某型舵機(jī)輸出軸徑向擺動分析與設(shè)計改進(jìn)

蔣海超，黃子露

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

某型舵機(jī)輸出軸徑向擺動分析與設(shè)計改進(jìn)

蔣海超，黃子露

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

針對某型電動舵機(jī)輸出軸徑向存在不同程度的擺動現(xiàn)象，從減速器磨損、減速器裝配、軸承選型設(shè)計、減速器前蓋設(shè)計、輸出軸支撐方式五個方面進(jìn)行了原因分析，并對輸出軸支撐方式進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，有效地解決了舵機(jī)輸出軸徑向擺動偏大的問題。

電動舵機(jī)；輸出軸；徑向擺動

0 引言

某型電動舵機(jī)在交付后，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)輸出軸徑向存在不同程度的擺動現(xiàn)象，造成舵機(jī)輸出軸徑向偏移較大。在舵機(jī)技術(shù)指標(biāo)中，一般沒有提及舵機(jī)輸出軸徑向偏移這個指標(biāo)，但是這種由舵機(jī)輸出軸徑向偏移引起的非線性有可能造成飛行器控制系統(tǒng)失穩(wěn)，從而直接影響飛行器的飛行安全。因此，分析并解決舵機(jī)輸出軸徑向擺動的問題十分關(guān)鍵。

1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)原理

舵機(jī)輸出軸的結(jié)構(gòu)示意見圖1所示。

該型舵機(jī)的減速傳動裝置由兩部分組成，采用行星齒輪減速與諧波齒輪減速相結(jié)合的方法。前一級為行星齒輪副，后一級為諧波減速器。電機(jī)的轉(zhuǎn)動通過行星齒輪副傳遞給諧波減速器，最后由諧波減速器帶動舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動。

圖1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 原因分析

在對故障原因分析前，通過以下試驗(yàn)對舵機(jī)輸出軸徑向擺動偏移量進(jìn)行了檢查，試驗(yàn)如下：

用工裝將舵機(jī)固定在理論平面上，再將鋁質(zhì)模擬舵面（與實(shí)際舵面相似）緊連接在輸出軸上，在距離輸出軸上舵面連接孔（φ4.7）90mm處施加力F1=± 20N、F2=±20 N，用千分表（D1、D2）測試該施力點(diǎn)的位移量，測試原理見記錄圖2，千分表檢測偏移量見表1所示。

圖2 舵機(jī)輸出軸變形大小測試方法

表1 舵機(jī)輸出軸舵面端變形位移量測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)中可以看出，在施加20N測量力時，舵機(jī)輸出軸徑向偏移量最大達(dá)到0.84°（測試數(shù)據(jù)含有舵面引入變形誤差）。用手輕搖舵機(jī)輸出軸，舵機(jī)輸出軸明顯擺動。

舵機(jī)通電，輸出軸搖擺現(xiàn)象仍然存在，表明擺動是由于輸出軸自身不穩(wěn)定產(chǎn)生。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，引起舵機(jī)輸出軸徑向擺動原因主要是：減速器磨損、減速器軸向間隙過大、軸承選型設(shè)計不合理、減速器前蓋設(shè)計缺陷、輸出軸支撐方式不合理。

2.1 減速器磨損

減速器磨損會導(dǎo)致舵機(jī)內(nèi)部各向間隙增加，同時伴有舵機(jī)工作噪聲變大、舵機(jī)工作電流變大等現(xiàn)象發(fā)生。而對舵機(jī)啟動電流、工作電流和負(fù)載情況等參數(shù)進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。從而可以排除因舵機(jī)減速器磨損導(dǎo)致間隙增大、引起舵機(jī)輸出軸徑向擺動。

2.2 減速器軸向間隙過大

減速器裝配過程中，采用多種厚度規(guī)格調(diào)整墊片（0.05mm、0.1mm）消除加工及裝配產(chǎn)生的軸向累積誤差，見圖1所示。減速器軸向間隙控制是電動舵機(jī)輸出穩(wěn)定、工作可靠的基本保證，是減速器裝配過程中的基本控制要求。舵機(jī)在裝配時均需嚴(yán)格控制軸向間隙，同時進(jìn)行檢查、測試并確認(rèn)，舵機(jī)軸向間隙控制在0.02mm以內(nèi)，滿足穩(wěn)定工作的要求，因此可以排除減速器軸向間隙問題的可能。

2.3 軸承選型設(shè)計不合理

在設(shè)計過程中，輸出軸與支撐軸承1配合軸處為φ15h5，并有同軸度要求，軸承與輸出剛輪間為H/ h微間隙配合，最大配合間隙為0.016mm，為高精度軸承裝配推薦配合，同時，輸出軸材料為結(jié)構(gòu)鋼材30CrMnSiA，硬度為（45～48）HRc，且軸承內(nèi)圈隨輸出軸一起旋轉(zhuǎn)，不會在后期使用中存在相互摩擦磨損而產(chǎn)生使用間隙，因此可以排除支撐軸承與輸出剛輪間存在間隙的可能。

2.4 減速器前蓋設(shè)計缺陷

舵機(jī)減速器設(shè)計時充分考慮減速器前蓋和減速器輸出軸間的同軸度，并且在加工過程中嚴(yán)格控制該參數(shù)，在減速器跑和清洗、性能測試合格后，在前蓋與減速器殼體間配打定位銷，以保證可靠的支撐及反復(fù)拆裝定位性，因此，可以排除前蓋支撐不可靠的可能性。

2.5 輸出軸支撐方式

從圖1舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖中知，減速器內(nèi)部的諧波輸出齒輪與輸出軸剛性連接，構(gòu)成一個旋轉(zhuǎn)輸出組件，并由支撐軸承1和支撐軸承2兩組軸承支撐。僅單從齒輪傳動關(guān)系角度看，該支撐方式合理，但設(shè)計時未考慮到諧波減速器的柔性傳動特點(diǎn)，支撐軸承2處于諧波的波發(fā)生器內(nèi)部，傳動中存在周期性的變形和浮動旋轉(zhuǎn)，在工作時存在一定的微小徑向擺動，最終使輸出軸僅有支撐軸承1起到支撐效果，而如果支撐軸承1選型不合理，則會引起輸出剛輪輕微擺動，故該項(xiàng)不能排除。

2.6 故障定位

根據(jù)上述故障分析，軸的穩(wěn)定性主要由支撐方式?jīng)Q定，舵機(jī)輸出軸徑向間隙大與舵機(jī)輸出軸支撐方式有關(guān)。

舵機(jī)輸出軸支撐軸承2處于減速器傳動前端的浮動柔性結(jié)構(gòu)中，工作中，在輸出軸受法向外力時，支撐軸承2隨柔性支撐產(chǎn)生位移，輸出軸實(shí)際工作在單軸承支撐狀態(tài)，見圖3。

圖3 舵機(jī)輸出軸支撐方式示意

在圖3（b）中，輸出軸隨減速器輸入端柔性結(jié)構(gòu)的微小徑向浮動量（諧波減速器傳動基本原理決定）而擺動，從而產(chǎn)生以支撐軸承1為支點(diǎn)、沿圓周方向擺動的圓錐擺角δ（為便于表達(dá)，對輸出軸擺動進(jìn)行放大，用虛線表示）。舵面安裝后處于以輸出軸支撐軸承1為支點(diǎn)的長懸臂狀態(tài)，在舵面重心外移、且本身存在一定的輕微擺動情況下，圓錐擺角δ會進(jìn)一步放大，形成舵面擺角偏大的故障現(xiàn)象。

3 改進(jìn)設(shè)計

通過上述分析得出，舵機(jī)輸出軸擺動的原因是由于輸出軸支撐方式不合理造成，因此需在舵機(jī)現(xiàn)有空間內(nèi)對輸出軸、減速器前蓋和支撐軸承1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整設(shè)計，由原“單軸承支撐”結(jié)構(gòu)改為“雙軸承支撐”結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

采用“雙軸承支撐”方式后，輸出軸支撐長度加長，支撐寬度由原來的5mm變?yōu)?mm，支撐方式更加合理，有效減小了輸出軸徑向擺動偏移量。同時，支撐剛度得到加強(qiáng)，使輸出軸端在大負(fù)載工作時，減小了對減速器內(nèi)部的影響，改善了減速器內(nèi)部的工況。

另外，減速器前蓋作為雙軸承支撐體，為防止形變增加間隙，造成舵機(jī)輸出軸徑向擺動，減速器前蓋必須可靠、變形要小。改進(jìn)前對減速器前蓋零件進(jìn)行了ANSYS強(qiáng)度仿真校核，在50kg載荷時進(jìn)行強(qiáng)度可靠性分析。分析結(jié)果見圖5～圖7所示。

圖4 舵機(jī)輸出軸“雙軸承支撐”方案示意

圖5 前蓋加載情況

圖6 前蓋應(yīng)力云圖及變形分布

前蓋材料為鈦合金TC4，力學(xué)性能和均不小于800Mpa，從分析云圖中可以看出，在舵機(jī)輸出軸銷釘孔處承受50kgf法向載荷（舵機(jī)技術(shù)要求）時，舵機(jī)最大應(yīng)力不大于100Mpa，變形為0.014mm，假設(shè)2個支撐軸承的中間位置為支點(diǎn)，反映到輸出軸的彈性變形角為0.18°。符合材料使用要求。

圖7 前蓋應(yīng)力云圖及變形分布

按照“雙軸承支撐”結(jié)構(gòu)方案，重新研制了2臺新舵機(jī)，編號分別為：1207、1208。新舵機(jī)與控制器配套組成一套電動舵系統(tǒng)，并進(jìn)行了舵機(jī)輸出軸擺動量測試，舵機(jī)輸出軸徑向擺動偏移量明顯減少，數(shù)據(jù)見表2。

表2 新舵機(jī)輸出軸擺動量數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

舵機(jī)輸出軸徑向間隙出現(xiàn)較大的原因是由于舵機(jī)輸出軸支撐方式不合理引起，通過采取雙軸承支撐懸臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以保證舵機(jī)輸出軸擺動量控制在0.2°以內(nèi)，為飛行器的飛行提供了安全保證。

[1]王暄，曹輝，馬永華.電機(jī)拖動及其控制技術(shù)[M].中國電力出版社，2010.

[2]周娟.中小型電機(jī)設(shè)計手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1991.7.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.1.

>>>作者簡介

蔣海超，男，1974年7月出生，1997年畢業(yè)于南昌航空工業(yè)學(xué)院，高級工程師，現(xiàn)從事導(dǎo)彈系統(tǒng)總體設(shè)計工作。

Analysis and Design Improvement of Output Shaft Radial Oscillation on Certain Actuator

Jiang Haichao,Huang Zilu
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

Based on different radial oscillations of output shaft on certain actuator,the paper presents cause analysis from five aspects.decelerator abrasion,decelerator assembly,bearing type selection design,decelerator front cover design and output shaft support.It further depicts design improvement on output shaft support mode.Through experiment,it's proved that the improvement can fix problem of big radial oscillation of output shaft on actuator effectively.

electric actuator;output shaft;radial oscillation

2016-04-21）