一種行星輪系欠約束驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

胡建波 譚慶 信義兵 彭建華 李海軍 唐茂華

1、湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2、武漢高德紅外股份有限公司

某空間抓捕機(jī)構(gòu)是用于抓捕空間故障衛(wèi)星的執(zhí)行裝置，其捕獲爪有3 個(gè)，為可靠抓取姿態(tài)微偏目標(biāo)，三個(gè)捕獲爪需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置。減少驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量，這對(duì)質(zhì)量和可靠性非常敏感的空間飛行體來說意義重大。為此，提出了使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，采用合適的傳遞機(jī)構(gòu)，將該輸出轉(zhuǎn)換為相對(duì)獨(dú)立的三個(gè)輸出的需求。

現(xiàn)有的欠約束驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有連桿欠驅(qū)動(dòng)手爪、萬(wàn)向節(jié)型欠驅(qū)動(dòng)柔性臂等[1-5]。這些機(jī)構(gòu)能較好地完成小角度范圍內(nèi)的姿態(tài)自適應(yīng)，但不能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。為此，本文提出了一種基于行星輪系傳動(dòng)特性的欠約束驅(qū)動(dòng)裝置。

1 工作原理

圖1 欠驅(qū)動(dòng)裝置原理圖

采用行星減速器以既可沿中心公轉(zhuǎn)，又可以沿自身安裝軸旋轉(zhuǎn)的行星輪為輸入條件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)中心太陽(yáng)輪和外周內(nèi)齒圈自由度不確定的原理，設(shè)計(jì)了兩級(jí)行星輪變速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸入條件下，產(chǎn)生三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的輸出。采用在三個(gè)輸出齒輪的外側(cè)嚙合兩組依靠電磁鐵驅(qū)動(dòng)的離合器的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)輸出齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)和相對(duì)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的切換。

2 特定工況傳動(dòng)比計(jì)算

（1）僅輸出大齒輪1 輸出，輸出大齒輪2、3 鎖定時(shí)輸出大齒輪1 的轉(zhuǎn)速計(jì)算：若輸入齒輪的轉(zhuǎn)速為n1，則初動(dòng)大齒輪的轉(zhuǎn)速：

輸出大齒輪2、輸出大齒輪3 對(duì)應(yīng)的抱合機(jī)構(gòu)完成鎖緊動(dòng)作后，輸出大齒2、輸出大齒輪3 處于如下圖所示的鎖定狀態(tài)，此時(shí)一級(jí)外齒輪的轉(zhuǎn)速為：

則，輸出大齒輪1 和二級(jí)外齒輪的轉(zhuǎn)速為：

（2）僅輸出大齒輪2 輸出，輸出大齒輪1、3 鎖定時(shí)輸出大齒輪1 的轉(zhuǎn)速計(jì)算

若輸入齒輪的轉(zhuǎn)速為n_1，則初動(dòng)大齒輪的轉(zhuǎn)速

輸出大齒輪2、輸出大齒輪3 對(duì)應(yīng)的抱合機(jī)構(gòu)完成鎖緊動(dòng)作后，輸出大齒輪2、輸出大齒輪3 處于鎖定狀態(tài)，此時(shí)一級(jí)外齒輪的轉(zhuǎn)速為：

則，輸出大齒輪1 和二級(jí)太陽(yáng)的轉(zhuǎn)速為：

（3）僅輸出大齒輪3 輸出，輸出大齒輪1、2 鎖定時(shí)輸出大齒輪1 的轉(zhuǎn)速計(jì)算

若輸入齒輪的轉(zhuǎn)速為n1，則初動(dòng)大齒輪的轉(zhuǎn)速

輸出大齒輪1、輸出大齒輪2 對(duì)應(yīng)的抱合機(jī)構(gòu)完成鎖緊動(dòng)作后，輸出大齒輪1、輸出大齒輪2 處于如下圖所示的鎖定狀態(tài)，此時(shí)一級(jí)太陽(yáng)輪和輸出大齒輪3 的轉(zhuǎn)速為：

（4）輸出大齒輪1、2、3 同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)速：

若輸入齒輪的轉(zhuǎn)速為n_1，當(dāng)離合器1、2 的離合撥桿均將離合器的兩個(gè)嚙合齒輪嚙合后，驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，輸出大齒輪1、2、3 具有相同的輸出轉(zhuǎn)速：

綜上所述，欠驅(qū)動(dòng)裝置所具有的四種確定的輸出方式的傳動(dòng)比如下表，顯然，neve＜n3max＜n1max＜n2max。

3 仿真分析

為了模擬出欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的所有特性，仿真共設(shè)置了7 種工況，工況清單如下表：

表2 工況清單

電機(jī)位置轉(zhuǎn)速輸入和同步離合器位置輸入特性如下圖。在0- 1S，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間，消除建模時(shí)齒輪配合的干涉與間隙，使機(jī)構(gòu)正常順暢運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為輸出同步狀態(tài)。2- 3S時(shí)，同步離合器由同步狀態(tài)切換為欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，同步離合器行程為17mm。3- 10S，電機(jī)驅(qū)動(dòng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)旋轉(zhuǎn)，并在10S 時(shí)停止。10- 11S 時(shí)，同步離合器由欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)切換為同步狀態(tài)。11- 15S，電機(jī)驅(qū)動(dòng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以同步狀態(tài)旋轉(zhuǎn)。為方便衡量，電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速統(tǒng)一為100 轉(zhuǎn)/ 分。

在工況2- 工況7 中，由于有輸出鎖定，不能運(yùn)行在同步狀態(tài)，故只仿前10S 的輸入數(shù)據(jù)。且輸出鎖定在1S 時(shí)間點(diǎn)時(shí)行。

根據(jù)仿真結(jié)果，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。其詳細(xì)曲線分析如下：

工況1：輸出A、B、C 均不鎖定

輸出A、B、C 均不鎖定工況下主要考察欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在同步和非同步狀態(tài)下的輸出特性，以及同步離合器插銷阻力和運(yùn)動(dòng)特性。

工況1 下3- 10S，由于離合器為欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，輸出因?yàn)槟Σ磷枇Φ鹊牟煌D(zhuǎn)速也出現(xiàn)了差異。10- 11S 時(shí)，由于離合器切換為同步，轉(zhuǎn)速有一定來回跳動(dòng)。11- 15S 時(shí)，由于離合器為同步狀態(tài)，輸出A、B、C 轉(zhuǎn)速一致。

工況2 下，輸出A 鎖定，輸出B、C 為欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)?？梢娸敵鯝 鎖定后，輸出B、C 轉(zhuǎn)速比較接近但有一定差別。輸出B、C 轉(zhuǎn)速為1500°/S（約250 轉(zhuǎn)/ 分）。

工況3 下，輸出B 鎖定，輸出A、C 為欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。可見輸出轉(zhuǎn)速A 高于轉(zhuǎn)速C，且A、C 兩處均可進(jìn)行輸出。電機(jī)穩(wěn)定后輸出A 的轉(zhuǎn)速約為215.3 轉(zhuǎn)/ 分，并持續(xù)上升至240.5 轉(zhuǎn)/ 分。電機(jī)穩(wěn)定后輸出C 的轉(zhuǎn)速約為150.3 轉(zhuǎn)/ 分，并持續(xù)下降至106.9 轉(zhuǎn)/分。

工況4 下，輸出C 鎖定，輸出A、B 為欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)?？梢娸敵鲛D(zhuǎn)速A 高于轉(zhuǎn)速B，且A、B 兩處均可進(jìn)行輸出。電機(jī)穩(wěn)定后輸出A 的轉(zhuǎn)速約為206.5 轉(zhuǎn)/ 分，并持續(xù)上升至232.6 轉(zhuǎn)/ 分。電機(jī)穩(wěn)定后輸出B 的轉(zhuǎn)速約為140.1 轉(zhuǎn)/ 分，并持續(xù)下降至104.9 轉(zhuǎn)/分。

工況5 下，輸出A、B 鎖定，僅有C 輸出?？梢娸敵鯝、B 鎖定后，輸出C 處可正常輸出。電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，輸出C 的轉(zhuǎn)速約為530 轉(zhuǎn)/ 分。

工況6 下，輸出A、C 鎖定，僅有B 輸出?？梢娸敵鯝、C 鎖定后，輸出B 處可正常輸出。電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，輸出B 的轉(zhuǎn)速約為458.3 轉(zhuǎn)/ 分。

工況7 下，輸出B、C 鎖定，僅有A 輸出。可見輸出B、C 鎖定后，輸出A 處可正常輸出。電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，輸出B 的轉(zhuǎn)速約為301.6 轉(zhuǎn)/ 分。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了以一種兩級(jí)行星輪系為基礎(chǔ)的三輸出欠約束驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)4 種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定的情況下出入輸出的傳動(dòng)比進(jìn)行了理論推導(dǎo)和計(jì)算，并對(duì)7 種不同工況載荷下欠約束裝置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算和仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的欠約束機(jī)構(gòu)能滿足功能，具備進(jìn)一步工程化的條件。