航空電動機構(gòu)機械、電氣限位的匹配性設(shè)計

肖高忠

（航空工業(yè)貴陽萬江航空機電有限公司，貴州貴陽 550018）

0 引言

作為動力輸出源或動作執(zhí)行單元的航空電動機構(gòu)，具有可操控性好、響應(yīng)快、智能化、體積小、重量輕、在飛機上布局方便等優(yōu)點，隨著飛機向多電甚至全電方向的發(fā)展，其可替代傳統(tǒng)的氣動、液壓裝置等，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。

根據(jù)輸出運動的方式，電動機構(gòu)分為直線運動和旋轉(zhuǎn)運動兩種類型，而后者又可依據(jù)其功能分為關(guān)斷類和調(diào)節(jié)類兩種類型。航空工業(yè)貴陽萬江航空機電有限公司研制的往復(fù)式旋轉(zhuǎn)運動電動機構(gòu)，是需進(jìn)行機械限位和電氣限位設(shè)計的機電一體化設(shè)備，多數(shù)情況下作為執(zhí)行單元用于飛機環(huán)境控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)。本文介紹航空旋轉(zhuǎn)類電動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、主要構(gòu)件的作用，重點介紹減速器裝置中機械、電氣限位裝置以及兩者之間的關(guān)系，根據(jù)電動機構(gòu)的不同功用進(jìn)行配機械、電氣限位匹配性設(shè)計，以保證電動機構(gòu)的成功開發(fā)和減少機構(gòu)故障，提高航空裝備的完好率、提升軍用飛機作戰(zhàn)效能。

1 航空旋轉(zhuǎn)類電動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

電動機構(gòu)主要由接插件、電機、減速器裝置三大部分組成（圖1）。其中，接插件主要是上位機給電動機構(gòu)提供電源和控制信號的結(jié)構(gòu)單元；電機作為電動機構(gòu)的驅(qū)動源、一般采用28 V直流電源，大力矩的電動機構(gòu)也可采用270 V 的高壓直流電源，根據(jù)輸出力矩大小和轉(zhuǎn)換時間以及壽命和控制精度要求可選擇它激式直流電機、永磁直流電機、直流永磁無刷電機或直流伺服電機；減速器裝置是電動機構(gòu)的核心單元，由減速器殼體、傳動裝置（行星架、齒輪）、機械、電氣限位裝置、離合器裝置及輸出軸等組成，主要作用是通過減速放大力矩（圖2）。

1.2 工作原理

圖1 電動機構(gòu)外部結(jié)構(gòu)

圖2 減速器裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電動機構(gòu)主要由電機、減速器裝置、離合器裝置、電氣限位裝置、機械限位裝置、輸出軸等組成。當(dāng)電源接通時，電機轉(zhuǎn)動帶動減速器旋轉(zhuǎn)：關(guān)斷類電動機構(gòu)減速器裝置中離合器裝置的限動件（與輸出軸為一體）帶動搖臂的按壓裝置按壓電氣限位裝置中的微動開關(guān)切斷電源，斷電后減速器的傳動裝置在慣性作用下帶動限動件與減速器殼體的機械限位凸臺接觸，最終實現(xiàn)機械限位，離合器脫開，產(chǎn)品停止工作；調(diào)節(jié)類電動機構(gòu)在電動機構(gòu)輸出軸到達(dá)機械限位后離合器脫開，減速器中傳動裝置中限動件（與輸出軸為分體式）繼續(xù)運動帶動搖臂的按壓裝置按壓電氣限位裝置中的微動開關(guān)實現(xiàn)電氣限位并斷電，產(chǎn)品停止工作。

2 機械限位和電氣限位裝置的結(jié)構(gòu)、工作機理

機械限位和電氣限位裝置是電動機構(gòu)的主要組成部分。旋轉(zhuǎn)類航空電動機構(gòu)在航空領(lǐng)域一般作為控制類或關(guān)斷類的動力輸出執(zhí)行單元，多為往復(fù)式工作制，旋轉(zhuǎn)角度一般為90°。往復(fù)式旋轉(zhuǎn)類電動機構(gòu)機的機械限位裝置主要用來保證電動機構(gòu)輸出軸可靠的輸出角度，主要由兩構(gòu)件組成，分別為減速器殼體和限動件。電動機構(gòu)最大可旋轉(zhuǎn)角度為限動件上凸臺在減速器殼體兩個凸臺之間的運動角度，機械限位角度的大小依據(jù)實際需求進(jìn)行設(shè)計。

電氣限位裝置的作用是對電機的電源進(jìn)行可靠地接通或切斷，是其核心控制單元，較機械限位裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計難度大。電氣限位裝置分兩部分，一部分是電氣限位機械轉(zhuǎn)換裝置，另一部分為電源的接通和斷開裝置。機械轉(zhuǎn)換與傳動裝置進(jìn)行聯(lián)動，減速器的行星架轉(zhuǎn)動時帶動卡圈同步運動，旋轉(zhuǎn)到一定角度時撥動搖臂沿小軸旋轉(zhuǎn)。電源的接通和斷開構(gòu)件主要由微動開關(guān)和按壓裝置組成，彈簧片鉚接在搖臂上構(gòu)成按壓裝置，按壓裝置隨搖臂轉(zhuǎn)動按壓微動開關(guān)的按鈕完成電源的切斷或接通。

3 機械限位和電氣限位裝置設(shè)計影響因素及匹配性原則

3.1 設(shè)計影響因素識別

機械限位裝置主要根據(jù)電動機構(gòu)輸出軸所需的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，重點控制好減速器和限動件凸臺的設(shè)計和加工精度即可。電氣限位裝置結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、構(gòu)件較多，限位角度計算復(fù)雜且誤差較大，影響限位角度設(shè)計計算誤差的因素多，如卡圈的開口角度、搖臂的可旋轉(zhuǎn)角度、按壓裝置上彈簧片的彈性變形不可精確計算，微動開關(guān)的動作行程（開關(guān)按鈕自由狀態(tài)到開關(guān)內(nèi)部關(guān)彈簧裝置完全脫開所運動的位移）的差異等都會影響限位角度的準(zhǔn)確性。隨著設(shè)計手段的不斷進(jìn)步，可采用三維動態(tài)仿真進(jìn)行電氣限位角度的設(shè)計，模擬彈簧片在不同壓力下的變形量以及微動開關(guān)在不同動作行程下?lián)u臂的可旋轉(zhuǎn)角度，再根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行修正。利用仿真得到的搖臂可旋轉(zhuǎn)角度再加上卡圈和搖臂間空的行程即為電動機構(gòu)的電氣限位角度。

3.2 匹配性設(shè)計原則

機械限位和電氣限位有兩種匹配性設(shè)計，一種為先電氣限位再機械限位，即電氣限位角度小于機械限位角度，產(chǎn)品先切斷電源電機停止工作，依靠傳動裝置的慣性滑移最終實現(xiàn)機械限位，以保證輸出軸所要求的輸出角度；另一種為先機械限位再電氣限位，即機械限位角度小于電氣限位角度，電動機構(gòu)輸出軸到達(dá)繼續(xù)限位后，輸出軸同離合器裝置脫開，傳動裝置機械旋轉(zhuǎn)帶動電氣限位按壓裝置按壓微動開關(guān)切斷電機電源，產(chǎn)品停止工作。具體選擇哪一種匹配設(shè)計，應(yīng)依據(jù)電動機構(gòu)所需實現(xiàn)的功能來確定：關(guān)斷類電動機構(gòu)轉(zhuǎn)換時間較短，一般選擇先電氣限位再機械限位的匹配關(guān)系；而調(diào)節(jié)類電動機構(gòu)轉(zhuǎn)換時間相對較長，一般選擇先機械限位再電氣限位的匹配關(guān)系。

先電氣限位再機械限位的電動機構(gòu)工作原理是，電氣限位裝置切斷電源后電機停止工作，傳動裝置在慣性作用下帶動輸出軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動至機械限位凸臺，輸出軸停止轉(zhuǎn)動，離合器脫開，傳動裝置繼續(xù)運動直至能量消耗完畢。此類電動機構(gòu)轉(zhuǎn)換時間較短，輸出軸及傳動裝置運轉(zhuǎn)角速度大，轉(zhuǎn)動慣性大，慣性滑移量大（可達(dá)到30°以上）。如果電氣限位角度設(shè)計過小甚至電氣限位角度大于機械限位角度，因慣性滑移量大，傳動裝置對減速器殼體的機械限位凸臺產(chǎn)生巨大的慣性沖擊，對傳動裝置的運動構(gòu)件和減速器殼體的限位凸臺產(chǎn)生機械損傷，影響產(chǎn)品使用壽命，嚴(yán)重時會導(dǎo)致產(chǎn)品功能喪失。

先機械限位再電氣限位的電動機構(gòu)工作原理為，輸出軸到達(dá)機械限位后電機繼續(xù)工作，電動機構(gòu)輸出軸同離合器脫開，傳動裝置繼續(xù)運動帶動電氣限位裝置中按壓裝置按壓微動開關(guān)切斷電源，電機停止工作。此類電動機構(gòu)轉(zhuǎn)換時間相對較長，輸出軸及傳動裝置運轉(zhuǎn)角速度低、轉(zhuǎn)動慣性小，慣性滑移量相對較小，電機斷電后傳動裝置機械沖擊小，對傳動構(gòu)件和減速器殼體機械損傷不大。同時作為調(diào)節(jié)類電動機構(gòu)，產(chǎn)品接受上位機的指令隨時斷電和接通，輸出軸到達(dá)機械限位的概率較低。

3.3 匹配性設(shè)計的注意事項

采取先電氣限位再機械限位匹配關(guān)系設(shè)計的電動機構(gòu)，如果兩者的角度匹配不好會帶來以下兩個問題：①角度差過大，如果慣性滑移量不夠，電動機構(gòu)的輸出角度則達(dá)不到規(guī)定所需角度，影響控制精度；②如果設(shè)計角度相差太小，可能會因電氣限位角度計算的誤差導(dǎo)致產(chǎn)品的電氣限位角度大于機械限位角度，發(fā)生電動機構(gòu)輸出軸到位后電機不斷電的故障現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行電動機構(gòu)設(shè)計前，應(yīng)借鑒以往的設(shè)計經(jīng)驗和開展同類產(chǎn)品的慣性滑移量的摸底測試工作，在滿足電動機構(gòu)輸出軸能到達(dá)機械限位位置的條件下，盡可能放大機械限位角度和電氣限位角度兩者的角度差。另外，在產(chǎn)品實現(xiàn)功能和機械限裝置位能得到有效保護(hù)的前提下，應(yīng)盡可能選擇先機械限位再電氣限位的方案。

4 結(jié)束語

隨著我國綜合實力的不斷增強，航空工業(yè)勢必會得到蓬勃發(fā)展，軍用飛機朝著多電、全電飛機的發(fā)展已經(jīng)成為必然，電動機構(gòu)在航空領(lǐng)域的運用會越來越廣泛。往復(fù)式旋轉(zhuǎn)電動機構(gòu)的機械限位、電氣限位設(shè)計匹配性設(shè)計非常重要，設(shè)計是否合理將直接影響電動機構(gòu)的工作性能、工作可靠性及產(chǎn)品的質(zhì)量。在電動機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)中，應(yīng)依據(jù)其所需實現(xiàn)的功能合理選擇兩者之間的匹配關(guān)系。