一種行星輪系欠約束驅動裝置設計計算

胡建波 譚慶 信義兵 彭建華 李海軍 唐茂華

1、湖南國防工業職業技術學院 2、武漢高德紅外股份有限公司

某空間抓捕機構是用于抓捕空間故障衛星的執行裝置，其捕獲爪有3 個，為可靠抓取姿態微偏目標，三個捕獲爪需要獨立的驅動裝置。減少驅動裝置數量，這對質量和可靠性非常敏感的空間飛行體來說意義重大。為此，提出了使用一個驅動裝置，采用合適的傳遞機構，將該輸出轉換為相對獨立的三個輸出的需求。

現有的欠約束驅動機構有連桿欠驅動手爪、萬向節型欠驅動柔性臂等[1-5]。這些機構能較好地完成小角度范圍內的姿態自適應，但不能連續轉動以實現自適應。為此，本文提出了一種基于行星輪系傳動特性的欠約束驅動裝置。

1 工作原理

圖1 欠驅動裝置原理圖

采用行星減速器以既可沿中心公轉，又可以沿自身安裝軸旋轉的行星輪為輸入條件時，可以實現中心太陽輪和外周內齒圈自由度不確定的原理，設計了兩級行星輪變速機構，實現一個輸入條件下，產生三個相對獨立的輸出。采用在三個輸出齒輪的外側嚙合兩組依靠電磁鐵驅動的離合器的方案，實現對三個輸出齒輪同步轉動和相對獨立轉動的切換。

2 特定工況傳動比計算

（1）僅輸出大齒輪1 輸出，輸出大齒輪2、3 鎖定時輸出大齒輪1 的轉速計算：若輸入齒輪的轉速為n1，則初動大齒輪的轉速：

輸出大齒輪2、輸出大齒輪3 對應的抱合機構完成鎖緊動作后，輸出大齒2、輸出大齒輪3 處于如下圖所示的鎖定狀態，此時一級外齒輪的轉速為：

則，輸出大齒輪1 和二級外齒輪的轉速為：

（2）僅輸出大齒輪2 輸出，輸出大齒輪1、3 鎖定時輸出大齒輪1 的轉速計算

若輸入齒輪的轉速為n_1，則初動大齒輪的轉速

輸出大齒輪2、輸出大齒輪3 對應的抱合機構完成鎖緊動作后，輸出大齒輪2、輸出大齒輪3 處于鎖定狀態，此時一級外齒輪的轉速為：

則，輸出大齒輪1 和二級太陽的轉速為：

（3）僅輸出大齒輪3 輸出，輸出大齒輪1、2 鎖定時輸出大齒輪1 的轉速計算

若輸入齒輪的轉速為n1，則初動大齒輪的轉速

輸出大齒輪1、輸出大齒輪2 對應的抱合機構完成鎖緊動作后，輸出大齒輪1、輸出大齒輪2 處于如下圖所示的鎖定狀態，此時一級太陽輪和輸出大齒輪3 的轉速為：

（4）輸出大齒輪1、2、3 同步轉動時驅動裝置輸出轉速：

若輸入齒輪的轉速為n_1，當離合器1、2 的離合撥桿均將離合器的兩個嚙合齒輪嚙合后，驅動裝置簡化為下圖所示的結構，輸出大齒輪1、2、3 具有相同的輸出轉速：

綜上所述，欠驅動裝置所具有的四種確定的輸出方式的傳動比如下表，顯然，neve＜n3max＜n1max＜n2max。

3 仿真分析

為了模擬出欠驅動機構的所有特性，仿真共設置了7 種工況，工況清單如下表：

表2 工況清單

電機位置轉速輸入和同步離合器位置輸入特性如下圖。在0- 1S，電機運轉一定時間，消除建模時齒輪配合的干涉與間隙，使機構正常順暢運轉，此時欠驅動機構為輸出同步狀態。2- 3S時，同步離合器由同步狀態切換為欠驅動狀態，同步離合器行程為17mm。3- 10S，電機驅動欠驅動機構以欠驅動狀態旋轉，并在10S 時停止。10- 11S 時，同步離合器由欠驅動狀態切換為同步狀態。11- 15S，電機驅動欠驅動機構以同步狀態旋轉。為方便衡量，電機在穩定運轉時轉速統一為100 轉/ 分。

在工況2- 工況7 中，由于有輸出鎖定，不能運行在同步狀態，故只仿前10S 的輸入數據。且輸出鎖定在1S 時間點時行。

根據仿真結果，欠驅動機構可以實現預定的功能。其詳細曲線分析如下：

工況1：輸出A、B、C 均不鎖定

輸出A、B、C 均不鎖定工況下主要考察欠驅動機構在同步和非同步狀態下的輸出特性，以及同步離合器插銷阻力和運動特性。

工況1 下3- 10S，由于離合器為欠驅動狀態，輸出因為摩擦阻力等的不同轉速也出現了差異。10- 11S 時，由于離合器切換為同步，轉速有一定來回跳動。11- 15S 時，由于離合器為同步狀態，輸出A、B、C 轉速一致。

工況2 下，輸出A 鎖定，輸出B、C 為欠驅動狀態。可見輸出A 鎖定后，輸出B、C 轉速比較接近但有一定差別。輸出B、C 轉速為1500°/S（約250 轉/ 分）。

工況3 下，輸出B 鎖定，輸出A、C 為欠驅動狀態。可見輸出轉速A 高于轉速C，且A、C 兩處均可進行輸出。電機穩定后輸出A 的轉速約為215.3 轉/ 分，并持續上升至240.5 轉/ 分。電機穩定后輸出C 的轉速約為150.3 轉/ 分，并持續下降至106.9 轉/分。

工況4 下，輸出C 鎖定，輸出A、B 為欠驅動狀態。可見輸出轉速A 高于轉速B，且A、B 兩處均可進行輸出。電機穩定后輸出A 的轉速約為206.5 轉/ 分，并持續上升至232.6 轉/ 分。電機穩定后輸出B 的轉速約為140.1 轉/ 分，并持續下降至104.9 轉/分。

工況5 下，輸出A、B 鎖定，僅有C 輸出。可見輸出A、B 鎖定后，輸出C 處可正常輸出。電機轉速穩定時，輸出C 的轉速約為530 轉/ 分。

工況6 下，輸出A、C 鎖定，僅有B 輸出。可見輸出A、C 鎖定后，輸出B 處可正常輸出。電機轉速穩定時，輸出B 的轉速約為458.3 轉/ 分。

工況7 下，輸出B、C 鎖定，僅有A 輸出。可見輸出B、C 鎖定后，輸出A 處可正常輸出。電機轉速穩定時，輸出B 的轉速約為301.6 轉/ 分。

4 結語

筆者在前人研究的基礎上，提出了以一種兩級行星輪系為基礎的三輸出欠約束驅動裝置，對4 種機構運動確定的情況下出入輸出的傳動比進行了理論推導和計算，并對7 種不同工況載荷下欠約束裝置的機構運動情況進行了仿真分析，計算和仿真結果表明，本文設計的欠約束機構能滿足功能，具備進一步工程化的條件。