某電動機構自鎖性及結構強度校核計算

李永鋒 寇鵬飛 穆菲菲 寇學鋒

（陜西寶成航空儀表有限責任公司，陜西 寶雞721000）

1 概述

1.1 功能

該電動機構配套于某兩棲輕型飛機，操縱方向舵調整片的偏轉，并將偏轉角通過電位器反饋給駕駛員，從而控制飛機航向。

1.2 結構組成及工作原理

電動機構結構組成如圖1，由基座體1、電機組件2、卡箍3、齒輪組件4、輸出齒輪5、傳動軸6、絲杠軸7、力矩螺母8、“瓦”形片彈簧9、鉸鏈軸10、傳動桿11、T 型滑塊12 等組成。其具有體積小、重量輕、響應速度快、位置反饋準確、環境適應性強，能夠在工作行程任意位置自鎖等特點，符合飛機的機動性要求。

圖1 電動機構結構組成及原理

工作原理：當駕駛員需要調整飛機航向時，給直流永磁電機施加正（負）控制電壓，使電機正（反）轉，并輸出一定的轉速和轉矩；通過六級減速器使輸出軸獲得要求的小速度和大轉矩，再通過輸出軸上的絲杠螺母機構及基座體上T 型滑塊導軌機構，將旋轉運動轉變成直線運動，最終以一定的速度和力度驅動方向舵調整片按要求的方向和角度偏轉，同時電位器將偏轉角信號反饋給駕駛員，當到達要求航向時，駕駛員將切斷電電機電源，此時電動機構自鎖功能即可保證飛行按要求航向飛行。

2 技術性能

電動機構主要技術參數見表1。

3 關鍵功能結構技術分析

3.1 自鎖功能結構技術分析

3.1.1 技術要求

電動機構在工作過程任意位置可實現自鎖（表1）。

表1 方向舵調整片電動機構主要技術參數

3.1.2 功能結構分析

在設計機械機構時，為使機構實現預期運動，應避免在所需運動方向上發生自鎖；相反有些機構的工作又需要其具有自鎖的特性，如該千斤頂。該電動機構的自鎖特性是通過螺旋輸出機構，即絲杠螺母（M6×0.75）來實現的。其自鎖特性具體是指只能有正向運動，即將絲杠的旋轉運動轉化為螺母的直線運動。

3.1.3 結構自鎖特性校核計算

a. 絲杠螺旋升角λ

式中：

L- 螺紋導程

d2- 螺紋中徑 取5.513

n- 螺紋頭數 取1

p- 螺距 取0.75

則螺旋升角

λ＝arctg（np/πd2）＝arctg（0.75/5.513π）=2.48°

b. 螺紋當量摩擦系數fv與當量摩擦角ρv

式中：

F- 鋼絲杠/青銅螺母摩擦系數，查表材料手冊：0.10～0.15

β- 螺紋牙形斜角30°

而當量摩擦角

式中：

f- 取最小值0.10

c.自鎖性判定

當量摩擦角與摩擦系數在給定區間(0.10～0.15) 單調性相同，故當摩擦系數取最小值0.10 時所計算出的當量摩擦角也是最小值，如果最小當量摩擦角都大于螺紋升角，則表明此螺旋機構自鎖性良好。

上述計算表明；最小當量摩擦角ρv（6.59°）明顯大于螺紋的螺旋升角λ（2.48°）。所以，此螺旋機構自鎖性良好。

3.2 螺旋輸出機構及電位計超量程保護機構技術分析

電位器工作行為10.35mm，全行程15 mm 。全行程為工作行程加上兩上螺母的寬度。設計電位計時其機械行程應大于全行程15 mm，但受空間尺寸及重量限制，故電位計加設超量程保護機構。

此超量保護機構就是對稱分布于螺桿兩端部分那一小段空刀光杠、擋圈、墊圈和串聯結構的“瓦”形片彈簧組。具體工作過程：電位計超量程時，螺旋輸出機構將螺母旋移出螺紋，并在輸出軸向力作用下使串聯結構的“瓦”形片彈簧組發生彈性變形，彈性變形量正好等于1 個螺母的寬度，于是螺母在空刀光杠就無沿軸向相對運動。那么螺母就不能推動與T 型滑塊固連的電刷，從而有效防止了電刷超量程發生變形，甚至折斷。當電機反轉時，串聯結構“瓦”形片彈簧組對螺母施以軸向預緊力，快速使螺母旋移到絲杠螺紋上進入正常工作狀態。

3.3 過載保護結構分析

當負載力大于螺旋輸出機構的輸出力時，負載力不可能反向推動螺母，使絲杠發生旋轉運動，這同樣是由螺旋輸出機構的自鎖特性來實現的。

4 結構強度校核計算

4.1 傳動桿拉伸強度和壓縮穩定性的校核計算

此值遠大于HB5836-1983 要求的7 倍工作負荷（額定負載55N）的靜強度極限負荷值385N。故傳動桿在拉伸狀態下是足夠安全的。

4.1.2 傳動桿壓縮穩定性分析與校核計算

細長桿件受壓，開始時軸線為直線，接著隨著力的逐漸增大，但仍小于某一極限值（臨界壓力Pcr）時，細長桿件一直保持直線形狀的平衡，即使有微小的側向干擾力使其暫時發生輕微彎曲，但干擾力解除后，仍可獲復直線狀態。當壓力超過臨界壓力Pcr時，細長桿受壓狀態下的直線平衡變得不穩定，轉變為曲線形狀的平衡。壓桿喪失其直線形狀的平穩而過渡為曲線平衡，稱為失穩或屈服。桿件失穩后，壓力的稍微增加將引起彎曲變形顯著增大，桿件已喪失了承載能力。

下面采用安全系數法對細長傳動桿受壓時的穩定性進行校核計算。

4.2 鉸鏈軸彎曲強度計算

圖2 鉸鏈軸工作受力分析圖

4.3 絲杠螺母螺紋強度校核計算

螺紋牙多發生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于絲杠（螺桿），故只需校核螺母的螺紋牙的強度。

圖3 螺母螺紋圈的受力

5 結論

通過上述對電動機構自鎖性和結構件薄弱環節或危險剖面進行拉伸（壓縮）、彎曲、剪切、扭轉，穩定性等單一性強度校核或復合性強度校核，表明在120N 最大工作載荷或55N 額定工作載荷下，電動機構在工作行程任意位置可實現自鎖，且工作穩定、安全、可靠的。