集成式起落架收放電動機構的設計與分析

□ 周珍明 □ 龍榮利 □ 唐 超 □ 蔡大靜

1.貴州航天林泉電機有限公司 貴陽 550081 2.國家精密微特電機工程技術研究中心 貴陽 550081

1 設計背景

隨著飛機裝備多電化、全電化發展,集成式電動機構的需求迫在眉睫。目前,飛機起落架基本采用液壓系統進行收放。液壓系統存在一些固有缺點,如功耗高、效率低、系統復雜、故障定位和維護困難等。電動化能夠從根本上解決液壓系統的固有缺點。因此,筆者設計了一種集成式起落架收放電動機構,通過對電動機構進行結構設計、受力分析、有限元靜力學分析,優化電動機構的結構,使電動機構合理可靠,滿足系統使用要求。

2 整體方案

根據某型飛機起落架收放系統的使用需求,設定集成式起落架收放電動機構的主要指標要求,額定輸出扭矩不低于28 N·m,額定載荷轉速不低于180 r/min,軸向力為20 000 N,質量不大于9 kg。

收放電動機構作為執行機構,可以采用電機直驅方式或進給驅動方式。電機直驅方式的輸出精度高,無回程間隙,結構簡單。進給驅動方式引入中間傳動轉換環節,與電機直驅方式相比,結構相對復雜,但由于增大了傳動機構的傳動比,使電機本體的輸出力矩減小,大大減小了電機本體的體積。

收放電動機構的技術指標要求是輸出負載大、轉速低,經分析,需要采用進給驅動方式來實現。

常用的驅動電機主要包括有刷直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機,幾種電機各有優缺點。從收放電動機構體積、效率、額定負載、速度等方面進行綜合考慮,加之系統要求電氣雙余度,由此選用雙余度無刷直流電機。

考慮收放電動機構的輸出轉速、效率、工作時間等要求,選用兩級NGW型行星減速傳動為減速機構的傳遞形式,總傳動比初定為31,形成兩級行星減速機構與雙余度無刷直流電機集成。收放電動機構的結構如圖1所示。

▲圖1 收放電動機構結構

3 原理

結合電機性能、產品結構尺寸及傳動比要求,綜合考慮選用兩級行星減速機構與雙余度無刷直流電機集成化的方案。由雙余度電機輸出高轉速、低轉矩,通過兩級行星減速后,由輸出軸輸出低轉速、高轉矩的驅動力。收放電動機構傳動原理如圖2所示。

▲圖2 收放電動機構傳動原理

4 內部結構

收放電動機構主要由雙余度無刷直流電機、行星架、行星輪組件、殼體組件、軸承等組成,內部結構如圖3所示。

▲圖3 收放電動機構內部結構

5 設計計算

根據輸出力矩、輸出轉速等要求,結合傳動機構中齒輪和軸承等的傳動效率、整體結構的傳動比,計算驅動電機所需要提供的輸出功率和轉速。驅動電機主要技術指標見表1。驅動電機短時工作,單次連續工作時間不短于3 h。

考慮到各級傳動的承載情況及體積,以各級傳動等強度和獲得最小外廓尺寸為原則,設定兩級行星傳動減速比分別為8.1、3.9,總傳動比為31.6。

查機械手冊選取三個行星輪,以電機輸出端行星減速為第一級進行計算。

收放電動機構為短時大負載工作制,因齒輪彎曲折斷的隱患遠高于疲勞磨損,故按齒輪彎曲疲勞強度計算。

表1 驅動電機主要技術指標

(1)

式中:m為齒輪模數;K為接觸強度使用的綜合因數,K=1.3;T為太陽輪傳遞力矩,與電機輸出額定力矩相等,T=1.2 N·m;φd為齒寬因數,φd=0.6;Z為齒數;YFS為復合齒形因數,YFS=4.51;σFP為許用彎曲應力。

σFP=σFlimYSTYN/SFmin

(2)

式中:σFlim為齒輪齒根彎曲疲勞極限,σFlim=530 MPa;SFmin為彎曲強度最小安全因數,SFmin=1.4;YST為齒輪應力修正因數,YST=2;YN為彎曲疲勞強度計算壽命因數,YN=1.2。

將參數代入式(1),得第一級齒輪的標準模數m1為0.447 mm。

結合產品尺寸,取第一級齒輪的標準模數m1為0.8 mm。

同理計算第二級齒輪參數。經過計算分析,兩級行星減速齒輪參數見表2、表3。

表2 第一級行星傳動齒輪參數

表3 第二級行星傳動齒輪參數

6 有限元仿真分析

6.1 結構件

將收放電動機構三維模型導入ANSYS Workbench軟件,對幾何結構進行幾何清理。為了提高網格劃分質量,保證有限元仿真分析結果的準確性和可靠性,將次要特征去除后對結構件進行網格劃分。結構件材料均為合金結構鋼,彈性模量為206 GPa,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3,采用六面體網格,網格單元大小為3 mm。結合其它參數控制,合理利用軟件的自動劃分功能,結合手工調整、修改,確保生成合理的網格單元。根據機構的具體使用環境施加20 000 N軸向力。結構件有限元分析模型如圖4所示。

▲圖4 結構件有限元分析模型

結構件等效應力云圖如圖5所示。由圖5可以看出,最大等效應力為543.53 MPa,結構件材料屈服強度為930 MPa,材料屈服強度大于最大等效應力,因此結構件的設計滿足強度要求。

▲圖5 結構件等效應力云圖

6.2 減速機構

行星架和齒輪材料均選用40CrNiMoA,彈性模量為207 GPa,密度為7 870 kg/m3,泊松比為0.254,采用六面體網格,網格單元大小為3 mm。與結構件模型類似進行網格劃分,得到減速機構的有限元分析模型,如圖6所示。

在輸出端施加額定力矩28 N·m,輸出端行星架及行星輪等效應力云圖分別如圖7、圖8所示。行星架最大等效應力為266.84 MPa,行星輪最大等效應力為852.14 MPa。行星架和行星輪均選用40CrNiMoA材料,材料的強度極限為1 080 MPa,屈服極限為930 MPa。行星架和行星輪最大等效應力均小于材料屈服極限,因此行星架和行星輪的強度滿足使用要求。

▲圖6 減速機構有限元分析模型

▲圖7 行星架等效應力云圖▲圖8 行星輪等效應力云圖

7 結束語

筆者設計了一種集成式起落架收放電動機構,可以取代液壓收放系統,避免功耗高、效率低、系統復雜、故障定位和維護困難等缺點。通過收放電動機構方案選型設計、強度分析,確認滿足系統使用需求,為起落架收放系統電動化奠定了基礎。