双摇臂舵传动机构设计与仿真

贾磊

摘 要：舵传动机构是传递伺服作动器推力、操纵飞行器活动舵面偏转的重要装置。文章提出一种双摇臂舵传动机构，以伺服作动器内置、传动精度高、刚度高为目标，完成了机构构型方案与详细设计，并通过动力学仿真与刚度分析验证了方案的可行性与合理性。

关键词：双摇臂；传动机构；舵面

中图分类号：TH132 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0096-03

Abstract： Transmission mechanism is a kind of rudder drive transmission and rotation control mechanism for air vehicle. A double-rocker arm transmission mechanism was proposed in this paper. The advantages of this mechanism include good environment flexibility， high precision， and high stiffness. The feasibility and rationality of the design scheme was validated through dynamic analysis and stiffness analysis.

Keywords： double-rocker arm； transmission mechanism； rudder

引言

对于各类飞行器的飞行姿态控制，一般会通过操纵多个活动舵面偏转来实现。传动机构就是传递伺服作动器的作用力以操纵活动舵面进行偏转的重要装置，其主要功能是将伺服系统输出的直线运动准确转化为舵面的转动运动[1]。目前，对于活动舵面的驱动多采用电机直驱或单摇臂机构驱动的形式。电机直驱方式为电机转子直接与舵轴固连，通过电机的转动带动舵面偏转；单摇臂机构驱动形式为直线伺服作动器推动固连在舵轴上的摇臂进行偏摆，带动舵面进行偏转。

但是，上述两种驱动方式对于转轴外置于飞行器舱体外部的活动舵面均有较大的局限性。由于舵轴外置于舱体外部，采用电机直驱一方面没有布局空间，另一方面电机外露于舱外恶劣的高低温环境，严重影响电机性能，增加驱动装置损坏的风险。采用單摇臂机构驱动形式，也将造成直线伺服作动器的作动杆外露于舱外恶劣的高低温环境，增加伺服作动器损坏的风险，可靠性降低。

为了避免机构驱动部件外露于外部恶劣环境，保证伺服作动器的正常工作，本文提出一种适用于飞行器活动舵面的伺服作动器内置的双摇臂传动机构方案，完成了机构动力学与刚度仿真分析验证，为提高飞行器舵面操纵可靠性奠定基础。

1 方案设计

双摇臂传动机构采用四连杆机构与曲柄滑块机构相串联的整体构型。整套机构由伺服作动器、摇臂、辅助摇臂、连杆、舵轴支座、辅助摇臂座、作动器支座等组成，如图1所示。其中，伺服作动器、摇臂、辅助摇臂、辅助摇臂座、作动器支座均布置于飞行器舱内，摇臂、舵面及其舵轴支座布置于飞行器舱外，连杆通过舱壁操作孔在舱内、舱外之间运动。

双摇臂传动机构的整个工作原理如下：伺服作动器通过控制自身作动杆的伸缩，带动辅助摇臂绕其固定轴旋转，带动连杆在二维平面内摆动，连杆拉动舵面绕轴旋转，从而实现舵面的偏转。

特别地，为了保证机构的传动精度与整体刚度，机构采用自消隙铰链连接结构，通过轴向定位衬套、游动套筒、铰链螺栓实现铰链轴向的自消隙，防止传动部件的轴向窜动，如图2所示。

本文所述的双摇臂传动机构具有以下特点：

（1）伺服作动器内置，可靠性高。该机构的伺服作动器置于飞行器舱内，有效改善伺服作动器的工作环境，降低了伺服作动器环境防护要求。

（2）机构运动包络小，布局更便捷。由于采用了四连杆机构与曲柄滑块机构相串联的整体构型，伺服作动器不直接操纵舵面，因此伺服作动器的运动空间可大幅降低，整套机构的运动包络可实现扁平化，易于布局。

（3）铰链结构自消隙，传动精度、刚度高。采用轴向自消隙的铰链连接结构，防止传动零件间的相对轴向窜动，提高了系统传动精度与连接刚度。

（4）装配便捷，卡滞风险低。各传动铰链均安装有向心关节轴承，提高了传动环节的调心能力，降低了装配难度，运动卡滞风险低。

2 仿真分析

舵偏角直接影响飞行器所受的气动力，从而控制飞行器的飞行姿态，是舵传动机构的直接控制目标[2]。因此在传动机构设计中，飞行器对舵面的偏转角范围、最大负载力矩、机构刚度均会提出明确的要求，以保证机构性能满足控制要求。为此，本文对机构的运动受力过程、传动刚度进行相应仿真分析，分析伺服作动器行程、驱动裕度、机构整体刚度是否满足设计要求。

本文以舵面偏转角范围要求±25°、最大负载力矩要求1232Nm、机构刚度要求≥1×107N/mm的案例为例，对双摇臂舵传动机构分别进行动力学分析、刚度分析，验证方案的合理性。

2.1 动力学分析

设舵面最大负载力矩为T，双摇臂机构受力简图如图3所示。在不考虑角加速度的前提下，机构受力可简化为：舵面的负载力矩通过摇臂传递给连杆，连杆与伺服作动器对辅助摇臂的作用力绕其转轴达到力矩平衡。

为了模拟双摇臂传动机构的复杂受力变化过程，本文基于ADAMS构建双摇臂传动机构的动力学模型，得到仿真分析结果如图4所示。

由仿真结果可知，当舵面由-25°向+25°偏转过程中，在承受恒定负载力矩1232Nm的情况下，伺服作动器推力呈先减小后增大的变化趋势，其中在舵偏-8°时，伺服作动器推力最小为11250N，在舵偏25°时，伺服作动器推力最大为15500N。当舵面由-25°向+25°偏转过程中，伺服作动器行程由收缩46mm至伸长40mm（相对于零位长度）。说明了在双摇臂传动机构工作过程中，伺服作动器最大输出推力必须达到15500N以上、最大工作行程必须达到96mm以上才能满足舵面偏转控制要求。

按照上述计算分析结果，本文选用最大输出推力25000N、最大工作行程120mm的伺服作动器，分别为实际需求的1.61倍、1.25倍，作动器推力、行程均具有一定的裕度，满足设计要求。

2.2 刚度分析

对于双摇臂传动机构的传动刚度分析，首先构建整套机构的有限元模型。其中，由于不考虑舵面本身刚度，摇臂与舵轴座之间构建刚性梁，舵轴支座、辅助摇臂座、作动器支座采用刚性连接（6个自由度全约束），在辅助摇臂与辅助摇臂座、连杆与辅助摇臂、连杆与摇臂之间均建立MPC RJIONT（放开铰链转动自由度）连接。然后在作动器支座、