舵類傳動機構動態性能試驗系統設計

陳華偉 ,王 辰 ,周天送 ,郭 嘉 ,楊舜博 ,張宏劍 ,蓋玉先

(1.北京宇航系統工程研究所,北京 100076;2.哈爾濱工業大學(威海)機械工程系,威海 264209)

1 引言

空氣舵廣泛應用于各類飛行器,通過舵面產生的氣動力形成控制力和力矩,來保證飛行器對俯仰、滾轉和偏航這三軸的平衡與操縱[1-4]。舵類傳動機構是一種將舵機和舵面聯系起來的連接機構,其作用一方面是將舵機的直線運動轉化為舵面的偏轉,實現對飛行器的操縱,另一方面是傳遞驅動力矩或承載阻力矩。傳動機構既是飛行器控制系統的關鍵環節,也是承載結構的重要組成部分。

伺服作動器和傳動機構組成了一個隨動系統,理想隨動系統的輸出位移相對于輸入位移應該在幅值和時域上沒有誤差,即輸出位移的幅值按照傳動比沒有增減,更沒有時域滯后。但實際上,由于伺服作動器和傳動機構中輸出速度、慣性載荷、間隙和摩擦等因素的影響,執行機構的輸出信號與輸入信號之間存在幅值與時間上的誤差。幅值誤差體現了執行機構的位置準確度,而時間誤差體現了執行機構的跟隨性[5]。

為了在產品生產前即可方便驗證并改進傳動機構在幅值和時域上對整個系統帶來的影響,提出一種試驗系統,方便對舵類傳動機構動態性能進行摸底,驗證設計方案的可行性。

2 舵類傳動機構動態性能試驗方法

2.1 舵類傳動機構動態性能試驗基本原理

試驗系統主要包括四大部分,一是由軸承座、軸承、舵軸、剪切銷和擺臂組成的舵類傳動機構,二是由球鉸、安裝座和直線伺服作動器組成的驅動部件,三是由慣量調節板、板簧和板簧調整座組成的載荷施加部件,四是由輸入角位移傳感器、輸出角位移傳感器、力傳感器等組成的測量部件,如圖1 所示。

圖1 試驗系統原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

其中,驅動部件作為動力輸入,驅動傳動機構的運動。載荷施加部件中的板簧可以提供扭矩,來模擬傳動機構工作時受到的阻力矩,慣量調節板可以提供不同的轉動慣量,來模擬不同類型空氣舵的慣量負載。試驗時,在舵軸的兩端分別布置輸入角位移傳感器和輸出角位移傳感器,可分別測得傳動機構輸入端與輸出端的轉角與轉速等運動參數,并與直線伺服作動器的運動參數進行比較分析,便可得到傳動機構在傳動過程中的動態性能。板簧固定端通過布置力傳感器,可以測得并計算板簧扭轉產生的實時扭矩。

2.2 傳動機構運動學分析

驅動部件通過傳動部件將直線運動轉換為舵軸的轉動,如圖2 所示。

圖2 舵軸傳動簡圖Fig.2 Schematic diagram of rudder shaft transmission

圖中,A點為舵軸旋轉中心,B點為直線伺服作動器與舵軸擺臂鉸接中心,C點為舵軸擺動的極限位置(直線作動器伸出),D點為舵軸擺動的另一極限位置(直線作動器縮回),O點為直線伺服作動器鉸鏈座中心位置,R為舵軸擺臂半徑,e為O點與A點的垂直距離,S0為O點與A點的水平距離,θ為舵軸擺角,初始狀態(圖示B點位置)為0,伸出時為正,ω為舵軸的轉動角度范圍,v為直線伺服作動器的伸出速度,s為電缸的伸縮量。

由直線伺服作動器與舵軸之間的幾何關系,可得

對公式(2)兩側求導可得ω與v的關系為

2.3 板簧與慣量調節板計算

如圖3 所示,載荷施加部件可以通過調節慣量調節板施加不同的轉動慣量,模擬不同舵面的質量特性,同時可以調節板簧調整座或者更換不同的板簧來提供不同的阻力矩,模擬傳動機構工作過程中受到的負載力矩。試驗前應依據空氣舵的工況要求確定施加在傳動機構上的試驗扭矩和慣量載荷,并以此作為輸入計算板簧和慣量調節板的相關參數。

圖3 載荷施加部件示意圖Fig.3 Schematic diagram of load application components

為了模擬舵軸上的負載慣量,試驗臺在舵軸末端安裝了慣量調節裝置,整體為圓盤狀,底層為安裝底板,在安裝底板外側設置了多層慣量調節板,慣量調節板為圓環形,通過螺栓與安裝底板連接,改變慣量調節板層數,就可以方便的調節整個慣量調節裝置的轉動慣量。也可以依據實際需求定制不同外形尺寸與質量的慣量調節板,來適應更多不同的慣量需求。

板簧的主要作用是為舵軸提供負載力矩,模擬舵軸實際工況下的載荷。板簧結構為長方形薄板,長度、寬度和厚度分別為L、h和b。

板簧的幾何參數可由扭轉角和扭轉所需產生的扭矩來確定。板簧一端固定,一端扭轉時,扭矩與扭轉角度滿足

式中:n——板簧數量;β——與h/b比值有關的系數;G——材料的剪切模量,Pa;TS——板簧產生的扭矩,N·m;φ——板簧扭轉角度。

產生扭轉時,板簧的最大應力τmax可由公式(6)計算確定,依據最大應力可以選擇板簧所使用的材料。

式中:α——與h/b的比值有關的系數。

2.4 傳動機構運動性能與負載扭矩測量方法

試驗過程中,舵軸的一端與負載扭矩和慣量載荷相連接,可視為舵軸的輸出端;另一端不與任何負載相連,與擺臂的相對位置保持恒定,可視為舵軸的輸入端。兩端分別布置了角位移傳感器,可以分別測得傳動機構輸入端與輸出端的角位移、角速度和角加速度,由于傳動機構中存在配合間隙、材料變形等因素,會導致輸出端和輸入端的位置與速度偏差,在數據上則表現為幅值與時間上的誤差[6-9]。同時在直線伺服作動器上布置了直線位移傳感器,可以測得直線伺服作動器的實際運動參數。將該參數和輸入、輸出端測得的參數比較分析,便可以得到整個傳動機構在傳動過程中的動態性能,以確定傳動機構的響應速度和舵面操控準確度。

在傳動機構運動期間實時獲得傳動機構的負載扭矩(板簧扭轉產生的扭矩),對于傳動機構動態特性的分析也非常重要。由于板簧幾何尺寸較大,且為薄板結構,使用常見的軸向安裝的力矩傳感器難以固定和安裝,因此采用如圖4 所示的力矩測量方法,在板簧固定端使用壓板固定板簧,壓板一端鉸接,另一端與力傳感器連接。

圖4 力矩測量方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of torque measurement method

當板簧扭轉時,通過力傳感器測得的拉力或壓力便可以解算出板簧產生的扭矩為

3 舵類傳動機構動態性能試驗系統設計

3.1 舵類傳動機構動態性能試驗系統組成

試驗系統包括操作顯示器、透明防護罩、直線伺服作動器、底座(控制柜)、直線位移傳感器、角位移傳感器、傳動機構、舵軸工裝、慣量調節盤、板簧、板簧調整座等,如圖5 所示。

圖5 試驗系統組成示意圖Fig.5 Schematic diagram of test system composition

3.2 舵類傳動機構動態性能試驗系統試驗步驟

舵類傳動機構的動態性能試驗步驟如圖6 所示。依據試驗目的不同,可以進行三種不同的試驗:一是位置特性測試,即考核傳動機構傳動過程的傳動準確度,當給定一個輸入時,可以同時獲得輸入和輸出端的轉角,通過比較分析便可以判斷其是否滿足操控準確度要求;二是頻率特性測試,即判斷傳動機構在高頻往復運動下的動態跟隨性能,得到其輸入、輸出數據在幅值和時間上的誤差;三是暫態(瞬態)特性測試,即測試傳動機構在高速啟動瞬間的跟隨與位置特性。通過這幾種試驗模式,便可以對舵類傳動機構的動態性能進行研究和測試。

圖6 動態性能試驗步驟Fig.6 Test steps of dynamic characteristics

4 舵類傳動機構動態性能試驗系統測試試驗

為了驗證試驗系統的功能和測試數據準確性,基于舵軸試驗樣品對試驗系統進行了測試試驗。分別開展了位置特性測試、暫態特性測試和頻率特性測試。

4.1 位置特性測試試驗

位置特性測試可以驗證舵軸傳動機構的位置準確性。在測試中,將直線伺服作動器的目標位移值設置為±24 mm,根據舵軸試驗樣品的幾何關系,通過計算得出此時舵軸的最大擺角為±20°。試驗中舵軸上安裝了兩個角度傳感器,分別為輸入角度傳感器和輸出角度傳感器,如圖7 所示。

圖7 角位移傳感器位置示意Fig.7 Position diagram of angular displacement sensors

通過試驗得到舵軸試驗樣品的位置數據,數據如表1 所示。依據試驗數據可看出,試驗結果與理論值接近,誤差在允許范圍之內。

表1 位置特性測試試驗數據Tab.1 Position characteristic test data

4.2 暫態特性測試試驗

暫態試驗中,直線伺服作動器的最大位移值設置為±24 mm,直線伺服作動器的速度設置為150 mm/s,進行測試試驗,得到試驗系統的相關數據。如表2所示,依據試驗數據可看出,試驗結果與理論值接近,誤差在允許范圍之內。

表2 暫態特性測試試驗數據Tab.2 Transient characteristic test data

4.3 頻率特性測試試驗

頻率特性試驗是測量舵軸在小幅往復擺動條件下的動態性能。試驗中,使直線伺服作動器做掃頻正弦運動。舵軸擺角為±1°,對應直線伺服作動器位移伸縮值為±1.3 mm,直線伺服作動器掃頻正弦運動起始頻率為1 Hz,終止頻率為20 Hz,掃頻頻率個數為10 個(1～20 Hz 均分成10 種頻率)。每種頻率下運動5 個周期,分析舵軸在不同頻率的擺動下的幅值以及相位特性。

以不同銷軸連接間隙的對比試驗對系統進行測試。得到試驗數據如圖8 和圖9 所示。由試驗結果可知,連接銷軸間隙越大,其幅值超調越大,但對相位的影響不大。與實際特性吻合,證明了試驗系統的準確性。

圖8 不同配合間隙下的幅值Fig.8 Amplitude of different fit clearance

圖9 不同配合間隙下的相位Fig.9 Phase of different fit clearance

通過測試試驗,可以看出測量結果誤差在允許范圍內,測試得到的相關特性與實際情況一致,證明了試驗系統的設計合理可行,測試準確度能滿足實際使用需求。

5 結束語

分析了舵類傳動機構的應用和動態性能對于空氣舵的影響,提出了一種動態性能試驗方法,介紹了試驗方法的基本原理和相關計算,最后設計了舵類傳動機構動態性能試驗系統,介紹了系統的組成以及試驗的操作方法與步驟,并通過測試試驗對試驗系統進行了驗證。