摘要：合理、輕量化的航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在很大程度上提高航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)行程角度控制的準(zhǔn)確性、耐久性、扭矩/質(zhì)量比及電磁兼容性，降低輸出軸晃動(dòng)間隙。針對(duì)目前國內(nèi)現(xiàn)有飛機(jī)著陸燈用航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提出一種輕量化航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，該方案采用無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過行星齒輪、平行軸直齒輪、蝸桿副等組合形式減速，利用高精度非接觸角位移傳感器反饋位置信號(hào)。建立三維數(shù)學(xué)模型對(duì)行星齒輪等傳動(dòng)件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)殼體、齒輪蓋等結(jié)構(gòu)件有限元仿真計(jì)算。結(jié)果表明：輕量化航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)輕量化、大扭矩/質(zhì)量比等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求;驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵傳動(dòng)件與結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)及強(qiáng)度滿足要求，確定設(shè)計(jì)方案合理可行。

　　關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元仿真;行星齒輪;蝸桿;角位移傳感器

　　0引言航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一種，作為飛機(jī)電動(dòng)部件的核心部件，主要由電機(jī)、減速器、軸系以及角位移傳感器等主要零部件組成，通過一體化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)完成[1]。隨著航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展，航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也在快速發(fā)展，技術(shù)也在不斷革新，逐步被應(yīng)用于飛機(jī)的不同部位，例如飛機(jī)駕駛員電動(dòng)座椅[2-4]、飛機(jī)襟翼[5-6]、飛機(jī)艙門[7]、飛機(jī)著陸燈[8-9]等部位。

　　航空論文范例：航空發(fā)動(dòng)機(jī)敏感件的控制方法研究

　　在微型航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，包括美國的MOOG公司、瑞士的RUAG公司等在內(nèi)的國外公司都有成型的產(chǎn)品。其中MOOG公司的Type2型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，質(zhì)量為1.3kg，未談及使用高精度非接觸式角度傳感器，最大輸出轉(zhuǎn)矩為20N·m[10]，存在不能進(jìn)行精準(zhǔn)的行程角度控制問題，扭矩/質(zhì)量比為15.38N·m/kg。RUAG公司的SARA21型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，質(zhì)量為1.8kg，輸出轉(zhuǎn)矩為45N·m[11]，扭矩/質(zhì)量比為25N·m/kg。航空領(lǐng)域?yàn)榱颂岣吆娇诊w行器的承載能力，盡可能降低航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積質(zhì)量，提高行程角度控制精準(zhǔn)性、扭矩/質(zhì)量比，輕量化驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研發(fā)日益成為一個(gè)重要的研究課題。國內(nèi)的微型航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力源多使用直流有刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)存在很多缺點(diǎn)，比如更換配件麻煩、配件使用壽命短、發(fā)熱率高、換向火花大、損耗嚴(yán)重、電磁干擾嚴(yán)重等[12-13]。相較于直流電機(jī)，無刷電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高、轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、可靠性高等，現(xiàn)已在軍工領(lǐng)域逐步替代直流有刷電機(jī)[14]。

　　國內(nèi)傳統(tǒng)航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)行程角度控制多采用微動(dòng)開關(guān)限位，比較小的KW5C-0Z-1微動(dòng)開關(guān)，動(dòng)作行程最大為0.51mm[15]，配合彈簧片后使用，彈簧片動(dòng)作行程最大可達(dá)到3～4mm，對(duì)于直徑為30mm的軸，最大可旋轉(zhuǎn)15.3°，同樣存在行程角度控制不精準(zhǔn)問題;選用高精度角位移傳感器，旋轉(zhuǎn)角度誤差最大不超過0.1°，其體積與兩個(gè)微動(dòng)開關(guān)體積相當(dāng)，精度高、非接觸式、壽命高，可實(shí)現(xiàn)高精度反饋角度進(jìn)行控制。

　　由于小模數(shù)齒輪在航空領(lǐng)域應(yīng)用研究較少，同行業(yè)廠家多依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，采用個(gè)人編輯EXCEL計(jì)算軟件，計(jì)算齒輪強(qiáng)度，無法對(duì)傳動(dòng)件進(jìn)行修形、變位系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化完善�；�于上述行程角度控制不精準(zhǔn)問題及大扭矩/質(zhì)量比需求，本文提出一種輕量化航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其行星齒輪、直齒輪、蝸桿副等進(jìn)行KISSsoft分析、優(yōu)化、參數(shù)完善以及KISSsoft的強(qiáng)度計(jì)算[16]，對(duì)結(jié)構(gòu)件利用UG10.0的“FEM和仿真”功能模塊進(jìn)行ANALYSIS高級(jí)仿真分析，同時(shí)使用高精度角位移傳感器反饋輸出軸角度位置信號(hào)。

　　1總體方案

　　微型航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到在緊湊的空間結(jié)構(gòu)內(nèi)獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩和較高的角位置輸出精度，整機(jī)質(zhì)量小于0.7kg(實(shí)物660g)的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩大于20N·m。在航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的選擇中，優(yōu)先選用以下設(shè)計(jì)方案：(1)微型直流無刷電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源;(2)減速器選用行星齒輪、平行軸直齒輪、蝸桿副等5級(jí)組合減速;(3)采用非接觸式角位移傳感器高精度采集角度位置信號(hào)并反饋上傳;(4)采用軟件伺服控制電路，補(bǔ)償晃動(dòng)間隙。該方案具有如下特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)布局緊湊，轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大;(2)采用自鎖蝸輪蝸桿參數(shù)傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)斷電自鎖;(3)采用14bit數(shù)字式高精度角位移傳感器，角度分辨率高，可大大提高角度位置反饋精度;(4)傳動(dòng)平穩(wěn)，電流波動(dòng)小。

　　2輕量化傳動(dòng)方案

　　2.1優(yōu)選傳動(dòng)方案

　　為實(shí)現(xiàn)小體積、輕量化目標(biāo)，需進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)順序研究。根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體方案，針對(duì)不同傳動(dòng)順序方案分別研究其優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行對(duì)比。在滿足可傳遞需要扭矩條件下，優(yōu)先選用方案一傳動(dòng)順序方案，既可以實(shí)現(xiàn)傳遞所需扭矩負(fù)載，又可以實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。

　　位置反饋單元所選用傳感器分辨率為14bit的數(shù)字式360°無止檔非接觸式角位移傳感器，放置于扇形輸出直齒輪所在軸端，扇形輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度與角位移傳感器輸?shù)妮敵鲚S轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同，同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制系統(tǒng)采集角度傳感器位置信號(hào)，確定輸出扇形齒輪角度位置，角度位置誤差不大于0.1°。為減輕航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量，關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，如殼體、齒輪蓋等采用2A14鋁合金材料，重量較輕;蝸輪傳動(dòng)件按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選用ZCuSn10Pb1錫青銅，蝸桿、齒輪選用40CrA合金結(jié)構(gòu)鋼。經(jīng)過三維建模計(jì)算可以得到整機(jī)質(zhì)量為660g。基于上述結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，可以得到輸出力矩大、體積小、質(zhì)量輕、輸出穩(wěn)定的航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)能夠滿足一般飛機(jī)駕駛員彈射座椅、飛機(jī)襟翼、飛機(jī)排氣艙門、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)/排氣系統(tǒng)、飛機(jī)著陸燈等部位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)需求。

　　3傳動(dòng)件KISSsoft分析

　　3.1行星齒輪KISSsoft分析

　　本文驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩級(jí)行星減速參數(shù)相同，材料相同，第二級(jí)載荷相對(duì)較大，因此只對(duì)第二級(jí)行星齒輪減速進(jìn)行KISSsoft分析，分別齒輪齒根承載能力、齒面安全系數(shù)、膠合承載能力。鑒于KISSsoft分析計(jì)算過程較多，篇幅較長(zhǎng)，因此將行星齒輪KISSsoft分析計(jì)算結(jié)果引用至本文。

　　3.2平行軸直齒輪KISSsoft分析根據(jù)兩級(jí)平行軸直齒輪齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、變位系數(shù)、材料、扭矩、轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)，分別對(duì)一級(jí)直齒輪副、二級(jí)直齒輪副進(jìn)行KISSsoft分析，計(jì)算齒根承載能力、齒面安全系數(shù)、膠合承載能力。同3.1條，將平行軸直齒輪KISSsoft分析計(jì)算結(jié)果引用至本文。二級(jí)平行軸直齒輪轉(zhuǎn)速較低，不大于3r/min，未進(jìn)行KISSsoft膠合分析。

　　3.3蝸桿副KISSsoft分析

　　根據(jù)蝸桿副齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、變位系數(shù)、材料、扭矩、轉(zhuǎn)速、硬度等相關(guān)參數(shù)，對(duì)蝸桿副進(jìn)行KISSsoft分析，計(jì)算磨損承載能力、點(diǎn)蝕承載能力、撓度安全系數(shù)、齒根承載能力、溫度安全系數(shù)、使用壽命及損傷等。同3.1條，將蝸桿副KISSsoft分析計(jì)算結(jié)果引用至本文。

　　4結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核分析

　　4.1殼體有限元分析殼體作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)承力件，主要承受輸出直齒輪副之間的嚙合力、蝸桿副軸向力、蝸桿副軸向緊固螺釘預(yù)緊力。針對(duì)三種情況，劃分網(wǎng)格后分別進(jìn)行ANALYSIS有限元分析，劃分網(wǎng)格45137個(gè)單元，網(wǎng)格大小0.5mm。根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用工況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理以及受力分析計(jì)算結(jié)果對(duì)殼體設(shè)定邊界條件(約束與載荷)。

　　5結(jié)論

　　(1)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的微型航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)要求，輸出力矩滿足使用要求，具有任意位置鎖定功能，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、扭矩/質(zhì)量比大等優(yōu)點(diǎn)，扭矩/質(zhì)量比大于30N•m/kg。(2)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件如行星齒輪減速、蝸輪蝸桿、平行軸直齒輪、殼體、齒輪蓋等強(qiáng)度及參數(shù)優(yōu)化后滿足要求。(3)該種航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可用于飛機(jī)著陸照明燈、飛機(jī)啟動(dòng)排氣系統(tǒng)、飛機(jī)襟翼動(dòng)作、飛機(jī)燃油系統(tǒng)、除冰系統(tǒng)、駕駛員電動(dòng)調(diào)節(jié)座椅等所有電驅(qū)動(dòng)位移部件。

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　　作者：宮偉，朱錦超，欒蘭