CN116624569A - 非相似能源介质多级电传机电作动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种非相似能源介质多级电传机电作动器，安全可靠，负载刚度大，传动效率高。本发明通过下述技术方案实现：主丝杠筒驱动带有防卡塞机构的主丝杠螺母，带动一级活塞筒在外筒运动腔中作伸缩运动，同时通过端墙腔体装配的轴承套，将副丝杠筒轴向限位在副丝杠筒的端环槽中，副丝杠筒通过端环槽耦合被二级活塞筒活塞头内腔约束的副丝杠筒螺母，套合副丝杠筒，带动二级活塞筒在一级活塞筒运动腔中作伸缩运动，构成主副双线丝杠螺母副组合的主通道活塞筒伸缩运动通道；花键套传动轴带动副丝杠筒旋转，驱动副丝杠筒螺母及套合的二级活塞筒在一级活塞筒端向运动腔中作伸缩运动，从而构成了非相似能源介质应急伸出活塞筒动作的多级电传机电作动器。
Description
技术领域
本发明是关于应用于多级机电作动器上的应急作动结构，更具体地说，本发明是关于可提高机电作动器安全性和任务可靠性，实现多介质应急伸出多级活塞筒的创新结构。
背景技术
机电作动系统在驱动飞行器舵面、起落架收放、舱门收放等需要多个(一般3个以上)机电作动器EMA。机电作动器作为一种直线运动执行元件，是用来实现工作机构直线往复运动或小于360°摆动运动的能量转换装置。常见的机电作动器的基本构成如下：电机、减速箱、传动部件、滚珠丝杠筒副、外筒组件、活塞筒组件等。机电作动器的优点是可靠性高，结构简单，传动效率较高。但由于EMA在出现卡阻现象后没有办法进行故障随动，需要预防卡阻导致的作动器和结构损坏。目前机电作动器的动态响应速度慢、负载刚度低并存在难以解决的静差，另外，大功率的机械传动机构体积庞大、重量较重，造成整个电传系统的转动惯量太大，使机电作动器在大功率机载传动系统的实现较为困难。因此，目前机电作动器只在有小功率要求的飞机上实现了功率电传。为了解决上述问题，常常采用电静液作动器(SHA)，其特点是效率较高，发热量小。该电静液作动器一般是由作动器控制器、直流无刷伺服电动机及双向液压泵、液压作动筒及用作油箱的蓄能器，功率驱动器等信号处理单元组成。伺服控制器接受计算机的指令信号，通过电动机控制器驱动电动机，进而驱动双向液压泵，使作动筒按指令要求运动。主系统由电液伺服阀、液压缸以及功能阀组成，液压油源来自中央液压源。由电机驱动单向定量泵，溢流阀使系统处于恒压状态。当作动器不运动时，多余流量通过溢流阀泄流，全部转化为热量，如果散热条件不好，作动器的温度上升很快，因此该方案的电静液作动器不能长时间工作(一般为几分钟～几十分钟)，不能满足飞机长时间工作的需要。为了解决这些问题，现有技术提出了非相似余度功率电传作动系统。所谓非相似余度功率电传作动系统是指采用不同工作原理、不同结构元件来完成同一任务的两种作动器构成余度作动系统。该系统的优点是当作动系统发生共模故障时，产品仍能继续工作。非相似余度功率电传作动系统以组合作动器作为主通道、电静液作动器作为备用通道的非相似余度功率电传作动系统方案。该方案是采用主-备式余度监控，当主作动器运行时，备用作动器处在热储备状态；当主作动器发生故障时，通过故障监控、检测和故障切换，备用作动器立即被接入系统，代替主作动器进行工作。此方案虽然技术基础成熟，且性能指标也可以接受。但多种能源共存的现象会导致内部结构臃肿、附件复杂、安装空间紧张、检修维护不便、液压能和气压能容易泄露等问题，造成故障率高和可靠性差。为了提高伺服作动系统的可靠性，现有技术提出了非相似余度设计方案。非相似余度作动系统具有两条或两以上在硬件或软件上不完全相同的通道同步工作。如伺服控制器的处理器、控制器软件及电气机械部等都可以采用非相似余度设计。并行工作的余度作动器存在着信号失配的问题，因此需要采用一定的方式进行均衡。常用的方式有机械力综合式、液压力综合式、磁通综合式。机械力综合式作动器存在着力纷争的问题，机电作动器采用力综合方式工作，这样会产生不同步问题。需要采用均衡技术或者解耦控制来缓解或者消除力纷争。液压力综合式将两个作动筒的输出力相加作为输出，不存在力纷争的问题，因此在相似余度作动器中经常采用。但是由于电静液作动系统动态响应比电液伺服作动器慢，如果采用液压力综合式，短时间内作用在作动筒活塞筒上的输出力差很大。而且，集中能源式液压作动系统存在重量大、效率低以及维护成本高等劣势，还存在一定的液体泄漏等安全问题。如果采用多电飞机非相似混合作动器，则由于采用非相似余度配置,混合余度作动系统存在力纷争的问题。
作动系统功率电传作动器拆装相对简单，具有较高的维护便捷，但机载电传作动系统对作动器的可靠性要求很高。对于电传控制系统作动器，失效率要求在10-4的范围。根据可靠性分析可以知道：单余度功率电传作动器的失效率是10-8～10-9的量级，因此，如果只采用单套系统，不能满足机载电传作动系统的可靠性要求。在某些安装空间受限或工作行程要求较长的应用场合，例如飞行器起落架收放、舱门收放等常用的单级机电作动器，因整体死结构长度较长而无法满足有限的安装空间要求，因而实用性较差，虽然可以使用多级机电作动器有效缩短死结构长度，但常规多级机电作动器仍然面对丝杠筒副卡塞等单点故障的问题，若无法保证多级机电作动器在应急状态下仍能隔离故障实现应急作动，则极大限制多级机电作动器使用范围。
发明内容
本发明是提供一种结构简单，安全可靠，负载刚度大，传动效率高，能够实现小安装空间，大工作行程，能够保障飞机飞行安全，不依赖于电力的应急伸出活塞筒的方案，可以有效解决常规多级机电作动器丝杠筒副卡塞的单点故障问题，实现不同工作介质的多余度应急伸出功能的机电作动器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非相似能源介质多级电传机电作动器，包括：外筒3径向两侧通过齿轮传动系分别轴联螺母旋转式丝杠、花键套传动轴18的主电机1、副电机16，通过丝杠筒螺母带动在外筒3运动腔体中作直线伸缩运动的活塞筒，其特征在于：主电机1输出齿轮通过主传动齿轮2啮合主丝杠筒4带动主丝杠筒4旋转，驱动带有防卡塞机构的主丝杠螺母5，带动一级活塞筒9在带有压力介质应急嘴13的外筒3运动腔中作伸缩运动，同时主丝杠螺母5通过端墙中空台阶腔体装配的轴承套10，将副丝杠筒14轴向限位在副丝杠筒14的端环槽中，承受副丝杠筒14的负载，副丝杠筒14通过所述端环槽的右止挡环端面耦合被二级活塞筒12活塞头内腔台阶孔约束的副丝杠筒螺母11，副丝杠筒螺母11套合副丝杠筒14外螺旋滚道，带动二级活塞筒12在一级活塞筒9运动腔中作伸缩运动，构成主副双线丝杠螺母副组合的主通道活塞筒伸缩运动通道；副电机16通过副传动齿轮17带动花键套传动轴18旋转，花键套传动轴18通过副丝杠筒14内键平滑槽，带动副丝杠筒14旋转，从而驱动副丝杠筒螺母11及套合的二级活塞筒12在一级活塞筒9端向运动腔中作伸缩运动，从而构成了非相似能源介质应急伸出活塞筒动作的多级电传机电作动器。
本发明相比于现有技术具有如下增益效果：
本发明采用外筒3径向两侧通过齿轮传动系分别轴联螺母旋转式丝杠、花键套传动轴18的主电机1、副电机16，通过丝杠筒螺母带动在外筒3运动腔体中作直线伸缩运动的活塞筒的双通道传动装置，部件数少、结构简单，传动效率较高。与传统的液压作动器相比，具有承载能力强、运动精度好、传动效率高。这种以均衡技术或者解耦控制缓解或者消除力纷争。不存在力纷争的问题。主丝杠螺母5通过端墙中空台阶腔体装配的轴承套10，将副丝杠筒14轴向限位在副丝杠筒14的端环槽中，承受副丝杠筒14的负载，以电能的形式进行功率传递，有效地将电动机的运动转化为丝杠的运动，可以取代或减少一部分集中式的液压系统的应用。由于采用两个独立的电机，使同类共模故障概率大幅降低，克服传统的集成作动装置体积重量大、控制难的缺点，同时在一定程度上避免了共态故障的发生，提高了作动器的可靠性。
本发明采用主电机1输出齿轮通过主传动齿轮2啮合主丝杠筒4带动主丝杠筒4旋转，驱动带有防卡塞机构的主丝杠螺母5，带动一级活塞筒9在带有压力介质应急嘴13的外筒3运动腔中作伸缩运动，副电机16通过副传动齿轮17带动花键套传动轴18旋转，花键套传动轴18键合上副丝杠筒14配合副丝杠螺母11，带动二级活塞筒12在一级活塞筒9运动腔中作伸缩运动，负载刚度大，转动效率较高，可避免复杂的力纷争和耦合解耦等问题，工程上较容易实现。
本发明通过在主丝杠螺母5、一级活塞筒9、轴承套10之间设计可被高压介质开锁的防卡塞机构，在丝杠筒副等传动机构卡塞的情况下，高压介质解锁防卡塞机构后，分别驱动一级活塞筒9和二级活塞筒12克服负载应急伸出，当作动系统发生共模故障时，产品仍能继续工作，提高了系统可靠性。从而解决了常规多级机电作动器丝杠筒副卡塞而无法完成伸出活塞筒的单点问题。
本发明采用副丝杠筒14通过端环槽的右止挡环端面耦合被二级活塞筒12活塞头内腔台阶孔约束的副丝杠筒螺母11，副丝杠筒螺母11套合副丝杠筒14外螺旋滚道，带动二级活塞筒12在一级活塞筒9运动腔中作伸缩运动，构成主副双线丝杠螺母副组合的主通道活塞筒伸缩运动通道；两个通道可以协调工作，形成可靠的热备份；产生一次故障时，能够迅速地隔离故障，保证系统安全可靠运行；双通道间同步可使冗余系统可靠运行，动态性能比单通道工作时有所提高，在一个通道发生故障时，仍然能够正常工作，还可以在一定程度上提高了飞行器的安全性和可靠性。通过应用功率电传作动技术不仅有着提高作动效率、降低飞机重量以及控制维护成本，动态性能比单通道工作时有所提高。
附图说明
图1是本发明非相似能源介质多级电传机电作动器活塞筒缩回状态结构剖视图；
图2是图1传动轴与副丝杠筒花键啮合状态的局部断面的左视图；
图3是非相似能源介质多级电传机电作动器活塞筒伸出状态结构剖视图；
图中：1主电机，2主传动齿轮，3外筒，4主丝杠筒，5主丝杠螺母，6锁定弹簧，7上锁衬套筒，8轴承套锁定钢球，9一级活塞筒，10轴承套，11副丝杠筒螺母，12二级活塞筒，13压力介质应急嘴，14副丝杠筒，15主螺母锁定钢球，16副电机，17副传动齿轮，18花键套传动轴。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。
具体实施方式
参阅图1-图3。在以下描述的优选实施例中，一种非相似能源介质多级电传机电作动器，包括：外筒3径向两侧通过齿轮传动系分别轴联螺母旋转式丝杠、花键套传动轴18的主电机1、副电机16，通过丝杠筒螺母带动在外筒3运动腔体中作直线伸缩运动的活塞筒，其中：主电机1输出齿轮通过主传动齿轮2啮合主丝杠筒4带动主丝杠筒4旋转，驱动带有防卡塞机构的主丝杠螺母5，带动一级活塞筒9在带有压力介质应急嘴13的外筒3运动腔中作伸缩运动，同时主丝杠螺母5通过端墙中空台阶腔体装配的轴承套10，将副丝杠筒14轴向限位在副丝杠筒14的端环槽中，承受副丝杠筒14的负载，副丝杠筒14通过所述端环槽的右止挡环端面耦合被二级活塞筒12活塞头内腔台阶孔约束的副丝杠筒螺母11，副丝杠筒螺母11套合副丝杠筒14外螺旋滚道，带动二级活塞筒12在一级活塞筒9运动腔中作伸缩运动，构成主副双线丝杠螺母副组合的主通道活塞筒伸缩运动通道；副电机16通过副传动齿轮17带动花键套传动轴18旋转，花键套传动轴18通过副丝杠筒14内键平滑槽，带动副丝杠筒14旋转，从而驱动副丝杠筒螺母11及套合的二级活塞筒12在一级活塞筒9端向运动腔中作伸缩运动，从而构成了非相似能源介质应急伸出活塞筒动作的多级电传机电作动器。
所述的防卡塞机构包括：环密封在主丝杠螺母5小端内环孔内的上锁衬套筒7，通过上锁衬套筒7中心孔环密封的翻边套筒端盖，套装在所述翻边套筒端盖外环面上的锁定弹簧6，通过左侧台阶端面约束紧贴一级活塞筒9底部活塞头内环孔台阶端面，并将双向推力角接触球轴承约束在端环圆柱轴承容纳腔中的轴承套10，外环面圆周上环布落锁在钢球导向锁孔中的轴承套锁定钢球8，环布落锁在主丝杠螺母5外环面圆周钢球导向锁孔中的主螺母锁定钢球15。
一级活塞筒9活塞头套合主丝杠螺母5小端台阶外环面，在活塞筒缩回状态，将锁定在内环面孔壁上沿锁槽中的主螺母锁定钢球15、轴承套锁定钢球8落锁在钢球导向锁孔内，上锁衬套筒7外环面紧贴主螺母锁定钢球15、轴承套锁定钢球8下沿，将锁定弹簧6弹力保持在盲孔内台阶腔体中，限位主螺母锁定钢球15、轴承套锁定钢球8窜动，实现主丝杠螺母5、一级活塞筒9、轴承套10防卡塞锁定。
主电机1输出齿径通过主传动齿轮2径向伸入外筒3传动腔体，与主丝杠筒4端向齿轮进行啮合，带动通过外筒3底部腔体台阶环孔装配的推力角接触球轴承及套装在主丝杠筒4外螺旋滚道上的主丝杠螺母5作伸缩运动，主丝杠螺母5通过小端台阶推送锁定在钢球导向锁孔8内的主螺母锁定钢球15，带动一级活塞筒9在外筒3中运动腔中作伸缩运动。
二级驱动电机16输出齿轮通过副传动齿轮17径向伸入外筒3传动腔体，与花键套传动轴18端向齿轮进行啮合，花键套传动轴18通过外花键齿套合副丝杠筒14，在副丝杠筒14端向运动腔作直线运动，并带动副丝杠筒14旋转。
装配在轴承套10中空台阶孔中的双向推力角接触球轴承端面轴向限位副丝杠筒14，限制副丝杠筒14两方面的轴向位移，承受副丝杠筒14的负载。
主丝杠螺母5与轴承套10同轴相连，将防卡塞机构与一级活塞筒9锁定在一起。
主丝杠螺母5通过轴承套10耦合副丝杠筒14，副丝杠筒螺母11外螺旋滚道套合副丝杠筒14，将负载依次传递至副丝杠筒14，被副丝杠筒14驱动，带动二级活塞筒12在一级活塞筒9运动腔体中作伸缩运动；
活塞筒缩回状态下，约束在二级活塞筒12中空台阶孔中的副丝杠筒螺母11将负载依次传递至副丝杠筒14、一级活塞筒9、主丝杠螺母5、主丝杠筒4，最终传递至外筒3上。
正常工作时，主电机1驱动主丝杠筒4转动，进而驱动主丝杠螺母5及副丝杠筒14伸出，同时带动一级活塞筒9伸出外筒3运动腔，同时，二级驱动电机16通过副传动齿轮17径向伸入外筒3传动腔体，带动花键套传动轴18轴端齿轮旋转，花键套传动轴18通过自由端圆柱台之花键与副丝杠筒14内环面花键滑槽啮合，驱动副丝杠筒14同步转动，带动副丝杠筒螺母11套装的二级活塞筒12伸出一级活塞筒9，以二级活塞筒12活塞头台阶端面到的一级活塞筒9运动腔的底端作动行程与一级活塞筒9活塞头台阶端面到外筒3运动腔的底端作动行程之和作为即作动器的总工作行程。
在可选择的实施例中，若电机失效或任意传动机构卡死，不同于电能的非相似能源高压介质从外筒3压力介质应急嘴13进入作动器的外筒3内腔，高压介质推动防卡塞机构环密封的上锁衬套筒7克服锁定弹簧6弹力左移，主螺母锁定钢球15、轴承套锁定钢球8从一级活塞筒9锁槽脱出，落入上锁衬套筒7筒端切角斜面，实现防卡塞机构解锁，即一级活塞筒9、主丝杠螺母5、轴承套10相互脱离，二级活塞筒12克服负载伸出一级活塞筒9，完成应急伸出活塞筒动作。
本发明尽管结合一些优选的实施方式对本发明进行描述，但本发明并不限于这些实施方式。与此相反，本发明将涵盖所有的替换方式、改型、以及等效方式，只要这些方案被包含在由后附权利要求限定的本发明核心思想与保护范围内。
Claims (10)
1.一种非相似能源介质多级电传机电作动器，包括：外筒(3)径向两侧通过齿轮传动系分别轴联螺母旋转式丝杠、花键套传动轴(18)的主电机(1)、副电机(16)，通过丝杠筒螺母带动在外筒(3)运动腔体中作直线伸缩运动的活塞筒，其特征在于：主电机(1)输出齿轮通过主传动齿轮(2)啮合主丝杠筒(4)带动主丝杠筒(4)旋转，驱动带有防卡塞机构的主丝杠螺母(5)，带动一级活塞筒(9)在带有压力介质应急嘴(13)的外筒(3)运动腔中作伸缩运动，同时主丝杠螺母(5)通过端墙中空台阶腔体装配的轴承套(10)，将副丝杠筒(14)轴向限位在副丝杠筒(14)的端环槽中，承受副丝杠筒(14)的负载，副丝杠筒(14)通过所述端环槽的右止挡环端面耦合被二级活塞筒(12)活塞头内腔台阶孔约束的副丝杠筒螺母(11)，套合副丝杠筒(14)外螺旋滚道，带动二级活塞筒(12)在一级活塞筒(9)运动腔中作伸缩运动，构成主副双线丝杠螺母副组合的主通道活塞筒伸缩运动通道；副电机(16)通过副传动齿轮(17)带动花键套传动轴(18)旋转，花键套传动轴(18)通过副丝杠筒(14)内键平滑槽，带动副丝杠筒(14)旋转，从而驱动副丝杠筒螺母(11)及套合的二级活塞筒(12)在一级活塞筒(9)端向运动腔中作伸缩运动，从而构成了非相似能源介质应急伸出活塞筒动作的多级电传机电作动器。
2.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：防卡塞机构包括：环密封在主丝杠螺母(5)小端内环孔内的上锁衬套筒(7)，通过上锁衬套筒(7)中心孔环密封的翻边套筒端盖，套装在所述翻边套筒端盖外环面上的锁定弹簧(6)，通过左侧台阶端面约束紧贴一级活塞筒(9)底部活塞头内环孔台阶端面，并将双向推力角接触球轴承约束在端环圆柱轴承容纳腔中的轴承套(10)，外环面圆周上环布落锁在钢球导向锁孔中的轴承套锁定钢球(8)，环布落锁在主丝杠螺母(5)外环面圆周钢球导向锁孔中的主螺母锁定钢球(15)。
3.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：一级活塞筒(9)活塞头套合主丝杠螺母(5)小端台阶外环面，在活塞筒缩回状态，将锁定在内环面孔壁上沿锁槽中的主螺母锁定钢球(15)、轴承套锁定钢球(8)落锁在钢球导向锁孔内，上锁衬套筒(7)外环面紧贴主螺母锁定钢球(15)、轴承套锁定钢球(8)下沿，将锁定弹簧(6)弹力保持在盲孔内台阶腔体中，限位主螺母锁定钢球(15)、轴承套锁定钢球(8)窜动，实现主丝杠螺母(5)、一级活塞筒(9)、轴承套(10)防卡塞锁定。
4.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：主电机(1)输出齿径通过主传动齿轮(2)径向伸入外筒(3)传动腔体，与主丝杠筒(4)端向齿轮进行啮合，带动通过外筒(3)底部腔体台阶环孔装配的推力角接触球轴承及套装在主丝杠筒(4)外螺旋滚道上的主丝杠螺母(5)作伸缩运动，主丝杠螺母(5)通过小端台阶推送锁定在钢球导向锁孔(8)内的主螺母锁定钢球(15)，带动一级活塞筒(9)在外筒(3)中运动腔中作伸缩运动。
5.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：二级驱动电机(16)输出齿轮通过副传动齿轮(17)径向伸入外筒(3)传动腔体，与花键套传动轴(18)端向齿轮进行啮合，花键套传动轴(18)通过外花键齿套合副丝杠筒(14)，在副丝杠筒(14)端向运动腔作直线运动，并带动副丝杠筒(14)旋转。
6.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：装配在轴承套(10)中空台阶孔中的双向推力角接触球轴承端面轴向限位副丝杠筒(14)，限制副丝杠筒(14)两方面的轴向位移，承受副丝杠筒(14)的负载。
7.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：主丝杠螺母(5)与轴承套(10)同轴相连，将防卡塞机构与一级活塞筒(9)锁定在一起。
8.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：主丝杠螺母(5)通过轴承套(10)耦合副丝杠筒(14)，副丝杠筒螺母(11)外螺旋滚道套合副丝杠筒(14)，将负载依次传递至副丝杠筒(14)，被副丝杠筒(14)驱动，带动二级活塞筒(12)在一级活塞筒(9)运动腔体中作伸缩运动。
9.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：活塞筒缩回状态下，约束在二级活塞筒(12)中空台阶孔中的副丝杠筒螺母(11)将负载依次传递至副丝杠筒(14)、一级活塞筒(9)、主丝杠螺母(5)、主丝杠筒(4)，最终传递至外筒(3)上。
10.如权利要求1所述的非相似能源介质多级电传机电作动器，其特征在于：正常工作时，主电机(1)驱动主丝杠筒(4)转动，进而驱动主丝杠螺母(5)及副丝杠筒(14)伸出，同时带动一级活塞筒(9)伸出外筒(3)运动腔，同时，二级驱动电机(16)通过副传动齿轮(17)径向伸入外筒(3)传动腔体，带动花键套传动轴(18)轴端齿轮旋转，花键套传动轴(18)通过自由端圆柱台之花键与副丝杠筒(14)内环面花键滑槽啮合，驱动副丝杠筒(14)同步转动，带动副丝杠筒螺母(11)套装的二级活塞筒(12)伸出一级活塞筒(9)，以二级活塞筒(12)活塞头台阶端面到的一级活塞筒(9)运动腔的底端作动行程与一级活塞筒(9)活塞头台阶端面到外筒(3)运动腔的底端作动行程之和作为即作动器的总工作行程。
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2022
- 2022-12-25 CN CN202211670025.3A patent/CN116624569A/zh active Pending
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