航空電動機構機械、電氣限位的匹配性設計

肖高忠

（航空工業貴陽萬江航空機電有限公司，貴州貴陽 550018）

0 引言

作為動力輸出源或動作執行單元的航空電動機構，具有可操控性好、響應快、智能化、體積小、重量輕、在飛機上布局方便等優點，隨著飛機向多電甚至全電方向的發展，其可替代傳統的氣動、液壓裝置等，在航空領域的應用越來越廣。

根據輸出運動的方式，電動機構分為直線運動和旋轉運動兩種類型，而后者又可依據其功能分為關斷類和調節類兩種類型。航空工業貴陽萬江航空機電有限公司研制的往復式旋轉運動電動機構，是需進行機械限位和電氣限位設計的機電一體化設備，多數情況下作為執行單元用于飛機環境控制系統、燃油系統、操縱系統。本文介紹航空旋轉類電動機構的結構特點、工作原理、主要構件的作用，重點介紹減速器裝置中機械、電氣限位裝置以及兩者之間的關系，根據電動機構的不同功用進行配機械、電氣限位匹配性設計，以保證電動機構的成功開發和減少機構故障，提高航空裝備的完好率、提升軍用飛機作戰效能。

1 航空旋轉類電動機構的結構和工作原理

1.1 電動機構的結構

電動機構主要由接插件、電機、減速器裝置三大部分組成（圖1）。其中，接插件主要是上位機給電動機構提供電源和控制信號的結構單元；電機作為電動機構的驅動源、一般采用28 V直流電源，大力矩的電動機構也可采用270 V 的高壓直流電源，根據輸出力矩大小和轉換時間以及壽命和控制精度要求可選擇它激式直流電機、永磁直流電機、直流永磁無刷電機或直流伺服電機；減速器裝置是電動機構的核心單元，由減速器殼體、傳動裝置（行星架、齒輪）、機械、電氣限位裝置、離合器裝置及輸出軸等組成，主要作用是通過減速放大力矩（圖2）。

1.2 工作原理

圖1 電動機構外部結構

圖2 減速器裝置內部結構

電動機構主要由電機、減速器裝置、離合器裝置、電氣限位裝置、機械限位裝置、輸出軸等組成。當電源接通時，電機轉動帶動減速器旋轉：關斷類電動機構減速器裝置中離合器裝置的限動件（與輸出軸為一體）帶動搖臂的按壓裝置按壓電氣限位裝置中的微動開關切斷電源，斷電后減速器的傳動裝置在慣性作用下帶動限動件與減速器殼體的機械限位凸臺接觸，最終實現機械限位，離合器脫開，產品停止工作；調節類電動機構在電動機構輸出軸到達機械限位后離合器脫開，減速器中傳動裝置中限動件（與輸出軸為分體式）繼續運動帶動搖臂的按壓裝置按壓電氣限位裝置中的微動開關實現電氣限位并斷電，產品停止工作。

2 機械限位和電氣限位裝置的結構、工作機理

機械限位和電氣限位裝置是電動機構的主要組成部分。旋轉類航空電動機構在航空領域一般作為控制類或關斷類的動力輸出執行單元，多為往復式工作制，旋轉角度一般為90°。往復式旋轉類電動機構機的機械限位裝置主要用來保證電動機構輸出軸可靠的輸出角度，主要由兩構件組成，分別為減速器殼體和限動件。電動機構最大可旋轉角度為限動件上凸臺在減速器殼體兩個凸臺之間的運動角度，機械限位角度的大小依據實際需求進行設計。

電氣限位裝置的作用是對電機的電源進行可靠地接通或切斷，是其核心控制單元，較機械限位裝置結構復雜、設計難度大。電氣限位裝置分兩部分，一部分是電氣限位機械轉換裝置，另一部分為電源的接通和斷開裝置。機械轉換與傳動裝置進行聯動，減速器的行星架轉動時帶動卡圈同步運動，旋轉到一定角度時撥動搖臂沿小軸旋轉。電源的接通和斷開構件主要由微動開關和按壓裝置組成，彈簧片鉚接在搖臂上構成按壓裝置，按壓裝置隨搖臂轉動按壓微動開關的按鈕完成電源的切斷或接通。

3 機械限位和電氣限位裝置設計影響因素及匹配性原則

3.1 設計影響因素識別

機械限位裝置主要根據電動機構輸出軸所需的旋轉角度進行設計，結構簡單，重點控制好減速器和限動件凸臺的設計和加工精度即可。電氣限位裝置結構相對復雜、構件較多，限位角度計算復雜且誤差較大，影響限位角度設計計算誤差的因素多，如卡圈的開口角度、搖臂的可旋轉角度、按壓裝置上彈簧片的彈性變形不可精確計算，微動開關的動作行程（開關按鈕自由狀態到開關內部關彈簧裝置完全脫開所運動的位移）的差異等都會影響限位角度的準確性。隨著設計手段的不斷進步，可采用三維動態仿真進行電氣限位角度的設計，模擬彈簧片在不同壓力下的變形量以及微動開關在不同動作行程下搖臂的可旋轉角度，再根據設計經驗進行修正。利用仿真得到的搖臂可旋轉角度再加上卡圈和搖臂間空的行程即為電動機構的電氣限位角度。

3.2 匹配性設計原則

機械限位和電氣限位有兩種匹配性設計，一種為先電氣限位再機械限位，即電氣限位角度小于機械限位角度，產品先切斷電源電機停止工作，依靠傳動裝置的慣性滑移最終實現機械限位，以保證輸出軸所要求的輸出角度；另一種為先機械限位再電氣限位，即機械限位角度小于電氣限位角度，電動機構輸出軸到達繼續限位后，輸出軸同離合器裝置脫開，傳動裝置機械旋轉帶動電氣限位按壓裝置按壓微動開關切斷電機電源，產品停止工作。具體選擇哪一種匹配設計，應依據電動機構所需實現的功能來確定：關斷類電動機構轉換時間較短，一般選擇先電氣限位再機械限位的匹配關系；而調節類電動機構轉換時間相對較長，一般選擇先機械限位再電氣限位的匹配關系。

先電氣限位再機械限位的電動機構工作原理是，電氣限位裝置切斷電源后電機停止工作，傳動裝置在慣性作用下帶動輸出軸繼續轉動至機械限位凸臺，輸出軸停止轉動，離合器脫開，傳動裝置繼續運動直至能量消耗完畢。此類電動機構轉換時間較短，輸出軸及傳動裝置運轉角速度大，轉動慣性大，慣性滑移量大（可達到30°以上）。如果電氣限位角度設計過小甚至電氣限位角度大于機械限位角度，因慣性滑移量大，傳動裝置對減速器殼體的機械限位凸臺產生巨大的慣性沖擊，對傳動裝置的運動構件和減速器殼體的限位凸臺產生機械損傷，影響產品使用壽命，嚴重時會導致產品功能喪失。

先機械限位再電氣限位的電動機構工作原理為，輸出軸到達機械限位后電機繼續工作，電動機構輸出軸同離合器脫開，傳動裝置繼續運動帶動電氣限位裝置中按壓裝置按壓微動開關切斷電源，電機停止工作。此類電動機構轉換時間相對較長，輸出軸及傳動裝置運轉角速度低、轉動慣性小，慣性滑移量相對較小，電機斷電后傳動裝置機械沖擊小，對傳動構件和減速器殼體機械損傷不大。同時作為調節類電動機構，產品接受上位機的指令隨時斷電和接通，輸出軸到達機械限位的概率較低。

3.3 匹配性設計的注意事項

采取先電氣限位再機械限位匹配關系設計的電動機構，如果兩者的角度匹配不好會帶來以下兩個問題：①角度差過大，如果慣性滑移量不夠，電動機構的輸出角度則達不到規定所需角度，影響控制精度；②如果設計角度相差太小，可能會因電氣限位角度計算的誤差導致產品的電氣限位角度大于機械限位角度，發生電動機構輸出軸到位后電機不斷電的故障現象。因此，在進行電動機構設計前，應借鑒以往的設計經驗和開展同類產品的慣性滑移量的摸底測試工作，在滿足電動機構輸出軸能到達機械限位位置的條件下，盡可能放大機械限位角度和電氣限位角度兩者的角度差。另外，在產品實現功能和機械限裝置位能得到有效保護的前提下，應盡可能選擇先機械限位再電氣限位的方案。

4 結束語

隨著我國綜合實力的不斷增強，航空工業勢必會得到蓬勃發展，軍用飛機朝著多電、全電飛機的發展已經成為必然，電動機構在航空領域的運用會越來越廣泛。往復式旋轉電動機構的機械限位、電氣限位設計匹配性設計非常重要，設計是否合理將直接影響電動機構的工作性能、工作可靠性及產品的質量。在電動機構的設計開發中，應依據其所需實現的功能合理選擇兩者之間的匹配關系。