一种轴向紧凑型飞行器螺旋桨的动力特性同步测试装置的制作方法

本发明属于航空航天技术领域，可用于无人机、浮空器等飞行器螺旋桨动力特性测试，尤其是共轴双桨类飞行器的螺旋桨动力特性测试。

背景技术：

近年来，无人机、浮空器等飞行器螺旋桨电推进技术及其应用得到了飞速发展。以电能驱动的电动机带动螺旋桨产生飞行器推进动力成为替代传统内燃式航空发动机的重要方案。

螺旋桨动力特性主要包括推力特性和扭矩特性，其综合动力特性是相关飞行器总体动力设计及控制的基础，用以确定选取的动力系统性能参数是否满足总体设计的要求。同时，螺旋桨动力特性是推进电动机确定设计指标的重要依据，推进电动机的转矩转速特性需要与其相匹配，用以实现电推进系统功率密度、热性能和效率的整体优化。

现有螺旋桨综合动力特性测试方案较多的是采用推力和扭矩单独测量，需要两套的测试工装，测试效率较低，且测试数据准确性和一致性不高。采用推力和扭矩同步测量可提高测试的效率和准确性。

目前，推力和扭矩同步测量的螺旋桨动力特性试验台设计，多采用螺旋桨、扭矩传感器、电动机、拉力传感器同轴串联布局，具体如下：

专利文献cn103604608b公布了一种用于轻型运动飞机螺旋桨拉力实验台，电动机、扭矩传感器、螺旋桨通过联轴器同轴串联布置，整体放置在由吊板—四连杆机构支撑的平台上，螺旋桨旋转运动产生的拉力通过支撑平台传递到拉力传感器上测试得到，而螺旋桨扭矩则由电动机和螺旋桨之间的扭矩传感器测量。

专利文献cn102937509a公布的推进系统动力特性实验台，同轴串联布置的电动机、扭矩传感器、螺旋桨整体放置在直线滑轨上，拉力传感器一端连接实验台固定基座，另一端连接直线滑轨所支撑的平台。螺旋桨的推进力通过拉力传感器测试，扭矩由电动机和螺旋桨之间的扭矩传感器测量。

专利文献cn106143949a公布了一种用于无人机旋翼的垂直升力特性测试台，旋翼电机、扭矩传感器和拉力传感器垂直串联布置，其中扭矩方向采用直线轴承和垂直导轴进行约束，垂直方向由底部的拉力传感器进行约束，螺旋桨升力和输入扭矩分别由拉力传感器和扭矩传感器测量得到。

在串联布局的螺旋桨动力特性实验台中，扭矩传感器不仅用于敏感传动轴扭矩，还需要承受轴向的螺旋桨推力，这对扭矩传感器的轴向结构和疲劳强度都提出了很高要求，扭矩传感器成本代价高。

针对共轴双桨类电推进系统，由于需要考虑双桨同时工作时上下桨的气动耦合作用。当两个螺旋桨旋转面间距较近时，串联布局方式的螺旋桨动力特性实验台，会受到较大轴向空间的约束，此类串联布局方式将无法实现共轴双桨的动力特性测量。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种全新结构的轴向紧凑型飞行器螺旋桨动力特性测试装置，能够同时测量螺旋桨推力和扭矩特性，并且测试装置轴向长度小，尤其适合于共轴双桨动力特性测试，结构紧凑，成本低、通用性强。

本发明的技术方案是：一种轴向紧凑型飞行器螺旋桨动力特性同步测试装置，包括固定底座、侧支架、圆柱导轴、导轴支撑架、导轴滑块、滑块转接头、支撑板、旋转法兰盘、止动挡板块、螺旋桨电机、测力传感器支撑块、拉压力测推力传感器、杆端关节轴承、拉压力测扭传感器和测扭传感器支撑块；上述部件的连接和配合关系为：所述侧支架机械连接在所述固定底座上，所述圆柱导轴两端通过安装在所述侧支架上的导轴支撑架固定，将所述测力传感器支撑块与所述固定底座机械连接，将所述拉压力测推力传感器两端分别连接所述测力传感器支撑块和支撑板；所述圆柱导轴上安装有导轴滑块，所述导轴滑块具有沿所述圆柱导轴的轴向位移和旋转自由度，所述导轴滑块通过所述滑块转接头与所述支撑板机械连接，所述支撑板上内孔与所述旋转法兰盘外圆滑动或轴承配合，所述螺旋桨电动机机械安装在所述旋转法兰盘上，通过所述止动挡板块将旋转法兰盘与支撑板在轴向位移上锁定，所述旋转法兰盘的轴向受到所述止动挡板块限制，螺旋桨扭矩通过所述螺旋桨电机传递到所述旋转法兰盘，并通过固定在所述旋转法兰盘上的所述杆端关节轴承，将扭力作用于所述拉压力测扭传感器，进而实现螺旋桨扭矩的测量；螺旋桨推力通过所述螺旋桨电机传递到所述旋转法兰盘，并通过所述支撑板将力作用在所述拉压力测推力传感器上，以实现螺旋桨推力的测量。

一种利用如上所述的轴向紧凑型飞行器螺旋桨动力特性同步测试装置的同步测试飞行器螺旋桨动力特性的方法，将两台所述的螺旋桨动力特性同步测试装置轴向对称安装，根据拉压力测扭传感器的数值和所述旋转法兰盘的几何尺寸得到螺旋桨扭矩；同时可由所述支撑板底部的拉压力测推力传感器数值和力臂几何参数推算出螺旋桨推力；实现共轴双桨飞行器螺旋桨动力特性的同步测试。

螺旋桨扭矩测量原理是：螺旋桨电动机10提供螺旋桨旋转需要的扭矩，同时在旋转法兰盘8上作用一个相等的反向扭矩，由于旋转法兰盘8在轴向上转动位移非常小，通过杆端关节轴承13作用在拉压力测扭传感器14的扭力和相应力臂的乘积，与电机作用在旋转法兰盘8上的方向扭矩平衡。进而，可根据拉压力测扭传感器14数值和旋转法兰盘8几何尺寸推测得到螺旋桨扭矩。

螺旋桨推力测量原理是：支撑板7平面与螺旋桨推力方向保持垂直，螺旋桨推力通过螺旋桨电动机10等效在支撑板7内孔轴线上，形成沿圆柱导轴3旋转的扭矩。由于支撑板7沿圆柱导轴3旋转角度非常小，螺旋桨推力产生的沿圆柱导轴3方向的旋转扭矩与支撑板7底部连接处受力和相应力臂的乘积相等。因此，可由支撑板7底部的拉压力测力传感器12数值和力臂几何参数推算出螺旋桨推力。

本发明的有益效果与特点是：

(1)采用全新的轴向紧凑型结构设计，缩短了测试装置的轴向长度，当两个所述的测试装置轴向对称安装时，可实现共轴双桨动力特性测试。(2)实现了螺旋桨扭矩与推力的同步测量，大大提高了螺旋桨动力特性测试的效率。(3)实现了螺旋桨扭矩与推力的解耦测量，降低了不同自由度之间的干扰，有利于提高测试精度。(4)螺旋桨扭矩测量采用力平衡的方式，由低成本的拉压力传感器等效获得扭矩值，避免采用相对昂贵的扭矩传感器，有利于降低测试成本。

附图说明

图1为本发明所述螺旋桨动力特性测试装置结构示意图。

图2为本发明所述螺旋桨动力特性测试装置结构正面示意图(正视图)。

图3为本发明所述螺旋桨动力特性测试装置结构反面示意图(后视图)。

图4为本发明所述螺旋桨扭矩测量原理图。

图5为本发明所述螺旋桨推力测量原理图。

图6为共轴双桨动力特性测试装置结构示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，轴向紧凑型飞行器螺旋桨动力特性同步测试装置，包括固定底座1、侧支架2、圆柱导轴3、导轴支撑架4、导轴滑块5、滑块转接头6、支撑板7、旋转法兰盘8、止动挡板块9、螺旋桨电动机10、测力传感器支撑块11、拉压力测力传感器12、杆端关节轴承13、拉压力测扭传感器14、测扭传感器支撑块15。

首先可将旋转法兰盘8穿过支撑板7，用止动挡板块9将旋转法兰盘8轴向固定于支撑板7，旋转法兰盘8可相对轴线方向自由转动。下一步将杆端关节轴承13的轴承端与旋转法兰盘8连接，杆端关节轴承13的杆端与拉压力测扭传感器14固定，并将拉压力测扭传感器14通过测扭传感器支撑块15固定在支撑板7上。下一步将滑块转接头6于支撑板7机械固定，在将导轴滑块5与滑块转接头6机械固定。

然后将侧支架2机械连接在固定底座1上，圆柱导轴3穿过导轴滑块5，通过导轴支撑架4固定在侧支架2上。下一步将测力传感器支撑块11与固定底座1机械连接，将拉压力测力传感器12两端分别连接测力传感器支撑块11和支撑板7。

最后将螺旋桨电动机10安装于旋转法兰盘8上。起动螺旋桨电动机10，螺旋桨扭矩通过电动机10传递到旋转法兰盘8，并通过固定在旋转法兰盘8上的杆端关节轴承13，将扭力作用于拉压力测扭传感器14。螺旋桨推力通过电动机10传递到旋转法兰盘8，并通过支撑板7将力作用在拉压力测力传感器12上。拉压力测扭传感器14和拉压力测力传感器12数值通过相应的显示仪表读取或记录。

本发明所述螺旋桨扭矩测量原理如图4所示，螺旋桨扭矩等效为作用于旋转法兰盘8中线点o上的扭矩mz，点a为杆端关节轴承13与旋转法兰盘8的等效连接点，从拉压力测扭传感器14上测量得到拉力fm。由于旋转法兰盘8转动角度非常小，根据转矩平衡原理，可计算得到螺旋桨扭矩：mz＝fm*r,其中，r为fm的力臂，即ao两点之间的距离。

本发明所述螺旋桨推力测量原理如图5所示，螺旋桨拉力等效为作用于旋转法兰盘8中线点o上的轴向力fz，点p为圆柱导轴3的截面中心，点b为支撑板7与拉压力测力传感器12的等效连接点，拉压力测力传感器12上测量得到拉力fb。点g为螺旋桨电动机10和旋转法兰盘8的等效重心点，螺旋桨电动机10和旋转法兰盘8的等效重力为fg。由于支撑板7绕点p旋转的角度非常小，根据转矩平衡原理，可计算得到螺旋桨推力：fz＝(fb*b-fg*g)/a，其中，a为fz的力臂，即po两点之间的距离；b为fb的力臂，即pb两点之间的距离；g为fg的力臂，即go两点之间的距离。

将本发明所述的测试装置安装到位后，在螺旋桨电动机10静止状态，读取拉压力测力传感器12的数值，设为fb0。则重力等效转矩：fg*g＝fb0*b，则螺旋桨推力公式可表示为：fz＝(fb-fb0)*b/a。

将本发明所述的两台螺旋桨动力特性测试装置轴向对称安装，可进行共轴双桨动力特性的同步测试，如图6所示。两台测试装置安装于公共基座16上，通过调整两台试验装置固定底座1在公共基座16的安装位置，可实现不同螺旋桨旋转面间距的共轴双桨动力特性测试，用于评估共轴双桨之间的气动耦合影响。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明的上述实施例是对方案的说明而不能用于限制本发明，与本发明有保护范围相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明保护的范围内。