固接有第二 刚性杆072，第二刚性杆072的另一端与夹持装置100可转动地连接且可上下运动，进而带 动夹持装置100运动。 具体地，第二齿轮齿条机构320还包括第二套筒022 ;以及第二支架052，第二支 架052固定在动平台6上并支撑第二套筒022和第二齿轮042，第二齿条012设置于第二套 筒022中并与第二齿轮042在第二套筒022中啮合，第二套筒022和第二齿轮042围绕第 二支架052可转动。 换言之，第二齿轮齿条机构320由第二驱动电机310驱动，进而经由第二刚性杆 072驱动虎克铰100俯仰。更具体地，第二齿轮齿条机构320通过第二支架052安装在动平 台6上，第二齿轮042通过第二皮带轮032与第二驱动电机310相连接。第二齿轮042位 于第二套筒022内且与第二套筒022转动连接，而第二齿条012和第二齿轮042在第二套 筒022内啮合，从而使得第二套筒022随着第二齿条012的运动绕第二支架052的轴线转 动。第二齿轮齿条机构320中第二齿条012的一端与第二刚性杆072的一端相连接。第二 刚性杆072再带动虎克铰100运动。例如，第二刚性杆072可与虎克铰100通过第一球铰 122相铰接。具体地，第二刚性杆072的下端与下铰链架11的边缘H点铰接，且铰接点H位 于十字轴10的Y轴所在的竖直面上，即YOZ平面内。可选地，H点位于十字轴10的Y轴线 上。当然，第二刚性杆072的下端也可设置成与下铰链架11的边缘G点铰接，所述H点、G 点如图2中所示相对设置，此不赘述。 下面参考图1-2简要描述根据本发明实施例的风洞模型支撑装置的工作过程。
首先描述根据本发明的风洞模型支撑装置用来实现模型的滚转运动的过程。第一 驱动电机210驱动第一皮带轮031带动第一齿轮041转动，进而经由第一齿条011带动第 一刚性杆071上下运动，虎克铰100的C-D转动副转动，从而实现模型14绕Y轴的滚转运 动。 然后描述根据本发明的风洞模型支撑装置用来实现模型的俯仰运动的过程。第二 驱动电机310驱动第二皮带轮032带动第二齿轮042转动，进而经由第二齿条012带动第
8二刚性杆072上下运动，虎克铰100的A-B转动副转动，从而实现模型14绕X轴的滚转运 动。 根据本发明的风洞模型支撑装置，可实现风洞试验中模型的六自由度，且通过并 联的第一驱动单元200和第二驱动单元300可以有效地扩大模型14的俯仰和滚转振幅，降 低了驱动单元的加速度和运动速度并减少了运动行程，结构简单、控制精确并且可靠性强。
使用齿轮-齿条作为驱动装置，传动效率比较高，结构紧凑，传动承载能力大，工 作可靠，寿命长，传动比准确。在传动过程中可以保持瞬时传动比不变，冲击、振动及噪声尽 另外，根据本发明的风洞模型支撑装置，在虎克铰上形成了两组轴线相互垂直的 转动副，并且相交于十字轴的中心点。由此，两个上铰链架和下铰链架可以分别绕十字轴做 独立转动。由于驱动装置的运动副都是低副，且组成运动副的原件表面全是圆柱面或平面， 因而加工、安装和调整都比较方便，可以获得较高的精度；而且组成运动副的原件间的接触 都是面接触，因此它所承受的单位压力较小，故磨损较小，可靠性较高。 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
一种风洞模型支撑装置，包括动平台，所述动平台具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；夹持装置，所述夹持装置与所述动平台相连接并用于固定支撑所述模型；以及第一和第二驱动单元，所述第一和第二驱动单元设置在所述动平台上，用于驱动所述夹持装置以使所述夹持装置获得沿着纵向和横向转动的自由度，其中，所述第一驱动单元包括第一驱动电机，以及第一齿轮齿条机构，所述第一驱动电机驱动所述第一齿轮齿条机构，所述第一齿轮齿条机构进而驱动所述夹持装置，以实现夹持装置的纵向和横向转动的自由度中的一个；所述第二驱动单元包括第二驱动电机，以及第二齿轮齿条机构，所述第二驱动电机驱动所述第二齿轮齿条机构，所述第二齿轮齿条机构进而驱动所述夹持装置，以实现所述夹持装置的纵向和横向转动的自由度中的另一个。
2. 根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中所述第一驱动单元和所述第二驱动 单元相互垂直地布置。
3. 根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中所述第一齿轮齿条机构包括 第一齿轮，所述第一齿轮与所述第一驱动电机相连接；禾口第一齿条，所述第一齿条的一端固接有第一刚性杆，所述第一刚性杆的另一端与所述 夹持装置可转动地连接且可上下运动，进而带动所述夹持装置运动。
4. 根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中所述第二齿轮齿条机构包括 第二齿轮，所述第二齿轮与所述第二驱动电机相连接；禾口第二齿条，所述第二齿条的一端固接有第二刚性杆，所述第二刚性杆的另一端与所述 夹持装置可转动地连接且可上下运动，进而带动所述夹持装置运动。
5. 根据权利要求3或4所述的风洞模型支撑装置，其中所述第一齿轮齿条机构还包括第一套筒；以及第一支架，所述第一支架固定在所述动平台上并支撑所述第一套筒和第一齿轮，所述 第一齿条与第一套筒相连接并与所述第一齿轮在第一套筒中啮合，所述第一套筒和第一齿 轮围绕第一支架可转动。
6. 根据权利要求3或4所述的风洞模型支撑装置，其中所述第二齿轮齿条机构还包括第二套筒；以及第二支架，所述第二支架固定在所述动平台上并支撑所述第二套筒和第二齿轮，所述 第二齿条与第二套筒相连接并与所述第二齿轮在第二套筒中啮合，所述第二套筒和第二齿 轮围绕第二支架可转动。
7. 根据权利要求3或4所述的风洞模型支撑装置，其中所述夹持装置为虎克铰，其包括上铰链架，所述上铰链架的顶端与所述动平台底部通过动平台连接件进行连接，所述 上铰链架成拱形且两端分别形成有在同一轴线上的第一圆孔；下铰链架，所述下铰链架的底端通过模型连接件与所述模型进行连接，所述下铰链架 形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一轴线上的两个凸缘，所述两个凸缘上分别形成有 第二圆孔，所述两个第二圆孔的轴线与所述第一圆孔的轴线相垂直；以及十字轴，所述十字轴的四个轴端分别可转动地设在所述两个第一圆孔和两个第二圆孔中。
8. 根据权利要求7所述的风洞模型支撑装置，其中所述第一和第二刚性杆的下端分别 通过第一球铰和第二球铰与所述虎克铰相铰接。
9. 根据权利要求8所述的风洞模型支撑装置，其中所述刚性杆的下端与下铰链架的边 缘铰接，且铰接点分别位于所述十字轴的两条轴线所在的竖直面上。
10. 根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中所述动平台的转动自由度为一个。
11. 根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中所述动平台具有3个平动自由度和 三个转动自由度。
全文摘要
本发明公开了一种风洞模型支撑装置，包括动平台，具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；夹持装置，与动平台相连接并用于固定支撑模型；以及第一和第二驱动单元，第一和第二驱动单元设置在动平台上，用于驱动夹持装置以使夹持装置获得沿着纵向和横向转动的自由度。第一驱动单元包括第一驱动电机及第一齿轮齿条机构，第二驱动单元包括第二驱动电机及第二齿轮齿条机构。根据本发明的风洞模型支撑装置，可实现风洞试验中模型的六自由度，且通过并联的第一驱动单元和第二驱动单元可有效扩大模型支撑所能实现的模型的俯仰和滚转振幅，降低了驱动单元的加速度、运动速度和运动行程，结构简单可靠。
文档编号G01M9/04GK101788376SQ20101010244
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月18日
发明者关立文, 张 浩, 汪劲松, 王立平 申请人:清华大学