集成式起落架收放电动机构的设计与分析

□ 周珍明 □ 龙荣利 □ 唐 超 □ 蔡大静

1.贵州航天林泉电机有限公司 贵阳 550081 2.国家精密微特电机工程技术研究中心 贵阳 550081

1 设计背景

随着飞机装备多电化、全电化发展,集成式电动机构的需求迫在眉睫。目前,飞机起落架基本采用液压系统进行收放。液压系统存在一些固有缺点,如功耗高、效率低、系统复杂、故障定位和维护困难等。电动化能够从根本上解决液压系统的固有缺点。因此,笔者设计了一种集成式起落架收放电动机构,通过对电动机构进行结构设计、受力分析、有限元静力学分析,优化电动机构的结构,使电动机构合理可靠,满足系统使用要求。

2 整体方案

根据某型飞机起落架收放系统的使用需求,设定集成式起落架收放电动机构的主要指标要求,额定输出扭矩不低于28 N·m,额定载荷转速不低于180 r/min,轴向力为20 000 N,质量不大于9 kg。

收放电动机构作为执行机构,可以采用电机直驱方式或进给驱动方式。电机直驱方式的输出精度高,无回程间隙,结构简单。进给驱动方式引入中间传动转换环节,与电机直驱方式相比,结构相对复杂,但由于增大了传动机构的传动比,使电机本体的输出力矩减小,大大减小了电机本体的体积。

收放电动机构的技术指标要求是输出负载大、转速低,经分析,需要采用进给驱动方式来实现。

常用的驱动电机主要包括有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机,几种电机各有优缺点。从收放电动机构体积、效率、额定负载、速度等方面进行综合考虑,加之系统要求电气双余度,由此选用双余度无刷直流电机。

考虑收放电动机构的输出转速、效率、工作时间等要求,选用两级NGW型行星减速传动为减速机构的传递形式,总传动比初定为31,形成两级行星减速机构与双余度无刷直流电机集成。收放电动机构的结构如图1所示。

▲图1 收放电动机构结构

3 原理

结合电机性能、产品结构尺寸及传动比要求,综合考虑选用两级行星减速机构与双余度无刷直流电机集成化的方案。由双余度电机输出高转速、低转矩,通过两级行星减速后,由输出轴输出低转速、高转矩的驱动力。收放电动机构传动原理如图2所示。

▲图2 收放电动机构传动原理

4 内部结构

收放电动机构主要由双余度无刷直流电机、行星架、行星轮组件、壳体组件、轴承等组成,内部结构如图3所示。

▲图3 收放电动机构内部结构

5 设计计算

根据输出力矩、输出转速等要求,结合传动机构中齿轮和轴承等的传动效率、整体结构的传动比,计算驱动电机所需要提供的输出功率和转速。驱动电机主要技术指标见表1。驱动电机短时工作,单次连续工作时间不短于3 h。

考虑到各级传动的承载情况及体积,以各级传动等强度和获得最小外廓尺寸为原则,设定两级行星传动减速比分别为8.1、3.9,总传动比为31.6。

查机械手册选取三个行星轮,以电机输出端行星减速为第一级进行计算。

收放电动机构为短时大负载工作制,因齿轮弯曲折断的隐患远高于疲劳磨损,故按齿轮弯曲疲劳强度计算。

表1 驱动电机主要技术指标

(1)

式中:m为齿轮模数;K为接触强度使用的综合因数,K=1.3;T为太阳轮传递力矩,与电机输出额定力矩相等,T=1.2 N·m;φd为齿宽因数,φd=0.6;Z为齿数;YFS为复合齿形因数,YFS=4.51;σFP为许用弯曲应力。

σFP=σFlimYSTYN/SFmin

(2)

式中:σFlim为齿轮齿根弯曲疲劳极限,σFlim=530 MPa;SFmin为弯曲强度最小安全因数,SFmin=1.4;YST为齿轮应力修正因数,YST=2;YN为弯曲疲劳强度计算寿命因数,YN=1.2。

将参数代入式(1),得第一级齿轮的标准模数m1为0.447 mm。

结合产品尺寸,取第一级齿轮的标准模数m1为0.8 mm。

同理计算第二级齿轮参数。经过计算分析,两级行星减速齿轮参数见表2、表3。

表2 第一级行星传动齿轮参数

表3 第二级行星传动齿轮参数

6 有限元仿真分析

6.1 结构件

将收放电动机构三维模型导入ANSYS Workbench软件,对几何结构进行几何清理。为了提高网格划分质量,保证有限元仿真分析结果的准确性和可靠性,将次要特征去除后对结构件进行网格划分。结构件材料均为合金结构钢,弹性模量为206 GPa,密度为7 850 kg/m3,泊松比为0.3,采用六面体网格,网格单元大小为3 mm。结合其它参数控制,合理利用软件的自动划分功能,结合手工调整、修改,确保生成合理的网格单元。根据机构的具体使用环境施加20 000 N轴向力。结构件有限元分析模型如图4所示。

▲图4 结构件有限元分析模型

结构件等效应力云图如图5所示。由图5可以看出,最大等效应力为543.53 MPa,结构件材料屈服强度为930 MPa,材料屈服强度大于最大等效应力,因此结构件的设计满足强度要求。

▲图5 结构件等效应力云图

6.2 减速机构

行星架和齿轮材料均选用40CrNiMoA,弹性模量为207 GPa,密度为7 870 kg/m3,泊松比为0.254,采用六面体网格,网格单元大小为3 mm。与结构件模型类似进行网格划分,得到减速机构的有限元分析模型,如图6所示。

在输出端施加额定力矩28 N·m,输出端行星架及行星轮等效应力云图分别如图7、图8所示。行星架最大等效应力为266.84 MPa,行星轮最大等效应力为852.14 MPa。行星架和行星轮均选用40CrNiMoA材料,材料的强度极限为1 080 MPa,屈服极限为930 MPa。行星架和行星轮最大等效应力均小于材料屈服极限,因此行星架和行星轮的强度满足使用要求。

▲图6 减速机构有限元分析模型

▲图7 行星架等效应力云图▲图8 行星轮等效应力云图

7 结束语

笔者设计了一种集成式起落架收放电动机构,可以取代液压收放系统,避免功耗高、效率低、系统复杂、故障定位和维护困难等缺点。通过收放电动机构方案选型设计、强度分析,确认满足系统使用需求,为起落架收放系统电动化奠定了基础。