航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與仿真分析

宮偉，朱錦超，欒蘭

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司上海航空電器有限公司，上海201101）

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)的不斷革新，航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也在快速發(fā)展，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。

在微型航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，包括美國(guó)的MOOG公司、瑞士的RUAG公司等在內(nèi)的國(guó)外公司都有成熟的產(chǎn)品。其中MOOG公司的Type2型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，質(zhì)量為1.3 kg，最大輸出轉(zhuǎn)矩為20 N·m［10］，扭矩/質(zhì)量比為15.38 N·m/kg，但該型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器未使用高精度非接觸式角度傳感器，無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)的行程角度控制。RUAG公司的SARA 21型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，質(zhì)量為1.8 kg，輸出轉(zhuǎn)矩為45 N·m［11］，扭矩/質(zhì)量比為25 N·m/kg。航空領(lǐng)域?yàn)榱颂岣吆娇诊w行器的承載能力，盡可能地降低航空驅(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)已成為一個(gè)重要的研究課題。

國(guó)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(wú)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(guó)內(nèi)傳統(tǒng)航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的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)，其動(dòng)作行程最大為0.51 mm［15］，配合彈簧片后使用，彈簧片動(dòng)作行程最大可達(dá)到3～4 mm，對(duì)于直徑為30 mm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)的體積相當(dāng)，精度高、非接觸式、壽命高，可實(shí)現(xiàn)高精度反饋角度的控制。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(wú)法對(duì)傳動(dòng)件進(jìn)行修形、亦不可對(duì)變位系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化完善。

基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，在整機(jī)質(zhì)量小于0.7 kg（實(shí)物660 g）的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩大于20 N·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(wú)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。

本文驅(qū)動(dòng)減速方案如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案Table 1 Transmission scheme of driving mechanism

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14 bit數(shù)字式高精度角位移傳感器，角度分辨率高，可大幅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，制定三種傳動(dòng)順序方案（如圖1所示），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，如表2所示。

圖1 傳動(dòng)順序方案圖Fig.1 Transmission sequence diagram

表2 傳動(dòng)方案對(duì)比Table 2 Comparison of trasmission schemes

從圖1和表2可以看出：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)。經(jīng)過結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化研究設(shè)計(jì)，方案一的輕量化驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案剖視圖如圖2所示。

圖2 航空驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.2 Sectional view of aviation driving mechanism

位置反饋單元選用傳感器分辨率為14 bit的數(shù)字式360°無(wú)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出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相同，為同軸轉(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2A 14鋁合金，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660 g。

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。

2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器為兩級(jí)行星減速傳動(dòng)、一級(jí)小模數(shù)齒輪傳動(dòng)、一級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)、一級(jí)大模數(shù)齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿導(dǎo)程角設(shè)計(jì)為3°16′，分配傳動(dòng)比后具體參數(shù)如表3所示。

表3 齒輪參數(shù)Table 3 Gear parameters

根據(jù)表3中齒輪參數(shù)可以計(jì)算出總傳動(dòng)比為

2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間不大于11 s的要求，將行程角度110°時(shí)間按9 s計(jì)算，確定直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n：

本文直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按n=6 000 r/min選取。

2.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)額定輸出力矩計(jì)算

根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)輸出扭矩T n、總傳動(dòng)比i及總傳動(dòng)效率η，計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際額定輸出力矩為

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出扭矩為21.62 N·m大于20 N·m，即輸出扭矩滿足技術(shù)要求。

2.5 斷電自鎖情況研究

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)制動(dòng)依靠蝸輪蝸桿自鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)，蝸輪蝸桿自鎖條件如下：導(dǎo)程角γ＜摩擦角ρ。

蝸輪蝸桿選定參數(shù)如下：Z 1=1，d 1=14 mm，γ=3°16′，n1=182.3 r/min，Z2=30。

齒面相對(duì)滑動(dòng)速度為

依據(jù)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版），vs=0.133 76 m/s時(shí)，嚙合摩擦角ρ＞5°43′，即γ=3°16′＜嚙合摩擦角ρ。

綜上所述，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)蝸桿副具有自鎖條件，可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。

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，行星減速結(jié)構(gòu)如圖3所示，因此只對(duì)第二級(jí)行星齒輪減速進(jìn)行KISSsoft分析，分別為齒輪齒根承載能力、齒面安全系數(shù)、膠合承載能力。

圖3 兩級(jí)行星減速結(jié)構(gòu)Fig.3 Two stage planetary reduction structure

鑒于KISSsoft分析計(jì)算過程較多，篇幅較長(zhǎng)，本文將行星齒輪KISSsoft分析前期過程省略，只給出計(jì)算結(jié)果，如表4～表6所示。

表4 行星齒輪齒根承載能力Table 4 Bearing capacity of planetary gear root

表5 行星齒輪齒面安全系數(shù)Table 5 Safety factor of planetary gear tooth surface

表6 行星齒輪膠合承載能力T able 6 Scuffing bearing capacity of planetary gear

從表4～表6可以看出：行星齒輪的齒根應(yīng)力安全系數(shù)、單接觸的接觸應(yīng)力安全系數(shù)、膠合安全系數(shù)均大于對(duì)應(yīng)目標(biāo)安全系數(shù)，因此行星齒輪給定參數(shù)滿足使用要求。

3.2 平行軸直齒輪KISSsoft分析

平行軸直齒輪結(jié)構(gòu)如圖4～圖5所示。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。平行軸直齒輪KISSsoft分析計(jì)算結(jié)果如表7～表11所示。二級(jí)平行軸直齒輪轉(zhuǎn)速較低，不大于3 r/min，未進(jìn)行KISSsoft膠合分析。

表11 二級(jí)平行軸直齒輪齒面安全系數(shù)Table 11 Tooth surface safety factor of secondary parallel shaft spur gear

圖4 一級(jí)平行軸直齒輪結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of first stage parallel shaft spur gear

圖5 平行軸輸出直齒輪結(jié)構(gòu)Fig.5 Parallel shaft output spur gear structure

表7 一級(jí)平行軸直齒輪齒根承載能力Table 7 Tooth root bearing capacity of first stage parallel shaft spur gear

表8 一級(jí)平行軸直齒輪齒面安全系數(shù)Table 8 Tooth surface safety factor of primary parallel shaft spur gear

表9 一級(jí)平行軸直齒輪膠合承載能力Table 9 Scuffing bearing capacity of primary parallel shaft spur gear

表10 二級(jí)平行軸直齒輪齒根承載能力Table 10 Tooth root bearing capacity of secondary parallel shaft spur gear

從表7～表11可以看出：兩級(jí)平行軸直齒輪齒根應(yīng)力安全系數(shù)、單接觸的接觸應(yīng)力安全系數(shù)、膠合安全系數(shù)均大于對(duì)應(yīng)目標(biāo)安全系數(shù)，因此兩級(jí)平行軸直齒輪副給定參數(shù)滿足使用要求。

3.3 蝸桿副KISSsoft分析

蝸桿副結(jié)構(gòu)如圖6所示。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。蝸桿副KISSsoft分析計(jì)算結(jié)果如表12～表16所示。

圖6 蝸桿副結(jié)構(gòu)Fig.6 Worm pair structure

表12 蝸桿副磨損承載能力Table 12 Wear bearing capacity of worm pair

表13 蝸桿副點(diǎn)蝕承載能力Table 13 Pitting bearing capacity of worm pair

表14 撓度安全系數(shù)Table 14 Deflection safety factor

表15 蝸桿副齒根承載能力Table 15 Bearing capacity of worm gear tooth root

表16 溫度安全系數(shù)Table 16 Temperature safety factor

從表2～表6可以看出：蝸桿副的使用壽命可達(dá)277 010.04 h，壽命期內(nèi)磨損量為0.047 mm，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)、使用壽命及損傷等安全系數(shù)均大于對(duì)應(yīng)目標(biāo)安全系數(shù)，因此蝸桿副給定參數(shù)滿足使用要求。

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45 137個(gè)單元，網(wǎng)格大小0.5 mm，有限元模型如圖7（a）所示。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），分析計(jì)算結(jié)果如圖7（b）～圖7（c）所示。

圖7 殼體有限元模型與分析結(jié)果分布圖Fig.7 Shell finite element model and distribution of analysis results

從圖7（b）～圖7（c）可以看出：三種力情況下等效應(yīng)力值最大為50.93 MPa，殼體選定材料為2A 14鋁合金，材料屈服強(qiáng)度值為340 MPa，故安全系數(shù)極高；三種力情況下最大變形量為0.009 3 mm，遠(yuǎn)小于殼體允許變形量0.02 mm。殼體的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，并有較大的安全裕度。

4.2 齒輪蓋有限元分析

齒輪蓋作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件，主要承受蝸桿軸向靜壓力。劃分網(wǎng)格進(jìn)行有限元分析，齒輪蓋有限元模型如圖8（a）所示。根據(jù)齒輪蓋使用工況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理以及受力計(jì)算結(jié)果對(duì)齒輪蓋設(shè)定邊界條件（約束與載荷），分析計(jì)算結(jié)果如圖8（b）～圖8（c）所示。

圖8 齒輪蓋有限元模型與分析結(jié)果分布圖Fig.8 Finite element model of gear cover and distribution of analysis results

從圖8（b）～圖8（c）可以看出：齒輪蓋等效應(yīng)力值基本為117.4 MPa，齒輪蓋選定材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，材料屈服強(qiáng)度值為865 MPa，故安全系數(shù)極高；齒輪蓋變形量為0.008 7 mm，小于允許變形量0.03 mm。齒輪蓋的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，并有較大的安全裕度。

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)可滿足相關(guān)技術(shù)要求，輸出力矩亦滿足使用要求，具有任意位置鎖定功能，且具有體積小、質(zhì)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30 N·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。