一種直升機(jī)尾輪鎖緊裝置集成一體化設(shè)計(jì)與研究

高鑫 蔡大靜 卓亮 陳強(qiáng)

摘 要：為了研究開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)下的電動(dòng)機(jī)構(gòu)效率特性和運(yùn)行精度，本文以一種直升機(jī)尾輪鎖緊裝置為例，介紹了該裝置集成一體化設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算，對(duì)鎖緊和解鎖響應(yīng)時(shí)間、負(fù)載能力、電機(jī)功率、手動(dòng)解鎖方案、多圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械限位等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，根據(jù)齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠副、螺旋滾道副傳動(dòng)原理完成了帶多圈機(jī)械限位且符合人體工程學(xué)操作要求的手動(dòng)接口。對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)樣機(jī)檢測(cè)和調(diào)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算與仿真結(jié)果的可靠性和調(diào)試方法的合理性，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率調(diào)節(jié)、霍爾傳感器運(yùn)用、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)下的機(jī)構(gòu)輸出精度控制等方面獲得了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。通過(guò)預(yù)緊調(diào)整和提前量設(shè)定，可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)28.6%的工作效率并保證不低于0.2mm的運(yùn)行精度，為類(lèi)似一體化機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制提供了參考。

關(guān)鍵詞：鎖緊裝置； 集成設(shè)計(jì)； 多圈機(jī)械限位； 運(yùn)行壽命仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：V242.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.05.006

隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)研制逐步轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)制造一體化、模塊化[1]，傳統(tǒng)鎖緊裝置采用液壓或氣壓裝置驅(qū)動(dòng)[2]，功能單一，維護(hù)繁瑣，可靠性低，整體重量大，不能適應(yīng)輕量化、集成化、智能化、電氣化[3]發(fā)展的需要。設(shè)計(jì)仿真在機(jī)電一體化裝置設(shè)計(jì)研究過(guò)程中越來(lái)越必不可少，錢(qián)海鯤等[4]用仿真的方法對(duì)某航天器電動(dòng)手動(dòng)一體化艙門(mén)鎖緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究；于天達(dá)等[5]采用仿真的方法研究了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)銷(xiāo)軸磨損的壽命與可靠性；程剛等[6]通過(guò)仿真研究了供彈機(jī)構(gòu)的可靠性。以上研究主要從機(jī)構(gòu)的理論動(dòng)力學(xué)特性對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行了研究，不能更好地體現(xiàn)工程應(yīng)用中的產(chǎn)品壽命指標(biāo)預(yù)測(cè)。

本文通過(guò)引入齒輪零件材料、熱處理方式、潤(rùn)滑脂選用、加工精度等工程應(yīng)用指標(biāo)，借助專(zhuān)業(yè)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真軟件KISSsoft進(jìn)行建模設(shè)計(jì)和分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)情況、負(fù)載能力、運(yùn)行壽命等項(xiàng)目進(jìn)行研究和分析，仿真預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能和壽命，獲得了更為可靠的產(chǎn)品壽命指標(biāo)，并進(jìn)行了樣機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)下的直線(xiàn)輸出電動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行精度特性和有效提升傳動(dòng)效率的方法。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

鎖緊裝置應(yīng)具備電動(dòng)鎖定、電動(dòng)解鎖和手動(dòng)解鎖功能，且在任意位置能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械自鎖，其基本技術(shù)參數(shù)有：手動(dòng)解鎖操作力≤0.6N？m；電動(dòng)鎖定力/解鎖力≥530N；電機(jī)工作電壓為18～30V；電機(jī)工作電流≤2.5A；驅(qū)動(dòng)絲桿行程22mm±0.5mm；鎖定時(shí)間≤2s；解鎖時(shí)間≤2s；在鎖緊裝置上設(shè)置手動(dòng)鎖定/解鎖接口，手動(dòng)操作轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不大于2.5圈，操作習(xí)慣符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)要求。手動(dòng)鎖定/解鎖時(shí)絲杠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要有機(jī)械限位；電機(jī)具有過(guò)載保護(hù)功能。

1.2 總體設(shè)計(jì)及工作原理

由于是機(jī)載產(chǎn)品，為避免電刷電弧并保證首翻期使用壽命，采用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為提高整機(jī)效率，采用滾珠絲桿轉(zhuǎn)換直線(xiàn)輸出，根據(jù)任意位置機(jī)械自鎖，采用小導(dǎo)程角的蝸輪蝸桿傳動(dòng)，然后根據(jù)接口轉(zhuǎn)換需要和減速比搭配，采用錐齒輪轉(zhuǎn)換方向。根據(jù)以上因素限制，該鎖緊裝置由控制器、無(wú)刷直流電機(jī)、錐齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠、霍爾式位置傳感器、手動(dòng)解鎖結(jié)構(gòu)、多圈轉(zhuǎn)動(dòng)限位器組成，如圖1所示。

采用帶濾波功能的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并具備堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，在絲桿端部固定一塊磁鋼，在殼體上設(shè)置兩處位置傳感器，沿絲桿軸向間隔22mm±0.4mm，當(dāng)驅(qū)動(dòng)絲桿完全解鎖收回時(shí)，起始位置傳感器被觸發(fā)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)絲桿完全伸出上鎖時(shí)，終點(diǎn)位置傳感器被觸發(fā)?？刂破鞲鶕?jù)霍爾芯片被磁鋼觸發(fā)后的電信號(hào)控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析計(jì)算

鎖緊裝置按照功能不同分為電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、限位結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制4部分，本文主要對(duì)機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及計(jì)算和分析。

2.1 電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)、主動(dòng)錐齒輪、從動(dòng)錐齒輪、蝸桿、蝸輪、滾珠絲杠、角接觸軸承等，電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型和傳動(dòng)過(guò)程示意圖如圖2所示。

無(wú)刷電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，依次帶動(dòng)錐齒輪、蝸桿、蝸輪、絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母兩端設(shè)置角接觸軸承，絲桿上設(shè)置旋轉(zhuǎn)限位銷(xiāo)，從輸出端來(lái)看，當(dāng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)主動(dòng)錐齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、從動(dòng)錐齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、蝸桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、蝸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、絲杠螺母順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿產(chǎn)生向右伸出的上鎖直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)細(xì)實(shí)線(xiàn)標(biāo)識(shí)）。若電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則絲桿產(chǎn)生縮回的解鎖直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)雙點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)標(biāo)識(shí)）。

2.1.2 電機(jī)功率計(jì)算

式中，Ta為驅(qū)動(dòng)扭矩；Fa為軸向負(fù)載；l為導(dǎo)程；η為效率（0.9～0.95）。

為了便于回差調(diào)節(jié)，采用等頂隙錐齒輪一級(jí)傳動(dòng)，結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速和整體外形尺寸限制，主動(dòng)輪齒數(shù)為19，從動(dòng)輪齒數(shù)為28，大端模數(shù)為0.5，齒寬3mm，減速比為1.47，采用6級(jí)加工精度，傳動(dòng)效率為0.85。

采用阿基米德型（ZA）蝸輪蝸桿傳動(dòng)減速結(jié)構(gòu)[7]，軸交角為90°，蝸輪齒數(shù)為62，模數(shù)為0.5，蝸桿頭數(shù)為1，螺旋方向?yàn)橛倚?，蝸輪蝸桿傳動(dòng)減速比為62，將分度圓柱導(dǎo)程角設(shè)定為3.0175°（小于3.5°），使輸出端具備自鎖功能。

滾珠絲杠采用定制，根據(jù)最大負(fù)載（530N）以及輸出端鎖接口銷(xiāo)尺寸M8需要，采用絲杠外徑為？8mm，導(dǎo)程為8mm，螺母有效外徑為？17mm。該滾珠絲杠額定動(dòng)載荷達(dá)1200N，滿(mǎn)足工作強(qiáng)度要求。

滾珠絲杠導(dǎo)程l=8mm，取滾珠絲杠正向效率為0.93，最大動(dòng)摩擦扭矩為0.029N·m，將數(shù)值代入式（1），計(jì)算得到額定輸出扭矩Ta=0.8N·m。

根據(jù)解鎖和鎖定響應(yīng)時(shí)間（≤2s）要求，運(yùn)動(dòng)行程為22mm±0.3mm，則最小直線(xiàn)速度為11.25mm/s，又導(dǎo)程為8mm，則1s需轉(zhuǎn)動(dòng)1.41圈，則輸出端滾珠絲杠螺母轉(zhuǎn)速為85r/min。

取蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率為0.3，錐齒輪傳動(dòng)效率為0.85，則電機(jī)額定輸出功率Po=28.2W，電機(jī)輸出扭矩To=0.035N·m。已知總減速比i=91.14，則電機(jī)最小輸出轉(zhuǎn)速ωo=7745r/min，該轉(zhuǎn)速在常用無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（6000～9000r/min）。

2.1.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

材料選用合金結(jié)構(gòu)鋼38CrMoAlA，抗拉強(qiáng)度σb=980MPa（GJB 1591），調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行表面滲氮（深度0.15～0.3mm），表面硬度可達(dá)到HRC52～62。

取KZ=1.5，已知T=0.035N·m，齒輪參數(shù)見(jiàn)表1，R=8.5mm，經(jīng)查詢(xún)YFs=4.42。根據(jù)式（3）計(jì)算得到錐齒輪齒根彎曲疲勞應(yīng)力σF=56.7MPa（小于許用齒輪齒根彎曲疲勞應(yīng)力[σFP]= 625MPa），錐齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

（2）蝸輪蝸桿

2.2 手動(dòng)解鎖和鎖定設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

手動(dòng)解鎖和鎖定傳動(dòng)結(jié)構(gòu)三維模型和傳動(dòng)過(guò)程示意圖如圖3所示。在一級(jí)主動(dòng)齒輪上設(shè)置內(nèi)六角手動(dòng)操作接口，面向操作接口，當(dāng)一級(jí)主動(dòng)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一級(jí)從動(dòng)齒輪和二級(jí)主動(dòng)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、二級(jí)從動(dòng)齒輪和三級(jí)主動(dòng)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、三級(jí)從動(dòng)齒輪和蝸桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪和螺母順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（從輸出端來(lái)看），使得絲桿（鎖銷(xiāo)）產(chǎn)生向右伸出上鎖運(yùn)動(dòng)，反之，一級(jí)主動(dòng)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿（鎖銷(xiāo)）產(chǎn)生縮回解鎖運(yùn)動(dòng)。手動(dòng)操作符合人體工程學(xué)使用習(xí)慣[8]。

2.2.2 手動(dòng)操作力矩計(jì)算

對(duì)手動(dòng)解鎖的解鎖齒輪最大負(fù)載直齒圓柱齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核，該齒輪參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3 限位設(shè)計(jì)

2.3.1 限位方案設(shè)計(jì)

根據(jù)本產(chǎn)品的功能要求，限位方式包括電子限位、機(jī)械限位、手動(dòng)操作限位。如圖4所示。電子限位采用兩處霍爾式傳感器，通過(guò)固定于絲杠上的磁鋼觸發(fā)產(chǎn)生到位信號(hào)；機(jī)械限位通過(guò)固定在殼體上的導(dǎo)向槽實(shí)現(xiàn)；手動(dòng)操作限位通過(guò)在手動(dòng)接口位置設(shè)置多圈轉(zhuǎn)動(dòng)限位器實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 手動(dòng)操作限位設(shè)計(jì)及工作原理分析

已知總增速比i=1.25，絲杠導(dǎo)程為8mm，使絲桿（鎖銷(xiāo)）伸出或縮回22mm，需螺母轉(zhuǎn)動(dòng)2.75圈，對(duì)應(yīng)手動(dòng)接口轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為2.2圈。

在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)計(jì)2.2圈鋼球旋轉(zhuǎn)滾道，在固定盤(pán)上設(shè)置一處一字滾道，將固定盤(pán)固定在產(chǎn)品殼體上，旋轉(zhuǎn)盤(pán)與固定盤(pán)對(duì)接，鋼球安裝在旋轉(zhuǎn)滾道與一字滾道形成的內(nèi)腔中，旋轉(zhuǎn)盤(pán)一側(cè)與一級(jí)主動(dòng)齒輪接口對(duì)接形成同步轉(zhuǎn)動(dòng)，另一側(cè)通過(guò)軸承支承。在絲桿處于完全縮回狀態(tài)時(shí)，鋼球處于旋轉(zhuǎn)滾道和一字滾道的最外端，此時(shí)旋轉(zhuǎn)盤(pán)無(wú)法逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)絲桿伸出時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)2.2圈，絲桿完全伸出，同時(shí)鋼球運(yùn)動(dòng)到旋轉(zhuǎn)滾道和一字滾道的最內(nèi)端，旋轉(zhuǎn)盤(pán)因受到鋼球和滾道的限制而無(wú)法繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要手動(dòng)使絲桿縮回時(shí)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)2.2圈，絲桿回到完全縮回位置，鋼球運(yùn)動(dòng)到滾道的最外端，無(wú)法繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)，對(duì)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)形成限位。手動(dòng)操作多圈旋轉(zhuǎn)機(jī)械限位器爆炸圖如圖5所示。

2.3.3 限位匹配設(shè)計(jì)分析

為避免發(fā)生錯(cuò)誤的限位或碰撞，應(yīng)進(jìn)行機(jī)械限位和電氣限位匹配性設(shè)計(jì)[10]，已知絲桿行程范圍為22mm±0.5mm，旋轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的絲桿行程范圍應(yīng)大于絲桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍的最大值，機(jī)械限位導(dǎo)向槽的長(zhǎng)度應(yīng)大于旋轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的絲桿運(yùn)動(dòng)最大行程，并且霍爾位置傳感器的感知行程范圍應(yīng)大于導(dǎo)向槽的長(zhǎng)度，四者匹配關(guān)系如圖6所示。

通過(guò)匹配設(shè)計(jì)，可以保證各行程在極限位置有0.1～0.5mm的避讓空間，在保證要求的前提下不發(fā)生碰撞。

3 仿真分析

參照楊子龍[11]等的應(yīng)用和評(píng)估方法，利用KISSsoft對(duì)錐齒輪和蝸輪蝸桿進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和壽命仿真，材料均選擇合金結(jié)構(gòu)鋼38CrMoAlA，表面發(fā)黑后滲氮處理，齒輪潤(rùn)滑采用7254航空潤(rùn)滑脂。齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如下。

（1）解鎖齒輪（直齒圓柱齒輪）

解鎖齒輪（直齒圓柱齒輪）最大負(fù)載級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)基本參數(shù)為：模數(shù)為0.4，齒數(shù)分別為58、17，齒寬為4mm，均為6級(jí)精度。

（2）錐齒輪傳動(dòng)

錐齒輪傳動(dòng)基本參數(shù)設(shè)置：大端模數(shù)為0.5（平均模數(shù)0.4113），齒數(shù)分別為19、28，齒寬為3mm，均為6級(jí)精度。

（3）蝸輪蝸桿

輸出端轉(zhuǎn)速按n=85.5r/min，轉(zhuǎn)矩按照T=0.8N·m進(jìn)行，壽命按2000h進(jìn)行，參數(shù)設(shè)置：模數(shù)為0.5，蝸桿頭數(shù)為1，蝸輪齒數(shù)為62，導(dǎo)程角為3.0175°，加工精度6級(jí)。

仿真完成后，檢查各齒輪彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)、接觸強(qiáng)度安全系數(shù)和齒輪運(yùn)行壽命。由計(jì)算結(jié)果可知，傳動(dòng)齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度許用安全系數(shù)SFmin、仿真安全系數(shù)SF、齒面接觸疲勞強(qiáng)度許用安全系數(shù)SH1min、仿真安全系數(shù)SH仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，壽命仿真結(jié)果如圖7所示。

仿真結(jié)果表明，各齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求。在可靠度為99.0%時(shí)，總運(yùn)行時(shí)間不小于8136h，滿(mǎn)足一般機(jī)載產(chǎn)品使用要求。

4 樣機(jī)測(cè)試及應(yīng)用

樣機(jī)完成生產(chǎn)加工后，進(jìn)行了性能測(cè)試，如圖8所示。運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，產(chǎn)品運(yùn)行動(dòng)作與設(shè)計(jì)方案一致，通過(guò)自制彈簧測(cè)力工裝，實(shí)際輸出力達(dá)到了560N（設(shè)計(jì)指標(biāo)530N，負(fù)載能力設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率為94.6%）。通過(guò)示波器檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行電流波形，測(cè)得響應(yīng)時(shí)間為1.07～1.86s，上鎖和解鎖行程精度±0.2mm，手動(dòng)操作力矩為0.15～0.25N·m，完成一次手動(dòng)操作為2.2圈，樣機(jī)總重量（質(zhì)量）為850g，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)總體性能與國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品相比，在單位重量下的輸出力和響應(yīng)時(shí)間方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

在進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)試測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下值得研究的規(guī)律或特性：

（1）在進(jìn)行產(chǎn)品負(fù)載能力測(cè)試時(shí)，產(chǎn)品上鎖力（推力）與解鎖力（拉力）存在差異（理論上是相等的）。經(jīng)整機(jī)剛度分析，是由于產(chǎn)品的抗壓剛度和抗拉剛度不同（兩受力方向非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致），導(dǎo)致絲桿在受到同樣大小的推力和拉力時(shí)，剛度較好的一側(cè)蝸輪位置變化小，與蝸桿中心偏離量較小，因此該側(cè)傳動(dòng)效率更高，導(dǎo)致輸出力更大。要提高剛度較差一側(cè)的輸出力（拉力），使其與剛度較好一側(cè)輸出力相等，可以在剛度較差一側(cè)通過(guò)調(diào)整墊圈施加預(yù)緊力，如圖9所示，可以抵消因剛度低產(chǎn)生微小變形導(dǎo)致的效率降低。本文中的樣機(jī)通過(guò)施加預(yù)緊力可以使拉力由400N提升至560N，使總傳動(dòng)效率提升28.6%。

（2）在安裝霍爾傳感器時(shí)發(fā)現(xiàn)，安裝在傳感器外圍的護(hù)罩會(huì)對(duì)霍爾傳感器的觸發(fā)位置產(chǎn)品影響。經(jīng)分析，是由于金屬護(hù)罩對(duì)磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)造成反射和干擾，導(dǎo)致霍爾芯片觸發(fā)電路附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，進(jìn)而導(dǎo)致觸發(fā)點(diǎn)延遲，造成0.3～0.5mm的定位差異，并且護(hù)罩加工質(zhì)量不同造成的觸發(fā)位置差異也不同。由于這一現(xiàn)象是該類(lèi)產(chǎn)品的固有特性[12]，因此在進(jìn)行行程調(diào)試時(shí)應(yīng)裝上護(hù)罩后進(jìn)行調(diào)試，最終行程應(yīng)以裝上護(hù)罩后測(cè)定的為準(zhǔn)。

（3）對(duì)于輸出端存在機(jī)械自鎖的蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)機(jī)械限位使其停止后，會(huì)在機(jī)械限位位置形成卡滯現(xiàn)象。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是，輸出端具有機(jī)械自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在機(jī)械限位的作用下停止后，會(huì)將輸出力以自鎖的方式保持在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)件上，成為下一次起動(dòng)時(shí)的阻力，反向起動(dòng)時(shí)需要的電機(jī)起動(dòng)力矩大于上次運(yùn)行力矩。因此，為避免手動(dòng)操作時(shí)在機(jī)械限位位置產(chǎn)生卡滯，應(yīng)在手動(dòng)操作端設(shè)置手動(dòng)操作限位裝置。

5 結(jié)論

本文完成了一種集成一體化直升機(jī)尾輪鎖緊裝置的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核，運(yùn)用KISSsoft軟件并引入材料特性、表面處理、潤(rùn)滑、加工精度等因素進(jìn)行了壽命仿真，完成了樣機(jī)性能測(cè)試，得出以下結(jié)論：在傳動(dòng)件加工精度為6級(jí)時(shí)，通過(guò)調(diào)整墊圈在剛度較差一側(cè)設(shè)定預(yù)緊力，可以使傳動(dòng)效率提高28.6%左右；霍爾傳感器外圍增加金屬護(hù)罩后，觸發(fā)位置差異為0.3～0.5mm；輸出端具有機(jī)械自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在機(jī)械限位的作用下停止后，反向起動(dòng)時(shí)需要起動(dòng)力矩大于上一次運(yùn)行力矩；采用霍爾式位置傳感器進(jìn)行行程控制時(shí)，對(duì)于直線(xiàn)輸出功率為7.2W（36mm/s）的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，慣性過(guò)沖量為0.05～0.2mm。由于采用了非接觸式霍爾傳感器，輸出重復(fù)定位精度處于一般水平?？赏ㄟ^(guò)改用接觸式直線(xiàn)位移傳感器和閉環(huán)控制系統(tǒng)，將行程精度控制在0.01mm以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足更高使用要求。

鑒于時(shí)間原因，本文未能完成產(chǎn)品實(shí)際壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，不能給出壽命仿真結(jié)果的準(zhǔn)確率指標(biāo)，該研究有待后期繼續(xù)開(kāi)展。

參考文獻(xiàn)

[1]史肖飛，王輝. 面向裝配的民用飛機(jī)設(shè)計(jì)制造一體化應(yīng)用研究[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2021，32（2）：56-61. Shi Xiaofei， Wang Hui. Research on civil aircraft design and manufacturing integration for assembly[J]. Aeronautical Science & Technology，2021，32（2）：56-61. （in Chinese）

[2]陳秀梅，馬玉貴. 一種液壓缸的鎖緊方法分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（2）：10，13. Chen Xiumei， Ma Yugui. Locking method analysis and structure design of a hydraulic cylinder [J].Machine Building& Automation，2013， 42（2）： 10，13.（in Chinese）

[3]鄧景輝. 直升機(jī)技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2021，32（1）：10-16. Deng Jinghui. Development and prospect of helicopter technology[J]. Aeronautical Science & Technology，2021，32（1）： 10-16. （in Chinese）

[4]錢(qián)海鯤，沈曉鵬，張崇峰. 航天器電動(dòng)手動(dòng)一體化艙門(mén)鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 上海航天，2015，32（3）：56-62. Qian Haikun， Shen Xiaopeng， Zhang Chongfeng. Design on lock actuator of electric/manual hatch for space vehicles[J]. Shanghai Aerospace，2015，32（3）：56-62.（in Chinese）

[5]于天達(dá)，張志強(qiáng). 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)銷(xiāo)軸磨損壽命與可靠性仿真[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2021，42（3）：219-224. Yu Tianda， Zhang Zhiqiang. Wear life and reliability simulation of pin shaft of control rod drive mechanism[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering，2021，42（3）：219-224.（in Chinese）

[6]程剛，張相炎，董志強(qiáng)，等. 高速供彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性仿真研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)，2011，32（7）：801-804. Cheng Gang， Zhang Xiangyan， Dong Zhiqiang， et al. Simulation research on motion reliability of high-speed feed mechanism[J]. Acta Armamentarii， 2011， 32（7）： 801-804. （in Chinese）

[7]聞邦椿，鄂中凱，張義民，等. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017. Wen Bangchun， E Zhongkai， Zhang Yimin， et al. Mechanical design manual（volume 2） [M]. Beijing： China Machine Press， 2017.（in Chinese）

[8]Jochen S，Osama D.符合人體工程學(xué)的設(shè)備操作[J].現(xiàn)代制造，2007（31）：52，54. Jochen S，Osama D. Ergonomic device operation [J]. Modern Manufacturing， 2007（31）：52，54.（in Chinese）

[9]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編委會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)（第2卷）[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002. Editorial Board of China Aeronautical Materials Manual.China aeronautical materials manual（Vol. 2）[M].Beijing：Standards Press of China， 2002.（in Chinese）

[10]肖高忠. 航空電動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械、電氣限位的匹配性設(shè)計(jì)[J]. 設(shè)備管理與維修，2020（18）：98-99. Xiao Gaozhong. Matching design of mechanical and electrical limits of aviation electric mechanism[J]. Equipment Management & Maintenance， 2020（18）：98-99.（in Chinese）

[11]楊子龍，王龍龍，周潤(rùn)，等.ISIGHT平臺(tái)下基KISSsoft的齒輪接觸強(qiáng)度可靠性分析方法[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2021，43（19）： 127-131. Yang Zilong， Wang Longlong， Zhou Run， et al. Gear contact strength reliability analysis method based on KISSsoft based on ISIGHT platform[J]. Ship Science and Technology， 2021，43（19）：127-131.（in Chinese）

[12]張建宇. 霍爾傳感器誤差原因及補(bǔ)償[J]. 信息記錄材料，2022，23（2）：224-226. Zhang Jianyu. Error cause and compensation of hall sensor[J]. Information Recording Materials， 2022， 23（2）： 224-226. （in Chinese）

Integrated Design and Research of a Helicopter Tail Wheel Locking Device

Gao Xin， Cai Dajing， Zhuo Liang， Chen Qiang

Guizhou Aerospace Linquan Motor Co.，Ltd.， Guiyang 550000，China

Abstract： In order to study the efficiency characteristics and operation accuracy of electric mechanism under open loop control system，taking a helicopter tail wheel locking device as an example， the integrated design scheme and the structural design and calculation of the key functions of the device are introduced. The design， analysis and calculation of locking and unlocking response time， load capacity， motor power， manual unlocking scheme and mechanical limit of multi-turn rotating motion are carried out.According to the transmission principle of gear drive， worm drive， ball screw pair， screw raceway pair， the manual interface with multiple mechanical limit and meeting the ergonomic operation requirements is completed. The strength and life of the transmission structure are simulated and analyzed， and the reliability of the design and simulation results and the rationality of the debugging method are verified by the testing and debugging of the prototype， the empirical parameters are obtained in the aspects of transmission efficiency regulation， Hall effect sensor operation， mechanism output precision control under open-loop control system. By preloading adjustment and lead-up setting， the working efficiency of the transmission system can be improved by 28.6% and the running accuracy can be guaranteed no less than 0.2mm， which provide reference for the design and development of similar mechatronic products.

Key Words： locking device； integrated design； multi-turn mechanical limit； operational life simulation