某轉位機構低溫動作異常問題分析及優化

劉雪鋒，葉 飛

（湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感 432000）

1 引言

本文研究了一種新型轉位機構，采用了空心杯電機+蝸輪蝸桿齒輪齒圈減速器驅動的結構形式，具有負載輕、扭矩小、成本低，響應迅速的優點。相比傳統端齒盤轉位鎖緊機構，采用這種轉位機構的慣組無論是從體積上還是從成本上具有極其顯著的優勢。為研究裝備該轉位機構的慣組在動態環境下的適應能力，對其進行了多輪力學環境可靠性試驗，在慣組進行自標定、自對準過程中，特別是在低溫（-40℃）環境下，轉位機構出現低速爬行，動作卡滯，自標定自對準超時故障現象。

在實際的慣組性能實驗中，低溫環境下轉位機構性能明顯下降，甚至出現轉位機構低溫工作異常現象。低溫環境對慣組的影響，主要概括為三個問題:一是環境溫度下降會導致框架收縮，但不同材料的變形量并不相同。在正常裝配情況下，框架的微量耦合變形往往會對軸承內部受力產生較為明顯的影響，從而改變軸承的摩擦力矩；二是根據國內外軸承性能實驗，所用潤滑脂在低溫情況下的性能也是影響轉位機構摩擦力矩的重要原因；三是鋁合金線膨脹系數大于鋼的線膨脹系數，低溫時，減速器本體收縮量比齒輪的收縮量大，從而造成傳動副側隙的減小，溫度造成側隙變化導致出現應力集中，進而顯著增大轉位機構低溫摩擦力矩。

本文基于轉位機構工作原理以及環境溫度變化情況，主要從溫度對傳動副側隙的影響，分析低溫工況下轉位機構傳動副的側隙變化趨勢、采用有限元分析軟件ANSYS 模擬應力分布情況，提出了降低鎖緊應力、優化解鎖策略等優化措施，解決了轉位機構低溫摩擦力矩顯著增大導致的低溫卡滯問題。

2 轉位機構低溫卡滯問題分析及原因定位

以某慣性設備旋轉調制用轉位機構低溫自標定超時為例進行分析，如圖1 所示轉位機構。該轉位機構為雙軸轉位機構，因內外框結構形式控制方式一致，本文僅對外框軸系進行分析，整機與外部艙段通過硅橡膠減震器進行隔離安裝。外驅動部件與框架固連，通過外驅動部件繞定齒圈旋轉帶動外框軸系運動，外框減速器采用蝸輪蝸桿+齒輪齒圈結構形式，該驅動部件為驅動鎖緊一體化設計，由于減速器采用了蝸輪蝸桿傳動形式，具備斷電自鎖功能。

圖1 轉位機構示意圖

根據試驗大綱要求，轉位機構需要經過高低溫溫度循環試驗，以考核產品在環境溫度變化期間的工作能力。試驗要求在每個溫度點保溫時間到達后進行一組自對準測試，以考核轉位機構在高低溫環境下的工作性能。為了對轉位機構運轉過程中的摩擦力矩進行考核，采用電測法測量轉位機構3°/s 勻速運動時驅動電機輸出PWM 值，該值可通過電機力矩系數K 換算得到電機輸出力矩，該力矩即可簡化為當前的摩擦力矩。通過表1 可以看出在常溫環境下，外框轉位機構輸出PWM 均在1390～1571，運轉正常，在低溫-40℃時，顯著增加至1972～2300，轉位機構出現低速爬行，動作卡滯，轉速幾乎為0，自對準超時報故。可見低溫環境是造成轉位機構動作卡滯的重要原因。根據轉位機構減速器多級傳動關系，對該轉位機構可能產生故障的原因進行梳理，如圖2所示。

表1 方案階段慣組常溫和低溫工況下外框輸出PWM 值

圖2 低溫自對準超時故障樹

3 轉位機構溫度應力場分析

3.1 轉位機構溫度應力建模

根據故障樹的分析，減速器的傳動副傳動需要保證一定的側隙，傳動副側隙不足，會導致減速器的傳動摩擦阻力變大，甚至會出現卡死現象。因此，需要對當前轉位機構傳動副傳動側隙值進行校核。

為實現慣組的輕量化，轉位機構選中電機座，支撐環選用鋁合金材料，而出于齒輪的強度、壽命等方面的考慮，齒輪及蝸輪蝸桿則由合金鋼材料制成。因為不同材料的溫度線膨脹系數不相同，轉位機構要求能在-40℃～+60℃的溫度范圍內能夠穩定工作，在不考慮軸承低溫摩擦力矩變大的前提下，需要校核在此溫度范圍內的傳動副側隙，即校核在當前側隙情況下傳動副的低溫應力應變變化趨勢。

表2 轉位機構中各零件材料物理特性

轉位機構在鎖緊狀態下其熱交換方式為：轉位機構與溫箱內低溫空氣進行熱對流、機構內部發熱器件的熱傳遞。對鎖緊狀態下的溫度應力耦合場分析基于實際溫度循環試驗進行，即高溫+60℃保溫4h后轉低溫-40℃保溫4h，使用ANSYS 進行溫度+靜力學耦合場建模分析。

3.2 轉位機構鎖緊狀態下溫度應力耦合場分析

針對鎖緊狀態進行分析，如圖3 所示，對模型進行簡化，減小計算量，齒輪齒圈以及蝸輪蝸桿進行轉動副與接觸設置，其中傳動副嚙合部位初始間隙在建模初設置為相切零間隙，在ANSYS 接觸設置中設置為適應接觸。分析轉位機構從高溫60℃保溫4h 后的內部應力應變情況，進一步的，通過應變分析傳動副的接觸位置變化趨勢，圖4 為轉位機構整體位移云圖及其截面云圖，圖5 是齒輪齒圈傳動副位移以及接觸壓力云圖，圖6 顯示的是蝸輪蝸桿傳動副位移以及接觸壓力云圖。

圖3 轉位機構簡化模型

圖4 轉位機構傳動部件整體應變云圖

圖5 齒輪齒圈應變及接觸壓力云圖

圖6 蝸輪蝸桿應變及接觸壓力云圖

根據仿真結果，分析傳動副接觸位置變化趨勢，從變化量可以看出，齒輪齒圈、蝸輪蝸桿傳動副有干涉趨勢，其中齒輪齒圈接觸壓力250MPa，蝸輪蝸桿接觸壓力為45MPa，可見齒輪齒圈接觸壓力影響更大，由于低溫變形造成應力集中，使得轉位機構摩擦力矩過大，造成低溫運動時機構出現卡滯甚至卡死現象，最終導致自對準流程無法進行。

4 結果分析以及優化改進

針對兩個傳動副接觸壓力過大情況，分別調整傳動齒輪之間的側隙，加大傳動副之間的中心距，在保證消隙同時，降低接觸壓力，減小應力集中。針對故障產品重新進行了高低溫循環試驗，以及外框摩擦力矩測試即輸出PWM 值測試，見表3，通過中心距優化，將低溫自對準合格率提高到50%。

表3 方案階段慣組側隙優化后常溫和低溫工況下外框輸出PWM 值

基于上述計算結果以及對結果的驗證，根據實際試驗情況，從降低鎖緊應力、優化解鎖策略以及摩擦力矩判斷機制三方面進行優化改進。

4.1 降低鎖緊應力

為避免鎖緊狀態下，傳動副應力集中，結構上在保證嚙合精度前提下，適當提高傳動副中心距，增加齒輪傳動側隙。既可以保證定位精度，又能降低高低溫溫度循環試驗過程中傳動副的接觸壓力，避免出現應力集中造成卡滯現象。

4.2 優化解鎖策略

為了提高解鎖力矩以及解鎖可靠性，保證解鎖應力釋放，提高電機輸出力矩，優化了減速比，新增上電解鎖功能。在當前轉位機構中，電機控制轉位機構動作即為解鎖，電機停止動作即為鎖定狀態。原解鎖流程為：控制電路對驅動電機施加負向電壓，驅動轉位機構進行逆時針旋轉，實現解鎖驅動流程。當解鎖應力過大時，轉位機構驅動力矩不足以克服解鎖應力，造成解鎖失敗，系統報故。

對解鎖策略進行優化后，驅動力矩增大，最新解鎖流程為：控制電路先對驅動電機施加正向電壓，持續250ms，使驅動轉位機構順時針動作，然后對驅動電機施加負向電壓，使轉位機構換向進行逆時針正常旋轉，實現解鎖流程。

4.3 摩擦力矩判斷機制

為提高轉位機構試驗合格率，在裝配調試階段新增轉位機構摩擦力矩判斷機制，根據大量試驗數據設置轉位機構常溫下輸出的外框PWM 門檻值，具體的，將門檻值設置為常溫下輸出1100～1300 即能保證慣組低溫自對準正常進行，當高于1300 時或低于1100 時需重新調整裝配預緊狀態，保證輸出PWM 值在區間內。

如表4 所示，將上述優化措施落實在新批次產品上，全部6 套產品均順利通過溫循試驗。

表4 新批次慣組優化后低溫自對準試驗情況

5 結論

本文針對三自慣組轉位機構出現自低溫對準超時報故的故障現象，開展了結構溫度場應力分析以及機構的優化設計。通過分析轉位機構的低溫卡滯故障原因，從結構設計方面對問題進行排查，在不考慮軸承影響的前提下，將原因定位在傳動機構齒輪側隙過小導致溫度應力問題。針對該問題，分析該機構溫度應力傳遞機制，利用有限元仿真分析軟件ANSYS 對機構在環境條件下進行溫度應力以及動力學仿真分析。仿真結果證明：該結構側隙設計不合理，致使齒輪等傳動副出現了溫度應力集中現象，導致了機構低溫自對準過程中出現超時報故的現象。根據理論分析、仿真結果、試驗驗證情況，分別從降低鎖緊應力、優化鎖緊策略、摩擦力矩判斷機制三個方面采取了優化改進措施，通過優化改進，該機構低溫動作異常的問題最終得以解決。