制動力矩門限測試工藝問題及優化方法

王宏斌

（慶安集團有限公司，陜西 西安 710077）

012-019襟翼絲杠作動器是某公司 為某飛機高升力系統研制的機械作動部件，在裝配調試和驗收時，產品主要性能參數之一的制動門限值在檢查測試中波動較大，極不穩定。具體表現如下：同一臺產品每次測試的值不一致且差異較大，這個差異已經明顯超出了產品性能允許值的范圍。例如產品一個測試過程的4個值（正反方向各2次）有超大的，同時也有超小的，導致筆者不能判斷產品真實的制動力矩，或誤認為產品存在較大缺陷，因此造成調試人員無法進行產品制動門限值的調試。通過試驗驗證產品制動門限值波動大問題、收集和分析數據、按規定交付產品是研究人員亟待解決的問題，該文的研究為產品設計優化、零組件質量控制、調試檢測方法完善、試驗設備改進等提供依據。

1 產品結構及制動過程分析

1.1 產品功能

012-019襟翼絲杠作動器接收由PDU的功率作動襟翼，包括當輸入端輸入扭矩超出產品設定門限值時，產品上的力矩限制器實現力矩限制保護功能，即限制過大的輸出載荷，保護下吊式齒輪箱、滾珠絲杠副以及與作動器輸出端連接的飛機結構。力矩限制功能的指標是在產品上調整設定其制動力矩門限值，簡稱制動門限值。

1.2 工作原理

當扭矩在工作范圍內（即輸入端扭矩小于制動門限值）時，在輸入扭矩作用下，輸入軸通過軸上花鍵將扭矩傳遞給輸入球道盤，在彈簧初始預壓力作用下，輸入球道盤通過鋼球帶動輸出球道盤隨之運轉，通過零件上的花鍵，輸出球道盤將運轉動力傳遞至連接套、輸入錐齒輪，進而向產品下一級組件傳遞扭矩[1]。

當線系出現卡滯等故障時，產品輸出端停止運動，而PDU繼續向線系輸出扭矩，此時產品輸入軸扭矩不斷增大，導致球道盤上產生軸向力持續增加，軸向力最終克服彈簧預緊力，鋼球沿球道斜坡開始爬坡，輸出球道盤產生軸向位移，使摩擦片壓緊而摩擦制動，輸入軸制動從而制動整個傳動線系，對產品傳動結構和線系起到保護作用。其工作結構如下圖1所示。

圖1 襟翼絲杠作動器組成

2 原因分析及問題定位

抽取部分產品進行制動門限等指標的測試，積累檢測數據，尋找產品門限值變化規律，查找影響環節及要素，并分析問題和驗證改進方案。這個階段中發現影響制動門限值指標的環節主要有產品自身因素、測試方法條件等因素、試驗臺因素，并且這些因素具有關聯性，應綜合考慮和分析。

2.1 原因分析

2.1.1 該產品制動門限值指標和測試的特點

公司產品型譜中，具備力矩限制功能的機械傳動類產品較多且大多數有制動門限值的性能指標。某襟翼絲杠作動器與公司現有的其他產品相比，在制動門限值要求上有較為明顯的特點。1）某襟翼絲杠作動器工作載荷較小。2）給定的制動門限范圍很小，這樣意味著檢測制動門限值需要較高等級的檢測系統精度和分辨率。3）產品測試制動門限的狀態非產品的完整狀態。受產品結構強度的局限，按照產品測試程序要求，測試產品制動門限時，需要將產品上的滾珠絲杠副拆下，在產品輸出端的耳軸上沿絲杠軸向施加拉力。即產品測試制動門限的方式與產品實際工況不一致。

2.2 影響因素識別

2.2.1 規定的測試條件不妥

基本測試條件：①去掉絲杠副；②運轉速度410rpm～450rpm；③輸出端施加額定轉矩；④加載速率未規定具體要求。從結構原理分析看，產品包括或去掉絲杠副兩種狀況均可進行制動門限值的測試，對產品力矩限制器組件不產生影響；從對比之前產品看，轉速和加載速率對產品運轉時的制動點位置的影響比較明顯，轉速為主機參數不可變化。加載速率參數變化后，對產品制動點位置和制動點的扭矩產生影響。

2.2.2 判斷產品制動的規則

根據制動門限值的定義和產品工作原理，隨著產品輸出端逐級連續加載，產品輸入端的載荷在持續增大，當載荷增大到某一值（通常是指輸入端扭矩值）時，產品內部摩擦片摩擦制動，這個值是產品的制動門限值。試驗臺為測試出制動門限值，其測試系統按其采樣周期在加載運動中形成無數個點，繪制出產品運轉對應的速度曲線和扭矩曲線。制動試驗完成后，調取采集的速度曲線和扭矩曲線，在速度曲線上尋找到速度明顯（或描述急劇）下降的點，筆者稱其為“速度拐點”，然后將這個“速度拐點”對應的輸入端扭矩值讀取為產品的制動門限值。

速度曲線上這個“速度拐點”的位置定位就決定了對應的扭矩曲線上的扭矩值大小。因此根據產品制動門限值的定義，試驗設施提供了產品整個測試過程參數，筆者需要制定在速度-扭矩曲線上讀取制動門限值的細則方法，有了統一的具體細則，“速度拐點”的位置才能有唯一性[2]。否則，判斷“速度拐點”會出現多個結果，導致讀取的制動門限結果值不一致，即表現為制動門限值測試結果存在波動。

2.2.3 測試時機的影響

產品裝配后首次測試門限值與之后測試的門限值差異明顯、首次測試全部偏大。根據產品力矩限制器結構特點，產品裝配后沒有經過制動磨合，產品制動結構部分的球道、彈簧、摩擦片等處于不穩定狀態。此現象在其他型號產品上反映不是很強烈，其原因是產品的應許誤差比較寬，較小的應許誤差有6N·m，偏大的應許誤差法達20N·m，測試值稍微偏大不影響指標，而該產品的應許誤差僅有1.2N·m。全部產品在測試中，裝配完成后（或者分解后重新裝配后）首次測試制動門限值均不同程度大于之后測試制動門限值，因此，產品處于不穩定狀態下測試門限是不合理的，被測試產品須在經過制動磨合之后進行門限檢測。

2.2.4 測試系統誤差

如果將直接影響測試精度的傳感器因素排除在外，試驗測試系統誤差主要包括試驗臺自身傳動鏈的精度、各聯軸器和連接軸安裝精度、計算機數據處理誤差、采樣周期對測試值（曲線）的細分分辨誤差。這些誤差會決定制動門限值的測試準確度，但測試系統結構穩定后，測試值相對穩定，對測試結果的一致性影響較小[3]。

2.2.5 加載誤差大

雖然產品制動門限值通常是產品輸入端的扭矩值，但產品輸出端加載的穩定性會引起輸入端扭矩值的同向變化。通過加載曲線觀察加載過程存在一定程度波動，加載波動可能原因：①實際加載扭矩值變化波動；②加載端扭矩曲線處理不妥造成波動。該系統加載電機品質和精度均不低于現有試驗臺，之后采用濾波，消除傳感器受干擾的雜波影響得到實際的加載曲線，曲線顯示較為光滑連續。

2.2.6 測試曲線顯示誤差

根據制動門限值的定義：①速度曲線誤差會引起產品制動點的判定的變化，即每次判定為產品制動的點與實際的制動點不同；②輸入扭矩曲線誤差能直接反應出讀取的值不一致，在產品制動點附近曲線存在波動，導致每次測試出的產品制動點的扭矩值變化較大。

綜上所述，造成產品制動門限值波動的影響因素有多種，每個影響環節和影響因素在產品調試、測試過程中進行了反復摸排和驗證，一方面驗證了問題要素的影響及影響程度，另一方面確定改進影響要素的方法和指標。

3 改進措施與測試驗證

3.1 門限值指標分析

制動門限值的測試結果是產品制造、試驗裝置及測試方式等多方面因素的綜合結果，將影響因素匯總歸類為4個部分：傳感器誤差+產品自身誤差+測試裝置系統誤差+其他。

前述襟翼絲杠作動器產品制動門限的特點說明，當前襟翼絲杠作動器的指標要求：均值約7N·m，允差范圍約為（1.25±0.625）N·m。誤差分析如下：①傳感器。量程30N·m、精度±0.2%（F·S），即誤差±0.06N·m；②產品自身。根據產品結構原理，按其名義值的3%，即誤差±0.21N·m；③測試裝置。參考測量設備標準，不大于允差范圍的1/4，即誤差±0.16N·m；④其他。產品對測試設備安裝、環境等影響，預估其為允差范圍的1/4，即誤差±0.16N·m。因此，在最保守的基礎上，產品制動門限值測試誤差達到±0.59N·m。

3.2 測試條件

防止產品異常擺動、控制（降低）加載速率，產品去掉絲杠副后，在產品輸出端施加扭矩時，產品制動時因瞬間的沖擊使產品左右擺動。為保證產品運轉測試狀態的可靠，在產品連接耳片的兩側增加氟塑料墊片，盡量防止產品擺動并起到緩沖作用。

產品加載速率的調整對扭矩曲線有明顯影響，加載速率降低后，加載穩定性改善，同時試驗臺對曲線進行了優化改善，扭矩曲線顯示比較平緩。在產品制動時曲線拐點的抖動幅度降低，讀取拐點扭矩值的一致程度增高。

3.3 門限值定義、判斷規則的制定和驗證

根據產品制動門限值的定義和前章節分析的讀取規則方法，測試時必須能夠準確給出速度下降點的判斷準則，在借鑒其他產品判斷方法的基礎上，反復研究速度 - 扭矩曲線，首先維護產品運轉速度曲線的平穩光滑（尤其是在產品制動的點附近）。速度曲線穩定后，擬定測試讀取制動門限值的具體方法：在轉速曲線下降拐點處呈現連續下降趨勢，當產品轉速連續下降到0.4r/min時，讀取第一個速度下降0.4r/min前一點（速度拐點）所對應的輸入端扭矩值，記為產品的制動門限值[4]。幾輪測試后發現，讀取制動門限值方法完全可以達到唯一，不會出現速度拐點爭議和誤讀門限值，但門限值數據波動程度仍然對指標合格構成威脅。繼續觀察分析原因，產品制動的過程中，摩擦片開始摩擦，同時輸入扭矩持續作用，使輸入軸轉動，摩擦片開始摩擦至產品完全制動，整個過程的扭矩會出現較大的跳動。

根據制動門限值的定義規則，筆者找到“速度拐點”，從微觀角度看就是產品開始制動的起點，因此繼續發掘研究速度變化點的規律，將速度下降0.4r/min的判斷起始點壓縮至0.3r/min、0.2r/min、0.1r/min等觀察和反復對比，0.2r/min判斷起始點的標準即可辨認產品制動點，也能夠適應當前速度曲線采樣周期和精度。根據測試數據分析和重復驗證，當前的測試讀取方法效果最優。

3.4 測試時機、條件

產品中力矩限制器結構部分初次裝配完成或分解后重新裝配完成，必須進行產品制動磨合，使裝配完成后產品處于結構穩定狀態。并規定制動門限測試應在產品裝配完成后經過磨合方可進行測試。

3.5 測試系統誤差

在出現制動門限值波動問題后，試驗臺承制單位重新調整試驗臺自身裝配精度，糾正試驗臺傳動系統的偏差。重新檢測試驗臺軟件，并進行校準標定。盡最大努力消除試驗臺測試系統誤差對測試的影響，同時給今后試驗臺設計制造提供經驗，試驗臺的傳動精度、幾何精度及轉動慣量的指標等應與被測試對象性能指標相適應。

3.6 消除加載誤差干擾

在對試驗臺測試系統檢測和校準同時，試驗臺承制單位調整加載伺服電機性能及參數設置，確保加載精度符合試驗要求。對加載（輸出端）扭矩曲線進行濾波優化，避免扭矩傳感器受到干擾。

3.7 優化測試曲線

從前面章節關于制動門限值定義及判斷規則可知，輸入端速度曲線和扭矩曲線的光滑連續和穩定是準確讀取制動門限值的前提和關鍵。輸入端速度-扭矩曲線經消除干擾和濾波優化后，曲線狀態改善明顯，讓操作者比較清晰地捕捉到“速度拐點”，輸入端扭矩曲線在“速度拐點”附近區域的扭矩值變動平緩，因此，測試值的變動量較之前明顯減小。

4 改進結果

在測試制動門限值的過程中，針對波動大的問題，經過測試方法與條件明確統一、試驗臺測試環節調整優化、傳感器校準等各方面驗證后，進行Q000003批次的驗收測試，制動門限值測試合格，結果見表1。

表1 Q000003批產品制動門限值驗收數據表

5 結語

經過對試驗臺測試環節的優化完善，對產品制動門限值測試條件和方法的細化，門限值測試波動的程度大幅降低，從Q000003批次產品最終測試結果看能滿足要求。

通過該文對襟翼絲杠作動器產品制動門限值波動問題的研究，筆者對襟翼絲杠作動器產品制動門限驗收有了較為通透的認識，認識規則、測試方法基本得到固化，有效降低了門限值的波動。同時通過該次工藝研究，也能夠發現之前同類型產品在調試和測試環節上存在的紕漏，可促進具有力矩限制功能的同類型機械產品調試工藝的優化改進。