含間隙鉸鏈空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)動力學(xué)仿真分析

宋春雨　陳譽仁　徐方舟

摘? 要：以經(jīng)典空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)為研究對象，基于多體動力學(xué)軟件Adams建立含間隙鉸鏈傳動機構(gòu)動力學(xué)模型，針對不同位置間隙鉸鏈及不同數(shù)量間隙鉸鏈開展傳動機構(gòu)動態(tài)特性分析，為含間隙鉸鏈空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)方案優(yōu)化及控制策略設(shè)計提供理論參考。

關(guān)鍵詞：傳動機構(gòu);間隙鉸鏈;動力學(xué)仿真

中圖分類號：TH113.1 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0015-03

Abstract： Taking the classical air rudder transmission mechanism as the research object， the dynamic model of the hinge transmission mechanism with clearance is established based on the multi-body dynamics software Adams， and the dynamic characteristics of the transmission mechanism are analyzed according to the different position clearance hinges and different number of clearance hinges， which provides theoretical reference for the scheme optimization and control strategy design of the air rudder transmission mechanism with clearance hinges.

Keywords： transmission mechanism; clearance hinge; dynamic simulation

1 概述

空氣舵系統(tǒng)作為飛行器姿控系統(tǒng)的重要組成部分，用于調(diào)整和穩(wěn)定飛行器姿態(tài);而傳動機構(gòu)是空氣舵系統(tǒng)的機械傳動部分，其主要功能是將伺服作動器的直線（或旋轉(zhuǎn)）運動轉(zhuǎn)換為空氣舵的偏擺運動。傳動機構(gòu)作為運動部件，要保證系統(tǒng)運轉(zhuǎn)靈活，運動部位間隙的存在不可避免，同時由于加工誤差的存在也會導(dǎo)致間隙的存在。間隙的存在又必然影響著機構(gòu)系統(tǒng)靈敏性，降低傳動精度，使系統(tǒng)相位滯后，尤其在空氣舵高頻運動時，傳動機構(gòu)中含間隙鉸鏈的軸孔間存在劇烈的碰撞與沖擊，產(chǎn)生噪聲和振動，導(dǎo)致空氣舵系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)下降，也會加劇傳動機構(gòu)的磨損與破壞[1-3]。

隨著飛行器性能的不斷提升，對舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)的要求越來越苛刻，高承載、高剛度及高傳動精度是其必備要求，間隙的存在破壞了理想機構(gòu)模型，導(dǎo)致機構(gòu)實際運動與理想運動間存在誤差，為追求高品質(zhì)空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)性能，開展含間隙機構(gòu)動力學(xué)分析十分必要。本文以某飛行器空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)為研究對象，以多體動力學(xué)軟件Adams為平臺建立動力學(xué)模型，開展含間隙狀態(tài)下傳動機構(gòu)運動仿真，為傳動機構(gòu)方案優(yōu)化及控制策略提供理論參考。

2 空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)組成

某空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)為經(jīng)典的曲柄搖桿式構(gòu)型，主要有直線伺服作動器、搖臂、鉸鏈銷軸、舵軸及支座組成，其簡化模型如圖1所示。搖臂與舵軸固連為一體，舵軸通過軸承安裝于飛行器結(jié)構(gòu)上，伺服作動器通過鉸鏈銷軸分別與搖臂、飛行器結(jié)構(gòu)連接，當伺服作動器接收到運動指定，作動桿輸出線位移帶動搖臂及舵面繞軸線偏擺。

3 含間隙機構(gòu)傳動特性分析

3.1 仿真分析模型

在多體動力學(xué)軟件ADAMS/View中建立某空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)簡化分析模型[4]，搖臂與舵軸固連并與機架鉸接，鉸鏈A、B處分別設(shè)置接觸力約束，分析模型如圖2所示。

為分析在不同位置處含間隙鉸鏈及有不同數(shù)量含間隙鉸鏈時傳動機構(gòu)的運動特性，設(shè)置4種分析狀態(tài)，如表1所示，仿真參數(shù)如表2所示。

3.2 仿真分析

在表2所示仿真參數(shù)條件下完成表1中4種狀態(tài)空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)動力學(xué)仿真。

鉸鏈A、B處分別單獨設(shè)置間隙鉸鏈時與理想零間隙狀態(tài)時，各舵軸偏轉(zhuǎn)角度如圖3、圖4所示，含間隙鉸鏈時舵軸偏轉(zhuǎn)角度與理想角度偏差如圖5所示。從仿真結(jié)果來看鉸鏈A、B處單獨含間隙時與理想零間隙時舵軸運動趨勢一致且?guī)捉睾希孑S偏轉(zhuǎn)角度仍存在一定誤差，說明在單鉸鏈間隙為0.1mm時對舵軸偏轉(zhuǎn)角度的影響較小;對比在不同鉸鏈處設(shè)置間隙時舵軸的偏轉(zhuǎn)角度，雖然鉸鏈間隙值一樣但兩者所產(chǎn)生的角度誤差不一樣。

當鉸鏈A、B處均含間隙時，與理想零間隙狀態(tài)相比，舵軸偏轉(zhuǎn)角度誤差如圖6所示。兩處鉸鏈均存在間隙時，舵軸偏轉(zhuǎn)角度較單個鉸鏈存在間隙時誤差更大，但并非兩個單獨間隙鉸鏈運動誤差的簡單線性疊加，呈現(xiàn)非線性耦合狀態(tài);且無論是存在單個還是多個間隙鉸鏈，在運動初始時刻誤差均有一個大的跳躍，這是因為間隙的存在使舵軸運動存在一定滯后。

對鉸鏈A、B處均含間隙時舵軸運動速度進行分析，速度曲線如圖7所示，相較于間隙對偏轉(zhuǎn)角度的影響，間隙對速度的影響更直接、更明顯，間隙的存在使得鉸鏈處于振動沖擊狀態(tài)，舵軸速度波動幅值較大，呈脈沖式響應(yīng)。

4 結(jié)束語

以某飛行器空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)為研究對象，建立了動力學(xué)模型，開展了含間隙狀態(tài)下傳動機構(gòu)運動仿真。當舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)中存在間隙鉸鏈時，機構(gòu)會產(chǎn)生一定的運動滯后與誤差，且不同位置處間隙鉸鏈導(dǎo)致的運動誤差效果不一樣;當機構(gòu)存在多處間隙鉸鏈時，運動誤差幅值增大，但并非單獨間隙鉸鏈運動誤差的簡單線性疊加，呈明顯的非線性耦合;相較于間隙對運動角度的影響，間隙對速度的影響更直接、更明顯。

參考文獻：

[1]何勇，李冬.含間隙的機構(gòu)動力學(xué)研究進展[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報，2006，22（3）：50-54.

[2]聶青，宋磊，劉愛蓮，等.基于Adams的飛行器空氣舵?zhèn)鲃酉到y(tǒng)動特性間隙敏感度分析[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2017（5）：58-61.

[3]李云濤.空氣舵?zhèn)鲃訖C構(gòu)動態(tài)特性分析及實驗研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017：1-3.

[4]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].國防工業(yè)出版社，2014：67-93.