一种复合桨叶倾转翼动力总成的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种复合桨叶倾转翼动力总成的测试装置及测试方法，尤其是涉及一种大功率电驱动载人低空飞行器、飞行汽车的驱动装置及零部件测试技术和方法。

背景技术

飞行汽车是解决交通拥堵、未来立体交通的首选。截止2020年，全球飞行汽车公司超过160家，主要集中在美国及欧洲地区，目前产品大部分处于飞行测试阶段，少量实现预定及交付。预测到2030年，飞行汽车行业将创造3000亿美元市场规模，转化部分地面交通、飞机和公共交通的市场份额。而电动倾转旋翼飞行汽车具有垂直起降、水平飞行等特点，是所有低空飞行器中最为灵活、性能最高的一种类型。

复合桨叶倾转旋翼是飞行器最为关键的总成部件，其向飞行器提供升力并可以操纵飞行器飞行，倾转旋翼的性能直接决定飞行器的性能和可靠性。倾转旋翼飞行器具有垂直升降和固定翼两种飞行模态，在不同的模态下旋翼工况差别很大，因此复合桨叶旋翼总成测试在旋翼系统设计及验证、倾转旋翼无人机总装及试验过程中至关重要。

而在现有公开的专利和科技文献主要围绕无人机测试领域和直升机共轴系统的测试展开，如南京航空航天大学公布的一种倾转旋翼试验装置(专利号CN202111477072.1)采用了一种万向铰链式倾转机构；中国科学院沈阳自动化研究所公布的一种倾转旋翼飞行器旋翼系统测试台及测试方法(专利号CN202111366809.2)其台架包括支撑罩体和台体；蜂巢航宇科技(北京)有限公司公布的一种倾转旋翼无人机测试台架(专利号CN202010413232.5)其特点是采用了十字型台架结构；南京航空航天大学公布的一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统与控制方法(专利号CN201710619079.X)主要针对无人机模型的吹风实验控制系统；福州大学公布的共轴倾转式旋翼气动性能测试平台及其方法(专利号CN201710200400.0)主要针对共轴倾转式旋翼气动测试过程的调节系统；而与电驱动复合桨叶倾转旋翼动力总成性能测试的装置几乎没有。

现有技术的电驱动复合桨叶倾转旋翼动力总成性能测试中存在着如下问题：1)在系统程序不稳固、结构设计不完善、工艺和品质不成熟的条件下，测试过程势必会隐藏诸多风险；2)旋翼系统测试台大多功能单一，且操作繁复，要完成一款旋翼系统的试验验证需要制作多套工装匹配不同的测试系统，对倾转旋翼总成进行状态调整，并测试其动力性、经济性、启停性能、平衡性等多项性能做测试评价，测试周期较长，增加了旋翼系统和倾转旋翼飞行器整机的研发成本和研发周期。

本发明的目的就是为了克服复合桨叶倾转旋翼总成测试过程的危险，确保测试人员的人身安全，同时记录大量的测试数据，使得整个测试过程变得更加规范，从而能更加精确地评估其性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种复合桨叶倾转翼动力总成的测试装置及测试方法。

这种复合桨叶倾转翼动力总成的测试装置，包括：倾转旋翼飞行动力总成、法兰平台、可旋转悬臂轴、六分力天平、倾转电机和基座；基座的高度为2～6m，基座通过底座连接地面，基座和底座之间设有斜支撑；基座顶部设有六分力天平，六分力天平上表面连接轴套座，基座顶部一侧设有倾斜电机；

可旋转悬臂轴一端连接倾斜电机的转子，另一端穿过轴套座并延伸至基座外侧连接法兰平台，可旋转悬臂轴伸出基座的长度为1～3m，法兰平台通过连接器连接倾转旋翼飞行动力总成，倾转旋翼飞行动力总成连接数据采集计算机。

作为优选：轴套座内部通过小游隙径向轴承连接可旋转悬臂轴。

作为优选：六分力天平的上端面水平，悬臂轴平行于六分力天平的上端面。

作为优选：法兰平台在初始位置时，倾转旋翼飞行动力总成的倾转旋翼水平。

作为优选：基座上窄下宽，斜支撑连接基座上设有倾转电机的一侧。

作为优选：连接器与倾转旋翼飞行动力总成的结构匹配。

这种复合桨叶倾转翼动力总成的测试装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、将倾转旋翼飞行动力总成通过连接器安装至测试装置的法兰平台上；

S2、确认外部电源、倾转旋翼飞行动力总成和数据采集计算机正常工作；

S3、启动倾转旋翼飞行动力总成，并根据倾转角度指令控制倾转电机对悬臂轴进行倾转；

S4、数据采集计算机实时记录倾转旋翼飞行动力总成的能耗、xyz方向的拉力和扭矩；

S5、持续测试直至结束。

本发明的有益效果是：

1)本发明的测试装置可以针对垂直起降式电驱动飞行汽车的核心驱动部件复合桨叶倾转旋翼动力总成进行开机、启停、悬停及下降过程的模拟，测试其飞行的性能；还可以用于复合桨叶倾转旋翼动力总成的冷转测试、起飞策略验证测试、悬停策略验证测试、耐久性测试和加速性能测试等，从而加快飞行汽车的研发过程。

2)本发明的测试装置中设有强度高、结构稳定的基座，能够保障测试过程中的安全与稳定；同时将倾转旋翼飞行动力总成抬离底面，避免了地面效应的影响。

3)本发明通过高精度的倾转电机、可旋转悬臂轴和法兰平台实现倾转旋翼飞行动力总成的旋转，可旋转悬臂轴伸出基座外侧，避免了基座对倾转旋翼飞行动力总成的干扰，提高了装置的测试精度。

4)本发明采用了与倾转旋翼飞行动力总成结构匹配的连接器，且具有较高的刚度，防止装置受倾转旋翼飞行动力总成的影响而发生共振，使装置连接更稳固，进一步提升了测试装置的安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明测试装置的原理结构示意图；

图2为本发明测试装置的主视图；

图3为本发明测试装置的侧视图；

图4为本发明测试装置的俯视图；

图5本发明测试过程中的情景示意图；

图6基于本发明测试装置的测试方法流程图。

附图标记说明：倾转旋翼飞行动力总成1、连接器2、法兰平台3、可旋转悬臂轴4、轴套座5、六分力天平6、倾转电机7、基座8、斜支撑9、底座10、数据采集计算机11。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例一

作为一种实施例，如图1至图5所示，一种复合桨叶倾转翼动力总成的测试装置，包括倾转旋翼飞行动力总成1、法兰平台3、可旋转悬臂轴4、六分力天平6、倾转电机7和基座8。

基座8上窄下宽，高度为5000mm，排除倾转旋翼飞行动力总成1产生的下行气流的地面效应。基座8通过加强筋等结构设计保证较好的强度，尤其是在法兰平台3处被施加的振动和力的情况下，能够保持良好的稳定性。基座8底部设有底座10，底座10长4000mm，宽2500mm，厚度1000mm，材料为铸铁。基座8侧面4000mm高度设有连接底座10的斜支撑9，采用钎焊的方式与基座8整体连接在一起。

基座8顶部设有六分力天平6，六分力天平6采用盒式或方形，六分力天平6的顶面与轴套座5固定，底面与与基座顶部固定。六分力天平6的端面长宽皆为560mm，高度为112mm。六分力天平6上表面连接轴套座5。

基座8顶部一侧设有倾斜电机7；倾斜电机7采用高精度角伺服电机，可以精确地调整可旋转悬臂轴4的倾转角度，倾斜电机7的额定功率1000瓦，额定电压220V，偏转角度控制精度为±0.1°。

可旋转悬臂轴4采用中空的圆形设计，外径为100mm，中空内径为80mm，材料采用铝合金设计，总质量27kg，为了减轻质量也可以考虑使用中空的桶形。

可旋转悬臂轴4一端连接倾斜电机7的转子，另一端穿过轴套座5，轴套座5内设有径向轴承，具有对可旋转悬臂轴4的紧固承载、转动润滑作用；径向轴承选用圆柱滚子或其他小游隙结构轴承，这种轴承与滚道为线接触轴承，负荷能力大，主要承受径向负荷，该轴承是内圈、外圈可分离的结构。

可旋转悬臂轴4从轴套座5传出后延伸至基座8外侧，并在端部连接法兰平台3；法兰平台3为带了一个法兰面，且一端与可旋转悬臂轴4相连的机构，其设计遵循国标9113.1-2000，外径为200mm，同心圆直径为160mm，螺栓孔直径为18mm，螺栓孔数量为8的标准设计。可旋转悬臂轴4延伸至基座8外侧，沿倾斜电机7的转子中心轴旋转，一方面防止基座8阻断倾转旋翼飞行动力总成1产生的下行气流阻断而形成的地面效应，另一方面也解决了双层复合桨叶在测试状态时与基座8的干涉问题。同时，法兰平台3在初始位置时，倾转旋翼飞行动力总成1的倾转旋翼水平，以清除因偏转带来的测量误差。

法兰平台3通过连接器2连接倾转旋翼飞行动力总成1，其中连接器23根据倾转旋翼飞行动力总成1的结构开发的，倾转旋翼飞行动力总成1由两个直径约为200mm的电机背对背组装而成，连接器2从两个电机背对背的缝隙中进行固定。该连接器2预先定制，一端与倾转旋翼飞行动力总成1相匹配、另一端与法兰平台3相匹配，连接器2的厚度为10mm，连接器2的刚度足够大，具体为连接器2不会在旋翼常用工况的低频段就引起振动。

倾转旋翼飞行动力总成1连接数据采集计算机11，数据采集计算机11用于采集倾转旋翼飞行动力总成1的倾转角度、电流、电压、转速等参数并实时保存下来，且能够将不同传感器测量值统一到同一时间轴下，导出生成Excel文档；且采集装置与笔记本电脑连接，通过上位机软件对动力系统进行控制，并进行数据实时显示及记录，记录参数时间轴保持统一，设有USB端口作为通信端口。

实施例二

作为另一种实施例，根据实施例一中提出的复合桨叶倾转翼动力总成的测试装置，本实施例提出使用这种测试装置的复合桨叶倾转翼动力总成的测试方法，如图6所示：

S1、将倾转旋翼飞行动力总成1通过连接器2安装至测试装置的法兰平台3上，并使用直径为8mm的螺栓固定；

S2、确认外部电源、倾转旋翼飞行动力总成1和数据采集计算机11正常工作；所采用的动力源为额定功率为50千瓦的电池模拟器，峰值功率80kW，调控范围2-50kW，倾转旋翼飞行动力总成1中电驱动旋转翼单个电机的功率为15kW，复合桨叶电驱动总成为30kW；

S3、启动倾转旋翼飞行动力总成1，并根据倾转角度指令控制倾转电机7对悬臂轴4进行倾转；模拟飞行汽车的起降、悬停和前后向稳定飞行的工况；

S4、数据采集计算机11实时记录倾转旋翼飞行动力总成1的能耗、xyz方向的拉力和扭矩；数据采集计算机11的采样频率为20赫兹，双精度浮点型数据；

S5、持续测试直至结束。