雙自由度舵機傳動機構運動學仿真

王 中, 張雄科, 范 輝, 楊賀然, 王俊昌, 湯偉江

雙自由度舵機傳動機構運動學仿真

王 中, 張雄科*, 范 輝, 楊賀然, 王俊昌, 湯偉江

(中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

超高速水下航行器在航行過程中工況復雜, 速度跨度大, 舵效變化大, 常規舵機無法滿足操舵要求, 而雙自由度舵機可以改善操舵性能。文章以該舵機的傳動機構作為研究對象, 利用UG軟件建立三維實體模型, 并將其導入到ADAMS軟件建立基于多體接觸理論的機械仿真模型, 仿真得到各級齒輪轉速與嚙合力。仿真結果表明轉速相對誤差小于1%, 嚙合力相對誤差小于6%, 驗證了仿真模型的正確性。仿真結果可為傳動機構的優化設計提供參考。

超高速水下航行器; 雙自由度舵機; 運動學仿真

0 引言

超高速水下航行器利用超空泡技術具有的優良減阻特性, 實現了超高速航行。與常規水下航行器相比, 空泡與航行器之間的非線性作用, 舵板沾濕面積情況的復雜化[1-2]以及航行器從出管到命中目標所經歷的全沾濕、局部空泡到超空泡的變化過程[3], 都要求航行器具有性能良好的舵機伺服系統, 以實現穩定控制[4]。

常規舵機舵面處于全沾濕狀態, 當航速跨度大時, 舵效變化也大, 舵機伺服系統無法達到操舵要求, 而雙自由度舵機伺服系統不僅可以控制舵面偏轉改變舵角, 還能通過減小舵面的沾濕面積改變舵效, 滿足超高速航行器的控制要求。執行機構是舵機伺服系統中的關鍵機構, 傳動性能影響著整個系統的操舵性能。為了驗證執行機構的傳動性能, 文中建立了該機構的運動學仿真模型, 通過仿真分析, 驗證多級齒輪傳動結構的合理性, 為結構的優化設計提供依據。

1 雙自由度舵機傳動機構

1.1 總體結構

舵機執行機構布置在航行器尾端, 受限于整體設計, 旋轉機構的減速箱安裝在支架中, 通過輸出軸旋轉帶動舵面偏轉, 支架固定安裝在殼體上, 而展開機構中電機、制動器以及減速箱都與支架側面固定連接。展開機構通過2個半軸帶動旋轉機構與舵板做靠近或遠離殼體的展開運動。總體結構裝配圖如圖1所示。

圖1 總體結構裝配圖

1.2 旋轉機構

旋轉機構由電機、減速器以及電位計組成, 采用了9級齒輪減速機構, 減速比為803。為了節約空間并增大傳動比, 對各級齒輪進行了齒形變位[5]。在齒輪組的傳動過程中, 除了第1級齒輪外, 其他齒輪都安裝在齒輪軸上實現獨立傳動。傳動簡圖與裝配圖如圖2和圖3所示。

圖2 旋轉機構傳動簡圖

圖3 旋轉機構裝配圖

1.3 展開機構

展開機構通過2個短軸帶動旋轉機構和舵板一起做展開運動, 改變舵板沾濕面積, 由電機、減速器、電位計以及制動器組成, 減速器采用7級齒輪傳動, 傳動比為117.9。傳動中齒輪為標準圓柱齒輪, 為了節省空間并增大傳動比, 在減速器的第4、5軸(銷軸)上安裝第4、第5和第6級齒輪傳動, 齒輪與銷軸之間通過軸套連接。傳動簡圖及裝配圖如圖4和圖5所示。

圖4 展開機構傳動簡圖

圖5 展開機構裝配圖

2 傳動機構運動學建模

利用ADAMS軟件分別建立旋轉機構和展開機構運動學模型, 進行仿真分析得到各級齒輪副的轉速和齒輪嚙合力, 通過與理論計算值對比, 驗證傳動機構的設計合理性。

2.1 數據轉換與載荷添加

將UG中建立的三維實體模型保存為Para- solid格式的文件, 在ADAMS中建立運動學仿真模型, 設置單位并編輯零件屬性[6]。

仿真基于赫茲接觸理論的沖擊函數(Impact)計算輪齒嚙合的法向接觸力。其函數表達式為

ADAMS采用庫倫-摩擦方法計算齒輪嚙合的切向力, 各系數計算公式為

2.2 約束與驅動添加

機構中各個部件之間通過約束限制相對運動。在各級齒輪上施加旋轉副約束; 齒輪與齒輪軸之間施加固定副; 齒輪副之間施加實體碰撞力; 輸入軸上施加轉速驅動; 輸出軸上施加負載轉矩以模擬系統負載。

為模擬電機啟動時的實際特點, 保證啟動仿真時轉速不發生突變, 采用階躍函數step添加轉速驅動。旋轉機構中, 轉速在0.15 s內從0增加到48 600 (°)/s, 即step(time, 0, 0, 0.15, 48 600), 設置仿真步長為0.001 s, 在輸出軸上施加負載轉矩27294 N·mm。展開機構中使轉速在0.15 s內從0增加到81000 (°)/s, 即step(time, 0, 0, 0.15, 81 000), 仿真步長設置為0.001 s, 在輸出軸上施加負載轉矩16291 N·mm。

3 仿真分析

3.1 轉速分析

旋轉機構中典型齒輪轉速仿真結果如圖6所示, 展開機構中齒輪轉速仿真結果如圖7所示。

圖6 旋轉機構各軸轉速仿真曲線

圖7 展開機構各軸轉速仿真曲線

圖中, 軸轉速為正代表轉動方向為順時針,軸轉速為負代表轉動方向為逆時針, 兩機構各齒輪轉向滿足外齒輪嚙合關系。將轉速仿真值與理論值進行比較, 統計結果如表1和表2所示。

兩機構轉動0.15 s之后, 各級齒輪轉速在平均值附近周期性波動, 這是齒輪傳動過程中嚙合剛度的周期性變化造成的, 齒輪在嚙入和嚙出時會發生剛度沖擊。機構轉速較大, 造成了轉速波動較大, 也體現了齒輪傳動的動力學特性。

表1 旋轉機構各軸轉速對比

表2 展開機構各軸轉速對比

對比理論計算值與仿真值, 兩機構中各軸轉速相對誤差均小于1%。

3.2 嚙合力分析

旋轉機構和展開機構第7級齒輪嚙合力仿真結果如圖8和圖9所示。

由下式計算得出各傳動軸上的轉矩

再根據直齒圓柱齒輪的受力情況[9-10], 得

旋轉機構中驅動電機的額定功率0.055 kW, 額定轉速8100 r/min, 展開電機額定功率0.7 kW, 額定轉速13500 r/min, 兩機構中齒輪的制造精度均為6級, 每一級傳動效率為98%, 根據齒輪參數與相關數據計算得到各傳動齒輪嚙合力理論值,與仿真計算值對比結果如表3和表4所示。

圖8 旋轉機構第7級齒輪嚙合力

圖9 展開機構第7級齒輪嚙合力

表 3 旋轉機構齒輪嚙合力仿真值與理論值對比

表 4 展開機構齒輪嚙合力仿真值與理論值對比

在仿真中根據Herz理論計算嚙合力時, 接觸參數是不斷變化的, 而仿真時將各參數均賦予了常值, 同時三維模型從UG導入到ADAMS時, 顯示的齒廓會發生細微變化, 所以兩機構齒輪嚙合力的理論值與仿真值存在一定偏差, 但偏差較為合理, 旋轉機構中相對誤差小于6%, 展開機構中相對誤差均小于4%。

4 結束語

文章提出了一種適用于超高速水下航行器的雙自由度舵機執行機構, 建立了該機構三維實體模型和仿真模型, 得到齒輪轉速與嚙合力。仿真結果表明, 各齒輪軸轉速的相對誤差小于1%, 齒輪嚙合力的相對誤差小于6%, 驗證了仿真模型的正確性, 仿真結果為機構的優化設計提供了參考依據。超高速水下航行器在加速段時舵面受瞬態沖擊載荷, 后續可對旋轉與展開機構最后一級齒輪副、輸出軸以及齒輪箱進行瞬態動力學分析, 校核該機構在沖擊載荷下的強度。

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Kinematics Simulation of Transmission Mechanism of Double DOF Steering Gear

WANG Zhong, ZHANG Xiong-ke*, FAN Hui, YANG He-ran, WANG Jun-chang, TANG Wei-jiang

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

The working conditions of ultra-high-speed undersea vehicles become complicated during navigation, when the speed span is large and the steering changes significantly. Conventional steering gear cannot meet steering requirements, whereas a double-degree-of-freedom steering gear can improve the steering performance. This study considers the transmission mechanism of a steering gear as a research object. Specifically, the study uses UG software to establish a three-dimensional solid model and then imports it into ADAMS software to establish a mechanical simulation model based on the multi-body contact theory. A simulation is then conducted to obtain the gear speed and meshing force. Simulation results show that the relative errors of speed and meshing force are less than 1% and less than 6%, respectively, and the accuracy of the simulation model is verified. The simulation results provide a reference for design optimization of transmission mechanisms.

ultra-high-speed undersea vehicle; double-degree-of-freedomsteering gear; kinematic simulation

TJ630.2; TH132.4

A

2096-3920(2021)01-0124-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.017

王中, 張雄科, 范輝, 等. 雙自由度舵機傳動機構運動學仿真[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(1): 124-128.

2020-09-02;

2020-12-16.

張雄科(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水下航行器制導技術.

(責任編輯: 許 妍)