李永鋒 寇鵬飛 穆菲菲 寇學(xué)鋒

（陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000）

1 概述

1.1 功能

該電動機構(gòu)配套于某兩棲輕型飛機，操縱方向舵調(diào)整片的偏轉(zhuǎn)，并將偏轉(zhuǎn)角通過電位器反饋給駕駛員，從而控制飛機航向。

1.2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

電動機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成如圖1，由基座體1、電機組件2、卡箍3、齒輪組件4、輸出齒輪5、傳動軸6、絲杠軸7、力矩螺母8、“瓦”形片彈簧9、鉸鏈軸10、傳動桿11、T 型滑塊12 等組成。其具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、位置反饋準(zhǔn)確、環(huán)境適應(yīng)性強，能夠在工作行程任意位置自鎖等特點，符合飛機的機動性要求。

圖1 電動機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成及原理

工作原理：當(dāng)駕駛員需要調(diào)整飛機航向時，給直流永磁電機施加正（負）控制電壓，使電機正（反）轉(zhuǎn)，并輸出一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；通過六級減速器使輸出軸獲得要求的小速度和大轉(zhuǎn)矩，再通過輸出軸上的絲杠螺母機構(gòu)及基座體上T 型滑塊導(dǎo)軌機構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，最終以一定的速度和力度驅(qū)動方向舵調(diào)整片按要求的方向和角度偏轉(zhuǎn)，同時電位器將偏轉(zhuǎn)角信號反饋給駕駛員，當(dāng)?shù)竭_要求航向時，駕駛員將切斷電電機電源，此時電動機構(gòu)自鎖功能即可保證飛行按要求航向飛行。

2 技術(shù)性能

電動機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3 關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

3.1 自鎖功能結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

3.1.1 技術(shù)要求

電動機構(gòu)在工作過程任意位置可實現(xiàn)自鎖（表1）。

表1 方向舵調(diào)整片電動機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

3.1.2 功能結(jié)構(gòu)分析

在設(shè)計機械機構(gòu)時，為使機構(gòu)實現(xiàn)預(yù)期運動，應(yīng)避免在所需運動方向上發(fā)生自鎖；相反有些機構(gòu)的工作又需要其具有自鎖的特性，如該千斤頂。該電動機構(gòu)的自鎖特性是通過螺旋輸出機構(gòu)，即絲杠螺母（M6×0.75）來實現(xiàn)的。其自鎖特性具體是指只能有正向運動，即將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母的直線運動。

3.1.3 結(jié)構(gòu)自鎖特性校核計算

a. 絲杠螺旋升角λ

式中：

L- 螺紋導(dǎo)程

d2- 螺紋中徑 取5.513

n- 螺紋頭數(shù) 取1

p- 螺距 取0.75

則螺旋升角

λ＝arctg（np/πd2）＝arctg（0.75/5.513π）=2.48°

b. 螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù)fv與當(dāng)量摩擦角ρv

式中：

F- 鋼絲杠/青銅螺母摩擦系數(shù)，查表材料手冊：0.10～0.15

β- 螺紋牙形斜角30°

而當(dāng)量摩擦角

式中：

f- 取最小值0.10

c.自鎖性判定

當(dāng)量摩擦角與摩擦系數(shù)在給定區(qū)間(0.10～0.15) 單調(diào)性相同，故當(dāng)摩擦系數(shù)取最小值0.10 時所計算出的當(dāng)量摩擦角也是最小值，如果最小當(dāng)量摩擦角都大于螺紋升角，則表明此螺旋機構(gòu)自鎖性良好。

上述計算表明；最小當(dāng)量摩擦角ρv（6.59°）明顯大于螺紋的螺旋升角λ（2.48°）。所以，此螺旋機構(gòu)自鎖性良好。

3.2 螺旋輸出機構(gòu)及電位計超量程保護機構(gòu)技術(shù)分析

電位器工作行為10.35mm，全行程15 mm 。全行程為工作行程加上兩上螺母的寬度。設(shè)計電位計時其機械行程應(yīng)大于全行程15 mm，但受空間尺寸及重量限制，故電位計加設(shè)超量程保護機構(gòu)。

此超量保護機構(gòu)就是對稱分布于螺桿兩端部分那一小段空刀光杠、擋圈、墊圈和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的“瓦”形片彈簧組。具體工作過程：電位計超量程時，螺旋輸出機構(gòu)將螺母旋移出螺紋，并在輸出軸向力作用下使串聯(lián)結(jié)構(gòu)的“瓦”形片彈簧組發(fā)生彈性變形，彈性變形量正好等于1 個螺母的寬度，于是螺母在空刀光杠就無沿軸向相對運動。那么螺母就不能推動與T 型滑塊固連的電刷，從而有效防止了電刷超量程發(fā)生變形，甚至折斷。當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，串聯(lián)結(jié)構(gòu)“瓦”形片彈簧組對螺母施以軸向預(yù)緊力，快速使螺母旋移到絲杠螺紋上進入正常工作狀態(tài)。

3.3 過載保護結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)負載力大于螺旋輸出機構(gòu)的輸出力時，負載力不可能反向推動螺母，使絲杠發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，這同樣是由螺旋輸出機構(gòu)的自鎖特性來實現(xiàn)的。

4 結(jié)構(gòu)強度校核計算

4.1 傳動桿拉伸強度和壓縮穩(wěn)定性的校核計算

此值遠大于HB5836-1983 要求的7 倍工作負荷（額定負載55N）的靜強度極限負荷值385N。故傳動桿在拉伸狀態(tài)下是足夠安全的。

4.1.2 傳動桿壓縮穩(wěn)定性分析與校核計算

細長桿件受壓，開始時軸線為直線，接著隨著力的逐漸增大，但仍小于某一極限值（臨界壓力Pcr）時，細長桿件一直保持直線形狀的平衡，即使有微小的側(cè)向干擾力使其暫時發(fā)生輕微彎曲，但干擾力解除后，仍可獲復(fù)直線狀態(tài)。當(dāng)壓力超過臨界壓力Pcr時，細長桿受壓狀態(tài)下的直線平衡變得不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變?yōu)榍€形狀的平衡。壓桿喪失其直線形狀的平穩(wěn)而過渡為曲線平衡，稱為失穩(wěn)或屈服。桿件失穩(wěn)后，壓力的稍微增加將引起彎曲變形顯著增大，桿件已喪失了承載能力。

下面采用安全系數(shù)法對細長傳動桿受壓時的穩(wěn)定性進行校核計算。

4.2 鉸鏈軸彎曲強度計算

圖2 鉸鏈軸工作受力分析圖

4.3 絲杠螺母螺紋強度校核計算

螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于絲杠（螺桿），故只需校核螺母的螺紋牙的強度。

圖3 螺母螺紋圈的受力

5 結(jié)論

通過上述對電動機構(gòu)自鎖性和結(jié)構(gòu)件薄弱環(huán)節(jié)或危險剖面進行拉伸（壓縮）、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性等單一性強度校核或復(fù)合性強度校核，表明在120N 最大工作載荷或55N 額定工作載荷下，電動機構(gòu)在工作行程任意位置可實現(xiàn)自鎖，且工作穩(wěn)定、安全、可靠的。