某電動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算

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(dòng)機(jī)構(gòu)配套于某兩棲輕型飛機(jī)，操縱方向舵調(diào)整片的偏轉(zhuǎn)，并將偏轉(zhuǎn)角通過(guò)電位器反饋給駕駛員，從而控制飛機(jī)航向。

1.2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

電動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成如圖1，由基座體1、電機(jī)組件2、卡箍3、齒輪組件4、輸出齒輪5、傳動(dòng)軸6、絲杠軸7、力矩螺母8、“瓦”形片彈簧9、鉸鏈軸10、傳動(dòng)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(qiáng)，能夠在工作行程任意位置自鎖等特點(diǎn)，符合飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性要求。

圖1 電動(dòng)機(jī)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(jī)航向時(shí)，給直流永磁電機(jī)施加正（負(fù)）控制電壓，使電機(jī)正（反）轉(zhuǎn)，并輸出一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；通過(guò)六級(jí)減速器使輸出軸獲得要求的小速度和大轉(zhuǎn)矩，再通過(guò)輸出軸上的絲杠螺母機(jī)構(gòu)及基座體上T 型滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，最終以一定的速度和力度驅(qū)動(dòng)方向舵調(diào)整片按要求的方向和角度偏轉(zhuǎn)，同時(shí)電位器將偏轉(zhuǎn)角信號(hào)反饋給駕駛員，當(dāng)?shù)竭_(dá)要求航向時(shí)，駕駛員將切斷電電機(jī)電源，此時(shí)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)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(dòng)機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程任意位置可實(shí)現(xiàn)自鎖（表1）。

表1 方向舵調(diào)整片電動(dòng)機(jī)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(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)時(shí)，為使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)，應(yīng)避免在所需運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生自鎖；相反有些機(jī)構(gòu)的工作又需要其具有自鎖的特性，如該千斤頂。該電動(dòng)機(jī)構(gòu)的自鎖特性是通過(guò)螺旋輸出機(jī)構(gòu)，即絲杠螺母（M6×0.75）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其自鎖特性具體是指只能有正向運(yùn)動(dòng)，即將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的直線運(yùn)動(dòng)。

3.1.3 結(jié)構(gòu)自鎖特性校核計(jì)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(cè)：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(shí)所計(jì)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(jī)構(gòu)自鎖性良好。

上述計(jì)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(jī)構(gòu)自鎖性良好。

3.2 螺旋輸出機(jī)構(gòu)及電位計(jì)超量程保護(hù)機(jī)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(jì)電位計(jì)時(shí)其機(jī)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(jì)加設(shè)超量程保護(hù)機(jī)構(gòu)。

此超量保護(hù)機(jī)構(gòu)就是對(duì)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(guò)程：電位計(jì)超量程時(shí)，螺旋輸出機(jī)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(gè)螺母的寬度，于是螺母在空刀光杠就無(wú)沿軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。那么螺母就不能推動(dòng)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(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)“瓦”形片彈簧組對(duì)螺母施以軸向預(yù)緊力，快速使螺母旋移到絲杠螺紋上進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3.3 過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)負(fù)載力大于螺旋輸出機(jī)構(gòu)的輸出力時(shí)，負(fù)載力不可能反向推動(dòng)螺母，使絲杠發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這同樣是由螺旋輸出機(jī)構(gòu)的自鎖特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算

4.1 傳動(dòng)桿拉伸強(qiáng)度和壓縮穩(wěn)定性的校核計(jì)算

此值遠(yuǎn)大于HB5836-1983 要求的7 倍工作負(fù)荷（額定負(fù)載55N）的靜強(qiáng)度極限負(fù)荷值385N。故傳動(dòng)桿在拉伸狀態(tài)下是足夠安全的。

4.1.2 傳動(dòng)桿壓縮穩(wěn)定性分析與校核計(jì)算

細(xì)長(zhǎng)桿件受壓，開(kāi)始時(shí)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(shí)，細(xì)長(zhǎng)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(shí)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(guò)臨界壓力Pcr時(shí)，細(xì)長(zhǎng)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(guò)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(duì)細(xì)長(zhǎng)傳動(dòng)桿受壓時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算。

4.2 鉸鏈軸彎曲強(qiáng)度計(jì)算

圖2 鉸鏈軸工作受力分析圖

4.3 絲杠螺母螺紋強(qiáng)度校核計(jì)算

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

圖3 螺母螺紋圈的受力

5 結(jié)論

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