大功率電動(dòng)舵機(jī)鎖制器設(shè)計(jì)方案探討

楊志伏，陳永紅

(中國航天科工集團(tuán)貴州航天控制技術(shù)有限公司，貴陽 550009)

大功率電動(dòng)舵機(jī)鎖制器設(shè)計(jì)方案探討

楊志伏，陳永紅

(中國航天科工集團(tuán)貴州航天控制技術(shù)有限公司，貴陽 550009)

對采用電磁力驅(qū)動(dòng)的兩種鎖制器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較。計(jì)算結(jié)果表明，在同樣的舵面干擾力矩載荷作用下，鎖銷式方案需要的電磁吸合力僅為摩擦式方案的9.25%。對鎖銷式鎖制器采用滾動(dòng)摩擦方法進(jìn)行改進(jìn)后，其所需的電磁力進(jìn)一步降低到僅為摩擦式鎖制器的6.32%。由于所需電磁力大為減少，故可大幅度降低線圈的尺寸和功耗。而大功率電動(dòng)舵機(jī)的鎖制器內(nèi)部線圈占鎖制器質(zhì)量的80%以上，故采用該改進(jìn)方案，可以明顯減小系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗。

電動(dòng)舵機(jī)；鎖制器；摩擦；力矩

0 引言

電動(dòng)舵機(jī)具有效率高、環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn)。近年來，電動(dòng)舵機(jī)向大功率、小體積方向發(fā)展[1-2]。鎖制器作為電動(dòng)舵機(jī)的重要附件[3]，其在電動(dòng)舵機(jī)開始工作前對舵機(jī)的傳動(dòng)裝置進(jìn)行鎖定，以防止外界擾動(dòng)對舵軸零位的影響，而在通電時(shí)能克服舵軸所受的擾動(dòng)力矩而開鎖。為盡可能減小開鎖力矩，一般將鎖制器直接作用于電機(jī)軸上[4]。大功率電動(dòng)舵機(jī)的輸出力矩大，舵面所受擾動(dòng)力矩也比較大[5]，其鎖制器內(nèi)部線圈匝數(shù)多，工作時(shí)電流很大，對整個(gè)系統(tǒng)的減重和降低功耗非常不利。減小鎖制器質(zhì)量的方法有兩種：其一為通過控制系統(tǒng)使電機(jī)向擾動(dòng)力矩反方向旋轉(zhuǎn)以抵消一部分載荷[6-7]，此方法必須先激活電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)，總質(zhì)量有一定減小，但總能耗降低有限[8]；另一種方法是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，直接減小鎖制器的質(zhì)量和功耗[9]，可通過減小摩擦效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，可取得質(zhì)量和能耗比較平衡的效果[10]。

鎖制器一般分為摩擦式和鎖銷式兩種方案，均采用電磁線圈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。摩擦式鎖制器通過電磁銷推動(dòng)摩擦盤，利用摩擦力對電機(jī)軸進(jìn)行鎖定和開鎖。電磁銷的銷軸和一個(gè)摩擦盤固連，斷電時(shí)銷軸在彈簧力作用下彈出，兩個(gè)摩擦盤貼合，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；通電時(shí)銷軸收回，摩擦盤分開，電機(jī)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。鎖銷式鎖制器通過銷軸的伸縮干涉固定于電機(jī)軸上的凸臺鎖制盤，進(jìn)行鎖定和開鎖。斷電時(shí)銷軸在彈簧力作用下伸出，插到兩個(gè)凸臺之間，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；而通電時(shí)銷軸收回，與凸臺互不干涉，電機(jī)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩種方案如圖1所示。

圖1 電動(dòng)舵機(jī)鎖制器的兩種設(shè)計(jì)方案Fig.1 Two design proposals of electromechanical actuator locking-apparatus

1 摩擦式鎖制器受力分析

外界擾動(dòng)作用于舵軸上，通過傳動(dòng)鏈傳遞到電機(jī)軸，設(shè)電機(jī)軸所受力矩最大值為M。斷電條件下，鎖制器至少要能對電機(jī)軸提供M的力矩，以阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；通電時(shí)，鎖制器必須要能克服M的力矩而開鎖。

對摩擦式鎖制器進(jìn)行受力分析如下：

斷電時(shí)，兩個(gè)摩擦盤在彈簧作用下壓緊，設(shè)彈簧壓力為F。通電時(shí)，只要電磁吸合力大于此彈簧壓力，即可保證摩擦盤脫開，解除鎖定。設(shè)摩擦盤內(nèi)半徑為r1，外半徑為r2，如圖2所示。整個(gè)摩擦盤有效的摩擦面積為S。取一面積微元，離圓心距離為r，此微元面積為dS。此微元所受彈簧壓力為dF，設(shè)摩擦環(huán)的摩擦系數(shù)為μ，則上述面積微元對電機(jī)軸的阻力矩為μrdF。

圖2 摩擦式鎖制器摩擦力矩計(jì)算Fig.2 Calculation of frictional moment of friction-plate conformation

考慮整個(gè)摩擦環(huán)，對上述摩擦力矩微元進(jìn)行積分的即為力矩M，具體計(jì)算如下：

(1)

從式(1)中的積分求出彈簧壓力F，即為電磁銷保證開鎖至少需要產(chǎn)生的吸合力，可表示為式(2)

(2)

2 鎖銷式鎖制器受力分析

仍假設(shè)外界擾動(dòng)傳遞到電機(jī)軸上，力矩為M。斷電時(shí)，電磁銷的銷軸在彈簧作用下自動(dòng)彈出，由于銷軸對凸臺的阻擋作用，電機(jī)軸不能轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)彈簧彈力為fT，銷軸與凸臺的接觸點(diǎn)離電機(jī)軸心的距離為R，則銷軸所受側(cè)向力F1大小為M/R。為盡量減小側(cè)向力，R一般取等于電機(jī)外徑。上述側(cè)向力將產(chǎn)生一系列的摩擦力，見圖3(a)。通電時(shí)，銷軸若要順利收回，必須要能克服摩擦力和彈簧力，即電磁吸合力fa至少要等于摩擦力和彈簧力之和，可得式(3)

fa=f1+fa2+fa3+fT

(3)

上述f1、fa2、fa3分別為上、中、下三個(gè)接觸點(diǎn)的摩擦力。而根據(jù)力的平衡，有如下關(guān)系：

(4)

其中，F(xiàn)1、Fa2、Fa3分別為圖3(a)中三個(gè)接觸點(diǎn)的正壓力，而μh為各個(gè)接觸點(diǎn)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，若采用合適的表面處理措施，可達(dá)到0.1。La1、La2為力臂長度，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，La2可以達(dá)到La1的4倍以上，這里取4倍。彈簧力的作用僅僅使銷軸自動(dòng)彈出，和外載荷并無關(guān)系，因此可以取較小值，這里取F1的10%。將上述條件代入式(4)，可得出圖3(a)所示鎖銷式鎖制器所需的最小電磁吸合力為

fa=0.35M/R

(5)

大功率電動(dòng)舵機(jī)的電機(jī)功率通常在1kW以上，一般情況下電機(jī)直徑將大于0.08m，取摩擦環(huán)的外半徑為0.04m，內(nèi)半徑為0.03m，金屬摩擦材料的摩擦系數(shù)為0.3，將上述數(shù)值代入式(2)，可得

fa=0.0925F

(6)

故其他條件不變時(shí)，鎖銷式鎖制器所需的電磁吸合力不到摩擦式鎖制器的10%。

圖3 電磁銷內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力分析Fig.3 The structure and force analysis of electromagnetic pin

為進(jìn)一步減小所需的電磁吸合力，可對電磁銷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖3(b)所示，在電磁銷內(nèi)部增加滾動(dòng)軸承。對改進(jìn)的電磁銷所需最小電磁吸合力分析如下

fb=f1+fb2+fb3+fT

(7)

fa2、fa3為中間和下方接觸點(diǎn)的摩擦力。軸承平面不可能恰好在F1的受力平面內(nèi)，但一般加工精度下可保證角度誤差在0.5°以內(nèi)。根據(jù)力的平衡，有：

(8)

其中，F(xiàn)1、Fb2、Fb3分別為圖3(b)中三個(gè)接觸點(diǎn)的正壓力，而μh為各個(gè)接觸點(diǎn)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，可通過合適的表面處理措施降低到0.1。μg為滾動(dòng)軸承的等效滑動(dòng)摩擦系數(shù)，在受力不大的情況下軸承基本保持圓形，等效摩擦系數(shù)可達(dá)到0.01[11]。Lb1和Lb2為力臂長度。仍然將Lb2取為Lb1的4倍。取相同的參數(shù)，可得

fb=0.0632F

(9)

故同樣的舵面擾動(dòng)力矩作用下，改進(jìn)的鎖銷式鎖制器所需的電磁吸合力為摩擦式鎖制器的6.32%。

3 結(jié)論

對摩擦式和鎖銷式兩種電動(dòng)舵機(jī)鎖的鎖定原理和開鎖力進(jìn)行了分析。摩擦式鎖制器依靠摩擦力鎖定舵面，其摩擦力由彈簧壓力產(chǎn)生，而由于摩擦系數(shù)的關(guān)系，彈簧壓力至少為摩擦力的3倍以上，故摩擦式鎖制器開鎖時(shí)需要較大的電磁力。而鎖銷式鎖制器通過銷軸干涉鎖定舵面，其開鎖時(shí)僅需要克服銷軸的摩擦力，需要的電磁力較小。計(jì)算結(jié)果表明，在同樣的舵面擾動(dòng)力矩作用下，對80mm直徑的電機(jī)，鎖銷式鎖制器所需的電磁力僅為摩擦式鎖制器的9.25%，而對鎖銷式鎖制器增加滾動(dòng)軸承進(jìn)行改進(jìn)后，其摩擦力大幅下降，最終所需電磁力可進(jìn)一步降低到僅為摩擦式鎖制器的6.32%。由于所需電磁力大幅降低，則鎖制器內(nèi)部線圈的體積、質(zhì)量的功耗都大幅下降。

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Discussion of High-Power Electromechanical Actuator Locking-apparatus Design Proposals

YANG Zhi-fu,CHEN Yong-hong

(GuiZhou Aerospace Control Technology Company Limited, CASIC, Guiyang 550009,China)

Two design proposals of locking-apparatus driven by electromagnetic force were compared in this paper.The calculation result shown that, compare to friction-plate conformation, the electromagnetic force request in the pin conformation was only 9.25% under the same rudderpost moment.After locking-apparatus was improved by a rolling friction structure, the electromagnetic force of the pin conformation can be reduced to just 6.32% of the friction-plate conformation request.Due to the electromagnetic force request reduced, the size and power of the coil can be much more reduced.In the high-power electromechanical actuator, the weight of the coil was more than 80% of the whole locking apparatus system, so the weight and power can be significantly reduced by using the improve structure proposed in this article.

Electromechanical actuator;Locking-apparatus;Friction;Moment

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.03.003

2016-03-02；

2016-04-18。

楊志伏(1982-)，男，博士，工程師，主要從事電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。E-mail: hityangzf@126.com

V414.1

A

2095-8110(2016)03-0014-04