Методика проектирования привода на основе волновой передачи с телами качения

В.1. Обзор электромеханических исполнительных механизмов рулевых приводов летательных аппаратов.

Общие тенденции развития техники, а также анализ технической литературы и проведенный патентный поиск свидетельствует, что одним из основных направлений в развитии электромеханических рулевых приводов летательных аппаратов является уменьшение массогабаритных показателей [1]. Обязательным требованием к элементам энергетического канала привода является высокое значение удельной^ мощности.

В беспилотных JIA для управления полетом чаще всего используется электропривод, исполнительный механизм (ИМ) которого содержит электрический: двигатель, механическую передачу, опорное устройство выходного вала привода, а также различные датчикиВ- качестве силового редуктора чаще всего применяется многоступенчатая, зубчатая цилиндрическая передача или шариковинтовая передача-.

Примером ИМ с зубчатой цилиндрической передачей может служить блок рулевых приводов, показанный на рисунке В. 1 [2]. Блок рулевых приводов включает в себя четыре независимых ИМ, размещенных в корпусе 3. Каждый исполнительный механизм содержит электродвигатель 8, многоступенчатую зубчатую цилиндрическую передачу 7 и зубчатый сектор 13. Для выборки люфта в кинематической цепи использовано люфтовыбирающее устройство.

Недостатками приводов с зубчатой цилиндрической передачей являются большие габариты при реализации высоких передаточных чисел, а также необходимость иметь люфтовыбирающее устройство.

Стремление улучшить массогабаритные показатели и кинематическую точность ИМ приводит к применению бескорпусных вентильных электродвигателей и механических передач с многопоточным или многопарным зацеплением [3].

Рисунок B. I Блок рулевых приводов с многоступенчатой цилиндрической зубчатой передачей.

1 — блок исполнительных механизмов, 2 — блок управления, 3 — корпус, 4 — ось, 5,18- подшипники. 6 — пружина люфтовыбирающего устройства, 7 — многоступенчатая зубчатая цилиндрическая передача, 8 — электродвигатель, 9 — датчик обратной связи, ] 0 — шпильки, 11, 12 — разъемы, 13 — зубчатый сектор, 14 — электронная плата, 15 — стакан, 16 — хомут, 17 — выходная шестерня.

Вентильные электродвигатели на редкоземельных магнитах в бескорпусном исполнении имеют высокие показатели удельной мощности. Такие двигатели характеризуются высокой надежностью и ресурсом, т.к. не имеют коллектора, а для коммутации обмоток используют информацию с датчика положения ротора. Микропроцессорное управление, использование широт-но-импульсной модуляции позволяет минимизировать потери энергии.

В качестве малогабаритных передач с многопарным зацеплением известны шариковинтовые, роликовинтовые и волновые передачи, с многопоточным зацеплением — различные схемы планетарных зубчатых передач. Перечисленные передачи' имеют высокие значения удельного момента, т. е. максимального крутящего момента на выходном звене передачи, отнесенного к объему передачи, на, широком диапазоне реализуемых передаточных чисел.

4].

Электромеханические приводы с шариковинтовыми передачами используются как в беспилотных, так и в пилотируемых JIA.

Достоинством шариковинтовых передач являетсявысокий КПД Чш-винт =0,9−0,95, так как отсутствуют пары с трением скольжениякроме того большое количество шариков обеспечивает высокую точность и равномерность поступательного движения с сохранением этих параметров в процессе эксплуатации. Использование двойной гайки с механизмом выбора люфта, например, с помощью пружины, позволяет выбирать осевой люфт без значительного снижения КПД.

В качестве недостатков шариковинтовых передач принято считать высокую точность изготовления винта и гайки и увеличенные габариты гайки из-за наличия механизма возврата шариков и регулировки осевого зазора между гайками.

На рисунке В.2 приведена конструкция блока рулевых приводов беспилотного JIA, имеющих в составе редуктора шариковинтовую передачу. Недостатком этой конструкции является использование в качестве выходного каскада редуктора реечной передачи, с целью преобразования поступательного движения во вращательное.

IzS.

Рисунок В.2. Блок рулевых приводов с шариковинтовой передачей. I — исполнительный двигатель, 2,3 — цилиндрические пары, 4,5 — винт и гайка шариковинтовой передачи, 6 — потенциометр обратной связи, — рейка, 8 — реечное колесо, 9 — выходной вал, 10,11 — подшипники выходного вала.

Существуют опытные образцы резервированных электромеханических приводов с шариковинтовыми передачами для пилотируемых JIA. На рисунке В. З показан электромеханический привод рулевой поверхности самолета, созданный по программе EPAD (США) [5]. В этом приводе имеется два электродвигателя, скорости которых суммируются при помощи дифференциала. На суммирующем валу дифференциала установлена промежуточная передача, выходной вал которой соединен с гайкой шариковинтовой передачи, винт которой совершает поступательное движение. Данная конструкция имеет одинаковую с существующими электрогидравлическим приводами схему соединения штока с рулем и корпуса с неподвижной частью JIA. Недостатком этой конструкции является необходимость промежуточного редуктора и дифференциала, отрицательно влияющие на массу и габариты.

Роликовинтовая передача представляет собой разновидность планетарной передачи (см. рисунок В.4). Особенность конструкции заключается в том, что между витками винта и гайки расположены резьбовые ролики-сателлиты. Для синхронизации вращения роликовvотносительно1 винта и исключения их проскальзывания на концах роликови на внутренней поверхности гайки нарезаны зубчатые венцы. Передачи различают по длине роликов.

При описании принципа действия роликовинтовых передач делается представление, что между элементами резьбы действуют соотношения, аналогичные элементам шариковинтовой передачи. При угле треугольного профиля резьбы (а = 90°) в резьбовом ролике выделяют воображаемые диаметры шариков, расположенные между винтом и гайкой (см. рисунок В.4). Такое представление позволяет утверждать, что между витками трение скольжения заменяется трением качения, возрастает нагрузочная способность и долговечность передачи. Поэтому роликовинтовые передачи имеют лучшие массо-габаритные показатели по сравнению с шариковинтовыми при тех же нагрузках. Передача обратима, если направления резьбы гайки, роликов и винта одинаковы. Передача необратима, если резьба гайки и роликов имеет направление, противоположное направлению резьбы винта. КПД передачи по разным источникам составляет 0,7−0,93.

Рисунок В. З. Электромеханический привод, разработанный по программе EPAD.

Рисунок В.4. Передача качения винт-гайка с короткими резьбовыми роликами, i — винт, 2 — гайка, 3 — резьбовые ролики, 4 — сепаратор, 5 — зубчатые пары гайки и роликов.

ИМ на основе роликовинтовых передач перспективны в качестве приводов стабилизации и наведения в канале угла места артиллерийских установок боевых кораблей, танков и САУ. Сведений об установке приводов на основе роликовинтовых передач в качестве приводов рулевых поверхностей в открытой печати не обнаружено, однако известно об установке подобного привода фирмы Exlar (США) для управления давлением воды в резервуаре в самолете для тушения пожаров на основе Boeing 747 (см. рисунок В.5).

Недостатком использования роликовинтовых передач, как и шариковинтовых, в блоке рулевых приводов является необходимость использования дополнительного механизма, преобразующего поступательное движение винта во вращательное рулевой поверхности.

Использование соосных передач с многопарным или многопоточным зацеплением позволяет построить кинематическую схему редуктора без дополнительной передачи после механизма с многопарным или многопоточным зацеплением.

Электромеханические приводы с планетарной зубчатой передачей, реализующей многопоточное зацепление, применяются на перспективных пилотируемых JIA, как правило, для управления менее ответственными или менее требовательными с точки зрения динамических характеристик аэродинамическими поверхностями — носками крыльев, закрылками и т. п. [6].

Достоинством этих конструкций является возможность компоновки передачи вдоль оси управляемой аэродинамической поверхности (см. рисунок В.6 а, б).

Исполнительные механизмы электромеханических рулевых приводов JIA, использующие зубчатые волновые передачи, реализующие многопарное зацепление, представлены в патентной литературе [7].

В блоке рулевых приводов (см. рисунок В.7) ИМ содержат в качестве выходного каскада волновую передачу, расположенную соосно с валом рулевой поверхности. б).

Рисунок В.5. Электромеханический привод на основе роликовинтовой передачи разработки фирмы Exlar (США) а) конструкция ИМб) гайка роликовинтовой передачи, совмещенная с ротором электродвигателя и статор электродвигателя а) б).

Рисунок В.6. Электромеханический привод управления носками крыла истребителя.

F-35 разработки фирмы «MOOG», где а) электрический двигатель с предварительным редуктором, б) планетарный редуктор

Рисунок В.7. Блок рулевых приводов с зубчатой волновой передачей.

1 — исполнительный двигатель, 2,3 — колеса конической пары, 4,5 — колеса цилиндрической пары, 6 — дисковый волнообразователь, — гибкое и жесткое колесо волновой передачи, 9 — колеса волновой муфты, 10 — потенциометр обратной связи, 11,12- подшипники выходного вала.

Taicarf компоновка позволила обеспечить строительную высоту привода, соизмеримую с диаметром электрического двигателя и разместить привода между двумя соосными цилиндрическими поверхностями, имеющими небольшую разницу диаметров. Уменьшение разницы диаметров позволяет увеличить диаметр газовода и увеличить мощностные характеристики ракеты.

Достоинствами зубчатых волновых передач [8] являются:

• возможность получения большого передаточного числа в одной паре (60.300);

• существенно меньшие габариты и масса относительно других типов передач при том же передаточном числе;

• высокая кинематическая точность и малый люфт за счет много-парности зацепления;

• меньший шум при работе по сравнению с планетарной передачей;

• возможность передачи движения с разделением двух сред;

• меньшая стоимость по сравнению с планетарной передачей при массовом производстве.

В.2. Состояние вопроса по созданию исполнительных механизмов на основе волновых передач с телами качения.

В настоящее время в технической и патентной литературе описано достаточно большое количество конструктивных схем механизмов с телами качения [9, 10, 11, 12, 13], действие которых основано на волновом принципе (см. рисунок В.8). Также как и зубчатая волновая передача, она имеет волно-образователь и жесткое колесо, но функцию гибкого колеса выполняют тела качения, находящиеся в гнездах сепаратора. Волнообразователь является ведущим звеном передачи, в то время как ведомым может выступать жесткое колесо (при остановленном сепараторе) или сепаратор (при остановленном жестком колесе).

Механизмы отличаются не только терминологией и представлением принципа действия, но и техническими особенностями:

• характером движения выходного звена (вращательным или поступательным);

• расположением профиля зубьев (выступов) в жестком колесе и волнообразователе (радиальное или осевое);

• • использовании элементов передачи в виде составных частей исполнительного двигателя и опорного устройства объекта управления.

Многообразие запатентованных схем и описанных конструкций свидетельствует о расширенных функциональных возможностях у этих механизмов по сравнению с зубчатыми волновыми передачами. Низкие массогаба-ритные характеристики, возможность использования в качестве опорного подшипника, высокая кинематическая точность, отсутствие гибких элементов в конструкции, простота изготовления и высокий ресурс (сравнимый с ресурсом подшипника) и надежность позволяет использовать волновую передачу с телами качения в ИМ приводов JIA. Согласно [4], волновые передачи с телами качения имеют лучшие относительно других передач характеристики удельного момента при передаточных числах более 18.

Рисунок В.8. Конструкция волновой передачи с телами качения диски волнообразователя. 2 — шарики, 3 — сепаратор, 4 — жесткое колесо.

Недостатком для широкого использования волновых передач с телами качения можно считать отсутствие в технической литературе методик проектирования этих передач под заданные габаритные размеры и вопросов проектирования следящих приводов с такими передачами.

Для разработки методики расчета были рассмотрены механизмы, звенья которых имеют аналогичные конструктивные признаки.

В работах, посвященных многоходовым роторно-поршневым гидромашинам, в которых рассматривается взаимодействие тел качения (как правило, роликов) с жестким колесом (жесткой направляющей), имеющим периодический профиль, и сепаратором (блоком цилиндров), не учитывается влияние профиля волнообразователя. В работах, посвященных планетарно-орбитальным передачам, рассматривается взаимодействие тел качения с жестким колесом (ведомым звеном) и волнообразователем (диском сателлита ведущего звена), т. е. без учета влияния сепаратора.

В 2007 г. появилась работа [14], в которой рассматривается передача, названной автором планетарной, содержащей жесткое колесо, волнообразо-ватель, сепаратор и тела качения: Исследована геометрия и кинематика передачи, выявлено число избыточных связей, проведен силовой анализ кинео-статическим методом и экспериментальное исследование КПД передачи в зависимости от скорости вращения и момента нагрузки. При этом в [14] не даны все требуемые при проектировании передачи зависимости и ограничения, позволяющие передаче работать в наилучших условиях, силовой анализ не дает возможности рассчитать параметры передачи под требуемый момент нагрузки, а вопросы оптимизации габаритных размеров и динамики передачи вообще не рассматриваются.

В.З. Постановка задачи исследования.

Современное состояние и перспективы развития авиационной и ракетной техники характеризуются повышенными требованиями к массогабарит-ным характеристикам ИМ приводов JIA. Кроме того, при разработке пассажирских, транспортных и боевых самолетов перспективно использование силовых систем с единым электрическим источником энергопитания вместо централизованных гидравлических силовых систем [15, 16]. Преимуществом электрических силовых систем является отсутствие в летательном аппарате системы трубопроводов централизованной системы гидропитания, что снижает вес JIA, облегчает его эксплуатацию и повышает боевую живучесть.

Электрические силовые системы обеспечивают питание как автономных гидроприводов с дроссельным или объемным регулированием, так и электрогидростатических и электромеханических приводов. Созданные в последнее время новые механические передачи, электрические двигатели высокой удельной мощности и силовая электроника для них позволяет создать высокоэффективные электромеханические приводы управления рулевыми поверхностями ЛА различного назначения.

Применение электромеханических приводов обуславливает проблемы, значительная часть которых связана с требованиями к механической передаче. Механическая передача, используемая в ИМ привода, должна иметь:

• высокие характеристики удельной мощности (удельного момента);

• высокую надежность и большой ресурс;

• возможность реализации резервированного электромеханического привода с суммированием моментов;

• совместно с электродвигателем лучшие показатели энергопотребления по сравнению с существующими и перспективными электрогидравлическими приводами;

• характеристики точности, обеспечивающие выполнение требуемых законов движения привода, механическая передача не должна являться причиной автоколебаний;

• технологическую простоту при производстве и обслуживании, сравнительно низкую стоимость жизненного цикла.

Одним из факторов, приводящих к появлению автоколебаний, является люфт в механической передаче. Исследованию динамики электроприводов с учетом люфта посвящены работы Полковникова В. А., Рабиновича JI.B., Ро-манцова В.П., Сергеева Б. Г., Слюденкова М. Н., Стеблецова В. Г., Терскова В. Г. Устранение люфта в механической передаче может быть осуществлено за счет использования в качестве выходной ступени редуктора передач с многопарным зацеплением, как то: шариковинтовые, роликовинтовые и волновые, над использованием которых в рулевых приводах JIA работают ведущие отечественные и зарубежные компании (МиГ, Boeing). Вопросам проектирования этих передач посвящены работы Волкова Д. П., Иванова М. Н., Крайнева А. Ф., Самсоновича C. JL, Становского В. В., Шувалова G.A.

В последнее время в технической и патентной литературе появились описания волновых передач, в-которых гибкое колесо выполнено в виде тел качения, расположенных в сепараторе. В этих конструкциях шарики или ролики, выполняющие функцию гибкого колеса, одновременно с передачей крутящего момента воспринимают и радиальную нагрузку, как в радиальных подшипниках, что позволяют совмещать функцию редуктора и опорного устройства. Такое совмещение свойств редуктора и опорного устройства в ИМ рулевого привода позволяет сократить массогабаритные показатели и является новым и перспективным направлением в разработке рулевых приводов JIA.

Из проведенного обзора исполнительных механизмов рулевых приводов JIA и материалов по волновым передачам с телами качения следует:

• Перспективным направлением уменьшения массогабаритных показателей электромеханических приводов беспилотных и пилотируемых J1A является использование бескорпусных вентильных электродвигателей с высокой удельной мощностью, механических передач с высокими значениями удельного момента и их совместная компоновка с опорным устройством объекта управления;

• Анализ механических передач показал, что волновые передачи с телами качения обладают наименьшими массогабаритными характеристиками ;

• Для расширения области применения электромеханических приводов в органах управления пилотируемых JIA необходимо проводить исследования в области разработки резервированных электромеханических приводов с суммированием моментов;

• Обзор технической литературы свидетельствует о новизне волновых передач с телами качения, отсутствии сведений об использовании этих передач в приводах JIA и, как причина, отсутствии методик расчета этих передач под заданные габаритные размеры.

Таким образом, создание методики проектирования электромеханических приводов JIA на основе волновых передач с телами качения и методик проектирования самих этих передач вращательного и поступательного действия являются актуальными задачами.

выводы.

1. Разработана методика расчета основных конструктивных параметров различных схем ВПШ (Р) для ИМ приводов JIA. Выведен- > ная математическая зависимость профиля жесткого колеса для безлюфтового зацепления реализована в виде программы для изготовления профиля жесткого колеса на станках с ЧПУ и инженерного анализа передачи.

2. Получены зависимости объема ВПШ (Р) от передаточного числа. Показано, что ВПШ (Р) при передаточных числах более 20 имеет меньший объем по сравнению с другими типами существующих передач, что свидетельствует о перспективности применения ВПШ (Р) в приводах JIA.

3. Определено значение передаточного числа, при котором наружный диаметр ВПШ (Р) имеет наименьшее значение.

4. Проведен анализ потерь в ВПШ (Р) и влияния коэффициентов трения между различными деталями ВПШ (Р) на КПД.

5. Разработана концепция построения «силового минипривода» для рулевых приводов JIA различного назначения, реализация которой позволила вписать рулевой привод беспилотного JIA в габариты опорного устройства руля, а резервированный привод элерона пилотируемого маневренного JIA разместить внутри элерона, т. е. без использования пространства крыла.

6. Дано обоснование разбиения общего передаточного числа редуктора на ступени. Разработан ряд ВПШ (Р) на основе стандартных шариков. Конструкция элементов ряда позволяет параллельное и последовательное их соединение: при параллельном соединение элементов реализуется требуемый крутящий момент редуктора, при последовательном соединении — требуемое передаточное число.

7. Моделирование динамических режимов показало, что характеристики ВПШ (Р) практически не оказывают влияния на динамические характеристики привода.

8. Исследование динамики привода элерона выявило наличие специфической нелинейности, обусловленной размещением ИМ привода внутри элерона. Установлено, что такая компоновка позволяет сократить энергопотребление привода в режимах интенсивного маневрирования.

9. Проведенные экспериментальные исследования и моделирование подтвердили достоверность полученных математических зависимостей, характеризующих нагрузочную способность и КПД ВПШ (Р).