CN101870356A - 并联式蜗轮蜗杆大扭力作动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联式蜗轮蜗杆大扭力作动器，将减速电机输出轴连接直齿轮，该直齿轮依次带动其他直齿轮转动，分别与各个直齿轮共轴固连的蜗杆同步转动，相临的蜗杆旋向和转动方向都相反，从而使与蜗杆啮合的所有的蜗轮转向都相同；所述的各个蜗轮共轴转动，共同输出扭矩；蜗轮和蜗杆的螺旋角均小于9°；每个蜗轮上连接一个耳片，通过耳片将作动器连接在飞机的需要动作的机体结构上；蜗轮轴连接一只电位器作为角度传感器，电位器的电位信号作为角度反馈信号直接送到减速电机伺服电路，控制减速电机从而带动整个作动器的转动角度。本发明传动比大，结构紧凑；采用多余度设计和损伤容限设计并具有自修复特性。

Description

并联式蜗轮蜗杆大扭力作动器

技术领域

本发明涉及小型航空器的大扭力作动器，具体是一种带角度负反馈的并联式涡轮蜗杆机械式作动器。

背景技术

近年来，美国已经开始试验真正意义上的“变形飞机”。目前，洛克希德·马丁公司和Hypercomp/NexGen公司正在分别开展研制的“变形机翼”项目，是美国国防预研局(DARPA)“变形飞机结构(Morphing Aircraft Structure，MAS)”研制计划的一部分。MAS研制计划的目的是为军用飞机开发新一代技术，使之通过采用变形部件大大提高军用飞机的多用途能力。

“变形飞机结构”普遍用到了智能材料作动器，如压电作动器。此类作动器性能优异，主要表现在重量轻，功率大，传动效率高。但是，智能材料作动器价格昂贵，制造工艺复杂，整个作动器系统仍处于实验阶段，尚不成熟。

最近，我国也开始了变形飞机结构的各方面基础性研究，但是智能材料应用方面我国与国外水平仍有一些差距。在不使用智能变形材料的情况下，目前采用较多的变形机构是平行四连杆机构，但是四连杆机构力臂短，反向不能自锁。

发明内容

为了克服现有技术力臂短，反向不能自锁的不足，本发明提供一种并联式涡轮蜗杆大扭力作动器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括减速电机、直齿轮、蜗杆、蜗轮、电位器和蜗轮轴。减速电机输出轴连接直齿轮，该直齿轮依次带动其他直齿轮转动，分别与各个直齿轮共轴固连的蜗杆同步转动，相临的蜗杆旋向和转动方向都相反，从而使与蜗杆啮合的所有的蜗轮转向都相同。所述的各个蜗轮共轴转动，共同输出扭矩。因为蜗杆和蜗杆传动本身在较小螺旋角时具有反行程自锁特性，因此本发明限制蜗轮和蜗杆的螺旋角均小于9°，使本发明具有反行程自锁功能。每个蜗轮上连接一个耳片，通过耳片将作动器连接在飞机的需要动作的机体结构上。蜗轮轴连接一只电位器作为角度传感器，电位器的电位信号作为角度反馈信号直接送到减速电机伺服电路，控制减速电机从而带动整个作动器的转动角度。

所述的蜗轮、蜗杆和减速电机安装在由铝合金制成的减速箱上，减速箱由上、下盖板和左、右侧板四部分围合而成，减速箱上安装轴承用于支撑蜗轮和蜗杆，减速箱通过螺栓连接在飞机的基本机体结构上。

本发明的有益效果是：本发明将变体飞机的气动载荷分配给并联的多套蜗轮蜗杆。减速电机驱动蜗轮蜗杆机构输出扭矩，实现飞机机体变形；飞机的气动载荷反向加在蜗轮蜗杆上，但是由于蜗轮蜗杆设计为反行程自锁，此时减速电机负载接近零，机体形状得以保持。并联的蜗轮蜗杆作动器传动比大，结构紧凑；采用多余度设计，一套蜗轮蜗杆失效后其他的涡轮蜗杆仍能保证飞机的平飞和安全着陆；本发明采用损伤容限设计并具有自修复特性，一对涡轮、蜗杆失效后，将作动器所有蜗轮旋转一定角度就能避开蜗轮上失效的齿，从而再次形成完整的多对蜗轮蜗杆机构。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为并联式蜗轮蜗杆作动器传动原理图；

图2为具体实施例等轴视图；

图3为具体实施例俯视图；

图4为具体实施例零部件装配图；

图5为具体实施例分解图；

图6为具体实施例分解图；

图7为具体实施例分解图；

图8为具体实施例减速箱盖板各平面视图；

图9为具体实施例减速箱侧板各平面视图；

图中，1-减速电机，2-由减速电机驱动的直齿轮，3-与蜗杆共轴固连的直齿轮，4-其他与蜗杆共轴固连的直齿轮，5-蜗杆，6-蜗轮，7-连接耳片，8-电位器，，即角度传感器，9-减速箱，10-机体连接螺栓孔，11-蜗轮轴，12-减速箱上、下盖板，13-减速箱左、右侧板，14-连接螺栓。

具体实施方式

本实施例是两组蜗轮蜗杆并联的作动器，包括减速电机1，直齿轮2、3、4，蜗杆5，蜗轮6，连接耳片7，电位器8，减速箱9，机体连接螺栓孔10，蜗轮轴11等。

蜗轮采用青铜合金制造，轮盘上均匀开减轻孔和耳片连接孔，蜗轮采用顶丝与蜗轮轴固定，方便拆装和调整位置。蜗杆采用碳钢或合金钢制造，每个蜗杆轴上固连一个直齿轮，两直齿轮相互啮合用于两蜗杆间的传动。如加工设备允许将蜗杆与蜗杆轴、直齿轮加工为一体，如条件不允许则分开加工，再用定位销组装为一体。两组蜗轮、蜗杆制作时螺旋角、导程角旋向均相反。本具体实施例采用两组蜗轮、蜗杆并联使用，即两组蜗杆通过与其共轴固连的直齿轮啮合传动，两个蜗轮分别与相同旋向的蜗杆啮合并且共轴安装。

耳片采用硬铝制造，用于连接作动器和机体结构，相当于一般作动器的输出扭力摇臂。耳片厚度按强度要求确定，一端通过螺栓与蜗轮相连，另一端通过螺栓连接机体结构。耳片平面形状无特殊要求，本实施例根据易于安装和重量最轻原则，将耳片做成分叉外形。

减速箱由上、下盖板12和左、右侧板13组成，均采用硬铝制造，从正面看减速箱呈“口”字形。上、下盖板用于支撑蜗杆，连接减速器侧板和机体结构，尺寸、外形完全相同，其长度主要由直齿轮分度圆直径确定，宽度由蜗杆尺寸确定，略大于一倍蜗杆直径。盖板上沿长度方向分布有两个轴承座，用于安装轴承支撑蜗杆，轴承座中心间距由直齿轮分度圆直径来约束，轴承座旁边分布有加强筋。盖板长度方向上靠近两边各开两个螺栓连接孔用于组装减速箱侧板。另外，盖板长度方向上两侧有直角弯边，弯边上各开两个螺栓连接孔，通过连接螺栓14将作动器与机体结构连接。其各方向平面视图见附图8。

减速箱左、右侧板用于支撑蜗轮，连接上、下盖板并安装减速电机。左、右侧板尺寸相同，外形呈镜像对称。其长度由蜗轮、蜗杆中心距，直齿轮中心距确定和减速电机尺寸确定。宽度由蜗杆长度和直齿轮齿厚确定。侧板长度方向上一侧有轴承座，用于支撑蜗轮轴，轴承座旁边分布加强筋。长度方向上另一侧有直角弯边用于安装减速电机，其位置和尺寸由蜗轮、蜗杆和直齿轮中心距以及减速电机尺寸确定。侧板宽度方向上两侧有直角弯边，弯边上开螺栓连接孔用于连接上、下盖板。其各方向平面视图见附图9。

减速电机使用小型成品伺服电机，通过四颗螺栓与减速箱固定，其输出轴安装直齿轮，与其中一个蜗杆上固连的直齿轮啮合，带动蜗杆转动。角度反馈电位器选取阻值为5KΩ的高精度电位器，其转轴固定在蜗轮轴的一端，电位器通过三根信号线与减速电机内部伺服电路信号输入端相连，通过电位差反馈角度信号，实现作动器作动角度的精确控制。

本具体实施例最终各部件外形和装配关系见附图2～附图7。

本具体实施例具体参数如下：

蜗杆头数：1

蜗杆模数：1.6mm

蜗杆两端轴径：5mm

蜗杆长度：25mm

蜗杆材料：渗碳钢

蜗轮模数：1.6mm

蜗轮齿厚：11mm

蜗轮齿数：30

蜗轮材料：铸铝铁青铜

蜗轮轴直径：4mm

蜗轮轴长：95mm

蜗轮轴材料：渗碳钢

蜗轮蜗杆减速比：30

蜗杆导程角：8°

蜗轮螺旋角：8°

直齿轮模数：1mm

直齿轮齿数：30

直齿轮齿厚：3.5mm

直齿轮材料：7075铝合金

连接耳片：2mm厚7075铝合金

减速箱材料：2mm厚7075铝合金

减速电机：GWS/S11CL/2BBMG内置伺服电路

电位器阻值：5KΩ

如上所述结构，作动器重量不超过300g，作动器效率约为0.7，减速电机输出扭矩0.784N·m，作动器蜗轮轴输出扭矩为16.464N·m。安装5KΩ电位器时作动器耳片转动角度大于120°。飞机机体一部分与减速箱侧面连接，另一部分机体与连接耳片连接，通过作动器转动实现飞机机体变形。该作动器可用于翼展2m左右的小型无人机。

Claims (2)

1.并联式蜗轮蜗杆大扭力作动器，包括减速电机、直齿轮、蜗杆、蜗轮、电位器和蜗轮轴，其特征在于：所述的减速电机输出轴连接直齿轮，该直齿轮依次带动其他直齿轮转动，分别与各个直齿轮共轴固连的蜗杆同步转动，相临的蜗杆旋向和转动方向都相反，从而使与蜗杆啮合的所有的蜗轮转向都相同；所述的各个蜗轮共轴转动，共同输出扭矩；蜗轮和蜗杆的螺旋角均小于9°；每个蜗轮上连接一个耳片，通过耳片将作动器连接在飞机的需要动作的机体结构上；蜗轮轴连接一只电位器作为角度传感器，电位器的电位信号作为角度反馈信号直接送到减速电机伺服电路，控制减速电机从而带动整个作动器的转动角度。

2.根据权利要求1所述的并联式蜗轮蜗杆大扭力作动器，其特征在于：所述的蜗轮、蜗杆和减速电机安装在由铝合金制成的减速箱上，减速箱由上、下盖板和左、右侧板四部分围合而成，减速箱上安装轴承用于支撑蜗轮和蜗杆，减速箱通过螺栓连接在飞机的基本机体结构上。

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