CN111717371A - 一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机 - Google Patents

Abstract

一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，包括直流伺服电机、基体、套筒、舵轴、摇臂、滚珠丝杆副、角位移传感器等；直流伺服电机输出轴与滚珠丝杆副同轴安装，套筒安装在直流伺服电机输出轴和滚珠丝杆连接处；滚珠丝杆螺母侧边的伸出轴通过轴承与摇臂一端转动连接；摇臂另一端与舵轴一端连接，舵轴通过轴承与基体转动连接，舵轴另一端从基体表面伸出并与舵片连接；套筒的伸出杆通过轴承和销轴安装在基体上，形成转动副；角位移传感器与舵轴同轴安装、同步旋转，用于舵偏角度信号反馈。本发明结构简单、装配间隙小、传动摩擦小、传动精确度高、成本低、体积紧凑，通过在活动关节处安装轴承的方式，改善了传统传动机构承载小、摩擦大、易卡滞的缺点。

Description

一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机

技术领域

本发明涉及一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，属于飞行器舵机系统的技术领域。

背景技术

在飞行器舵机系统技术领域，舵机作为飞行器控制系统的重要组件，其性能的优劣在很大程度上影响着飞行器的姿态控制、飞行机动性能等。舵机系统的带宽、超调量、调整时间、线性度等作为评判舵机性能的重要指标，其受舵机传动机构的效能影响。舵机的传动结构、传动形式的不同会一定程度地造成传动间隙、传动摩擦、传动卡滞等非线性因素，尤其在飞行器所受气动载荷较大时，以上非线性因素带来的不利影响更为明显，这直接影响着舵机系统的性能指标，甚至严重影响飞行，导致飞行器坠毁。因此，尽可能地降低非线性环节带来的不利影响具有重要意义，优化传动结构形式可作为实现上述目的的一种技术途径。目前，相关科研机构、厂家研制飞行器舵机所采用的传动机构主要有以下几种：

(1)齿轮传动形式。该形式要实现较大的减速比，多采用4级齿轮减速传动，该形式传动环节较多，若需减少传动间隙，那么对齿轮加工精度就提出了较高的要求。另一方面，多级减速会造成传动效率的降低。该形式装配零件较多，体积相对较大。

(2)超声电机驱动形式。超声电机因其本身技术特点，可直接驱动舵片偏转，很大程度上减少了传动环节，但是目前国内采用超声电机的产品较少，其驱动力矩较小(≤1N.m)，这一弊端极大地限制了超声电机的使用。

(3)滚珠丝杆副+拨叉摇臂形式。该形式被广泛使用于飞行器舵机传动结构中，尤其是在对飞行器结构空间有较为苛刻要求时。但是拨叉传动形式会带来较大的摩擦力和间隙，尤其是在舵片换向时，容易出现受力畸变、卡滞等现象，不利于在大负载条件下使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前舵机产品在测试使用过程中存在的传动间隙、系统带宽较低、控制线性度较低等不足的问题，提供了一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，采用传动效率较高的滚珠丝杆副作为驱动组件，在活动关节处成对安装深沟球轴承，消除了传动间隙，降低了传动摩擦力，提高传动结构刚度，尤其在舵面受气动负载较大时，该传动结构仍能保持良好的传动性能，另一方面，反馈传感器与舵轴共轴连接，很大程度上解决了传统舵机传动过程中存在的不足之处。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，包括直流伺服电机、基体、套筒、舵轴、摇臂、滚珠丝杆副、角位移传感器、销轴、舵轴、舵片；直流伺服电机输出轴与滚珠丝杆副同轴安装，套筒安装在直流伺服电机输出轴和滚珠丝杆连接处；滚珠丝杆螺母侧边的伸出轴通过轴承与摇臂一端转动连接；摇臂另一端与舵轴一端连接，舵轴通过轴承与基体转动连接，舵轴另一端从基体表面伸出并与舵片连接；直流伺服电机驱动滚珠丝杆旋转，滚珠丝杆上的丝杆螺母直线运动带动摇臂绕舵轴旋转；套筒的伸出杆通过轴承和销轴安装在基体上，形成转动副；角位移传感器与舵轴同轴安装、同步旋转，用于舵偏角度信号反馈；摇臂和套筒位于基体同一侧，舵片位于基体另一侧。

滚珠丝杆螺母侧面的伸出轴通过成对安装的第一深沟球轴承与摇臂连接。

摇臂一端加工有通孔，通孔内壁中部设置环形的凸台，形成一对轴承安装孔，凸台对第一深沟球轴承的外圈进行限位。

滚珠丝杆螺母侧面的伸出轴上加工有轴肩，对第一深沟球轴承内圈进行限位，伸出轴的外端通过开口挡圈进行另一端的限位。

套筒的伸出杆通过成对安装的第二深沟球轴承与销轴连接。

套筒的伸出杆端部加工有通孔，通孔内壁中部设置环形的凸台，形成一对轴承安装孔，凸台对第二深沟球轴承的外圈进行限位。

销轴一端加工有轴肩，对第二深沟球轴承内圈进行限位，销轴插入套筒中并安装套环，抵住第二深沟球轴承内圈；销轴另一端从基体表面伸出并通过开口挡圈进行轴向限位。

舵轴通过成对安装的第三深沟球轴承与基体连接。

基体上加工有通孔，通孔内壁中部设置环形的凸台，形成一对轴承安装孔，凸台对第三深沟球轴承的外圈进行限位。

舵轴上加工有轴肩，对第三深沟球轴承内圈进行限位，舵轴插入基体中通过螺钉与摇臂连接；摇臂与舵轴的连接处设置环形台阶结构，对第三深沟球轴承内圈进行限位。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明结构紧凑，刚度较高，易装配，成本较低。目前在对飞行器结构空间限制较严格时，可采取该传动机构；本发明采用标准件即可装配实现，无需定制，单路舵机成本价格可控制在1300元以内，可适用于1～15N.m范围内舵机，有良好的经济性，结构较为简单，模块化设计，更换、维护方便。

(2)本发明结构消除了各个铰接处的相对运动间隙，使得各个铰接处装配紧密，转动灵活顺畅，摩擦力低，即便在负载条件下，仍能平稳传动，大大提升传动控制性能，该特点使得舵机性能提高，系统响应带宽可达25Hz，线性度可≤5％，超调量＜10％，调整时间＜30ms，可使得飞行器进行大机动控制。

附图说明

图1为发明提供的传动机构结构示意图；

图2为发明提供的丝杆螺母与摇臂装配示意图；

图3为发明提供的套筒、销轴与基体装配示意图；

图4为发明提供的舵轴、摇臂与基体装配示意图。

1-直流伺服电机、2-套筒、3-滚珠丝杆副、4-滚珠丝杆螺母、5-第一深沟球轴承、6-摇臂、7-基体、8-销轴、9-舵轴、10-第三深沟球轴承、11-第二深沟球轴承，12-套环、13-开口挡圈、14-舵片、15-凸台、16-轴肩

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例：

一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，结构组成如图1所示，包括直流伺服电机1、基体7、套筒2、舵轴9、摇臂6、滚珠丝杆副3、深沟球轴承对、角位移传感器、销轴8、舵轴9、舵片14。

直流伺服电机1输出轴与滚珠丝杆副3同轴安装，套筒2安装在直流伺服电机1输出轴和滚珠丝杆连接处；滚珠丝杆螺母4侧边的伸出轴通过轴承与摇臂6一端转动连接；摇臂6另一端与舵轴9一端连接，舵轴9通过轴承与基体7转动连接，舵轴9另一端从基体7表面伸出并与舵片14连接；直流伺服电机1驱动滚珠丝杆旋转，滚珠丝杆上的丝杆螺母4直线运动带动摇臂6绕舵轴9旋转；套筒2的伸出杆通过轴承和销轴8安装在基体7上，形成转动副；角位移传感器与舵轴9同轴安装、同步旋转，用于舵偏角度信号反馈；摇臂6和套筒位于基体7同一侧，舵片14位于基体7另一侧。

滚珠丝杆螺母4侧面的伸出轴通过成对安装的第一深沟球轴承5与摇臂6连接。套筒2的伸出杆通过成对安装的第二深沟球轴承11与销轴8连接。舵轴9通过成对安装的第三深沟球轴承10与基体7连接。

摇臂6上加工有一对轴承孔，孔之间加工有凸台15，对轴承的外圈进行限位；滚珠丝杆螺母4轴伸上加工有轴肩16，对轴承内圈进行限位，轴伸外端通过开口挡圈13进行另一端的限位。

套筒2上加工有一对轴承孔，孔之间加工有凸台，对轴承的外圈进行限位；销轴8上加工有轴肩，对轴承内圈进行限位，销轴8插入套筒2中并安装套环12，抵住轴承内圈，销轴8与基体7紧配合安装，销轴8另一端通过开口挡圈13进行轴向限位。套筒2、销轴8与基体7无安装间隙，套筒2可绕销轴8进行旋转。

基体7加工有一对轴承孔，孔之间加工有凸台，对轴承的外圈进行限位；舵轴9上加工有轴肩，对轴承内圈进行限位，舵轴9插入基体7，其另一端与摇臂6进行安装配合，两者通过螺钉连接。摇臂6、舵轴9与基体7无安装间隙。

直流伺服电机1、套筒2、滚珠丝杆、滚珠丝杆螺母4同轴安装，实现模块化装配设计，便于装配和维护。套筒2低端与直流伺服电机1进行配合安装，并通过螺钉进行固连。套筒2上端与滚珠丝杆副3安装配合，两者之间成对安装有角接触轴承，能够承受滚珠丝杆轴向负载。

除上述以外，整套结构包含3个铰接转动副。转动副I结构如图2所示，滚珠丝杆螺母4与摇臂6进行配合安装，两者之间成对安装有第一深沟球轴承5，使得两者紧密配合，晃动无间隙，保证了摇臂6在受到各个方向负载时都能顺滑旋转，严格限定了其旋转自由度。转动副II结构如图3所示，套筒2上安装有销轴8，两者铰接部分通过一对第二深沟球轴承11进行配合安装，使得两者紧密配合，晃动无间隙，保证了套筒2、销轴8在受到各个方向负载时都能顺滑旋转，严格限定了其旋转自由度，然后将销轴8与基体7紧配合安装，保证无装配间隙。转动副III结构如图4所示，舵轴9与基体7进行安装配合，两者铰接部分通过一对第三深沟球轴承10进行配合安装，使得两者紧密配合，晃动无间隙，保证了舵轴9在受到较大负载时仍能平稳顺滑旋转。

将摇臂6与舵轴9进行连接，如图4所示，摇臂6上加工有凸台，舵轴9上加工有槽，两者实现键槽配合形式，传递扭矩。直流伺服电机1驱动滚珠丝杆旋转，机构安装形式限制滚珠丝杆螺母4只能进行直线运动，然后螺母带动摇臂6偏转，最终摇臂6驱动舵轴9偏转。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，包括直流伺服电机(1)、基体(7)、套筒(2)、舵轴(9)、摇臂(6)、滚珠丝杆副(3)、角位移传感器、销轴(8)、舵轴(9)、舵片(14)；直流伺服电机(1)输出轴与滚珠丝杆副(3)同轴安装，套筒(2)安装在直流伺服电机(1)输出轴和滚珠丝杆连接处；滚珠丝杆螺母(4)侧边的伸出轴通过轴承与摇臂(6)一端转动连接；摇臂(6)另一端与舵轴(9)一端连接，舵轴(9)通过轴承与基体(7)转动连接，舵轴(9)另一端从基体(7)表面伸出并与舵片(14)连接；直流伺服电机(1)驱动滚珠丝杆旋转，滚珠丝杆上的丝杆螺母(4)直线运动带动摇臂(6)绕舵轴(9)旋转；套筒(2)的伸出杆通过轴承和销轴(8)安装在基体(7)上，形成转动副；角位移传感器与舵轴(9)同轴安装、同步旋转，用于舵偏角度信号反馈；摇臂(6)和套筒位于基体(7)同一侧，舵片(14)位于基体(7)另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，滚珠丝杆螺母(4)侧面的伸出轴通过成对安装的第一深沟球轴承(5)与摇臂(6)连接。

3.根据权利要求2所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，摇臂(6)一端加工有通孔，通孔内壁中部设置环形的凸台(15)，形成一对轴承安装孔，凸台(15)对第一深沟球轴承(5)的外圈进行限位。

4.根据权利要求3所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，滚珠丝杆螺母(4)侧面的伸出轴上加工有轴肩(16)，对第一深沟球轴承(5)内圈进行限位，伸出轴的外端通过开口挡圈(13)进行另一端的限位。

5.根据权利要求2所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，套筒(2)的伸出杆通过成对安装的第二深沟球轴承(11)与销轴(8)连接。

6.根据权利要求5所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，套筒(2)的伸出杆端部加工有通孔，通孔内壁中部设置环形的凸台，形成一对轴承安装孔，凸台对第二深沟球轴承(11)的外圈进行限位。

7.根据权利要求6所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，销轴(8)一端加工有轴肩，对第二深沟球轴承(11)内圈进行限位，销轴(8)插入套筒(2)中并安装套环(12)，抵住第二深沟球轴承(11)内圈；销轴(8)另一端从基体(7)表面伸出并通过开口挡圈(13)进行轴向限位。

8.根据权利要求7所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，舵轴(9)通过成对安装的第三深沟球轴承(10)与基体(7)连接。

9.根据权利要求5所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，基体(7)上加工有通孔，通孔内壁中部设置环形的凸台，形成一对轴承安装孔，凸台对第三深沟球轴承(10)的外圈进行限位。

10.根据权利要求9所述的一种高负载低摩擦消隙式飞行器舵机，其特征在于，舵轴(9)上加工有轴肩，对第三深沟球轴承(10)内圈进行限位，舵轴(9)插入基体(7)中通过螺钉与摇臂(6)连接；摇臂(6)与舵轴(9)的连接处设置环形台阶结构，对第三深沟球轴承(10)内圈进行限位。

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