一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台

技术领域

本发明属于电动飞机用电推进系统测试技术领域，具体涉及一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台。

背景技术

全电动飞机相比于传统飞机在运行成本、噪音控制等方面具有较大的优势，电动飞机的发展已被航空业提上日程。由螺旋桨、电机驱动器、电动机等组成的电推进系统是电动飞机的核心动力驱动部件，以电力为能源，电力输出到电机驱动器，电机驱动器使电机旋转，电机带动螺旋桨旋转产生推/拉力。

常见的电动飞机有多旋翼、固定翼、垂直起降固定翼、eVTOL、直升机等几种机型，这些机型的电推进系统有水平式、垂直式和可旋转式三种布局方式。其中，在电推进系统水平式布局中，螺旋桨在工作时产生水平方向的推/拉力，该布局主要应用于固定翼结构的电动飞机，且单机翼可通过并列布置多组电推进系统来增大推/拉力，左右机翼对称布局，实际工作中某一电推进系统故障，飞机也可安全降落。电推进系统垂直式布局主要应用于多旋翼机型，通过调节每个旋翼的转速实现单旋翼竖直方向推/拉力的变化，在几个旋翼共同竖直方向拉力的作用下，电动飞机实现各种位姿的变换。可旋转式的电推进系统主要应用于垂直起降固定翼机型，在起飞阶段，电推进系统产生竖直方向的拉力，飞机到达一定高度后，电推进系统逐渐向机头方向自动旋转，产生与竖直方向成一定夹角的拉力，巡航飞行时，电推进系统旋转至水平，产生水平方向的拉力。

为了实现多机型用电推进系统更高效安全地运行，需要对其进行动态测试，以实现更加明确的改进。其中，电推进系统测试与评估的性能参数主要包括推拉力、扭矩、电压、电流、功率、效率、转速、空速、温升、振动、噪音等，现有的电推进系统测试技术中多为水平静态试验，不能同时满足水平、垂直或水平到垂直角度动态变换过程的测试要求。另一方面，针对电动飞机电推进系统固定装置的机械受力情况测试装置也没有被研发应用。

所以，对于上述现有技术领域中的空缺，则需设计一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台，包括传动轴，传动轴转动设置在安装底座上，传动轴的一端设置电推进系统、另一端耦合连接第一推拉力传感器，电推进系统的推拉力方向与传动轴的轴向重合，安装底座上设置用于测量传动轴扭矩的静态扭矩传感器或者设置用于间接测量传动轴扭矩的第四推拉力传感器，安装底座滑动设置在第一固定座上，安装底座相对于第一固定座的滑动方向与传动轴的轴向相同，第一推拉力传感器设置在第一固定座上；第一固定座设置在旋转组件的驱动装置上，使得旋转组件能够带动第一固定座、安装底座、传动轴在竖直平面内转动，驱动装置设置在第二固定座上；第二固定座水平滑动设置在X轴安装座上，X轴安装座竖直滑动设置在Y轴安装座上，Y轴安装座上设置与X轴安装座耦合连接的第二推拉力传感器，X轴安装座上设置与第二固定座耦合连接的第三推拉力传感器。

进一步的，所述Y轴安装座设置在T型支撑架上。

进一步的，所述电推进系统包括电机、螺旋桨，电机驱动螺旋桨旋转，并通过安装法兰座设置在传动轴上，安装法兰座包括第一法兰、第二法兰、螺栓，电机固定在第一法兰上，第一法兰与第二法兰通过轴向设置的螺栓连接，第二法兰设置在传动轴的端部。

进一步的，所述第一法兰与电机轴向定心匹配固定且两者拆卸连接，第一法兰设置多个周向分布且与电机固定位置相匹配的长条孔；第二法兰的中心设置自定心圆孔、台阶张紧结构，台阶张紧结构设置在背离第一法兰的侧面，自定心圆孔贯穿第二法兰以及台阶张紧结构，台阶张紧结构侧壁开槽；传动轴与第二法兰连接的端部设置与台阶张紧结构相配合的台阶孔，台阶孔的底部设置螺纹孔，台阶张紧结构插合在台阶孔，第二法兰、台阶张紧结构上的自定心圆孔穿设自定心螺丝，自定心螺丝的螺纹轴部分拧入螺纹孔，同时，自定心螺丝的其他部分使台阶张紧结构扩张并挤压固定在台阶孔内。

进一步的，所述传动轴通过轴承座转动设置在安装底座上，所述轴承座内设置双列角接触球轴承，并采用超低粘度的润滑油对轴承座进行润滑。

进一步的，所述安装底座与第一固定座、第二固定座与X轴安装座、x轴安装座与Y轴安装座均通过直线导轨组滑动连接，直线导轨组包括导轨以及滑动设置在导轨上的滑块，导轨、滑块分别设置在对应不同的零部件上。

进一步的，所述滑块的注油口注入超低粘度的润滑油对直线导轨组进行润滑；安装底座与第一固定座、第二固定座与X轴安装座之间的直线导轨组具有静摩擦力，在测试过程中进行补偿。

进一步的，所述传动轴上固定设置T型结构，T型结构随传动轴转动，第四推拉力传感器上设置U型开口结构，T型结构嵌套在U型开口结构内，且两者间隙配合；T型结构、U型开口结构上均有通孔，两者嵌套后，使用安全销轴同时穿过U型开口结构、T型结构上的通孔，并与通孔间隙配合，安全销轴与通孔的间隙≥1mm。

进一步的，所述驱动装置包括带有抱闸的伺服电机、圆盘行星减速机构，伺服电机、圆盘行星减速机构均固定设置在第二固定座上；第一固定座固定在圆盘行星减速机构的转动结构上，圆盘行星减速机构由伺服电机驱动，圆盘行星减速机构上安装电气原点传感器、电气正限位传感器、电气负限位传感器、机械正限位装置、机械负限位装置。

进一步的，所述第一推拉力传感器、第二推拉力传感器测得的推拉力值包含对应零部件的重力值，在测试软件中进行补偿。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明所述的一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台，可以用于多用途的电动飞机用电推进系统水平、垂直和水平到垂直角度动态变换过程中系统参数的测试与评估，通过旋转组件实现了电推进系统多个角度单点或周期性变化等真实工况的试验模拟、电推进系统周期性耐久动态测试与评估，能够指导完成电推进系统的优化设计；电推进系统的作用力通过传动组件分解成独立的推拉力和扭矩，在传动组件中分别单独测试出来推拉力和扭矩，实现了电推进系统自身特征参数的测量；另外，该试验平台模拟了复杂受力状态下，电推进系统对其电动飞机固定装置的机械作用力情况，XY组件将电推进系统对电动飞机固定装置的合力分解为X、Y两个方向的力，通过对这两个方向力的变化测量可以方便地研究出电推进系统对电动飞机固定装置的作用力情况，有助于完成电推进系统固定装置的优化设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台的整体示意图；

图2为图1中安装法兰座及其所安装的电推进系统的分解示意图；

图3为图1中传动组件的分解示意图；

图4为图1中旋转组件的分解示意图；

图5为图1中XY组件的分解示意图。

【附图标记】

1-T型支撑架，2-XY组件，201-Y轴安装座，202-第二直线导轨组，203-X轴安装座，204-第三直线导轨组，205-第二推拉力传感器，206-第三推拉力传感器，3-旋转组件，301-伺服电机，302-圆盘行星减速机构，303-第二固定座，4-传动组件，401-安装底座，402-第一轴承座，403-第二轴承座，404-传动轴，405-第一直线导轨组，406-第一固定座，407-第一推拉力传感器，408-静态扭矩传感器，5-安装法兰座，501-第一法兰，502-第二法兰，50201-台阶张紧结构，503-螺栓，6-电机，7-螺旋桨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台的实施例，如图1至图5所示，以下简称试验平台。试验平台包括T型支撑架1、固定设置在T型支撑架1上的XY组件2、移动设置在XY组件2上的旋转组件3、固定设置在旋转组件3上的传动组件4、固定设置在传动组件4上的安装法兰座5。以图1中所示方位为例进行说明，以传动组件4中的传动轴延伸方向为轴向。

安装法兰座5包括第一法兰501、第二法兰502、螺栓503。安装法兰座5用于安装待测试的电推进系统，电推进系统包括电机6、螺旋桨7。第一法兰501根据电推进系统中电机6的固定方式进行轴向定心匹配设计，电机6可拆卸设置在第一法兰501上，第一法兰501设置多个周向分布且与电机固定位置相匹配的长条孔，可以满足同一系列电推进系统的电机安装需求。第二法兰502的中心设置自定心圆孔、台阶张紧结构50201，台阶张紧结构50201设置在背离第一法兰501的侧面，自定心圆孔贯穿第二法兰502以及台阶张紧结构50201，台阶张紧结构50201侧壁开槽。第一法兰501与第二法兰502通过轴向设置的螺栓503连接固定。电机6转动带动螺旋桨7转动，螺旋桨7转动产生扭矩、推拉力，扭矩、推拉力通过第一法兰501、螺栓503、第二法兰502传递给传动组件4。

传动组件4包括安装底座401、第一轴承座402、第二轴承座403、传动轴404、第一直线导轨组405、第一固定座406、第一推拉力传感器407、静态扭矩传感器408。传动轴通过轴承座转动设置在安装底座上，在本实施例中，共设置两个轴承座，分别为第一轴承座402、第二轴承座403，第一轴承座402、第二轴承座403轴向分布设置在安装底座401上，传动轴404的两端部分别贯穿设置在第一轴承座402、第二轴承座403上。传动轴404左端部设置与台阶张紧结构50201相配合的台阶孔，台阶孔的底部设置螺纹孔，将台阶张紧结构50201插合在台阶孔中，使用自定心螺丝穿过第二法兰502、台阶张紧结构50201上的自定心圆孔，自定心螺丝的螺纹轴部分拧入螺纹孔，同时，自定心螺丝的其他部分使台阶张紧结构50201扩张，挤压固定在台阶孔内，从而实现台阶张紧结构50201与传动轴的固定连接，通过台阶张紧结构50201和台阶孔的配合，防止电推进系统在传递扭矩过程中第二法兰502与传动轴404发生滑动。

第一轴承座、第二轴承座内设置的双列角接触球轴承型号为7005，其在工作中存在静摩擦力矩，需要用超低粘度的润滑油对其进行润滑，通过查机械手册可知该轴承摩擦系数μ为0.0012-0.0020，本发明的最大设计推拉力为200kg，双列角接触球轴承的静摩擦力矩根据公式M＝μPd/2(其中，M为轴承摩擦力矩，P为轴承负荷，d为轴承公称内径)可知M

在其他实施例中，第一轴承座采用双列角接触球轴承，第二轴承座采用单列角接触球轴承，第一轴承座可以限制传动轴的轴向移动，该实施例依然可以避免传动轴与安装底座的轴向移动。

安装底座401的后侧面通过第一直线导轨组405与第一固定座406滑动连接。第一直线导轨组405包括两条平行的导轨，导轨的延伸方向为轴向，每条导轨上对应滑动设置两个滑块，滑块固定在安装底座401上，导轨固定在第一固定座406上，使得安装底座401可以相对于第一固定座406自由地轴向滑动。第一固定座406上固定设置第一推拉力传感器407，第一推拉力传感器407通过第一浮动接头与传动轴404的右端部耦合连接，螺旋桨7转动产生推拉力，推拉力通过第一法兰501、第二法兰502、传动轴404、第一浮动接头传递给第一推拉力传感器407，因为安装底座401可以相对于第一固定座406自由地轴向滑动，传动轴只向第一推拉力传感器407传递推/拉力，从而使第一推拉力传感器可以更精确地测量来自电推进系统的推/拉力。

安装底座401上固定设置静态扭矩传感器408，传动轴404可相对于静态扭矩传感器408自由地转动。静态扭矩传感器408、传动轴的连接方式与现有技术CN201510001107-一种采用静态扭矩传感器检测动态扭矩的机械连接结构中实施例一的连接方式相同，在此不再赘述。第一轴承座、第二轴承座内的双列角接触球轴承限制传动轴404与安装底座401轴向上的相对移动，从而在非工作状态下，静态扭矩传感器不受任何扭矩，在工作状态下，静态扭矩传感器不承受水平方向任何推/拉力。因此传动轴404不能向静态扭矩传感器传递轴向的推/拉力，而只能传递扭矩，因此，静态扭矩传感器能够更准确地测出电推进系统工作时的扭矩。

在其他实施例中，可以将静态扭矩传感器408替换为第四推拉力传感器，在该实施例中，传动轴404上固定设置T型结构，T型结构可随传动轴404转动，第四推拉力传感器上设置U型开口结构，T型结构嵌套在U型开口结构内，且两者间隙配合。T型结构、U型开口结构上均有通孔，两者嵌套后，使用安全销轴同时穿过U型开口结构、T型结构上的通孔，并与通孔间隙配合，间隙≥1mm，传动轴转动带动T型结构转动，从而将转动产生的推拉力通过U型开口结构传递给第四推拉力传感器，第四推拉力传感器测得的推拉力乘以力臂得出扭矩，从而测出螺旋桨所传递的扭矩。该实施例中，由于第四推拉力传感器测得的推拉力为传动轴转动时的瞬时推拉力，并会阻止传动轴的进一步转动，因此，第一推拉力传感器测推拉力，第四推拉力传感器测推拉力并得出扭矩，这两个过程需要单独进行。

试验平台可以对多用途的电推进系统的各种参数进行试验测试，在试验测试时，将电推进系统中的电机6安装在第一法兰501上，电机6带动螺旋桨7转动，螺旋桨旋转时产生推/拉力和扭矩，推/拉力和扭矩作用在第一法兰501上，并通过螺栓503作用于第二法兰502上，通过第二法兰501、台阶张紧结构50201、传动轴404的配合，可以将推/拉力、扭矩分别独立地传递到相应的传感器上。

旋转组件3包括驱动装置，驱动装置包括带有抱闸的伺服电机301、圆盘行星减速机构302，伺服电机301、圆盘行星减速机构302固定设置在第二固定座303上。第一固定座406的后侧面固定在圆盘行星减速机构302的前端面上，圆盘行星减速机构302由伺服电机301进行驱动，以实现传动组件4、安装法兰座5由水平(0°)到垂直(90°)的无级变化，从而带动电推进系统由水平到垂直的无级变化，从而测试电推进系统各个角度的扭矩及推拉力。圆盘行星减速机构302上安装电气原点传感器、电气正限位传感器、电气负限位传感器、机械正限位装置、机械负限位装置，对旋转组件3的旋转进行机械及电气方面的限位，从而提高测试过程的安全性。在测试过程中，传动组件4、安装法兰座5角度由水平(0°)到垂直(90°)进行无级变化，可以在其中任意位置定点测试，也可以动态周期性(0°→90°·→0°)测试，旋转速度也可根据需要实现匀速、加、减速交替变化，充分模拟实际工况的情况。

在传动组件4、安装法兰座5的角度变化过程中，第一推拉力传感器407采集的推拉力数值含有第一直线导轨组405中的四个滑块及其上连接的所有零部件的重力分量，因而，在电推进系统开始工作前，传动组件4、安装法兰座5通过旋转组件3的驱动自动运行至水平0°和垂直90°两个位置，由第一推拉力传感器407分别测量出两个位置的推拉力值，水平0°和垂直90°两个位置的推拉力值之差为第一直线导轨组405的四个滑块以及其上连接的所有零部件的重力和。水平0°位置的推拉力值作为第一推拉力传感器407的零点补偿值，在测试软件中进行自动补偿，在旋转组件3转动测试过程中，测试软件实时获取旋转组件中用于控制伺服电机301的伺服驱动器采集的旋转角度θ，第一推拉力传感器407实时采集相关所有零部件重力分量，根据公式G

所述XY组件2包括Y轴安装座201、固定在Y轴安装座201上的第二直线导轨组202、X轴安装座203、固定在X轴安装座203上的第三直线导轨组204、第二推拉力传感器205、第三推拉力传感器206。Y轴安装座201安装在T型支撑架1上，Y轴安装座201上设置第二直线导轨组202。第二直线导轨组202包括两条相互平行且上下垂直延伸的导轨，导轨固定设置在Y轴安装座201的前侧面，每条导轨上滑动设置两个滑块，X轴安装座203的后侧面固定设置在滑块上，使得X轴安装座可以相对于Y轴安装座上下滑动，以该滑动方向为Y轴方向。X轴安装座203上设置第三直线导轨组204，第三直线导轨组204包括两条相互平行且左右水平延伸的导轨，导轨固定设置在X轴安装座203的前侧面，每个导轨上滑动设置两个滑块，第二固定座303的后侧面固定设置在滑块上，使得第二固定座303可以相对于X轴安装座左右滑动，以该滑动方向为X轴方向。

第二推拉力传感器205固定设置在Y轴安装座201上，并通过第二浮动接头与X轴安装座203耦合连接。第三推拉力传感器206固定设置在X轴安装座203上，并通过第三浮动接头与第二固定座303耦合连接。

旋转组件3以及与旋转组件连接的传动组件4、安装法兰座5能够通过第三直线导轨组204沿XY组件的X轴方向自由直线移动，通过第三浮动接头实现向第三推拉力传感器206传递旋转组件3及其连接的零部件运行时产生的X轴方向的推/拉力。X轴安装座203能够通过第二直线导轨组202沿XY组件的Y轴方向自由直线移动，进而使旋转组件3以及与旋转组件连接的传动组件4、安装法兰座5能够通过第二直线导轨组202沿XY组件的Y轴方向自由直线移动，并通过第二浮动接头实现向第二推拉力传感器205传递旋转组件3及其连接的零部件运行时产生的Y轴推/拉力。

圆盘行星减速机构302的底座固定于第二固定座303的前侧面，第二固定座303的后侧面固定设置在第三直线导轨组204的四个滑块上，第二固定座303可以在第三直线导轨组204上自由滑动，第三推拉力传感器206通过第三浮动接头与第二固定座303耦合连接，从而测试出电推进系统作用于电动飞机X轴方向的推拉力。

第三直线导轨组204设置在X轴安装座203上，X轴安装座203的后侧面固定在第二直线导轨组202的四个滑块上，所述X轴安装座203可以在第二直线导轨组202上自由上下滑动，第二推拉力传感器205通过第二浮动接头耦合连接在X轴安装座203上，从而测试出电推进系统作用于电动飞机Y轴方向的推拉力。

第二推拉力传感器202测量的推拉力值包含了第二直线导轨组202的四个滑块及其上相关的所有零部件的重力和，该重力和也随电推进系统的重力的变化而变化，但对于同一电推进系统而言，该重力和为一常量，可以准确地计算出，在测试软件中，对第二推拉力传感器的测量值进行补偿即可。

第一直线导轨组405在工作中存在静摩擦力，需要通过其四个滑块的注油口注入超低粘度的润滑油对其进行润滑，不可使用中、高粘性的润滑油或润滑脂，否则会增加测量时的静摩擦力。为了提高测量精度，也可以根据静摩擦力公式在测试程序中动态补偿静摩擦力，做到测试过程中的实时修正，具体的，在水平移动时，第一直线导轨组的上侧面承受了电推进系统、安装底座401及其上所有零部件的所有重力，此时第一直线导轨组405所受的正压力最大，即静摩擦力也最大，当圆盘行星减速机构302使传动组件4、安装法兰座5逆时针旋转时，第一直线导轨组405所受的静摩擦力逐渐减小，当其运动到垂直方向时，该静摩擦力为零。

第三直线导轨组204在工作中存在静摩擦力，需要通过其四个滑块的注油口注入超低粘度的润滑油对其进行润滑，不可使用中、高粘性的润滑油或润滑脂，否则会增加测量时的静摩擦力。该静摩擦力是与电推进系统重力相关的一定值，可根据静摩擦力公式在测试程序中补偿，具体的，第二直线导轨组204的上侧面承受了电推进系统、旋转组件及与其连接的相关所有零部件的重力和，这也是第二直线导轨组204的上侧面所受的最大正压力，根据静摩擦力公式可以计算出该静摩擦力值，最终由测试软件完成修正。

第二直线导轨组202在工作中理想情况下是不受正压力的，故其静摩擦力可忽略不计，仅需在其四个滑块中注入超低粘度的润滑油润滑即可。

对于第一直线导轨组405、第二直线导轨组202、第三直线导轨组204，这三个直线导轨组对应的推拉力传感器安装端均布置了机械安全块，对滑块及其连接的零部件进行限位，以防止推拉力传感器失效时造成安全事故。

本发明所述的一种可倾转电动飞机用电推进系统动态试验平台，可以用于多用途的电动飞机用电推进系统水平、垂直和水平到垂直角度动态变换过程中系统参数的测试与评估，通过旋转组件3实现了电推进系统多个角度单点或周期性变化等真实工况的试验模拟、电推进系统周期性耐久动态测试与评估，能够指导完成电推进系统的优化设计；电推进系统的作用力通过传动轴和轴承座分解成独立的推拉力和扭矩，在传动组件4中分别单独测试出来推拉力和扭矩，实现了电推进系统自身特征参数的测量；另外，该试验平台模拟了复杂受力状态下，电推进系统对其电动飞机固定装置的机械作用力情况，XY组件2将电推进系统对电动飞机固定装置的合力分解为X、Y两个方向的力，通过对这两个方向力的变化测量可以方便地研究出电推进系统对电动飞机固定装置的作用力情况，有助于完成电推进系统固定装置的优化设计。

尽管已经展示和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。