CC BY
19
УДК 621.316.76
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-155-161
О РАЗРАБОТКЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА С ШАРИКО-ВИНТОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ C СЕПАРАТОРОМ И ЭЛЕКТРОННЫМ ЛЮФТОВЫБИРАЮЩИМ
УСТРОЙСТВОМ
Р.В. Горюнов, В.Т. Пенкин, В.А. Подшибнев, С.Л. Самсонович
Работа посвящена актуальной проблеме разработки электромеханического привода поступательного действия низкой стоимости с высокими динамическими характеристиками. Проведен анализ различных шарико-винтовых передач, показывающий, что наиболее простой и дешевой является шарико-винтовая передача с сепаратором. Люфт этой передачи, влияющий на динамические характеристики привода, предложено уменьшить за счет использования электронного люфтовыбирающего устройства. Составлена и проанализирована структурная схема электромеханического привода на основе шарико-винтовой передачи с сепаратором и электронного люфт выбирающего устройства.
Ключевые слова: шарико-винтовая передача, выбор люфта, электромеханический привод
В рулевых приводах беспилотных и пилотируемых ЛА используют электромеханические приводы (ЭМП) поступательного действия [1]. Применение ЭМП поступательного действия обусловлено традицией разработчиков самолетных гидравлических рулевых приводов, построенных на основе гидроцилиндров с рычажным механизмом. Такие приводы обладают простотой конструкции и существенно меньшими массогабаритными показателями по сравнению с гидравлическими приводами на основе двигателей вращательного действия.
В ЭМП эквивалентное поступательное движение выходного звена достигается использованием вращательного электродвигателя и механической передачи, преобразующей вращательное движение в поступательное [1]. К таким передачам относятся винтовые, реечные и волновые. Наибольшей простотой и высокой нагрузочной способностью обладают многорядные винтовые передачи. Кроме того, при использовании в винтовой передаче промежуточных тел качения (шариков или роликов) достигается уменьшение трения и повышение КПД. В настоящее время наибольшее применение получили шарико-винтовые передачи (ШВП)
Известно несколько основных вариантов конструктивных схем ШВП [2,3].Все конструктивные схемы ШВП содержат винт с различным профилем винтовой поверхности (треугольным, трапецеидальным, полукруглым и др.), промежуточные тела качения — шарики и гайку. Различие передач заключается в конструкции гайки. Наибольшее применение нашли гайки с внутренним винтовым профилем резьбы, аналогичным профилю винта и каналом перепуска шариков из одного витка к другому, обеспечивающим движение шариков по замкнутой дорожке, т.е. их рециркуляцию (см. рис.1 а.) [2, 3]. Недостатком ШВП с рециркуляцией шариков, согласно [4], является возможность заклинивания передачи при ударных нагрузках.
Возвратный канал ¡¡орожт тл ктешя Гайка
Вазбратный канал порожка тал качания Гчйка
№талтческии контакт шариков
Стопорная
Гайка Упругая шайбэ Шарик Винт
Винт
в) г)
Рис.1. Схемы ШВП: а - ШВП с рециркуляцией шариков; б - ШВП с упругими вкладышами (гибким сепаратором); в - шарико-подшипниковый механизм с ненагруженным сепаратором;
г - ШВП с сепаратором 155
Ещё одним недостатком ШВП является наличие люфта в передаче. Исключение заклинивания возможно за счёт использования в ШВП сепаратора [5]. В таких ШВП изменение формы шарика при ударных нагрузках не приводит к заклиниванию механизма. На рис. 1, б, в, г. приведены варианты конструктивных схем ШВП с сепаратором. В схеме, приведенной на рис. 1б. [3], в качестве сепаратора использованы упругие вкладыши. Наличие таких вкладышей позволило устранить контакт между шариками, улучшить удержание смазки за счет создания смазочных карманов, уменьшить колебания крутящего момента и, следовательно, плавность хода. Такие свойства механизма позволяют фирме ТМК представлять ШВП с сепаратором как высокоточную и работающую на высоких скоростях при больших нагрузках с повышенным эксплуатационным ресурсом в 2,5 раза по сравнению с ШВП с без сепаратора.
Однако, наличие сепаратора в виде упругих вкладышей со сферическими выемками для шариков сохраняет необходимость перепускного канала, что приводит к усложнению конструкции передачи и увеличению ее стоимости.
В шарико-подшипниковом винтовом механизме (рис. 1 в.) [2, 3] между гайкой и винтом расположен цилиндрический сепаратор, в гнездах которого размещены шарики. Винт в этом механизме может быть двухзаходный, а гайка выполнена из колец с внутренними кольцевыми канавками. Для выбора осевого люфта и создания натяга использована пружина с поджимной гайкой. В такой передаче необходимость в перепускном канале отпадает, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию.
Особенность конструкции ШВП с сепаратором (рис. 1 г.) [5] заключается в том, что гайка имеет форму поршня и состоит из корпуса, имеющего гладкую цилиндрическую внутреннюю поверхность, и сепаратора с гнездами, расположенными по винтовой линии с шагом, равным шагу винта. Сепаратор и корпус расположены коаксиально и жестко соединены между собой по торцам сепаратора так, что тела качения в процессе работы ШВП постоянно контактируют с поверхностями профиля винта, внутренней гладкой цилиндрической поверхностью гайки и поверхностями гнезд сепаратора. В качестве тел качения могут использоваться как шарики, так и ролики. Предлагаемая конструкция ШВП, у которой гайка выполнена без внутреннего винтового профиля, существенно упрощает технологию изготовления и снижает стоимость передачи.
Для обеспечения КПД соизмеримого с КПД ШВП с рециркуляцией шариков целесообразно обеспечивать соотношение геометрических параметров передачи в соответствии с зависимостями, приводимыми в работе [6].
Недостаток, связанный с наличием люфта, характерен для всех схем ШВП. Уменьшение люфта достигается введением люфтовыбирающегоустройства. В настоящее время используются механические люфтовыбирающие устройства, представляющие собой упругий элемент, устанавливаемый между двух частей разрезной гайки. Такое механическое люфтовыбирающее устройство создает постоянный пред-натяг в любых режимах работы ШВП, что увеличивает трение и понижает КПД. Уменьшение влияния люфта и достижение высокого КПД возможно за счёт использования логического электронного люфто-выбирающего устройства.
Функционально-конструктивная схема электромеханического привода на основе двух бесколлекторных двигателей и шарико-виновой передачи с сепаратором. Результатам исследований ЭМП поступательного действия с логическим электронным люфтовыбирающим устройством и особенностям таких характеристик как осевая жесткость и люфт характеристик данного привода посвящена эта статья ЭМП на основе ШВП с логическим электронным люфтовыбирающим устройством содержит, аналогично ЭМП с ШВП с механическим люфтовыбирающим устройством, две одинаковые гайки. При этом гайки жестко связаны с роторами электродвигателей, суммарная мощность которых равна требуемой мощности ЭМП. Функционально-конструктивная схема такого ЭМП приведена на рис. 2.
На рис. 2. обозначены: АБ - аккумуляторная батарея; БУП - блок управления приводом; ЭЛУ -электронное люфтовыбирающее устройство; ЭД - электрический двигатель; ДОС - датчик обратной связи; ШВП - шарико-винтовая передача; К - качалка; ОУ - объект управления; иПИТ - напряжение питания; иУПР -сигнал управления; Пдв- напряжение на электрическом двигателе; идосПИТ- напряжение питания ДОСа; идос- сигнал с датчика обратной связи; Пдпрпит - напряжение питания датчика положения ротора, ифэд - сигнал с датчиков положение ротора ЭД; ¥шт~ усилие нагрузки на выходном звене; Ушт-скорость перемещения выходного звена.
Следует отметить, что построение ЭМП с люфтовыбирающим логическим электронным устройством обуславливает с одной стороны удорожание привода за счёт использования двух ЭД с блоками управления, а с другой - сокращение расходов на изготовление гаек за счёт более свободных допусков на размеры, влияющие на люфт. Кроме того, что особенно важно для беспилотных и пилотируемых ЛА, наличие двух каналов увеличивает устойчивость привода к электрическим отказам, так как при отказе одного из каналов функционирование сохраняется с развиваемой мощностью одного канала (не менее требуемой мощности).В схеме, показанной на рис. 2, использован индукционный датчик положения выходного звена ЭМП, ротор которого через рычажную передачу связан с винтом ШВП.
Использованное логическое люфтовыбирающее устройство преобразует сигнал ошибки в каждом канале так, что при изменении знака сигнала ошибки формируется запаздывание в одном из каналов относительно другого [6]. В результате, развиваемые на гайках моменты действуют в противоположные стороны и выбирают люфт аналогично механическому распору, создаваемому упругим элементом в механических люфтовыбирающих устройствах. При сигнале ошибки одного знака в режиме однонаправ-
ленного движения моменты на гайках являются однонаправленными и суммируются на общем винте. При использовании логического электронного люфтовыбирающего устройства взаимное нагружение каналов проявляется только в очень ограниченном интервале времени при смене знака скорости, что обеспечивает высокий КПД привода. Кроме того, выбор люфта без существенных затрат электроэнергии обеспечивается за счет наличие маломощных слаботочных цепей в электронном люфтовыбирающем устройстве.
Рис. 2. Функционально-конструктивная схема электромеханического привода на основе двух бесколлекторных двигателей, шарико-виновой передачи с сепаратором с общим винтом, двумя гайками и с электронным люфтовыбирающим устройством
Структурная схема ЭМП с люфтом и логическим электронным люфтовыбирающим устройством приведена на рис. 3, 4. В схеме люфт представлен в виде совокупности осевого зазора в гнездах сепаратора в виде звена «зона нечувствительности» и коэффициента жесткости механической передачи. В схеме предусмотрена возможность использования промежуточной механической передачи между электродвигателем (ЭД) и гайкой ШВП с передаточным числом д.При отсутствии промежуточной механической передачи q=l.
Рис. 3. Структурная схема ЭМП поступательного действия с электронным люфтовыбирающим устройством
Рис. 4. Структурная схема ИМ ЭМП поступательного действия
На рис. 3 обозначены: UyПР— управляющий сигнал; в - сигнал ошибки; UВХI, - входной управляющий сигнал на 1-ый и 2-ой каналы привода, соответственно; MдВI, MдВII - момент, развиваемый двигателем 1-ого и 2-ого канала, соответственно; фдВ,фдВ - скорость вращения двигателя 1-ого и 2-ого канала, соответственно; Fшт-сила на штоке ЭМП; Xшвп - ход ШВП, фк - угол поворота качалки; Mн -момент нагрузки, действующий на объект управления; фР - угол поворота объекта управления; Mк - момент на качалке; Fн - сила действующая на ЭМП со стороны качалки.На рис. 4. обозначены: ^дВ,^дВ -угол поворота двигателя 1-ого и 2-ого канала , соответственно; ^р^г7 -угол поворота гайки 1 -ого и 2-ого канала , соответственно; F1 , F2 - составляющая усилия на общем винте, создаваемая 1-ой и 2-ой гайкой, соответственно; Fz - суммарное усилие на общем винте. Моделирование работы ЭМП с электронным люфтовыбирающим устройством производилось в среде MatLabSimulink. На рис. 5 приведен результат моделирования в виде осциллограмм отработки гармонического сигнала ЭМП с люфтом и люфтовыбирающим устройством.
0123-156739 10
Рис. 5. Осциллограммы отработки гармонического сигнала: а - входной сигнал, выходной сигнал, сигнал; б - скорость и ускорение выходного звена ЭМП; в - усилия, развиваемые отдельными каналами, и суммарное усилие на выходном звене
На осциллограммах обозначены: Xвx - входной сигнал управления; X - координата, соответствующая положению выходного звена ЭМП; в - сигнал ошибки; F1- составляющая усилия на общем винте, создаваемая первой гайкой; F2- составляющая усилия на общем винте, создаваемая второй гайкой; Fz - суммарное усилие на общем винте.
При отработке гармонического сигнала в зоне перехода сигнала ошибки при изменении знака скорости выходного звена ЭМП силы F1 и F11 направлены в противоположные стороны и обеспечивают выбор люфта. При больших сигналах ошибки там, где не требуется выбор люфта, силы F1 и F11 направлены в одну сторону и суммируются.
Для исследования динамических характеристик ЭМП с ЭЛУ определена суммарная жесткость исполнительного механизма (ИМ) с ШВП с двумя гайками. На рис. 6 приведена расчетная схема ИМ, состоящая из сосредоточенных масс, моментов инерции и упругих элементов. Для представления физических процессов взаимодействия каналов на расчетной схеме приведены передаточные числа редукторов, коэффициент передачи ШВП а также суммарный люфт каждого канала ИМ, приведенный к выходному звену.
На рис. 6 обозначены: CРЕд1, ^цд11- коэффициенты крутильных жесткостей кинематических цепей промежуточных механических передач первого и второго канала, соответственно, приведенные к гайкам; CШВП1, CШВП11 - коэффициенты растяжения-сжатия рабочих витков ШВП первого и второго канала, соответственно; JдВ1, JдВ11- моменты инерции роторов двигателей первого и второго канала, соответственно; JР1, JР11 - приведенные к гайке моменты инерции промежуточных механических передач первого и второго канала, соответственно; Jг1, Jг11 -моменты инерции гаек первого и второго канала, соответственно; mв - приведенная к винту масса; Ь1, Ь11 - люфт гаек первого и второго канала, соответственно; p- шаг винтовой линии ШВП.
1 fa
тв
Рис. 6. Расчетная схема 2-ух канального ЭМП
Жесткость кинематической цепи ИМ с учетом люфтов, приведенная к общему винту, определяется по формулам:
СРЕД (~) ^ШВП СрЕД Сшвп , „
Су =--+--,если Ь'Ю = Ь" (О
С'
иРЕД
(if
+ С1
^ иШВП
С"
иРЕД
(if
+ с"
ШВП
Су =
г1
иРЕД
(£)2 СШ|
Г1
иРЕД
Су =
Г11 иРЕД
(¿Г (В
+ г'
ШВП
-,если b'(t) < b"(t)
rii иШВП
гII иРЕД
(if
,если b'(t) > b"(t)
+ Г"
ШВП
Жесткости СШВП и СРЕд определяются для конкретной схемы ИМ индивидуально в зависимости от кинематической схемы и параметров звеньев кинематической цепи ИМ. Как следует из приведенных зависимостей при малых входных сигналах, соизмеримых с величиной люфта, жесткость ИМ определяется жесткостью канала с меньшим люфтом.Если люфт каналов одинаковый жесткости ИМ удваивается. При больших входных сигналах и воздействующих моментах нагрузки жесткость не зависит от величины люфта и определяется суммой жесткостей каналов.
Выводы:
1. Проведенные исследования, показали возможность использования логического электронного люфтовыибарющего устройства в электромеханическом приводе поступательного действия.
2. Показано, что жесткость кинематической цепи электромеханическом приводе поступательного действия зависит от величины люфта в обоих каналах.
3. Установлено, что использование двух гаек в ТТТВП позволяет увеличить жесткость кинематической цепиэлектромеханического привода поступательного действия при отработке больших сигналах с амплитудой превышающей величину люфта в обоих каналах.
Список литературы
1. Крылов Н.В., Лалабеков В.И., Огольцов И.И. и др. Электромеханические силовые мини-приводы для «более электрифицированного» самолета под ред. С.Л. Самсоновича. М.: Изд-во МАИ, 2016. 360 с.
2. Павлов Б.И. Шариковинтовые механизмы в приборостроении. Л.: Машиностроение, 1968.
68 с.
3. Каталог ТТТВП THK [Электронный ресурс] URL: https://thk.ru/cataloguespdf/511RU 15 BallScrew.pdf (дата обращения: 10.08.2022).
4. Воронович С., Каргапольцев В., Кутахов В. Полностью Электрический Самолет. Авиапанорама., No 2, 2009, С. 23.
5. Абдулин Р.Р., Самсонович С.Л., Борисов М.В., Зудилин А.С. и др. Электромеханический привод поступательного действия Патент РФ 2017104322 опубл. Бюл. №23, 2018.
6. Абдулин Р.Р., Большаков В.В., Подшибнев В.А. и др. О результатах исследования КПД ша-рико-винтовых передач с сепаратором. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2022, № 2 (141). С. 54-74. DOI: 10.18698/0236-3941-2022-2-54-74.
7.Абдулин Р.Р., Большаков В.В., Зудилин А.С. и др. О разработке электромеханического привода с шарико-винтовой передачей, защищенной от заклинивания. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2020, № 6. С. 66-82.
8. Самсонович С.Л., Федотов Б.К., Горюнов Р.В. Способ и устройство выборки люфта в кинематической передаче опорно-поворотного устройства с двумя взаимосвязанными электроприводами. Патент на изобретение № 2726951, опубликовано 17.07.2020, бюллетень №20.
Горюнов Роман Владимирович, старший преподаватель, radiofizika01@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Пенкин Владимир Тимофеевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, penkin@hotmail. com, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Подшибнев Владимир Александрович, ассистент, podshibneff@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Самсонович Семен Львович, д-р. техн. наук, профессор, samsonovich40@mail. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
ABOUT THE DEVELOPMENT OF AN ELECTROMECHANICAL DRIVEWITH BALL-SCREW TRANSMISSION WITH SEPARATOR AND AN ELECTRONIC BACKLASH-PICKING DEVICE
R.V. Goryunov, V.T. Penkin, V.A. Podshibnev, S.L. Samsonovich
The work is devoted to the actual problem of developing an electromechanical transnational drive of low cost with high dynamic characteristics. The analysis of various ball-screw gears is carried out, showing that the simplest and cheapest is a ball-screw transmission with a separator. The backlash of this transmission, which affects the dynamic characteristics of the drive, is proposed to be reduced by using an electronic backlash-picking device. A block diagram of an electromechanical drive based on a ball-screw transmission with a separator and an electronic backlash of the selecting device is compiled and analyzed.
Key words: ball-screw transmission, backlash selection, electromechanical drive.
Goryunov Roman Vladimirovich, senior lecturer, radiofizika01@mail.ru, Moscow, Russia, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Penkin Vladimir Timofeevich, candidate of technical sciences, senior researcher, pen-kin@hotmail.com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Podshibnev Vladimir Alexandrovich, assistant, podshibneff@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Samsonovich Semyon Lvovich, doctor of technical sciences, professor, samsonovich40@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
