許 兵

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安 710068)

在精密跟蹤雷達(dá)中，伺服系統(tǒng)用于控制天線始終準(zhǔn)確指向目標(biāo)，驅(qū)動電機(jī)—齒輪傳動裝置—負(fù)載，構(gòu)成了一個閉合的伺服系統(tǒng)，齒輪傳動裝置是該系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一［1］。由于齒輪傳動本身的特點，會使傳動系統(tǒng)存在一定的回差，這樣會增大伺服系統(tǒng)噪聲，降低控制精度。為克服這一缺陷，必須采取一定的手段消除回差。在眾多的消隙手段中，彈簧加載雙片齒輪是比較常用的方法之一，這種方法簡單、可靠、成本較低;但在大多數(shù)應(yīng)用中采用螺旋彈簧作為彈性加載元件，其缺點是可承受載荷較低，多用于低載荷的角度數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)中，在大扭矩的動力傳動系統(tǒng)中基本不采用這種方法。扭桿彈簧作為一種彈性元件，有著結(jié)構(gòu)簡單、輸出扭矩大、工作可靠以及使用壽命長的特點?？梢杂盟媛菪龔椈蓙硖岣邆鹘y(tǒng)雙片齒輪消隙裝置的承載力，從而解決動力傳動系統(tǒng)中齒輪回差的問題。同時，利用扭桿外形細(xì)長的特征，與伺服驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行集成設(shè)計，可以簡化傳動系統(tǒng)，降低裝配難度，提高可維修性。

1 扭桿消隙的工作原理

在彈簧加載雙片齒輪消隙裝置中，主齒輪固定在傳動軸上，活動齒輪在彈性元件的加載下與主齒輪岔開一定的角度，填滿齒輪嚙合間隙，從而完成消隙。如果彈性元件采用扭桿彈簧，其結(jié)構(gòu)形式就如圖1所示，活動齒輪z2與主齒輪z1一起與從動齒輪z3嚙合。主齒輪與傳動軸固定在一起，活動齒輪與扭桿的一端固定在一起，將扭桿的另一端扭轉(zhuǎn)一定的角度后與傳動軸固定，此時活動齒輪在扭桿扭矩的影響下與主齒輪岔開一定的角度，填滿嚙合間隙，從而實現(xiàn)消隙。

圖1 扭桿消隙工作原理示意圖

在傳動過程中，其中一個轉(zhuǎn)動方向上，主齒輪帶動從動輪轉(zhuǎn)動;反向旋轉(zhuǎn)時，活動齒輪依靠扭桿產(chǎn)生的扭矩帶動從動輪轉(zhuǎn)動。理論上要想實現(xiàn)消隙的功能，扭桿產(chǎn)生的扭矩必須大于負(fù)載力矩。然而，隨著扭矩的增加，齒輪副之間的摩擦也增大了，加劇了齒輪的磨損，降低了傳動效率，甚至?xí)绊懙剿欧到y(tǒng)在低速情況下的平穩(wěn)性。所以為扭桿選擇適當(dāng)?shù)呐ぞ厥窃O(shè)計的關(guān)鍵。

2 扭桿輸出扭矩的選擇

在跟蹤雷達(dá)中，負(fù)載力矩主要來源于天線及其支撐機(jī)構(gòu)在某一角加速度條件下所需要的力矩。雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的一個重要指標(biāo)就是最大保精度跟蹤角加速度，即雷達(dá)在該指標(biāo)所規(guī)定的角加速度條件下要穩(wěn)定跟蹤。然而，這種角加速度一般出現(xiàn)在被跟蹤目標(biāo)近距離穿越雷達(dá)探測截徑的瞬間，在這個時刻前后，雷達(dá)的角加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該值。但工程實踐表明，在出現(xiàn)最大加速度的瞬間，即使扭桿扭矩略微欠缺，使傳動齒輪間產(chǎn)生了一定的間隙，對伺服系統(tǒng)的精度也沒有太大的影響。因此，在選擇扭桿的輸出扭矩時，考慮到負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的計算誤差以及扭桿的加工誤差，可用負(fù)載力矩的1．5倍來計算。

3 扭桿消隙電機(jī)的設(shè)計

3.1 電機(jī)的整體設(shè)計

在某型號跟蹤雷達(dá)傳動系統(tǒng)的設(shè)計中，傳動鏈為一級齒輪傳動，其傳動方式如圖1所示，從動輪與負(fù)載天線及其支撐機(jī)構(gòu)連接。由于沒有中間環(huán)節(jié)，因此可以將扭桿消隙裝置與伺服驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行集成設(shè)計，這樣可以降低傳動系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高整體的可維修性。電機(jī)元件選擇轉(zhuǎn)子、定子分裝式的直流永磁力矩電機(jī)，這樣可以按照實際需要進(jìn)行二次設(shè)計。如圖2所示，該電機(jī)主要由永磁力矩電機(jī)、電機(jī)軸、扭桿、雙片齒輪、花鍵螺母以及殼體等零部件組成。

圖2 力矩電機(jī)組件結(jié)構(gòu)示意圖

由扭桿消隙的工作原理可知，扭桿要與電機(jī)軸配合使用。從圖2中可以看到，電機(jī)軸采用中空的設(shè)計以安裝扭桿，雙片齒輪的主齒輪用3個騎縫銷與電機(jī)軸連接，活動齒輪與扭桿用直銷連接。在電機(jī)軸與扭桿的末端設(shè)計有相同參數(shù)的花鍵，用花鍵螺母將扭桿與電機(jī)軸固定。

電機(jī)組件在裝配過程中扭桿不加力，這樣電機(jī)就能比較容易裝配到位。給扭桿加力時，先將花鍵螺母與電機(jī)軸脫離，扭轉(zhuǎn)扭桿，當(dāng)扭桿與電機(jī)軸花鍵齒對齊時將花鍵螺母推進(jìn)與電機(jī)軸咬合，這樣就完成了加載。加載過程如圖3所示。

圖3 扭桿加載過程示意圖

3.2 扭桿的設(shè)計

扭桿在設(shè)計上分為支撐段、有效扭轉(zhuǎn)段以及固定端。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其中支撐段位于有效扭轉(zhuǎn)段的兩端，作用是保證扭桿與電機(jī)軸的同軸度，使固定在扭桿上的活動齒輪在傳動過程中不會降低傳動精度。由于扭桿還需要能夠靈活轉(zhuǎn)動，所以該處與電機(jī)軸采用H9/f9的間隙配合。固定端設(shè)計成漸開線花鍵形，用于與電機(jī)軸固定?；ㄦI模數(shù)為1，壓力角30°，齒數(shù)為40。為避免過大的應(yīng)力集中，扭桿支撐段與有效扭轉(zhuǎn)段之間的連接處要設(shè)計成圓角過度，圓角半徑為R5。

圖4 扭桿結(jié)構(gòu)示意圖

扭桿所使用的材料為65Mn，其在加工過程中有以下技術(shù)要求：(1)支撐段與有效扭轉(zhuǎn)段采用磨削加工，表面粗糙度Ra＜0．8μm;(2)完成加工后進(jìn)行熱處理，采用淬火、回火工藝使扭桿整體硬度HRC為28～32;(3)除支撐段與花鍵齒面外，其余表面作鍍鋅處理。

經(jīng)過初步設(shè)計，確定了支撐段、固定段以及有效扭轉(zhuǎn)段長度方向上的尺寸參數(shù)，然后根據(jù)扭桿輸出扭矩來計算有效段的直徑。

已知負(fù)載扭矩為 270N·m，傳動速比為5．879，則作用在扭桿上的扭矩為：

270 ÷5．879=45．9 N·m

根據(jù)扭桿輸出扭矩的選擇原則，其值應(yīng)為負(fù)載扭矩的1．5倍，所以扭桿的輸出扭矩為：

45．9 ×1．5=68．85 N·m

有效段長度為350mm，在加力時需要扭轉(zhuǎn)花鍵18°(扭轉(zhuǎn)2 齒)。

根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度公式［2］：

式中：d為扭桿有效段直徑，m;T為扭桿產(chǎn)生的扭矩，N·m;l為扭桿有效扭轉(zhuǎn)長度，m;φ為扭桿扭轉(zhuǎn)角度，rad;G為剪切模量，Pa。

65Mn的剪切模量為 78．5×109Pa，由此可算得扭桿有效段直徑為：

該值小于65Mn的許用剪切應(yīng)力［τ］，［τ］=570 MPa。

由扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力計算公式［2］可計算出此時扭桿所受的剪切應(yīng)力為：

4 結(jié)束語

使用這種帶扭桿消隙裝置的電機(jī)組件，不僅提高了伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還使整個系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維修方便的優(yōu)點。這種結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)組件已經(jīng)在多個雷達(dá)傳動系統(tǒng)中得到應(yīng)用。理論上，扭桿消隙裝置也可以單獨用于多級傳動系統(tǒng)消隙，然而這種裝置的使用仍然存在一定的局限性。首先，扭桿彈簧雖然結(jié)構(gòu)形式簡單，但是對機(jī)械加工有著比較高的要求，應(yīng)用時有一定的難度。其次，消隙裝置承載能力雖有提高，但考慮到彈簧加載力對伺服系統(tǒng)低速性能的影響，不能太大，所以只適用于負(fù)載較小的中小口徑雷達(dá)的傳動系統(tǒng)。

［1］ 王萍．提高中小型測量雷達(dá)伺服穩(wěn)定性的一種機(jī)械方法探索［J］．信息系統(tǒng)工程，2011(6)：24-25．

［2］ 成大先．機(jī)械設(shè)計手冊［M］．5版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．