CC BY
168
УДК 621.83.001 63
Н.В. Крылов, асп., (965) 149-16-17, artsunday@mail.ru (Россия, Москва, МАИ),
С.Л. Самсонович, д-р техн. наук, проф., (910) 414-07-26 (Россия, Москва, МАИ),
В.С. Степанов, канд. техн. наук, доц., (916) 280-27-21, stevilen@mail.ru (Россия, Москва, МАИ)
АНАЛИЗ МАССОГАБАРИТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ ПРИВОДОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ
Проведено проектирование рулевых электромеханических приводов с различными типами механических передач с минимизацией массогабаритных показателей исполнительных механизмов приводов для беспилотного летательного аппарата. Сравнительный анализ исполнительных механизмов показал предпочтительность использования волновой передачи с телами качения в указанном типе приводов.
Ключевые слова: рулевой привод, электромеханический привод, силовой минипривод, волновая передача с телами качения.
Анализ технической и патентной литературы свидетельствует о достижениях, позволяющих существенно сократить массогабаритные показатели блоков электромеханических рулевых приводов, что особенно актуально для авиационной и ракетно-космической техники.
Получено оптимальное передаточное число для зубчатых цилиндрических пар, при котором масса редуктора имеет минимальное значение [1]. Улучшена нагрузочная способность винтовых передач за счет использования резьбовых роликов. Расширены функции волновых передач с телами качения за счет использования тел качения передачи в качестве элементов опорного устройства (подшипника) [2]. Разработаны компоновки волновых передач с телами качения и бескорпусных электрических и гидравлических двигателей, которые позволили реализовать исполнительные механизмы с минимальными габаритами, за что они получили название силовых мини - приводов [2, 3].
Сравнительный анализ различных электромеханических приводов, спроектированных для одного блока рулевых приводов беспилотного летательного аппарата и содержащих указанные достижения, позволяет обоснованно с точки зрения массогабаритных показателей выбрать конструктивную схему привода для нового блока рулевых приводов беспилотного летательного аппарата.
Сравниваются пять электромеханических приводов, каждый из которых содержит бескорпусный электродвигатель, одинаковый для всех вариантов привода, и различные реализации механического редуктора с одинаковым передаточным числом 135 и моментом нагрузки 83 Нм. Твердотельное моделирование позволяет оценить массу и габариты разработанных конструкций.
Рассмотрим конструктивные особенности исполнительных механизмов приводов с различными типами редукторов.
Для обеспечения минимальной массы редуктора с зубчатыми цилиндрическими колесами все зубчатые пары, кроме первой, имеют оптимальное передаточное число 2,4 [1]. Первая пара, которая имеет сравнительно меньшие габариты, так как она передает наименьший момент, используется для реализации требуемого передаточного числа. В результате расчета общее передаточное число реализуется пятью зубчатыми парами, при этом передаточное число первой пары равно 1,69. Использование оптимального передаточного числа приводит к унификации всех зубчатых колес по числу зубьев. Пары колес будут отличаться только значениями модуля зацепления. Если принять число зубьев шестерен для всех пяти пар равным 18, то число зубьев в колесе будет 30 для первой пары и 44 для всех остальных. Исполнительный механизм с таким редуктором имеет габариты 192 х 100 х 71 мм и массу 3195 г.
Исполнительный механизм с планетарной передачей из-за габаритных ограничений имеет параллельное расположение двигателя и планетарной передачи, между которыми установлена дополнительная зубчатая цилиндрическая пара. Использована планетарная передача, построенная по схеме с двумя корончатыми колесами и спаренным сателлитом. Передаточное число планетарной передачи взято равным 54, цилиндрической пары - 2,5. Разработанный исполнительный механизм такого типа имеет габариты 124 х 71 х 54 мм и массу 1320 г.
В исполнительном механизме с шариковинтовой передачей винт передачи располагается параллельно продольной оси блока рулевых приводов. Характер движения винта передачи - вращательный, гайки -поступательный. Для преобразования поступательного движения гайки во вращательное движение оси рулевых поверхностей использован рычаг. Длина рычага выбрана из условия размещения исполнительного механизма в четверти объёма блока рулевых приводов. Для сокращения осевого размера исполнительного механизма привода и соответственно блока рулевых приводов электрический двигатель размещен параллельно оси шариковинтовой передачи. Вращение ротора двигателя передается на винт шариковинтовой передачи через зубчатую цилиндрическую передачу с передаточным числом, равным 2. При проектировании шариковинтовой передачи за базовый параметр принят диаметр шарика, который определяется требуемой нагрузочной способностью передачи, и через него выражены основные размеры передачи. Параметры разработанной передачи соответствуют ГОСТ 25329-82.
Конструкция и габаритные размеры разработанного исполнительного механизма с шариковинтовой передачей приведены на рис. 1, где 1 -проушина, 2 - шарики, 3 - винт шариковинтовой передачи, 4 - зубчатое колесо, 5 - гайки шариковинтовой передачи, 6 - промежуточная шестерня зубчатой передачи, 7 - ведущая шестерня зубчатой передачи, 8 - ротор электродвигателя, 9 - статор электродвигателя, 10 - корпус привода. Габа-
ритные размеры исполнительного механизма с шариковинтовой передачей составляют 151 х 88 х 74 мм, масса - 1201 г.
При проектировании роликовинтовых передач делается допущение, что между элементами резьбы действуют соотношения, аналогичные шариковинтовым передачам. Большое количество точек контакта резьбового ролика с винтом и гайкой увеличивает допустимые предельные нагрузки передачи, или позволяет в меньших массогабаритных показателях передавать ту же нагрузку. Резьбы роликов, винта и гайки имеют одинаковый шаг и одинаковое направление, при этом передача обратима. Для повышения надежности число заходов резьбы винта и гайки принято одинаковым, равным 4, число заходов резьбы роликов равно 1. Наружный диаметр гайки не позволяет разместить передачу внутри электрического двигателя, поэтому они располагаются последовательно.
151
Рис.1. Конструкция исполнительного механизма с шариковинтовой передачей
Конструкция и габаритные размеры разработанного исполнительного механизма с роликовинтовои передачей приведены на рис. 2, где 1 - проушина, 2 - статор электродвигателя, 3 - ротор электродвигателя, 4 - вал ротора электродвигателя, 5 -шестерня зубчатой передачи, 6 - зубчатое колесо, 7 - винт роликовинтовой передачи, 8 - корпус привода, 9 - гайки с внутренней резьбой, 10 - резьбовые ролики. Габаритные размеры исполнительного механизма с роликовинтовой передачей 165 х 51 х 70 мм, масса 1058 г.
1 23456789 10
165
Рис.2. Конструкция исполнительного механизма с роликовинтовой передачей
Волновая передача с телами качения характеризуется соосным расположением ведущего и ведомого вала, обладает высокой кинематической жесткостью и малым люфтом, поэтому ее целесообразно размещать непосредственно на оси управляемой рулевой поверхности. Использована кинематическая схема передачи с неподвижным сепаратором, что позволяет использовать жесткое колесо как наружную обойму радиального подшипника. Общее передаточное число 135 реализуется двумя ступенями волновой передачи. При разбиении общего передаточного числа между ступенями определялось, при каком передаточном числе при заданном моменте нагрузки выходная ступень передачи имеет наименьший наружный диаметр. При расчете волновой передачи за базовый размер принят диаметр тел качения, а остальные размеры выражены через этот диаметр. Электрический двигатель размещается внутри выходной ступени передачи, первая ступень передачи размещена последовательно с электрическим двигателем.
Конструкция и габаритные размеры разработанного исполнительного механизма с волновой передачей с телами качения приведены на рис. 3, где 1 - жесткое колесо первой ступени волновой передачи, 2 - эксцентриковые втулки волнообразователя первой ступени волновой передачи, 3 - выходное звено привода, снабженное шлицевым соединением для крепления оси управляемой рулевой поверхности (на рис. 3 не показана), проходящей внутри полого вала ротора электродвигателя 13, 4 - сепаратор первой ступени волновой передачи, выполненный одной деталью с корпусом 10, 5 - тела качения первой ступени волновой передачи, 6 - радиальный подшипник опорного устройства выходного звена 3 привода, 7 - жесткое колесо выходной ступени волновой передачи, 8 - сепаратор выходной ступени волновой передачи, жестко соединенный с корпусом 10, 9 - эксцентриковые втулки волнообразователя выходной ступени волновой передачи, выполненные одной деталью с жестким колесом 1 первой ступени волновой передачи, 10 - корпус электродвигателя, 11 - статор электродвигателя, 12 - ротор электродвигателя, 13 - вал ротора электродвигателя,
14 - тела качения выходной ступени волновой передачи. Габариты исполнительного механизма с волновой передачей 080 х 51 мм, масса 995 г.
Рис.3. Конструкция исполнительного механизма с волновой передачей с телами качения
Массогабаритные параметры исполнительных механизмов приводов с рассмотренными типами передач приведены в таблице.
Массогабаритные параметры исполнительных механизмов приводов с различными типами передач
Тип механической передачи Габариты , мм Масса, кг
Зубчатая цилиндрическая 192 х 100 х 71 3,195
Планетарная 124 х 71 х 54 1,320
Шариковинтовая 151 х 88 х 74 1,201
Роликовинтовая 165 х 51 х 70 1,058
Волновая с телами качения 080 х 51 0,995
Сравнение исполнительных механизмов электромеханических приводов, реализованных при помощи различных типов механических пере-
30
дач, показало, что механизм с волновой передачей с телами качения, построенный по принципу силового мини - привода, наиболее полно соответствует требованиям к приводу авиационных и ракетных систем, т.к. имеет меньшие массу и габариты, высокую кинематическую точность конструкции, непосредственное преобразование вращательного движения ротора электродвигателя во вращательное движение объекта управления.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Список литературы
1. Зубчатый цилиндрический редуктор: пат. Рос. Федерация
№2362923. Бюл. №21.
2. Силовой минипривод: пат. Рос. Федерация № 2281597. Бюл. №22.
3. Геращенко А.Н., Постников В.А., Самсонович С.Л.
Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов: учебник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010.
N.V. Krylov, S.L. Samsonovich, V.S. Stepanov
VOLUME CHARACTERISTICS OF ELECTRO-MECHANICAL ACTUATORS BASED ON VARIOUS TYPES OF TRANSMISSION
Design of air drone electro-mechanical actuators based on transmission various types were considered subject to mass and volume minimization. It appears from the analysis that ball-rolling harmonic gear is preferable for air drone rudder actuators.
Key words: rudder actuator, electro-mechanical actuators, power mini-drive, ball-rolling harmonic gear.
Получено 30.11.11
