CN107651174A - 一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统包括前起落架、安装在前起落架一侧的执行机构、安装在执行机构上的电机以及减速控制系统；所述执行机构包括减速机构、与减速机构输出轴连接的末端减速机构以及安装在末端减速机构外的密封装置，通过在减速机构中引入谐波齿轮到前轮操纵系统中，大大提高了执行机构的承载能力、运动平稳性和精度，同时谐波传动的传动比大，传递相同的扭矩下谐波齿轮的重量将大大减轻，提升了操纵系统的整体精度、减小体积和重量、提高操纵的性能，并通过设置密封装置，有效的阻挡了由起落架轮胎带起来的微小颗粒进入齿轮啮合区域，避免了齿轮卡死对前轮操纵系统带来的致命问题。

Description

一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统

技术领域

本发明涉及飞机前轮控制系统领域，具体的说，是一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统。

背景技术

在飞机整个飞行阶段，最关键的是起飞和着陆阶段，在这两个最关键阶段飞机的安全主要靠起落架的有效工作，而改善起飞和着陆的地面操纵性能是提高飞机关键阶段安全的主要手段。设计合理的前轮操纵装置，并不断提高前轮操纵装置的性能、可靠性和精度迫在眉睫。

前轮操纵装置结构形式经历了大致三个阶段：机械式操纵系统，机械-液压式操纵系统，电传操纵系统。机械式操纵系统只在早期操纵力很小的轻型飞机上使用，在操纵时通过飞行员脚蹬来直接操纵实现飞机转弯，简单可靠但操纵力小。随着操纵力矩的增大，前轮操纵系统借助液压力来实现前轮的偏转，这就是机械/液压式操纵系统。随着飞机向全电化发展，电传式前轮操纵系统应运而生，并在无人机上得到应用，但尚未得到广泛应用。采用电传式前轮操纵系统进行整个起飞滑跑和降落滑行的航向控制，提升了无人机地面操纵人员的负担，提高了航向控制的效率和精度，提升了整机滑行阶段的安全。但目前国内无人机的前轮操纵系统主要还是液压式居多，真正实现全电的电传操纵系统的几乎没有。

就未来趋势和发展看，由于全电飞机具有诸多优点，飞机前轮转弯系统必将向全电化这一方向发展，而电传式和数字电传式前轮操纵系统作为新型的操纵方式将逐步得到应用和发展。

鉴于此，迫切需要一种先进的前轮操纵系统，能够将电传式前轮操纵系统和基于次系统而设计的执行机构匹配和融合，完成对起飞滑跑和降落滑行时的航向控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，用于飞机起飞滑跑和降落滑行中的航向控制，具有精度高、可靠性高、效率高、安装便捷、发生故障易于诊断和定位的特点，并通过谐波传动提升系统的精度和操纵性能。

本发明通过下述技术方案实现：一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，其特征在于：包括前起落架、安装在前起落架一侧的执行机构、安装在执行机构上的电机以及减速控制系统；所述执行机构包括减速机构、与减速机构输出轴连接的末端减速机构以及安装在末端减速机构外的密封装置；所述减速机构包括第一齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮、第二齿轮轴、谐波减速器；所述第一齿轮安装在第一齿轮轴上且第一齿轮分别与电机输出轴上的齿轮和第二齿轮啮合，所述第二齿轮与谐波减速器同轴安装在第二齿轮轴上；所述末端减速机构包括第三齿轮与第三齿轮轴，所述第三齿轮与谐波减速器传动连接且固定安装在第三齿轮轴上。

所述减速控制系统包括电源模块、控制模块、PWM输出模块、数据采集模块、通信模块、上位机；所述控制模块分别与电源模块、PWM输出模块、数据采集模块、通信模块电性连接；所述上位机与控制模块通信连接。

其工作原理为：在飞机起飞前滑行和降落后滑行中，减速控制系统中的电源模块对整个减速控制系统进行供电。上位机通过通信模块向减速控制系统中的空盒子模块发送转弯指令，控制模块接收到转弯指令以后驱动电机进而促使飞机前轮进行转向动作，在转向动作的同时，数据采集模块上电工作对飞机前轮的转向角度进行检测，把检测到的信息传送给控制模块进行分析计算处理，在控制模块处理检测信息后发送控制指令到PWM输出模块，PWM输出模块就收到控制指令以后把接收到的控制指令调理成电机可以识别的脉冲信号，电机在接收到脉冲信号后开始进行调节工作。

电机工作，输出轴开始转动，输出轴上连接的齿轮带动与之啮合第一齿轮，由于第一齿轮的转动又传递给与第一齿轮啮合的第二齿轮，第二齿轮的转动带动固定连接的第二齿轮轴。由于电机通过第一齿轮和第二齿轮的过渡，起到了对转速第一级减速的作用，也就是减速机构的作用。第二齿轮轴被带动后成为了新一级的输出轴。同时，固定连接在第二齿轮轴上的谐波齿轮开始转动，谐波齿轮的转动又带动与谐波齿轮啮合的第三齿轮进行转动，第三齿轮带动第三齿轮轴，这里继上第二齿轮成为输出轴以后，有通过谐波齿轮和第三齿轮进一步进行第二及的减速，这也是末端减速机构的作用，第三齿轮轴则成为了最后一级输出轴与起落架连接，控制其转向。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述数据采集模块包括角度传感器和角度传感电路；所述角度传感器安装在第二齿轮轴上且角度传感器通过角度传感电路与控制模块连接。这里采用角度传感器进行数据采集，而不是通过检测输出轴的转数来确定转向角度，从而简化的采集电路的电路设计，避免了中间所需的复杂公式推理、计算。而且，通过角度传感器直接采集转向角度，与最终结果更加贴近，避免了中间数据传递过程中的误差产生，进一步实现数据的精确采集。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述角度传感电路主要由芯片U1、电容C1、电容C2组成；所述芯片U1为MLX90316；所述芯片U1的引脚1接入5V电压，且引脚1由节点接出一条支路通过电容C1接地，引脚2直接接地，引脚3接入信号输出端，引脚6直接接地，引脚7通过电容C2接地，引脚8直接接地。为了减小系统的复杂度和误差来源，信号采集单元选择Melexis公司的MLX90316芯片。MLX90316芯片集成了CMOS霍尔传感器，可以输出与芯片表面平行的磁场相对应的角度位置信息，并以SPI的串行通信方式输出数字信号，省去了A/D转换电路，这极大的减小了系统设计的复杂度。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述谐波减速器包括固定的刚轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的波发生器，所述波发生器、刚轮、柔轮同平面设置，波发生器设置在柔轮的内侧，刚轮设置在柔轮外侧。结构简单、传动比范围大、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等的优点。不仅可用于减速，也可用于增速的场合。承载能力高，因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30%以上，而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接触。谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述密封装置为全包式齿轮外罩。通过设置全包式齿轮外罩有效的阻挡了由起落架轮胎带起来的微小颗粒进入齿轮啮合区域，避免了齿轮卡死对前轮操纵系统带来的致命问题。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述前起落架的支柱上设置有用于和全包式齿轮外罩公差配合的卡槽。通过合理的公差配合不仅使得使齿轮罩与起落架卡槽的配合面紧密贴合而且在结构上有所改进，节省空间，减轻重量。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述控制模块为LPC2292微处理器。可实现高达60MHz工作频率,片内晶体振荡器和片内PLL，是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有256 k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 LPC2292采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2路高级CAN通道、PWM输出以及多达9个的外部中断。不仅可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，使用简单，操作方便而且极大程度上简化本系统的结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过引入谐波齿轮到前轮操纵系统中，大大提高了执行机构的承载能力、运动平稳性和精度，同时谐波传动的传动比大，传递相同的扭矩下谐波齿轮的重量将大大减轻，提升了操纵系统的整体精度、减小体积和重量、提高操纵的性能。

（2）本发明通过对末端齿轮传动进行了密封的设计改进，设计了一款全新的全包式齿轮罩，巧妙利用前起落架支柱上的卡槽进行固定；通过合理的公差配合使齿轮罩与起落架卡槽的配合面紧密贴合；结构上改进，节省空间，减轻重量，更有效的阻挡了由起落架轮胎带起来的微小颗粒进入齿轮啮合区域，避免了齿轮卡死对前轮操纵系统带来的致命问题。

（3）本发明通过采用电传式控制系统，不仅简化了结构，而且具有精度高、可靠性高、效率高、安装便捷、发生故障易于诊断和定位的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明全包式齿轮外罩的结构示意图。

图3为本发明的角度传感电路。

图4为本发明谐波减速器的结构示意图。

图5为本发明实施例1中的工作原理框图。

图6为本发明中执行机构的结构示意图。

其中，1、前起落架；2、全包式齿轮外罩；3、电机；4、执行机构；5、外罩连接螺套；6、前起落架连接孔；7、执行机构连接孔；8、执行机构连接螺套；9、波发生器；10、柔轮；11、刚轮；12、电机输出轴；13、第一齿轮轴；14、角度传感器；15、谐波减速器；16、第二齿轮轴；17、第三齿轮轴。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，如图1所示：主要由前起落架1、安装在前起落架1一侧的用于驱使前起落架1按指定角度和方向偏转执行机构4、安装在执行机构4上的用于驱使执行机构4共工作的电机3以及用于减速控制系统组成。

所述执行机构4如图6所示：包括减速机构、与减速机构输出轴连接的末端减速机构以及安装在末端减速机构外的密封装置；所述减速机构包括第一齿轮、第一齿轮轴13、第二齿轮、第二齿轮轴16、谐波减速器15；所述第一齿轮安装在第一齿轮轴13上且第一齿轮分别与电机输出轴12上的齿轮和第二齿轮啮合，所述第二齿轮与谐波减速器15同轴安装在第二齿轮轴16上；所述末端减速机构包括第三齿轮与第三齿轮轴17，所述第三齿轮与谐波减速器15传动连接且固定安装在第三齿轮轴17上，第三齿轮轴17又与前起落架1传动连接，用于对前起落架1进行转向控制。其中，减速控制系统设置在控制盒内。

所述减速控制系统包括电源模块、控制模块、PWM输出模块、数据采集模块、通信模块、上位机；所述控制模块分别与电源模块、PWM输出模块、数据采集模块、通信模块电性连接；所述上位机与控制模块通信连接。这里的上位机为飞行器管理计算机；PWM输出模块选用UC2525ADW芯片，通信模块采用4G模块或者其他无线通信模块，由于这些模块属于现有产品，因此不再进行过多赘述。

其工作时，减速控制系统中的电源模块对整个减速控制系统进行供电。上位机通过通信模块向减速控制系统中的空盒子模块发送转弯指令，控制模块接收到转弯指令以后驱动电机3进而促使飞机前轮进行转向动作，在转向动作的同时，数据采集模块上电工作对飞机前轮的转向角度进行检测，把检测到的信息传送给控制模块进行分析计算处理，在控制模块处理检测信息后发送控制指令到PWM输出模块，PWM输出模块就收到控制指令以后把接收到的控制指令调理成电机3可以识别的脉冲信号，电机3在接收到脉冲信号后开始进行调节工作。

电机3工作，输出轴开始转动，输出轴上连接的齿轮带动与之啮合第一齿轮，由于第一齿轮的转动又传递给与第一齿轮啮合的第二齿轮，第二齿轮的转动带动固定连接的第二齿轮轴16。由于电机3通过第一齿轮和第二齿轮的过渡，起到了对转速第一级减速的作用，也就是减速机构的作用。第二齿轮轴16被带动后成为了新一级的输出轴。同时，固定连接在第二齿轮轴16上的谐波齿轮开始转动，谐波齿轮的转动又带动与谐波齿轮啮合的第三齿轮进行转动，第三齿轮带动第三齿轮轴17，这里继上第二齿轮成为输出轴以后，有通过谐波齿轮和第三齿轮进一步进行第二及的减速，这也是末端减速机构的作用，第三齿轮轴17则成为了最后一级输出轴与起落架连接，控制其转向。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图2所示：所述密封装置为全包式齿轮外罩2。其全包式齿轮外罩2可以从中间分拆为两个部分，全包式齿轮外罩2的左端设置有用于把可拆分的两个部分结合到一起的外罩连接螺套5。全包式齿轮外罩2的靠近左侧部分设置有用于连接前起落架1的前起落架连接孔6，靠近右侧部分设置有用于连接执行机构4支柱的执行机构连接孔7，前起落架连接孔6和执行机构连接孔7均为圆形通孔。全包式齿轮外罩2的右端设置有用于固定连接执行机构4的执行机构连接螺套8。

又根据所述的前起落架1的支柱上设置有用于和全包式外罩公差配合的卡槽。使得全包式齿轮外罩2与执行机构4和前起落架1的外壳形成密闭的传动齿轮空间。

从而巧妙地利用前起落架1支柱上的卡槽进行固定，通过合理的公差配合使齿轮罩与起落架卡槽的配合面紧密贴合。不仅在结构上有所改进，节省了空间，减轻了重量而且更有效的阻挡了由起落架轮胎带起来的微小颗粒进入齿轮啮合区域，避免了齿轮卡死对前轮操纵系统带来的致命问题。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上做进一步优化，所述控制模块为LPC2292微处理器。相比于其他处理器，可实现高达60MHz工作频率,片内晶体振荡器和片内PLL，是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有256 k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 LPC2292采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2路高级CAN通道、PWM输出以及多达9个的外部中断。不仅体积小巧，可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，使用简单，操作方便而且极大程度上简化本系统的结构，并且更加适应与此操纵系统。

本实施例的其他部分与实施例2相同，故不再赘述.

实施例4：

本实施例在实施例3的基础上做进一步优化，所述数据采集模块包括角度传感器14和角度传感电路；所述角度传感器14安装在第二齿轮轴16上且通过角度传感电路与控制模块连接。这里采用角度传感器14进行数据采集，而不是通过检测输出轴的转数来确定转向角度，从而简化的采集电路的电路设计，避免了中间所需的复杂公式推理、计算。而且，通过角度传感器14直接采集转向角度，与最终结果更加贴近，避免了中间数据传递过程中的误差产生，进一步实现数据的精确采集。

又如图3所示：所述角度传感电路主要由芯片U1、电容C1、电容C2组成；所述芯片U1为MLX90316；所述芯片U1的引脚1接入5V电压，且引脚1由节点接出一条支路通过电容C1接地，引脚2直接接地，引脚3接入信号输出端，引脚6直接接地，引脚7通过电容C2接地，引脚8直接接地。

其工作原理为：MLX90316芯片是集成了Tria 度ISTM型的CMOS霍尔传感器，当外加磁场的分量与芯片表面平行时则可输出两路正交磁场信息，根据这一特点可以获得对应的角度位置信息，当小型磁铁（径向磁化）在芯片表面上方旋转时，MLX90316芯片内的集磁片（IMC）可以将平行作用于芯片表面的磁场集中起来，并在IMC结构的边缘产生正比于磁场的垂直分量，再通过两对位于 IMC下方的传统平面霍尔元件来检测此信号。这两对霍尔元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面（X轴和Y轴方向），通过这样的结构可以将实际角度编码为两个相位差为90°的正弦信号x V 和y V ，并正比于磁场强度。

这两路霍尔信号将通过一个完全差分、带有经典偏移消除技术的模拟处理链进行放大、采样。调节后的模拟信号再通过ADC（可编程为14bits或15bits）转换为数字信号，之后这两个数字信号再通过芯片内部的由DSP实现的反正切函数计算模块来计算角，MLX90316的偏移误差、灵敏度误差和垂直度误差都会对输出的角度信息产生较大的影响。虽然芯片内部使用了动态偏移电压消除机制，并且可以在一定程度上通过芯片内置的DSP模块来调整它们之间的正交性，但这些误差仍会反应在传感器的输出信号上。通常由芯片本身所产生的误差在0.3度以内。

传感器输出的表征当前角度值的信号可以以串行数字通信（SPI）方式输出，也可再通过D/A转换器变回模拟信号，以PWM模式或模拟量形式输出。为了满足设计电路的结构简单、成本低等要求，这里选择的是SPI输出模式，避免了模拟输入带来的额外误差源。

本实施例的其他部分与实施例3相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在实施例4的基础上做进一步优化，如图4所示：所述谐波减速器15包括固定的刚轮11、柔轮10和使柔轮10发生径向变形的波发生器9，所述波发生器9、刚轮11、柔轮10同平面设置，波发生器9设置在柔轮10的内侧，刚轮11设置在柔轮10外侧。结构简单、传动比范围大、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等的优点。不仅可用于减速，也可用于增速的场合。承载能力高，因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30%以上，而且柔轮10采用了高强度材料，齿与齿之间是面接触。谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，由于谐波减速器为现有产品，故不在此过多赘述。

在以上优化的基础上，其整个谐波齿轮式电传前轮操纵系统的工作原理如图5所示：在飞机起飞前滑行和降落后滑行中，控制盒上电后，为角度传感器14供电，同时控制盒进行上电自检并采集处理角度传感器14的信号。当控制盒内的控制模块接受到飞行器管理计算机（也就是上位机）发送的转弯指令时，根据转弯角度指令进行控制律解算，然后把控制指令发送给电机3控制模块，电机3控制模块控制执行机构4中的有刷直流电机3按指定转速偏转。从而传动谐波齿轮减速机构。再由反馈传感器检测到的角度信息来进一步生成调整角度指令，控制盒的控制模块内部做判定，最终输出到输出齿轮上，输出齿轮带动起落架在控制精度范围内执行转弯直至到转弯角度。

同时，由控制盒将前轮转弯角度、系统周期自检结果、调零状态等信息发送至飞行器管理计算机进行状态监控。

通过减速机构将电机3输出扭矩放大后传递至前轮，驱动前轮的偏转。末端机构主要是将电机3减速机构扭矩传递至起落架，在大扭矩情况下有的也会用于进一步放大扭矩。

执行机构4的末端机构采用一级齿轮减速，将扭矩进一步放大后传递至起落架，驱动前起落架1的偏转。由于执行机构4前端由制造和装配产生的误差经过大传动比后再传递至前起落架1，其误差会明显减小几乎可以忽略。而末端的减速机构产生的误差将直接传递到起落架上，由此可见执行机构4的精度很大程度上受末端齿轮减速机构精度的影响。因而在设计中对末端齿轮采用较高的精度和强度，并采用花键连接对中精度较高的方式对末端齿轮进行周向固定，以提高整个执行机构4的精度。

本实施例的其他部分与实施例4相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，其特征在于：包括前起落架（1）、安装在前起落架（1）一侧的执行机构（4）、安装在执行机构（4）上的电机（3）以及减速控制系统；所述执行机构（4）包括减速机构、与减速机构输出轴连接的末端减速机构以及安装在末端减速机构外的密封装置；所述减速机构包括第一齿轮、第一齿轮轴（13）、第二齿轮、第二齿轮轴（16）、谐波减速器（15）；所述第一齿轮安装在第一齿轮轴（13）上且第一齿轮分别与电机（3）的电机输出轴（12）上的齿轮和第二齿轮啮合，所述第二齿轮与谐波减速器（15）同轴安装在第二齿轮轴（16）上；所述末端减速机构包括第三齿轮轴（17）、安装在第三齿轮轴（17）上第三齿轮，且第三齿轮与谐波减速器（15）传动连接；

所述减速控制系统包括电源模块、控制模块、PWM输出模块、数据采集模块、通信模块、上位机；所述控制模块分别与电源模块、PWM输出模块、数据采集模块、通信模块电性连接；所述上位机与控制模块通信连接；所述PWM输出模块还与电机（3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，其特征在于：所述数据采集模块包括角度传感器（14）和角度传感电路；所述角度传感器（14）安装在第二齿轮轴（16）上且通过角度传感电路与控制模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，其特征在于：所述角度传感电路主要由芯片U1、电容C1、电容C2组成；所述芯片U1为MLX90316；所述芯片U1的引脚1接入5V电压，且引脚1由节点接出一条支路通过电容C1接地，引脚2直接接地，引脚3接入信号输出端，引脚6直接接地，引脚7通过电容C2接地，引脚8直接接地。

4.根据权利要求1所述的一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，其特征在于：所述谐波减速器（15）包括同轴设置且由内到外依次套装的波发生器（9）、柔轮（10）、刚轮（11）。

5.根据权利要求1所述的一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，其特征在于：所述密封装置为全包式齿轮外罩（2）。

6.根据权利要求5所述的一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，其特征在于：所述前起落架（1）的支柱上设置有用于和全包式齿轮外罩（2）公差配合的卡槽。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种谐波齿轮式电传前轮操纵系统，其特征在于：所述控制模块为LPC2292微处理器。