一种防止旋转类多档位开关出现断点的方法与流程

1.本发明涉及旋转类多档位开关领域，尤其涉及一种防止旋转类多档位开关出现断点的方法。


背景技术：

2.为提高军用飞机作战输出的敏捷响应能力和飞行可靠性，飞行员要求各类飞机具备驾驶舱可靠、安全、舒适、高效和个性化理念实现的能力。随着飞机功能越来越多，驾驶舱内的操纵人机界面越来越复杂，飞行员的脑力工作负荷将会越来越大，其操作响应时间、速率、力觉反馈敏感性等人体指标都会呈现不同程度的降低，尤其在多项功能同时操纵时，降低程度将提升数倍，大大增加了操纵时间。国外对旋转波段操作(4～12个位置，无极运动)类核心器件没有避免出现断点并实现快速跃变的技术，一般采用提高零件加工精度、优化操作力感等方式弥补操作速度慢导致的不足，但是当非常缓慢操纵情况下，仍能出现存在断点、不同步引起的设备故障，对于重要的机上设备故障，如发动机停车、武器无法应急投弃等，引发严重安全事故。在旋转操作(无极)类器件的储能跃变技术的基础研究上，国内外均较为薄弱，现基本为空白。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供防止旋转类多档位开关出现断点的方法。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种防止旋转类多档位开关出现断点的方法，其特征在于按下列步骤进行：
5.步骤一：确定动势能转换机构与档位转换机构的串联安装方式，两者处于同轴状态；
6.步骤二：确定动势能转换机构的储能角度θ
储
，选用刚度系数为k1的压簧，确定压簧安装初始力矩m0，确定压簧安装半径r
簧
；
7.步骤三：经过合理的限位装置后，确定动势能转换机构的力矩单调递增，最大扭矩m
储
以及弹性势能e
p
；
8.压簧的刚度系数k1由具体的材料、丝径、圈数、中径等确定，在动势能装换机构中对称安装2m(m≥1)个，以形成力偶矩。储能角度θ
储
通过开关的结构设计确定，并通过限位结构限制。
9.步骤四：在档位切换装置上，选择双楔形定位机构，确定定位零件数量n，楔形角θ
楔
，楔形边对应的转角α，平滑段转角γ，选用n个刚度系数为k2的压簧，确定对应的弹簧力f
定
。
10.档位切换装置的双楔形定位机构为燕尾形状，由转动件与直线滑动件配合定位，燕尾槽数量为kn(k≥1)，直线滑动件数量为n。楔形边对应的转角α应小于θ
储
，平滑段转角γ应小于θ
储
，平滑段采用圆弧结构。
11.步骤五：确定档位切换时的最大扭矩md，以及与动势能转换机构机构形成的扭矩
差
△
m。
12.当直线滑动件的尖端对应转动件楔形边的终点时，达到了档位切换时的最大扭矩，在此之前动势能转换机构已经达到了最大扭矩，进一步得出扭矩差
△
m。
13.步骤六：确定档位切换装置的转动惯量j，在扭矩差下的角加速度β，档位转换时间t。
14.转动惯量j与转动件自身的体积、材料相关。
15.上述步骤二、三中的动势能转换机构的最大扭矩m
储
，其与角度θ
储
，刚度系数为k1的压簧，压簧安装初始力矩m0，压簧安装半径r
簧
相关，有如下关系式：
16.m
储
＝m0 k1·
θ
储
·r簧
17.最大弹性势能有如下关系式：
[0018][0019]
此外，在动势能装换机构中对称安装的压簧，其安装数量应保证为偶数以形成力偶矩。
[0020]
进一步地，档位切换装置的双楔形定位机构为燕尾形状，由转动件与直线滑动件配合定位。转动件的外廓为楔形直边与圆弧段组成，两条楔形直边组成一个燕尾槽，其与直线滑动件的数量呈倍数关系，并确保在旋转时，转动件的过渡尖端始终与直线滑动件的直边接触，两者之间的作用力方向始终不变。
[0021]
上述步骤五提出的最大扭矩md，其应根据下述步骤确定：
[0022]
a：令转动件逆时针转动任意角度θ，此时转动件过渡尖端与圆心的连线和直线滑动件之间的夹角表达式如下：
[0023]
δ＝0.5θ
楔-α θ
[0024]
b：此时直线滑动件受到弹簧k2的力表达式如下：
[0025]f定
＝k2·
sin(δ) τ
[0026]
其中τ与档位切换装置的设计尺寸有关
[0027]
c：将受力进行正交分解，分解角表达式如下：
[0028]
θ
分解
＝90
°‑
γ-θ-0.5θ
楔
2α
[0029]
d：确定最终的力矩表达式
[0030]
md＝[np
·
sin(δ)-q]
·
sin(θ
分解
) [μnp
·
sin(δ)-μq]
·
cos(θ
分解
)
[0031]
其中，μ为材料之间的动摩擦系数，p、q与档位切换装置的尺寸设计有关。
[0032]
进一步地，得出扭矩差
△
m，表达式如下：
[0033]
δm＝m
d-m
储
[0034]
同时验证：
[0035]
(δm)'＝f'(θ)》0
[0036]
进一步地，得出档位转换时间，表达式如下：
[0037][0038]
本发明的显著效果是：提供了一种防止旋转类多档位开关出现断点的方法，在根据相应结构参数设计了动势能转换机构与档位转换机构后，随着操纵人员的旋转，开关能
够自动完成档位转换，不依赖于操作速度、操作力。极大地降低了操作误差，完全避免了开关中间的断点，提高了军用飞机作战输出的敏捷响应能力和飞行可靠性。
附图说明
[0039]
图1为本发明的方法流程图。
[0040]
图2为本发明中档位转换机构受力分析示意图。
[0041]
图3为本发明中档位转换机构扭矩与转角的函数曲线。
[0042]
图4为本发明中基于扭矩突变的储能跃变原理示意图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。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。
[0044]
请参见图1，图中示出的是一种防止旋转类多档位开关出现断点的方法，其特征在于按下列步骤进行：
[0045]
步骤一：确定动势能转换机构与档位转换机构的串联安装方式，两者处于同轴状态；
[0046]
步骤二：确定动势能转换机构的储能角度θ
储
，选用刚度系数为k1的压簧，确定压簧安装初始力矩m0，确定压簧安装半径r
簧
；
[0047]
步骤三：经过合理的限位装置后，确定动势能转换机构的扭矩单调递增，最大扭矩m
储
以及弹性势能e
p
；
[0048]
压簧的刚度系数k1由具体的材料、丝径、圈数、中径等确定，在动势能装换机构中对称安装2m(m≥1)个，以形成力偶矩。储能角度θ
储
通过开关的结构设计确定，并通过限位结构限制。
[0049]
步骤四：在档位切换装置上，选择双楔形定位机构，确定定位零件数量n，楔形角θ
楔
，楔形边对应的转角α，平滑段转角γ，选用n个刚度系数为k2的压簧，确定对应的弹簧力f
定
。
[0050]
档位切换装置的双楔形定位机构为燕尾形状，由转动件与直线滑动件配合定位，燕尾槽数量为kn(k≥1)，定位块数量为n。楔形边对应的转角α应小于θ
储
，平滑段转角γ应小于θ
储
，平滑段采用圆弧结构。
[0051]
步骤五：确定档位切换时的最大扭矩md，以及与动势能转换机构机构形成的扭矩差
△
m。
[0052]
当直线滑动件的尖端对应转动件楔形边的终点时，达到了档位切换时的最大扭矩，在此之前动势能转换机构已经达到了最大扭矩，进一步得出扭矩差
△
m。
[0053]
步骤五：确定档位切换装置的转动惯量j，在扭矩差下的角加速度β，档位转换时间t。
[0054]
转动惯量j与转动件自身的体积、材料相关。
[0055]
本发明的实现方法为，当操纵人员旋转开关时，首先动势能转换机构开始进行储能工作，m
储
呈线性单调递增，由于m
储
＜md，因此在此期间档位转换机构保持不动。当动势能
转换机构的扭矩达到最大时，继续旋转开关，档位转换机构开始运动，θ开始变化，由于md也呈现递增趋势变化，因此此时动势能转换机构的弹性势能始终保持最大。当直线滑动件的尖端对应转动件的平滑段时，md急剧减小，此时动势能转换机构开始释放，作为转动件旋转至终点的动力，在此阶段已经不依赖于操纵人员的手动操作即可完成档位之间的转换，实现了档位间跃变，避免了断点的存在。
[0056]
上述步骤二、三中的动势能转换机构对应的储能角度为θ
储
，此时对应的最大储能扭矩为m
储
，其与储能角度刚度系数为k1的压簧，压簧安装初始力矩m0，压簧安装半径r
簧
相关，有如下关系式：
[0057]m储
＝m0 k1·
θ
储
·r簧
[0058]
最大弹性势能有如下关系式：
[0059][0060]
进一步地，档位切换装置的双楔形定位机构为燕尾形状。转动件的外廓为楔形直边与圆弧段组成，两条楔形直边组成一个燕尾槽，其与定位块的数量呈倍数关系，本例中取n＝4，k＝1。转动件在旋转时，过渡尖端始终与直线滑动件的直边接触，两者之间的作用力方向始终不变。
[0061]
上述步骤五提出的最大扭矩md，其应根据下述步骤确定：
[0062]
a：令分度盘逆时针转动任意角度θ，如图2所示。转动件的旋转对应直线滑动件的往复运动。此时转动件过渡尖端与圆心的连线和直线滑动件之间的夹角表达式如下：
[0063]
δ＝0.5θ
楔-α θ
[0064]
b：此时直线滑动件受到弹簧k2的力表达式如下：
[0065]f定
＝k2·
sin(δ) τ
[0066]
其中τ与档位切换装置的设计尺寸有关。
[0067]
c：将受力进行正交分解，分解角表达式如下：
[0068]
θ
分解
＝90
°‑
γ-θ-0.5θ
楔
2α
[0069]
d：确定最终的力矩表达式
[0070]
md＝[np
·
sin(δ)-q]
·
sin(θ
分解
) [μnp
·
sin(δ)-μq]
·
cos(θ
分解
)
[0071]
其中，μ为材料之间的动摩擦系数，p、q与档位切换装置的尺寸设计有关。对应的扭矩-旋转角函数曲线如图3所示，本发明中的档位转换机构能保证扭矩随着旋转角的增加呈递增的变化趋势。
[0072]
进一步地，得出扭矩差
△
m，表达式如下：
[0073]
δm＝m
d-m
储
[0074]
同时验证：
[0075]
(δm)'＝f'(θ)》0
[0076]
上述两个扭矩的对比关系如图4所示。
[0077]
进一步地，得出档位转换时间，表达式如下：
[0078][0079]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。