一种控制杆 本申请为分案申请， 其母案申请为发明申请， 其申请号为 200780039192.5， 发明名 称为 “适用于电传飞行控制系统的控制杆和用于其中的连杆” ， 申请日为 2007 年 8 月 8 日， 国际公布号为 WO2009/020453。
技术领域 本发明总体上涉及适用于检测和将操作人员的手动指令传给将响应于这种指令 运动的物体 ( 例如机翼表面等 ) 的控制杆 ( 例如操纵杆、 侧杆等 ) 领域， 涉及用于将这种 控制杆安装在合适支撑件上的经改良的连杆， 和涉及特别适合用于其中的经改良的复合弹 簧。 一种特殊应用预期通过电传飞行控制系统将驾驶员或副驾驶员的指令传给各种机翼表 面。
背景技术 操纵杆是公知的将驾驶员的手动输入指令传递给各种飞机飞行控制表面的装置。 在它们早期的形式中， 操纵杆通常安装在驾驶员两腿之间的驾驶舱底板上。它们通常安装 成使得该杆能够围绕代表飞机的纵摇轴和横摇轴的两个相互垂直的轴线作复合枢转运动。 然而， 这些操纵杆的位置和尺寸经常干涉到其它装置和自由， 且需要相当大的空间来提供 把柄的容许运动范围。
起初， 这种操纵杆通过机械连杆和缆绳与各种机翼表面连接。这些耦合件不必要 地笨重和庞大， 且不容易允许冗余。
随着飞机的性能、 控制和复杂度提高， 开发了电传系统。在这些系统中， 给予操纵 杆把柄的各种手动输入首先被转换成电信号， 然后它们沿各种冗余路径被传给一个或多个 计算机， 然后传给位于远处的控制各种机翼表面运动的马达和驱动器。 因此， 来自操纵杆和 柱轮的机械传递被来自与该杆相关联的转换器的电传递替代。
在最近几年中， 侧杆得到了发展。它们通常安装在位于驾驶员和副驾驶员座位外 侧上的扶手前面。驾驶员通常坐在左边的座位上， 副驾驶员在右边座位上。因此， 驾驶员的 侧杆通常在其左边， 副驾驶员的侧杆通常在其右边。 因此， 驾驶员通常将其左臂放在其左边 的扶手上， 并且将用其左手控制其侧杆， 而副驾驶员通常将其右臂放在其右边的扶手上， 并 且将用其右手控制其侧杆。在很多情况下， 操纵杆关于合适轴线的倾斜被检测成位置的函 数 ( 参见例如美国专利 5,125,602 和 5,291,113)。在其它情况下， 它被检测成力或者力矩 的函数 ( 参见例如美国专利 6,028,409 ； 5,694,010 和 5,347,204)。
这些侧杆中的一些安装在平衡环上， 以允许围绕纵摇轴和横摇轴作全向或复合枢 转运动 ( 参见例如美国专利 5,291,113 和 5,694,014)。
侧杆通常被看作是 “被动的” 或 “主动的” 。 “被动” 侧杆单元 (“PSSU” ) 检测驾驶 员或副驾驶员的纵摇和横摇指令作为相关控制杆关于该合适轴线的倾斜位移的函数。 这些 指令然后被提供给一个或多个飞行控制计算机， 这些计算机接着控制各种机翼表面的运动 以控制飞机的纵摇和横摇。该控制杆可以将冗余指令信号提供给计算机。这些装置中的一
些使用各种弹簧以给控制杆把柄赋予各种作用力 - 感觉梯度， 从而提供给驾驶员和副驾驶 员各种状态的触觉和感觉 ( 参见例如美国专利 5,125,602)。
“主动” 侧杆单元 (“ASSU” ) 与 PSSU 相似， 但是还结合了马达来耦合驾驶员和副驾 驶员的侧杆的位置。如果驾驶员正在主动控制飞机且副驾驶员的手离开了他的操纵杆， 则 副驾驶员的杆将被往回驱动以跟随和重复驾驶员给予他的杆的各种位置运动。籍此， 驾驶 员和副驾驶员的杆将并行和一致地同时倾斜， 仿佛从属于对方一样。 相反地， 如果副驾驶员 正在主动控制飞机且驾驶员的手离开了他的杆， 则驾驶员的杆将跟随和重复副驾驶员给予 他的杆的位置指令。这有时被称作 “位置再复制” ( 参见例如美国专利 5,125,602)、 或 “电 子交叉驾驶舱互连” ( 参见例如美国专利 5,456,428)、 或简称 “交叉耦合” ( 参见例如美国 专利 5,694,014)。
如果飞机设有自动驾驶仪， 则自动驾驶仪可以产生提供给与驾驶员和副驾驶员的 控制杆相关联的马达以返回驱动这两个控制杆的电信号。
还已知给这种侧杆提供各种反馈力感觉， 其模拟了机翼表面对各种输入指令的抵 抗 “感” 、 或者各种操作状态之间的转变， 或者甚至紧急情况下的振动。 还已知阻尼这种控制 杆， 以在操作人员要松开该杆的情况下阻止该杆自由地离开手动指令位置 ( 参见例如美国 专利 5,125,602 ； 6,459,228 和 4,069,720)。上述专利的每一个的公开内容一同以参考的 形式并入本文中。 然而， 迄今为止所开发的柱轮、 操纵杆和侧杆包括将摩擦、 后冲 (backlash) 等引 入控制杆运动的各种机械连杆和耦合件。这些设计被认为是笨重和庞大的。它们被认为干 涉了驾驶员的手动输入信号从控制杆到飞行控制计算机的连续平滑传递， 干涉了用于根据 电子指令的运动和作用力返回驱动控制杆的各种电信号的连续平滑传递。
因此， 认为存在一种经证实且长期感受到的需求， 即： 提供适用于 “被动” 和 “主动” 电传飞行控制系统的经改良的控制杆， 用于与这种经改良的控制杆一同使用的经改良的连 杆， 和可能用于其中的经改良的复合扭簧。
发明内容 通过仅以说明性而非限制性的目的参引公开实施例的相应部件、 部分或表面， 本 发明大致提供了一种经改良的控制杆 20， 用于控制杆中的经改良的连杆 27， 和经改良的复 合弹簧 38。
在一个方面， 本发明提供了安装在支撑件 21 上并且适于控制物体 ( 未示出 ) 运动 的控制杆 20 的改良件。该改良件大致包括 ： 支撑件 21 ； 和连杆 27， 其用于将把柄 24 安装 在支撑件上以关于两个相互垂直的轴线 xu1 ～ xu1 和 xu2 ～ xu2 选择性地作复合枢转运动， 从 而向控制杆提供输入。该连杆包括 ： 安装在支撑件上的第一平衡环 22 ； 安装在第一平衡环 上的上部构件 23， 该上部构件具有设置在第一平衡环上方的把柄 24， 并且具有设置在第一 平衡环下方的下部 25 ； 中间构件 26 ； 连接上部构件和中间构件的第二平衡环 28 ； 和下部构 件 29， 中间构件和下部构件之一可移动地安装在中间构件和下部构件中的另一个上， 以便 在把柄相对于支撑件移动时允许中间构件和下部构件之间的相对运动 ； 使下部构件与支撑 件相连的第三平衡环 30 ； 和弹性构件 31， 诸如柱簧， 其被设置成偏置中间构件和下部构件 之间的相对运动方向。该把柄可以被抓紧， 和选择性地相对于支撑件移动以向连杆提供输
入。 弹性构件 31 可以被设置成施加从连杆中大体消除所有后冲的作用力。该弹性构 件可以推动把柄相对于支撑件移向零位。
该改良件还可以包括待移动的物体 ( 例如机翼表面和至少一个转换器 32， 32， 32， 其中转换器安装在支撑件上检测连杆的一部分的位置并且产生与所检测的这种位置成正 比的电信号。把柄适于相对于支撑件移动以导致转换器提供用于使物体移动的指令信号。
该改良件还可以包括作用于支撑件和连杆之间的多个弹簧 33， 33， 34， 34。这些弹 簧具有不同的作用力 - 偏转特性。这些弹簧中的至少一个可以是复合弹簧 38。
在经改良的控制杆中， 在把柄移离零位的时候， 中间构件和下部构件之间的运动 范围可以是在把柄处于其零位时 (a) 第一和第二平衡环的轴线之间的距离 A 与 (b) 第二和 第三平衡环的轴线之间的距离 B 的比值的函数。(i) 连接第一和第二平衡环的轴线的虚拟 线与 (ii) 连接第二和第三平衡环的轴线的虚拟线之间的偏角可以大致等于 (a) 上部构件 相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角和 (b) 下部构件相对于连接第一和 第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角之和。
该改良件还可以包括磁性制动器 35， 其作用于支撑件和连杆之间以要求在把柄上 施加作用力来将把柄移离零位。
该改良件还可以包括阻尼器 36， 其作用于支撑件和连杆之间以阻尼把柄的速率。 该阻尼器可以是涡流阻尼器。
该改良件还可以包括马达 ( 未示出 )， 其作用于支撑件和连杆之间以使连杆作为 提供给马达的信号的函数而运动。
经改良的控制杆可以安装在具有电传控制系统的飞机上， 并且该经改良的控制杆 可以安装在驾驶员位和副驾驶员位上。 驾驶员和副驾驶员的控制杆可以交叉耦合以一同移 动。该飞机可以具有自动驾驶仪， 驾驶员和副驾驶员的控制杆可以响应于自动驾驶仪提供 的信号而一同移动。
在另一方面， 本发明提供了适于控制物体运动的控制杆 20 的改良件。该改良件包 括： 支撑件 21 ； 以可枢转的方式安装在支撑件上的上部构件 23， 该上部构件具有设置在其 与支撑件的枢转连接件下方的下部 25 ； 中间构件 26， 其具有与上部构件的下部枢转连接的 上部， 并且具有下部 ； 和下部构件 29， 其具有以可枢转的方式安装在支撑件上的下部， 并且 具有上部 ； 其中， 中间构件的下部可移动地安装在下部构件的上部上， 以便上部构件的上部 相对于支撑件的枢转运动将形成中间构件和下部构件相对于支撑件的枢转运动 ； 和弹性构 件 31， 其被设置成偏置中间构件和下部构件之间的相对运动方向。
上部构件可以安装在支撑件上以关于位于上部构件的长度中间的轴线 xu1 ～ xu1 或 xu2 ～ xu2 作枢转运动， 上部构件可以具有设置在该轴线上方并且被设置用作把柄 24 的上 部， 该把柄可以被抓紧和选择性地操纵以向连杆提供输入。
上部构件可以安装成相对于支撑件关于两个相互垂直的轴线 xu1 ～ xu1 和 xu2 ～ xu2 作复合枢转运动。
由弹性构件施加的作用力可以推动上部构件相对于支撑件朝向零位移动。 该弹性 构件可以被设置成施加从连杆中大致消除所有后冲的作用力。 由弹性构件施加的作用力可 以是可调的。
当上部构件移离零位的时候， 中间构件和下部构件之间的运动范围可以是当上部 构件处于其零位时 (a) 上部构件和支撑件之间的枢转轴与中间构件和支撑件之间的枢转 轴之间的距离 A 与 (b) 中间构件和支撑件之间的枢转轴与下部构件和支撑件之间的枢转轴 之间的距离 B 的比值的函数。 (i) 连接第一和第二平衡环的轴的虚拟线与 (ii) 连接第二和 第三平衡环的轴的虚拟线之间的偏角可以大致等于 (a) 上部构件相对于连接上部构件和 支撑件之间的枢转轴与下部构件与支撑件之间的枢转轴的虚拟线的偏角和 (b) 下部构件 相对于连接上部构件和支撑件之间的枢转轴与下部构件与支撑件之间的枢转轴的虚拟线 的偏角之和。
上部构件和支撑件可以通过万向接头、 诸如平衡环机构 22 连接。
中间构件 26 可以安装成相对于上部构件关于两个垂直轴线 xM1 ～ xM1 和 xM2 ～ xM2 作复合枢转运动。
上部构件和中间构件可以通过万向接头、 诸如平衡环机构 28 连接。
下部构件 29 可以安装成相对于支撑件关于两个相互垂直的轴线 xL1 ～ xL1 和 xL2 ～ xL2 作复合枢转运动。
下部构件和支撑件可以通过万向接头、 诸如平衡环机构 30 连接。 中间构件的下部可以可滑动地容纳在下部构件的上部中。
弹性构件可以有助于把柄部分的作用力 - 感觉梯度。
该改良件还可以包括 ： 至少一个第一位置传感器 32， 32， 32， 其安装在支撑件上并 且接合上部构件的下部以作为上部构件的下部关于轴线之一的位置的函数提供第一输出 信号 ； 和可能地至少一个第二位移传感器 32， 32， 32， 其安装在支撑件上并且接合上部构件 的下部以作为上部构件的下部关于轴线中的另一个的位置的函数提供第二输出信号。
该改良件还可以包括 ： 第一上部弹簧 33， 诸如复合弹簧， 其作用于上部构件和支 撑件之间以影响使把柄关于轴线之一运动所需要的作用力 ； 和可能地第二上部弹簧 33， 诸 如复合弹簧， 其作用于上部构件和支撑件之间以影响使把柄关于轴线中的另一个运动所需 要的作用力。
该改良件还可以包括 ： 第一中间弹簧 34， 诸如复合弹簧， 其作用于中间构件和支 撑件之间以影响使把柄关于轴线之一运动所需要的作用力 ； 和可能地第二中间弹簧 34， 诸 如复合弹簧， 其作用于中间构件和支撑件之间以影响使把柄关于轴线中的另一个运动所需 要的作用力。该第一中间弹簧提供作用力 - 感觉梯度上的明显变化以警告操作人员在把柄 位移上的变化。
该改良件还可以包括用于在中间构件上施加小作用力的阻碍装置 35， 其中所述作 用力是操作人员抓紧把柄使其脱离零位所要克服的力。 该阻碍装置可以包括安装在支撑件 和中间构件上的多个磁体。
该改良件还可以包括阻尼器 36， 其作用于下部构件上以阻尼把柄的速率。该阻尼 器可以是涡流阻尼器。
在另一方面， 本发明提供了一种控制杆 20， 其大致包括 ： 支撑件 21 ； 连杆 27， 其具 有把柄 24 并且安装在支撑件上 ； 和多个位置传感器 32， 32， 32， 其安装在支撑件上并且在连 杆的不同位置上接合连杆， 该位置传感器中的每一个都适于产生作为连杆位置相对于支撑 件的位置的函数的输出信号 ； 多个弹簧 33， 33， 34， 34， 其作用于支撑件和连杆之间以影响
连杆的作用力 - 感觉特性 ； 磁性制动器 35， 其作用于支撑件和连杆之间以要求操作人员向 把柄施加作用力来将把柄移离零位 ； 和阻尼器 36， 其作用于支撑件和连杆之间以阻尼把柄 的速率。
这些弹簧中的每一个本身可以具有单独的作用力 - 偏移特性， 并且连杆的作用 力 - 感觉特性可以是这些弹簧的各种单独的作用力 - 偏移特性的函数。在优选实施例中， 连杆的作用力 - 感觉特性是弹簧的各种单独的作用力 - 偏移特性和连杆的几何结构的总和 的函数。
该弹簧可以推动把柄使其相对于支撑件朝向零位移动， 弹簧之一可以被设置成施 加大致从连杆中消除所有后冲的作用力。
在又一方面， 本发明提供了一种复合弹簧 38， 其大致包括 ： 第一管状部分 40， 其具 有在第一端 41 和第二端 42 之间延伸的第一壁 ； 至少一个第一开槽 43， 所述开槽贯穿第一 壁并且限定于相对的开槽壁之间以便在第一和第二端相对旋转时， 该弹簧将在开槽壁彼此 隔开时具有一种作用力 - 位移特性， 而在开槽壁彼此接触时具有另一种作用力 - 位移特性 ； 和在第一和第二端在公共平面中相对于对方弯曲时的第三种作用力 - 位移特性。
第一开槽可以沿与第一管状部分的纵轴平行的方向伸长。可以具有多个第一开 槽， 并且这些开槽可以关于第一管状部分沿圆周彼此间隔开。 该弹簧还可以包括第二管状部分 44， 其设置在第一管状部分内并且具有在第二端 42 和第三端 45 之间延伸的第二壁。第二管状部分可以具有至少一个第二开槽 46， 其贯穿 第二壁并且限定于相对的开槽壁之间。 第二开槽可以沿与第二管状部分的纵轴平行的方向 伸长， 并且多个第二开槽可以关于第二管状部分沿圆周彼此间隔开。
第三端 45 可以被设置在第一端 41 附近。
因此， 本发明的总体目标是提供一种经改良的控制杆。
另一目标是提供用于控制杆中的经改良的连杆。
又一目标是提供一种经改良的复合弹簧， 其特别适于用在控制杆中。
这些和其它目标和优点将从上述和此时的书面说明、 附图和所附的权利要求书中 变得显而易见。
附图说明 图 1 是经改良的控制杆的机械连杆的一种形式的示意图， 该视图示出了当把柄相 对于支撑件处于其零位时， 上部构件、 中间构件和下部构件的位置 ；
图 2 是图 1 所示结构的示意图， 但是示出了当把柄已经移至非零位置时上部构件、 中间构件和下部构件的位置 ；
图 3 是示出了当把柄已经移至非零位置时各种连杆构件之间的角度的简化示意 图；
图 4 是示出了当把柄已经移至非零位置时作用在各种连杆构件上的作用力和力 矩的简化示意图 ；
图 5 是控制杆连杆的简化示意图， 其示出了作用于支撑件和各种构件之间的各种 弹簧、 传感器和阻尼器 ；
图 6 是基本弹簧、 第二弹簧的软停和差动函数、 柱簧的作用力 ( 纵坐标 )Vs 旋转角
( 横坐标 ) 特性的一组曲线图， 并且还示出上述所有弹簧的相加或叠加函数 ；
图 7 是经改良的复合扭簧的一种形式的轴测图 ；
图 8 是图 7 所示弹簧的侧视图 ；
图 9 是大致在图 8 的线 9-9 上取得的水平剖面图 ；
图 10 是经改良的控制杆的商业形式的轴测图， 其中把柄被示出已经倾斜至非零 位置， 该图示出了该特定实施例的包装的紧凑性。 具体实施方式
首先应清楚地认识到 ： 始终贯穿这几个附图， 同样的参考数字用于标识相同的结 构元件、 部分或表面， 而这些元件、 部分或表面本身可以通过整个书面说明书得到进一步描 述或解释， 该具体实施方式是它的组成部分。 除非特别指出， 否则这些附图用于结合说明书 一起进行阅读 ( 例如断面线、 部件的构造、 比例、 角度等 )， 且应被看作是本发明的整个书面 说明书的一部分。在以下描述中， 术语 “水平” 、 “竖直” 、 “左” 、 “右” 、 “上” 和 “下” 、 及其形容 词性和副词性的派生词 ( 例如 “水平地” 、 “向右地” 、 “向上地” 等 ) 仅指当特定的附图面向 读者时， 所示结构的取向。类似地， 术语 “向内地” 和 “向外地” 通常指表面相对其延伸轴或 旋转轴 ( 视情况而言 ) 的取向。 现在参见附图， 本发明提供对控制杆的某些改良。这种控制杆可以是操纵杆、 侧 杆、 或者一些其它类型的用于远程控制物体的控制装置。 在附图中， 经改良的控制杆被描绘 成用于飞机以控制飞机上的各种机翼表面的侧杆。 然而， 这只是示意性的， 并不限制所附权 利要求书的范围。
在图 1、 2 和 5 中大体示出了经改良的控制杆的一种机械连杆形式。
现在参见图 1 和 2， 总体上用 20 指示的经改良的控制杆被示出安装在总体上用 21 指示的合适支撑件上。在飞机环境中， 控制杆 20 通常将被安装在飞机驾驶舱中， 用来控制 远处的物体 ( 诸如襟翼、 方向舵和副翼等 ) 的运动。
图 1 和 2 所示的构造示意性地描绘了连杆 (27)， 其包括三平衡环机构。本文中的 “平衡环” 是这样一种装置 ： 该装置具有两个环， 其被安装成相互成直角以便物体可以在其 中保持悬挂， 而与安装有该物体的支撑件的运动无关。它是允许围绕两个相互垂直的轴线 作复合枢转运动的一大类接头和连接件中的一种特殊类型。 这一大类中的其它接头和连接 件包括万向接头， 允许一个构件相对另一构件作全向枢转运动的球窝接头， 和类似物。 更具 体地， 该经改良的连杆大致包括第一或上平衡环 22。上部构件 23 安装在第一平衡环上， 第 一平衡环安装在支撑件上并且用于关于相互垂直的轴线 xu1 ～ xu1 和 xu2 ～ xu2 的复合枢转运 动。该上部构件具有设在第一平衡环上方的把柄 24， 并且具有设在第一平衡环下方的下部 25。该连杆被示出还包括中间构件 26 和第二平衡环 28， 第二平衡环 28 连接中间构件的上 边缘端部和上部构件的下边缘端部并且用于关于相互垂直的轴线 xM1 ～ xM1 和 xM2 ～ xM2 的 复合枢转运动。 该装置还被示出具有下部构件 29。 下部构件和中间构件之一可移动地安装 在中间构件和下部构件中的另一个上。在示出的构造中， 中间构件 26 的下边缘端部可滑动 且可伸缩地容纳在下部构件 29 中， 但是必要时该构造可以颠倒。下部构件 29 的下边缘端 部通过第三平衡环 30 安装在支撑件上， 其中第三平衡环用于关于相互垂直的轴线 xL1 ～ xL1 和 xL2 ～ xL2 的复合枢转运动。螺旋弹簧 31 被设置成作用于下部构件和中间构件之间。该
弹簧始终受到压缩， 且持续推动中间构件相对于下部构件向下运动。这样所产生的实际效 果是从该三构件连杆中消除大致所有的后冲。
在图 1 中示出的机械连杆相对于支撑件处于居中位置或零位上。在该位置上， 所 有三个构件 23、 26 和 29 的纵轴都垂直对齐。在图 2 中， 最上面的把柄被示出相对于支撑件 向左倾斜， 随着而来的是上部构件的下边缘端部的向右运动。 还要注意的是 ： 这种运动是通 过中间构件和下部构件关于轴线 xL2 ～ xL2 的枢转运动、 中间构件相对于下部构件的轴向运 动和弹簧 31 的附加压缩位移提供的。
如上所述， 虽然本发明被示出是以驾驶员和副驾驶员的侧杆的形式实现的， 但是 本领域技术人员将易于理解这种机构可以以操纵杆、 或一些其它类型的用于控制物体的控 制杆的形式来实现。物体本身可以是飞机的机翼表面， 或者一些其它物体。
图 3 是在把柄已离开零位时连杆的进一步简化示意图。虽然平衡环机构允许关于 两个相互垂直的轴线的复合枢转运动， 但是在图 3 中示意性示出的实施例对各平衡环只描 绘了关于一条这种轴线的运动。 第一平衡环的上枢转点用 xu2 指示， 第二平衡环的中间枢转 点用 xM2 指示， 下平衡环的枢转点用 xL2 指示， 从而与上面的命名相一致。在处于零位时， 中 间枢转点 xM2 和下枢转点 xL2 之间的联接用参考数字 26、 29 指示 ( 这是中间构件和下部构件 的有效组合长度 )， 而在处于所示的非零位置时用参考数字 26’ 、 29’ 指示。
当把柄处于其零位时， 连杆竖直对齐， 这在图 1 中更清楚地示出。在图 3 中， 上枢 轴和中间枢轴 31、 32 之间的距离用距离 A 指示， 中间枢轴和下枢轴 xM2、 xL2 之间的距离用距 离 B 指示。当把柄从零位移至用 24’ 指示的非零位置时， 上部构件的下端将摆至用 25’ 指 示的位置， 中间构件和下部构件将移至用 26’ 、 29’ 指示的替换位置。角度 A 表示移动的把 柄偏离零位的夹角。角度 B 表示中间构件和下部构件 26’ 、 29’ 的轴线偏离零位的夹角。角 度 C 是角度 A 和 B 之和。尺寸 dx 表示在中间构件和下部构件从零位移至非零位置时中间 构件相对于下部构件的延伸， 这通过弹簧 31 的进一步压缩来提供。 关于角 B 和 C、 以及距离 dx 的方程如下 ：
AngleC ＝ AngleA+AngleB现在参见图 4， 由驾驶员的手施加的作用力 Fu 通过把手的臂距 GRP 将关于上枢转 点 Xu2 形成上力矩 Mu。在第二枢转点上施加的作用力将是距离 a 和 b 的函数。关于中间枢 轴 xM2 的力矩是可计算的。类似地， 在中间枢转点上施加的作用力也是可计算的。这些关系 由以下方程来表示 ：
MM ＝ -FM×(GRP+A)-FM×A MM ＝ -FU×[(GRP+A)+A]因此， 在把柄移离零位的时候， 中间构件和下部构件之间的运动范围是 (a) 第一 和第二平衡环的轴线之间的距离与 (b) 第二和第三平衡环的轴线之间的距离的比值的函 数。 连接第一和第二平衡环的轴线的虚拟线与连接第二和第三平衡环的轴线的虚拟线之间 的偏角大致等于把柄处于其零位时上部构件相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟 线的偏角和下部构件相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角。
图 5 是经改良的控制杆 20 的示意图， 但是进一步示出了与之附连的各种弹簧、 传 感器和阻尼器。在图 5 中， 连杆 27 再次被示出包括具有上把柄 24 和下臂 25 的上部构件 23、 中间构件 26 和下部构件 29。中间构件的下边缘端部被描绘成可伸缩地容纳在下部构 件 29 中。螺旋弹簧 31 持续推动中间构件相对于下部构件向下运动。在图 5 中， 连杆被示 出安装成仅在一个平面上运动， 这是为了简化说明。上部构件 23 安装在支撑件 21 上以关 于轴线 xU2 作枢转运动。中间构件的上边缘端部以可枢转的方式连接上部构件的下边缘端 部以关于轴线 xM2 作枢转运动。最后， 下部构件 29 以可枢转的方式安装在支撑件上以关于 轴线 xL2 运动。应清楚地理解 ： 该构造可包括三个平衡环， 虽然这些平衡环的细节未完全示 出。
在图 1 中， 上部构件 23 的运动由三冗余位置传感器 ( 其分别用 32 指示 ) 检测。 这 些位置传感器中的三个被设置在直径相对的位置上。在离开纸张的平面中， 还在上部构件 的任一侧上具有另外三个位置传感器。 这些位置传感器的功能是检测和确定上部构件相对 于支撑件的倾斜运动范围。由这些位置传感器中的三个来提供三重冗余。
在该位置传感器内， 存在分别用 33 指示的多个相对的复合扭簧。同样地， 在图 5 中示出两个相对的扭簧， 并且在离开纸张的平面中存在另外两个相对的弹簧。这些弹簧的 功能是为把柄的倾斜运动提供一定的作用力 - 感觉阻力。这些复合扭簧的结构和操作在图 7-9 中更详细地示出， 并且在下面进行描述。
用 34、 34 指示的另外一些扭簧作用于上部构件和中间构件之间以提供一定的第 二弹簧功能和软停。这种构造还可以包括用 35 指示的磁性制动器， 其将必然要求驾驶员施 加一定的作用力来使连杆移离零位。
仍然参见图 5， 分别用 36 指示的相对的涡流阻尼器被设置成作用于支撑件和下部 构件之间， 以阻尼连杆的运动速率。同样地， 实际上具有成对地相对设置的四个速率阻尼 器。
图 6 说明了在图 5 中示出的各种弹簧的单独功能， 并且以图解的方式说明了归因 于它们的叠加的净函数。基本弹簧函数被描绘成纵坐标 ( 作用力 ) 和横坐标 ( 旋转度 ) 之 间的直线。第二弹簧 34 提供软停和差动 (differential)， 如图 6 指示的那样。柱簧 31 具 有所示作用力 - 位移特性。标为 “净功能” 的曲线是通过将图 6 中示出的其它四条曲线叠 加而获得的。图 6 说明了可以精心挑选所述各种弹簧以使它们的特性在被叠加时可以赋予 所需要的任何净功能。
现在参见图 7-9， 复合扭簧之一总体上用 38 指示。 该弹簧被示出具有安装凸缘 39， 其适于被连接到合适结构 ( 取决于它的应用 ) 上。该弹簧还具有连接到凸缘上的第一管状 部分 ( 其用 40 指示 )， 其具有连接到凸缘上的第一端 41 并且从该第一端开始向右延伸至第
二端 42。该第一管状部分被示出具有用 43 指示的至少一个纵向开槽。在示出的形式中， 第 一管状部分具有多个这种开槽， 并且这些开槽相对于第一管状部分沿圆周间隔开。
该弹簧还可以在第一管状部分 40 内具有第二管状部分 44。第二管状部分在第二 端 42 上与第一管状部分物理连接， 并且在第一管状部分内向左延伸至第三端 45。 第二管状 部分 44 具有至少一个纵向延伸的开槽 46。在示出的形式中存在多个这种开槽， 并且这些 开槽关于第二管状部分沿圆周彼此间隔开。 这些开槽的目的是提供以下能力， 即： 当在相对 的开槽壁彼此物理接触之前将扭力施加在处于第一端和第三端之间的弹簧上时， 具有一种 作用力 - 位移特性， 而在这种开槽壁相互接触之后具有第二种作用力 - 位移特性。实际上， 这两个管状部分是以串联的方式机械连接的， 虽然第二管状部分是被设在第一管状部分内 的。 拿这两个管状部分相比， 开槽的相对的纵向延伸的壁之间的圆周间距可以相同， 也可以 不同， 这要取决于所需要的特殊的作用力 - 位移特性。此外， 经改良的弹簧的一个独特特征 在于它不是单纯的扭簧。 相反地， 它可以用作扭簧， 也可以在平面 ( 诸如纸张平面 ) 上弯曲。 在图 5 中示出的各种扭簧可以选择性地被设计成提供所需要的特定的作用力 - 位移特性， 以有助于装置的总体净功能。复合弹簧的另一独特特征在于 ： 通过在外管上具有位置颠倒 的内管， 使弹簧轴向紧凑。 这提供了很多优点， 因为它使得能够将控制杆设在小型包装或壳 体内， 正如图 10 示出的那样。
因此， 本发明提供了经改良的控制杆、 用于其中的经改良的连杆、 和经改良的复合弹簧。 改进
本发明预期可以进行多种改变和改进。例如， 虽然一种形式利用了具有各种构件 的三平衡环机械连杆， 但是可以替换使用其它类型的连接件。 实际上， 该连接件可以简化成 一种球窝接头、 万向接头、 或一些其它接头。实际上， 虽然这些形式的主要优点在于这种接 头和连接件允许把柄关于相互垂直的轴线作复合枢转运动， 但是在替换构造中可以使用其 它类型的连杆。在一些情况下， 连杆可能受到这些联接的几何结构的影响。
柱簧被认为在从连杆中消除大致所有后冲上特别有效。实际上， 它持续偏压连杆 以消除后冲感。然而， 虽然希望具有这种柱簧， 但它并不是绝对关键的。
在图 6 中示出的不同类型的弹簧、 传感器和阻尼器可以与连杆的不同部件相关 联。虽然主弹簧 33 与上部构件相关联并且第二弹簧与中间构件相关联， 但是这种构造并不 是不可变化的， 而是可以改变的。 涡流阻尼器的位置也可以被改变。 类似地， 分离制动器 35 的位置也可以根据需要改变和改进。
复合扭簧也被认为是独一无二的。该弹簧被认为是这样一种复合弹簧， 其可操作 地被设置成既抵抗关于其轴线 x-x 的扭转、 又抵抗在特定平面上的弯曲， 其中特定平面诸 如 ( 但不限于 ) 是纸张平面。在其最简单的形式中， 扭簧只具有一个管状部分， 其中该管状 部分设有至少一个、 但优选多个沿圆周隔开的纵向延伸的开槽。这些开槽的功能是使弹簧 将在第二端相对于第一端旋转时并且在开槽壁相互接触之前具有一种作用力 - 位移特性， 而在开槽壁相互接触之后具有不同的第二作用力 - 位移特性。通过使开槽关于第一管状部 分沿圆周间隔开， 弹簧更为对称， 并且在任何特定方向上都具有相似的抵抗弯曲的特性。 该 弹簧还可以在第一部分内具有颠倒的第二部分。本领域技术人员将易于认识到 ： 在第二端 上共同连接的第一和第二部分以串联的方式彼此机械连接。然而， 相颠倒的内部或第二部
分允许一种紧凑的构造， 并且这被认为在壳体尺寸受限的情况下 ( 诸如在飞机中 ) 特别有 用。
因此， 虽然已经示出并且描述了本发明的几种简化并且逐渐详细的实施例， 并且 已经讨论了它们的几种改进和改变， 但是本领域技术人员将易于认识到可以进行各种另外 的改变和改进， 而不脱离由以下权利要求定义和区分的本发明的精神。