航空驱动机构轻量化设计与仿真分析

　　摘要：合理、轻量化的航空驱动机构设计可以在很大程度上提高航空驱动机构行程角度控制的准确性、耐久性、扭矩/质量比及电磁兼容性，降低输出轴晃动间隙。针对目前国内现有飞机着陆灯用航空驱动机构，提出一种轻量化航空驱动机构的设计方案，该方案采用无刷直流电动机驱动，通过行星齿轮、平行轴直齿轮、蜗杆副等组合形式减速，利用高精度非接触角位移传感器反馈位置信号。建立三维数学模型对行星齿轮等传动件进行动力学仿真分析，对壳体、齿轮盖等结构件有限元仿真计算。结果表明：轻量化航空驱动机构设计方案可实现轻量化、大扭矩/质量比等相关技术指标要求;驱动机构关键传动件与结构件的设计参数及强度满足要求，确定设计方案合理可行。

　　关键词：驱动机构;结构设计;有限元仿真;行星齿轮;蜗杆;角位移传感器

　　0引言航空驱动机构是驱动机构的一种，作为飞机电动部件的核心部件，主要由电机、减速器、轴系以及角位移传感器等主要零部件组成，通过一体化结构优化设计完成[1]。随着航空驱动机构技术的快速发展，航空驱动机构也在快速发展，技术也在不断革新，逐步被应用于飞机的不同部位，例如飞机驾驶员电动座椅[2-4]、飞机襟翼[5-6]、飞机舱门[7]、飞机着陆灯[8-9]等部位。

　　航空论文范例：航空发动机敏感件的控制方法研究

　　在微型航空驱动机构领域，包括美国的MOOG公司、瑞士的RUAG公司等在内的国外公司都有成型的产品。其中MOOG公司的Type2型旋转驱动器，质量为1.3kg，未谈及使用高精度非接触式角度传感器，最大输出转矩为20N·m[10]，存在不能进行精准的行程角度控制问题，扭矩/质量比为15.38N·m/kg。RUAG公司的SARA21型旋转驱动器，质量为1.8kg，输出转矩为45N·m[11]，扭矩/质量比为25N·m/kg。航空领域为了提高航空飞行器的承载能力，尽可能降低航空驱动机构的体积质量，提高行程角度控制精准性、扭矩/质量比，轻量化驱动机构研发日益成为一个重要的研究课题。国内的微型航空驱动机构动力源多使用直流有刷电机。直流有刷电机存在很多缺点，比如更换配件麻烦、配件使用寿命短、发热率高、换向火花大、损耗严重、电磁干扰严重等[12-13]。相较于直流电机，无刷电机具有很多优点：体积小、灵敏度高、转矩大、功率密度高、可靠性高等，现已在军工领域逐步替代直流有刷电机[14]。

　　国内传统航空驱动机构行程角度控制多采用微动开关限位，比较小的KW5C-0Z-1微动开关，动作行程最大为0.51mm[15]，配合弹簧片后使用，弹簧片动作行程最大可达到3～4mm，对于直径为30mm的轴，最大可旋转15.3°，同样存在行程角度控制不精准问题;选用高精度角位移传感器，旋转角度误差最大不超过0.1°，其体积与两个微动开关体积相当，精度高、非接触式、寿命高，可实现高精度反馈角度进行控制。

　　由于小模数齿轮在航空领域应用研究较少，同行业厂家多依据标准，采用个人编辑EXCEL计算软件，计算齿轮强度，无法对传动件进行修形、变位系数等参数进行优化完善。基于上述行程角度控制不精准问题及大扭矩/质量比需求，本文提出一种轻量化航空驱动机构并进行参数优化设计，对其行星齿轮、直齿轮、蜗杆副等进行KISSsoft分析、优化、参数完善以及KISSsoft的强度计算[16]，对结构件利用UG10.0的“FEM和仿真”功能模块进行ANALYSIS高级仿真分析，同时使用高精度角位移传感器反馈输出轴角度位置信号。

　　1总体方案

　　微型航空驱动机构设计考虑到在紧凑的空间结构内获得较大的输出转矩和较高的角位置输出精度，整机质量小于0.7kg(实物660g)的情况下，输出转矩大于20N·m。在航空驱动机构设计方案的选择中，优先选用以下设计方案：(1)微型直流无刷电动机作为动力源;(2)减速器选用行星齿轮、平行轴直齿轮、蜗杆副等5级组合减速;(3)采用非接触式角位移传感器高精度采集角度位置信号并反馈上传;(4)采用软件伺服控制电路，补偿晃动间隙。该方案具有如下特点：(1)结构布局紧凑，转矩/质量比大;(2)采用自锁蜗轮蜗杆参数传动，可实现断电自锁;(3)采用14bit数字式高精度角位移传感器，角度分辨率高，可大大提高角度位置反馈精度;(4)传动平稳，电流波动小。

　　2轻量化传动方案

　　2.1优选传动方案

　　为实现小体积、轻量化目标，需进行驱动机构结构及传动顺序研究。根据驱动机构总体方案，针对不同传动顺序方案分别研究其优缺点，并进行对比。在满足可传递需要扭矩条件下，优先选用方案一传动顺序方案，既可以实现传递所需扭矩负载，又可以实现轻量化目标。

　　位置反馈单元所选用传感器分辨率为14bit的数字式360°无止档非接触式角位移传感器，放置于扇形输出直齿轮所在轴端，扇形输出齿轮转动角度与角位移传感器输的输出轴转动角度相同，同轴转动。通过控制系统采集角度传感器位置信号，确定输出扇形齿轮角度位置，角度位置误差不大于0.1°。为减轻航空驱动机构整体质量，关键承力结构件，如壳体、齿轮盖等采用2A14铝合金材料，重量较轻;蜗轮传动件按照行业标准选用ZCuSn10Pb1锡青铜，蜗杆、齿轮选用40CrA合金结构钢。经过三维建模计算可以得到整机质量为660g。基于上述结构方案设计，可以得到输出力矩大、体积小、质量轻、输出稳定的航空驱动机构。该驱动机构的技术指标能够满足一般飞机驾驶员弹射座椅、飞机襟翼、飞机排气舱门、飞机发动机燃油系统/排气系统、飞机着陆灯等部位驱动机构的技术需求。

　　3传动件KISSsoft分析

　　3.1行星齿轮KISSsoft分析

　　本文驱动机构两级行星减速参数相同，材料相同，第二级载荷相对较大，因此只对第二级行星齿轮减速进行KISSsoft分析，分别齿轮齿根承载能力、齿面安全系数、胶合承载能力。鉴于KISSsoft分析计算过程较多，篇幅较长，因此将行星齿轮KISSsoft分析计算结果引用至本文。

　　3.2平行轴直齿轮KISSsoft分析根据两级平行轴直齿轮齿数、模数、压力角、变位系数、材料、扭矩、转速等相关参数，分别对一级直齿轮副、二级直齿轮副进行KISSsoft分析，计算齿根承载能力、齿面安全系数、胶合承载能力。同3.1条，将平行轴直齿轮KISSsoft分析计算结果引用至本文。二级平行轴直齿轮转速较低，不大于3r/min，未进行KISSsoft胶合分析。

　　3.3蜗杆副KISSsoft分析

　　根据蜗杆副齿数、模数、压力角、变位系数、材料、扭矩、转速、硬度等相关参数，对蜗杆副进行KISSsoft分析，计算磨损承载能力、点蚀承载能力、挠度安全系数、齿根承载能力、温度安全系数、使用寿命及损伤等。同3.1条，将蜗杆副KISSsoft分析计算结果引用至本文。

　　4结构件强度校核分析

　　4.1壳体有限元分析壳体作为整个驱动机构结构承力件，主要承受输出直齿轮副之间的啮合力、蜗杆副轴向力、蜗杆副轴向紧固螺钉预紧力。针对三种情况，划分网格后分别进行ANALYSIS有限元分析，划分网格45137个单元，网格大小0.5mm。根据驱动机构使用工况、结构特点、工作原理以及受力分析计算结果对壳体设定边界条件(约束与载荷)。

　　5结论

　　(1)经优化设计的微型航空驱动机构可实现相关技术要求，输出力矩满足使用要求，具有任意位置锁定功能，具有体积小、重量轻、结构紧凑、扭矩/质量比大等优点，扭矩/质量比大于30N•m/kg。(2)驱动机构关键部件如行星齿轮减速、蜗轮蜗杆、平行轴直齿轮、壳体、齿轮盖等强度及参数优化后满足要求。(3)该种航空驱动机构可用于飞机着陆照明灯、飞机启动排气系统、飞机襟翼动作、飞机燃油系统、除冰系统、驾驶员电动调节座椅等所有电驱动位移部件。

　　参考文献：

　　[1]于春旭，李睿，国锋.一种微型空间驱动机构设计及力学仿真验证[J].空间控制技术与应用，2016，42(6)：11-15.YUChunxu，LIRui，GUOFeng.Designandmechanicalsimulationofamicrospatialdrivingmechanism[J].SpaceControlTechnologyandApplication，2016，42(6)：11-15.(inChinese)

　　[2]陈晓峰，宫伟.飞机电动座椅水平调节装置.中国，CN103359287B[P].2016-06-01.CHENXiaoFeng，GONGWei.Electrichorizontalseatad⁃justingdeviceforaircraft.China，CN103359287B[P].2016-06-01.(inChinese)

　　[3]宫伟.飞机电动座椅调节装置.中国，CN103359286B[P].2015-10-28GONGWei.Aircraftelectricseatadjustmentdevice.China，CN103359286B[P].2015-10-28.(inChinese)

　　[4]黄国权，宫伟.一种用于调节航空座椅升降的装置.中国，CN103359288B[P].2015-12-02.HUANGGuoquan，GongWei.Amethodforregulatingsirseatliftingdevice.China，CN103359288B[P].2015-12-02.(inChinese)

　　作者：宫伟，朱锦超，栾兰