含間隙鉸鏈空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

宋春雨　陳譽(yù)仁　徐方舟

摘? 要：以經(jīng)典空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，基于多體動(dòng)力學(xué)軟件Adams建立含間隙鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)不同位置間隙鉸鏈及不同數(shù)量間隙鉸鏈開展傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析，為含間隙鉸鏈空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)方案優(yōu)化及控制策略設(shè)計(jì)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：傳動(dòng)機(jī)構(gòu);間隙鉸鏈;動(dòng)力學(xué)仿真

中圖分類號(hào)：TH113.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0015-03

Abstract： Taking the classical air rudder transmission mechanism as the research object， the dynamic model of the hinge transmission mechanism with clearance is established based on the multi-body dynamics software Adams， and the dynamic characteristics of the transmission mechanism are analyzed according to the different position clearance hinges and different number of clearance hinges， which provides theoretical reference for the scheme optimization and control strategy design of the air rudder transmission mechanism with clearance hinges.

Keywords： transmission mechanism; clearance hinge; dynamic simulation

1 概述

空氣舵系統(tǒng)作為飛行器姿控系統(tǒng)的重要組成部分，用于調(diào)整和穩(wěn)定飛行器姿態(tài);而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是空氣舵系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)部分，其主要功能是將伺服作動(dòng)器的直線（或旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為空氣舵的偏擺運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)部件，要保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，運(yùn)動(dòng)部位間隙的存在不可避免，同時(shí)由于加工誤差的存在也會(huì)導(dǎo)致間隙的存在。間隙的存在又必然影響著機(jī)構(gòu)系統(tǒng)靈敏性，降低傳動(dòng)精度，使系統(tǒng)相位滯后，尤其在空氣舵高頻運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中含間隙鉸鏈的軸孔間存在劇烈的碰撞與沖擊，產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，導(dǎo)致空氣舵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)下降，也會(huì)加劇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損與破壞[1-3]。

隨著飛行器性能的不斷提升，對(duì)舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的要求越來越苛刻，高承載、高剛度及高傳動(dòng)精度是其必備要求，間隙的存在破壞了理想機(jī)構(gòu)模型，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)與理想運(yùn)動(dòng)間存在誤差，為追求高品質(zhì)空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)性能，開展含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析十分必要。本文以某飛行器空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，以多體動(dòng)力學(xué)軟件Adams為平臺(tái)建立動(dòng)力學(xué)模型，開展含間隙狀態(tài)下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案優(yōu)化及控制策略提供理論參考。

2 空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)組成

某空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)為經(jīng)典的曲柄搖桿式構(gòu)型，主要有直線伺服作動(dòng)器、搖臂、鉸鏈銷軸、舵軸及支座組成，其簡化模型如圖1所示。搖臂與舵軸固連為一體，舵軸通過軸承安裝于飛行器結(jié)構(gòu)上，伺服作動(dòng)器通過鉸鏈銷軸分別與搖臂、飛行器結(jié)構(gòu)連接，當(dāng)伺服作動(dòng)器接收到運(yùn)動(dòng)指定，作動(dòng)桿輸出線位移帶動(dòng)搖臂及舵面繞軸線偏擺。

3 含間隙機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特性分析

3.1 仿真分析模型

在多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/View中建立某空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)簡化分析模型[4]，搖臂與舵軸固連并與機(jī)架鉸接，鉸鏈A、B處分別設(shè)置接觸力約束，分析模型如圖2所示。

為分析在不同位置處含間隙鉸鏈及有不同數(shù)量含間隙鉸鏈時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)置4種分析狀態(tài)，如表1所示，仿真參數(shù)如表2所示。

3.2 仿真分析

在表2所示仿真參數(shù)條件下完成表1中4種狀態(tài)空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真。

鉸鏈A、B處分別單獨(dú)設(shè)置間隙鉸鏈時(shí)與理想零間隙狀態(tài)時(shí)，各舵軸偏轉(zhuǎn)角度如圖3、圖4所示，含間隙鉸鏈時(shí)舵軸偏轉(zhuǎn)角度與理想角度偏差如圖5所示。從仿真結(jié)果來看鉸鏈A、B處單獨(dú)含間隙時(shí)與理想零間隙時(shí)舵軸運(yùn)動(dòng)趨勢一致且?guī)捉睾希孑S偏轉(zhuǎn)角度仍存在一定誤差，說明在單鉸鏈間隙為0.1mm時(shí)對(duì)舵軸偏轉(zhuǎn)角度的影響較小;對(duì)比在不同鉸鏈處設(shè)置間隙時(shí)舵軸的偏轉(zhuǎn)角度，雖然鉸鏈間隙值一樣但兩者所產(chǎn)生的角度誤差不一樣。

當(dāng)鉸鏈A、B處均含間隙時(shí)，與理想零間隙狀態(tài)相比，舵軸偏轉(zhuǎn)角度誤差如圖6所示。兩處鉸鏈均存在間隙時(shí)，舵軸偏轉(zhuǎn)角度較單個(gè)鉸鏈存在間隙時(shí)誤差更大，但并非兩個(gè)單獨(dú)間隙鉸鏈運(yùn)動(dòng)誤差的簡單線性疊加，呈現(xiàn)非線性耦合狀態(tài);且無論是存在單個(gè)還是多個(gè)間隙鉸鏈，在運(yùn)動(dòng)初始時(shí)刻誤差均有一個(gè)大的跳躍，這是因?yàn)殚g隙的存在使舵軸運(yùn)動(dòng)存在一定滯后。

對(duì)鉸鏈A、B處均含間隙時(shí)舵軸運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行分析，速度曲線如圖7所示，相較于間隙對(duì)偏轉(zhuǎn)角度的影響，間隙對(duì)速度的影響更直接、更明顯，間隙的存在使得鉸鏈處于振動(dòng)沖擊狀態(tài)，舵軸速度波動(dòng)幅值較大，呈脈沖式響應(yīng)。

4 結(jié)束語

以某飛行器空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，建立了動(dòng)力學(xué)模型，開展了含間隙狀態(tài)下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。當(dāng)舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)中存在間隙鉸鏈時(shí)，機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)滯后與誤差，且不同位置處間隙鉸鏈導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)誤差效果不一樣;當(dāng)機(jī)構(gòu)存在多處間隙鉸鏈時(shí)，運(yùn)動(dòng)誤差幅值增大，但并非單獨(dú)間隙鉸鏈運(yùn)動(dòng)誤差的簡單線性疊加，呈明顯的非線性耦合;相較于間隙對(duì)運(yùn)動(dòng)角度的影響，間隙對(duì)速度的影響更直接、更明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]何勇，李冬.含間隙的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，22（3）：50-54.

[2]聶青，宋磊，劉愛蓮，等.基于Adams的飛行器空氣舵?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)動(dòng)特性間隙敏感度分析[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2017（5）：58-61.

[3]李云濤.空氣舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析及實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017：1-3.

[4]李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].國防工業(yè)出版社，2014：67-93.