王超，周如鍇，陳為，任建國(guó)

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100000）

1 前言

電控瞄準(zhǔn)儀用于為運(yùn)載火箭提供射前初始方位角。為滿足某型號(hào)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)需求，電控瞄準(zhǔn)儀方位微動(dòng)、俯仰微動(dòng)需要具有電動(dòng)和手動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式。這兩種操作模式能實(shí)現(xiàn)迅速切換，而且不能對(duì)方位角和俯仰角造成干擾。為此需要一種小體積的切換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)切換動(dòng)作，要求操作簡(jiǎn)單性能可靠。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電控瞄準(zhǔn)儀方位、俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)需求，取消了微動(dòng)和制緊機(jī)構(gòu)，增加了電驅(qū)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，并集成了手動(dòng)微動(dòng)功能。利用摩擦制動(dòng)技術(shù)，分離了微動(dòng)和大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足大角度方位、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)的快速性要求。

2.1 組成結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪、斜齒輪-蝸桿、手動(dòng)-電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)組成。斜齒輪與豎軸系同軸定位，通過(guò)簧片產(chǎn)生的徑向壓緊力抱緊豎軸系。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪、蝸桿、手動(dòng)-電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)固定在儀器身架上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速齒輪由蝸桿驅(qū)動(dòng)斜齒輪旋轉(zhuǎn)，斜齒輪通過(guò)簧片徑向壓緊力產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動(dòng)豎軸系旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)儀器電動(dòng)方位微動(dòng)。當(dāng)儀器需要大角度方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以直接轉(zhuǎn)動(dòng)身架，克服簧片徑向壓緊力產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)大角度方位轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要手動(dòng)微動(dòng)時(shí)，通過(guò)手動(dòng)-電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)切換到手動(dòng)方式，旋轉(zhuǎn)微動(dòng)手輪通過(guò)摩擦輪驅(qū)動(dòng)蝸桿實(shí)現(xiàn)手動(dòng)微動(dòng)。切換機(jī)構(gòu)具有限位保護(hù)功能，可以防止電動(dòng)工作狀態(tài)下手動(dòng)微動(dòng)手輪連帶轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1、圖2為本微動(dòng)驅(qū)動(dòng)的離合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1為于手動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，圖2為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。

圖1 瞄準(zhǔn)儀微動(dòng)驅(qū)動(dòng)離合裝置手動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式

圖2 瞄準(zhǔn)儀微動(dòng)驅(qū)動(dòng)離合裝置電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式

基座固定于電控瞄準(zhǔn)儀機(jī)殼內(nèi)，電機(jī)和蝸桿分別固定于基座上，蝸桿的一端通過(guò)一傳動(dòng)裝置連接于所述電機(jī)，摩擦輪設(shè)置于蝸桿的另一端。固定套固定于電控瞄準(zhǔn)儀機(jī)殼上，撥輪有一中心孔，其一端設(shè)置于固定套，且撥輪的外表面與固定套的內(nèi)孔壁設(shè)有相配的定位結(jié)構(gòu)。導(dǎo)套與固定套固定連接，導(dǎo)套的一端位于固定套內(nèi)并與所述撥輪相抵，導(dǎo)套與撥輪相抵的端面分別設(shè)有平面部和角度相同的斜面部，即如圖所示的撥輪斜面、撥輪平面、導(dǎo)套平面、導(dǎo)套斜面，通過(guò)調(diào)整撥輪使導(dǎo)套與撥輪不同面的接觸達(dá)到離合裝置不同的驅(qū)動(dòng)模式。撥輪斜面導(dǎo)套斜面為角度相同的斜面，較佳的可以選擇40～50°。

摩擦桿貫穿撥輪及導(dǎo)套，摩擦桿與導(dǎo)套之間設(shè)有一彈性機(jī)構(gòu)，彈性機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的彈力使摩擦桿的頭部與摩擦輪結(jié)合，固定套的設(shè)置位置應(yīng)該滿足，手動(dòng)位置時(shí)，摩擦桿的頭部向?qū)淄獠垦由觳⒛軌蚺c摩擦輪結(jié)合。手輪固設(shè)于摩擦桿的尾部，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可以驅(qū)動(dòng)摩擦桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

手動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式工作時(shí)，電機(jī)斷電停止轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)撥輪2至“手動(dòng)”位置，如圖3所示，撥輪斜面與導(dǎo)套斜面接觸，摩擦桿沿導(dǎo)套向右伸出，在彈性機(jī)構(gòu)的作用下摩擦桿的頭部與摩擦輪結(jié)合，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪驅(qū)動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)微動(dòng)工作。

圖3 離合裝置側(cè)向視圖

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式工作時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)撥輪2至“電動(dòng)”位置，撥輪平面與導(dǎo)套平面接觸，摩擦桿沿導(dǎo)套向左收回與摩擦輪脫開(kāi)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)大小齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)微動(dòng)工作。

2.2 定位結(jié)構(gòu)

定位結(jié)構(gòu)可以提供多種實(shí)施方式，本離合裝置采取的實(shí)施方式為：固定套的內(nèi)孔壁上設(shè)有兩個(gè)沿軸向的V型槽，如圖4所示，撥輪沿徑向設(shè)有凹槽，于凹槽中設(shè)置限位彈簧及限位鋼珠，撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，限位鋼珠在限位彈簧的作用下進(jìn)入V型槽而使撥輪可靠定位。

圖4 固定套結(jié)構(gòu)示意圖

定位結(jié)構(gòu)也可以將V型槽設(shè)于撥輪上，將凹槽、限位彈簧及限位鋼珠設(shè)于固定套的內(nèi)孔壁上，同樣，撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，限位鋼珠在限位彈簧的作用下進(jìn)入V型槽而使撥輪可靠定位。

2.3 彈性機(jī)構(gòu)

彈性機(jī)構(gòu)可以有多種實(shí)施方式，本離合裝置以如圖所示的具體結(jié)構(gòu)為較佳實(shí)施方式。導(dǎo)套的內(nèi)徑與摩擦輪的外徑相對(duì)位置，分別通過(guò)變截面而形成一容置空間，將容置空間內(nèi)設(shè)置一壓力彈簧。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)撥輪使撥輪斜面與導(dǎo)套斜面接觸時(shí)，摩擦桿沿導(dǎo)套向右伸出，在壓力彈簧的作用下摩擦桿的頭部與摩擦輪結(jié)合。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)

電控瞄準(zhǔn)儀的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能用來(lái)跟蹤運(yùn)載火箭箭體移動(dòng)。箭體高53456mm，呈倒圓錐狀擺動(dòng)，擺幅為±106mm，頻率0.35Hz，因此，周期T按3秒估算。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將箭體擺動(dòng)簡(jiǎn)化為單擺運(yùn)動(dòng)，單擺在最高點(diǎn)時(shí)加速度最大，此時(shí)擺角θ=arctan（106/53456）=0.114°，其角加速度α為：

電控瞄準(zhǔn)儀豎軸回轉(zhuǎn)部分假定嚴(yán)格配平，重心在回轉(zhuǎn)軸上，此時(shí)可將豎軸回轉(zhuǎn)部分簡(jiǎn)化為圓柱體來(lái)計(jì)算其以豎軸軸線為回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：

式中,K為系數(shù)；m為豎軸回轉(zhuǎn)部分質(zhì)量,kg；D為豎軸回轉(zhuǎn)部分計(jì)算直徑，m.

所以，J=KmD2/4=0.15×15×0.182=0.073kgm2。

電控瞄準(zhǔn)儀方位轉(zhuǎn)動(dòng)速度按30°/s計(jì)算，1秒鐘實(shí)現(xiàn)0～30°/s的加速過(guò)程，即角加速度α=300/s2=0.52弧度/s2，滿足跟蹤要求，因此按0.52弧度/s2計(jì)算瞄準(zhǔn)儀豎軸回轉(zhuǎn)部分的慣性力矩M1：

電控瞄準(zhǔn)儀主機(jī)身架回轉(zhuǎn)有害力矩為78～88mN·m，以經(jīng)驗(yàn)對(duì)比確定電控瞄準(zhǔn)儀回轉(zhuǎn)有害力矩為100mN·m；所以，方位轉(zhuǎn)動(dòng)總負(fù)載力矩為100+38=138mN·m。

蝸桿蝸輪的傳動(dòng)效率η=0.7，大小齒輪減速比為3.07，蝸輪蝸桿減速比為800，則需要的電機(jī)最小驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)為：

考慮到低溫工況，驅(qū)動(dòng)力矩要大于計(jì)算值的5倍，故電機(jī)扭矩不應(yīng)小于0.08×5=0.4mN·m。

選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)為MAXON公司EC-max16無(wú)刷直流電機(jī)，空載轉(zhuǎn)速13000rpm，額定轉(zhuǎn)速5540rpm，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩3.46mN·m，轉(zhuǎn)矩滿足要求。

由于方位轉(zhuǎn)動(dòng)總負(fù)載力矩遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)在接近空載狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)電機(jī)輸出力矩—轉(zhuǎn)速圖表確定電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為8000rpm。

方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比i=800×3.07=2456，電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)1°對(duì)應(yīng)斜齒輪（即豎軸）轉(zhuǎn)動(dòng)角度為：

所以，瞄準(zhǔn)儀方位轉(zhuǎn)動(dòng)速度為：

3.2 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)

摩擦輪產(chǎn)生的摩擦力矩應(yīng)大于總負(fù)載力矩，同時(shí)手動(dòng)切換時(shí)不感覺(jué)費(fèi)力?？傌?fù)載力矩為138mN·m，蝸桿-斜齒輪的傳動(dòng)效率η=0.7，需要摩擦輪提供的最小力矩應(yīng)為：

138/i/η=138/2456/0.7=0.08mN·m。

考慮到低溫工況，驅(qū)動(dòng)力矩要大于計(jì)算值的5倍，故摩擦力矩不應(yīng)小于0.08×5=0.4mN·m?？紤]轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)有一定阻尼比較舒服，確定摩擦輪提供的力矩為4.9mN·m（50g·cm）。

圖5中，Q1為驅(qū)動(dòng)輪彈簧施加的預(yù)緊力，N；

圖5 摩擦力示意圖

R被動(dòng)輪球面半徑，m；

Q兩輪之間的法向壓緊力，N；

摩擦輪產(chǎn)生的力矩M3；

式中，M3=4.9×10N?m；

所以，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪彈簧施加0.55N的軸向力時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)方位微動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

該離合裝置實(shí)現(xiàn)了電控瞄準(zhǔn)儀的手動(dòng)、電動(dòng)兩種微動(dòng)模式的切換，具有體積小、操作方便、切換速度快等特點(diǎn)，不增加附加力矩，對(duì)方位角和俯仰角無(wú)干擾，同時(shí)具有限位保護(hù)功能，保證切換動(dòng)作可靠，滿足了瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)電控瞄準(zhǔn)儀的需求。