某型电动舵机舵面锁定机构优化设计

某型电动舵机舵面锁定机构优化设计

白君国

贵州航天控制技术有限公司伺服技术设计研究所，贵州贵阳 550009

摘 要：针对某型电动舵机舵面锁定机构存在因舵面锁定能力不足而导致舵面无法精确锁定到位的问题，通过对该型舵机舵面锁定机构进行设计原理分析论证及运动学仿真分析择优，实现了该型电动舵机舵面锁定机构在外界存在较大空气动压的情况下的高可靠锁定功能。

关键词：舵面锁定机构；锁定力矩；反冲力矩

引言

某电动舵机需具备抗14000g高过载能力且需进行舵面折叠锁定，其舵面折叠展开机构设计采用了火工品推销开舵的设计理念，与已有的弹簧开舵设计相比，大幅提高了高动压条件下四通道舵面的开舵可靠性，然该火工品推销开舵的设计方式，在确保舵机具备高动压条件下开舵能力的同时，为舵机又带来了新的技术难题。

火工品推销开舵的设计方式虽然可以通过填充足够的火药量来确保舵机具备可靠的舵面展开能力，但也恰恰因为火药推销开舵能力太强，导致舵面展开到位后出现了高速回弹无法锁定的问题。本文将针对这一技术难题，展开分析讨论。

二、舵面锁定机构设计原理

舵机舵面锁定机构主要由舵面、连杆、锁定销、开锁弹簧、（火工品）推销器等零部件组成。接收舵控指令前，四通道舵面均处于折叠状态，由推销器加连杆机构实现折叠锁定，此时舵面将锁定销压入舵轴孔内，开锁弹簧处于压缩状态；当推销器接收点火指令后，推销器销轴带动连杆高速运动，从而推动四通道舵面展开，之后舵面在惯性力和开锁弹簧的作用下继续展开，当舵面舵柄下端面运动到水平位置时，舵面展开到位，与此同时锁定销也在开锁弹簧的作用下运动到舵面舵柄下端面锁定位置处，实现舵面展开锁定。

三、舵面锁定机构存在的设计缺陷

对当前展开到位处于锁定状态下的舵面进行受力分析，舵面展开到位后锁定机构设计采用了开锁弹簧加锁定销的设计方式，在舵面开始从折叠状态作展开运动的过程中，锁定销会在弹簧力的作用下开始同步沿着舵柄下端面一直滑动，直到舵柄上方的台阶端面与舵轴限位端面接触时，舵面展开到位，此时锁定销将同步运动到舵柄下端的斜面位置，实现舵面锁定。设计之初，考虑到锁定销与舵面、舵轴之间会因加工误差而产生较大间隙，从而影响舵机性能，故而参考现有的一些设计，在舵柄位置处设计了斜面台阶结构，当锁定销运动到舵柄斜面根部时，若舵面与锁定销之间仍存在间隙，锁定销将在开锁弹簧作用下继续向斜面运动，以此实现消隙功能。然而由于当前消隙斜面较长且角度较大，使得锁定销运动锁定行程大大缩短，导致锁定力矩明显不足，结果造成舵面出现锁定过程中高速回弹无法锁定的现象。具体分析如下:

因舵轴与舵面始终存在配合间隙，锁定销必然存在微倾斜现象，因此锁定销与舵面的实际接触情况为两处点接触，舵面的实际受力情况见图1a）所示，锁定销对舵面的锁定力矩为： ，舵轴对舵面的反冲力矩为： 。

可以发现，因当前设计的消隙斜面较长且角度较大，使得锁定销对舵面的两支撑点分居舵面旋转中心两侧，因此当前设计状态的锁定销锁定力矩M由方向相反的两个力矩M1、M2组成，显然正向锁定力矩M2已被负向力矩M1严重削弱，极大可能导致总的锁定力矩M无法抵抗巨大的舵面反冲力矩M3，从而造成舵面出现高速反冲回弹无法锁定的现象。

a）舵面受力图 b）锁定销受力图

1. 舵面及锁定销受力分析图

再对锁定销进行受力分析，锁定销在运动到位时的受力分析图如图1b）所示，Fa为舵面斜面台阶对锁定销的压力，N为舵轴及舵面对锁定销在竖直方向的支撑合力，f为锁定销所受到的摩擦阻力，F为开锁弹簧的弹簧压力，Fa2为Fa沿锁定销水平移动方向的分力，其方向始终向左，与锁定销锁定运动方向相反。当舵面展开到位时，舵面斜面始终对锁定销存在一个垂直于该斜面的压力Fa，该压力的大小主要由舵面与舵轴撞击时的反冲力大小决定，且反冲力越大，Fa越大，水平方向回压锁定销的分力Fa2也越大，同时发现Fa2与斜面角度α（0°＜α＜90°）也成正相关，α越大，Fa2也越大；因此当Fa2大于弹簧压力加摩擦力即F+f的合力时，锁定销就会出现回压运动的趋势，当Fa2远大于F+f时，就会出现锁定销回压，舵面回弹的现象。

综合以上分析，当前设计状态的舵面锁定机构确实存在较明显的理论设计缺陷，舵面根部斜面台阶的存在虽然能够达到一定的消隙作用，但因斜面太长，导致锁定销锁定行程被大幅缩短，使得锁定销在舵面展开到位时无法越过舵面旋转中心，以致锁定力矩太小无法抵抗反冲力矩，造成舵面出现回压现象；同时因斜面台阶角度太大，使得回压锁定销的分力太大，也是造成锁定销无法锁定舵面，出现回压现象的重要因素。

四、优化设计

根据以上，现对舵面斜面台阶进行优化设计，主要优化方向集中在斜面台阶长度及斜面角度。对优化方案首先进行理论分析及仿真分析，进行择优筛选。

（一）理论分析

在原状态基础上，将舵面斜面台阶右移，保证锁定销锁定行程较长且两处支撑点均越过舵面旋转轴，此时锁定销对舵面的锁定力矩为: ，舵轴对舵面的反冲力矩为：

很明显，该种设计下锁定销的锁定力矩M是由M1+M2的力矩之和组成，且当F1、F2相对舵面旋转中心的力臂越长时，锁定力矩M越大，越能够抵抗反冲力矩M3的作用,实现舵面锁定。依据该设计理论，在ADAMS软件中进行仿真分析，确定最优方案。

（二）仿真分析及方案择优

1）将舵面斜面台阶在原状态基础上往右移动2mm，斜面角度不变，此时锁定销完全越过舵面的旋转中心，在ADAMS中建立仿真分析模型，通过采集舵面展开角度建立IF函数方程模拟舵面负载^[1]，采用2000N推销力推动舵面展开，舵面展开到位，对展开曲线进行分析可以得出，该改进状态下的舵面已基本实现展开锁定，仅在舵面锁定时有小角度的抖动，未出现回弹的情况，表明舵面斜面台阶向右移动2mm后，舵面能够实现有效展开和锁定。

2）为提高舵面展开锁定的可靠性，在现有结构空间条件下，进一步向右移动舵面斜面台阶，使锁定销行程更大，增大锁定力臂，此时舵面斜面台阶向右移动3mm，斜面角度由20°改为10°，在ADAMS软件中进行仿真校核，推销力仍为2000N，从展开曲线可以看出，舵面斜面台阶右移3mm、斜面角度10°的优化方案，舵面展开波动角度更小，展开锁定能力更好。

综合考虑仿真分析情况，在结构空间有限的情况下，最终对舵面折叠锁定机构做如下设计优化：

1. 将舵面斜面台阶向右移动3mm，使锁定销尽可能远离舵面旋转中心，增大锁定力矩。

2. 减小舵面斜面台阶角度，在保证消隙功能的情况下将斜面减小到10°，减小轴向回压分力。

五、结束语

针对此次抗高过载电动舵机舵面展开高速回弹无法锁定的技术问题，通过对舵面折叠锁定机构原始设计方案进行原理分析，寻找设计缺陷，并进行仿真分析校核，最终确定了最优的改进方案，目前该型改进方案已经通过了多项试验考核验证，具有较高的可靠性及可行性。

参考文献

1. 高广娣.《典型机械结构ADAMS仿真应用》.北京：电子工业出版社，2013.

作者简介：白君国 （1994.11-），男，汉族，山西省应县人，本科，助理工程师，贵州航天控制技术有限公司,研究方向：伺服系统