雙搖臂舵傳動機構設計與仿真

賈磊

摘 要：舵傳動機構是傳遞伺服作動器推力、操縱飛行器活動舵面偏轉的重要裝置。文章提出一種雙搖臂舵傳動機構，以伺服作動器內置、傳動精度高、剛度高為目標，完成了機構構型方案與詳細設計，并通過動力學仿真與剛度分析驗證了方案的可行性與合理性。

關鍵詞：雙搖臂；傳動機構；舵面

中圖分類號：TH132 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0096-03

Abstract： Transmission mechanism is a kind of rudder drive transmission and rotation control mechanism for air vehicle. A double-rocker arm transmission mechanism was proposed in this paper. The advantages of this mechanism include good environment flexibility， high precision， and high stiffness. The feasibility and rationality of the design scheme was validated through dynamic analysis and stiffness analysis.

Keywords： double-rocker arm； transmission mechanism； rudder

引言

對于各類飛行器的飛行姿態控制，一般會通過操縱多個活動舵面偏轉來實現。傳動機構就是傳遞伺服作動器的作用力以操縱活動舵面進行偏轉的重要裝置，其主要功能是將伺服系統輸出的直線運動準確轉化為舵面的轉動運動[1]。目前，對于活動舵面的驅動多采用電機直驅或單搖臂機構驅動的形式。電機直驅方式為電機轉子直接與舵軸固連，通過電機的轉動帶動舵面偏轉；單搖臂機構驅動形式為直線伺服作動器推動固連在舵軸上的搖臂進行偏擺，帶動舵面進行偏轉。

但是，上述兩種驅動方式對于轉軸外置于飛行器艙體外部的活動舵面均有較大的局限性。由于舵軸外置于艙體外部，采用電機直驅一方面沒有布局空間，另一方面電機外露于艙外惡劣的高低溫環境，嚴重影響電機性能，增加驅動裝置損壞的風險。采用單搖臂機構驅動形式，也將造成直線伺服作動器的作動桿外露于艙外惡劣的高低溫環境，增加伺服作動器損壞的風險，可靠性降低。

為了避免機構驅動部件外露于外部惡劣環境，保證伺服作動器的正常工作，本文提出一種適用于飛行器活動舵面的伺服作動器內置的雙搖臂傳動機構方案，完成了機構動力學與剛度仿真分析驗證，為提高飛行器舵面操縱可靠性奠定基礎。

1 方案設計

雙搖臂傳動機構采用四連桿機構與曲柄滑塊機構相串聯的整體構型。整套機構由伺服作動器、搖臂、輔助搖臂、連桿、舵軸支座、輔助搖臂座、作動器支座等組成，如圖1所示。其中，伺服作動器、搖臂、輔助搖臂、輔助搖臂座、作動器支座均布置于飛行器艙內，搖臂、舵面及其舵軸支座布置于飛行器艙外，連桿通過艙壁操作孔在艙內、艙外之間運動。

雙搖臂傳動機構的整個工作原理如下：伺服作動器通過控制自身作動桿的伸縮，帶動輔助搖臂繞其固定軸旋轉，帶動連桿在二維平面內擺動，連桿拉動舵面繞軸旋轉，從而實現舵面的偏轉。

特別地，為了保證機構的傳動精度與整體剛度，機構采用自消隙鉸鏈連接結構，通過軸向定位襯套、游動套筒、鉸鏈螺栓實現鉸鏈軸向的自消隙，防止傳動部件的軸向竄動，如圖2所示。

本文所述的雙搖臂傳動機構具有以下特點：

（1）伺服作動器內置，可靠性高。該機構的伺服作動器置于飛行器艙內，有效改善伺服作動器的工作環境，降低了伺服作動器環境防護要求。

（2）機構運動包絡小，布局更便捷。由于采用了四連桿機構與曲柄滑塊機構相串聯的整體構型，伺服作動器不直接操縱舵面，因此伺服作動器的運動空間可大幅降低，整套機構的運動包絡可實現扁平化，易于布局。

（3）鉸鏈結構自消隙，傳動精度、剛度高。采用軸向自消隙的鉸鏈連接結構，防止傳動零件間的相對軸向竄動，提高了系統傳動精度與連接剛度。

（4）裝配便捷，卡滯風險低。各傳動鉸鏈均安裝有向心關節軸承，提高了傳動環節的調心能力，降低了裝配難度，運動卡滯風險低。

2 仿真分析

舵偏角直接影響飛行器所受的氣動力，從而控制飛行器的飛行姿態，是舵傳動機構的直接控制目標[2]。因此在傳動機構設計中，飛行器對舵面的偏轉角范圍、最大負載力矩、機構剛度均會提出明確的要求，以保證機構性能滿足控制要求。為此，本文對機構的運動受力過程、傳動剛度進行相應仿真分析，分析伺服作動器行程、驅動裕度、機構整體剛度是否滿足設計要求。

本文以舵面偏轉角范圍要求±25°、最大負載力矩要求1232Nm、機構剛度要求≥1×107N/mm的案例為例，對雙搖臂舵傳動機構分別進行動力學分析、剛度分析，驗證方案的合理性。

2.1 動力學分析

設舵面最大負載力矩為T，雙搖臂機構受力簡圖如圖3所示。在不考慮角加速度的前提下，機構受力可簡化為：舵面的負載力矩通過搖臂傳遞給連桿，連桿與伺服作動器對輔助搖臂的作用力繞其轉軸達到力矩平衡。

為了模擬雙搖臂傳動機構的復雜受力變化過程，本文基于ADAMS構建雙搖臂傳動機構的動力學模型，得到仿真分析結果如圖4所示。

由仿真結果可知，當舵面由-25°向+25°偏轉過程中，在承受恒定負載力矩1232Nm的情況下，伺服作動器推力呈先減小后增大的變化趨勢，其中在舵偏-8°時，伺服作動器推力最小為11250N，在舵偏25°時，伺服作動器推力最大為15500N。當舵面由-25°向+25°偏轉過程中，伺服作動器行程由收縮46mm至伸長40mm（相對于零位長度）。說明了在雙搖臂傳動機構工作過程中，伺服作動器最大輸出推力必須達到15500N以上、最大工作行程必須達到96mm以上才能滿足舵面偏轉控制要求。

按照上述計算分析結果，本文選用最大輸出推力25000N、最大工作行程120mm的伺服作動器，分別為實際需求的1.61倍、1.25倍，作動器推力、行程均具有一定的裕度，滿足設計要求。

2.2 剛度分析

對于雙搖臂傳動機構的傳動剛度分析，首先構建整套機構的有限元模型。其中，由于不考慮舵面本身剛度，搖臂與舵軸座之間構建剛性梁，舵軸支座、輔助搖臂座、作動器支座采用剛性連接（6個自由度全約束），在輔助搖臂與輔助搖臂座、連桿與輔助搖臂、連桿與搖臂之間均建立MPC RJIONT（放開鉸鏈轉動自由度）連接。然后在作動器支座、