RU157569U1

RU157569U1 - ELECTROMECHANICAL STEERING DRIVE

Info

Publication number: RU157569U1
Application number: RU2015123324/11U
Authority: RU
Inventors: Виктор Федорович Заец; Рашид Раисович Абдулин; Владимир Сергеевич Кулабухов; Светлана Юрьевна Майорова; Андрей Юрьевич Хлупнов; Энвер Мансурович Алимов; Артем Николаевич Стиценко; Алексей Сергеевич Зудилин; Николай Алексеевич Туктарев
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2015-12-10

Abstract

1. Электромеханический рулевой привод, содержащий электродвигатель, редуктор, шарико-винтовую передачу, отличающийся тем, что в него дополнительно введен датчик положения выходного штока, установленный в корпусе привода и связанный со штоком при помощи безлюфтовой передачи, осуществляемой посредством подпружиненной разрезной шестерни.2. Электромеханический рулевой привод по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен электромеханическим нормально-замкнутым тормозом, размещенным на оконечной части вала электродвигателя.3. Электромеханический рулевой привод по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что электродвигатель снабжен тахогенератором, установленным на его валу в виде дополнительной секции.4. Электромеханический рулевой привод по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что электродвигатель снабжен датчиком положения ротора, установленным на его валу в виде дополнительной секции.1. Electromechanical steering gear comprising an electric motor, gearbox, ball screw transmission, characterized in that it additionally includes an output rod position sensor installed in the actuator housing and connected to the rod by means of a backlash-free gear carried out by means of a spring-loaded split gear. 2. Electromechanical steering gear according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with an electromechanical normally-closed brake located on the end of the motor shaft. 3. Electromechanical steering gear according to any one of paragraphs. 1, 2, characterized in that the electric motor is equipped with a tachogenerator mounted on its shaft in the form of an additional section. 4. Electromechanical steering gear according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the electric motor is equipped with a rotor position sensor mounted on its shaft in the form of an additional section.

Description

Полезная модель относится к области авиации, более конкретно - к системам управления аэродинамическими поверхностями самолетов и может быть использована как при создании новых, так и при модернизации существующих летательных аппаратов. Она также может быть использована в других областях техники, где существует потребность в скоростных приводах с регулируемой скоростью перемещения выходного штока.The utility model relates to the field of aviation, and more specifically to control systems for the aerodynamic surfaces of aircraft and can be used both to create new and modernize existing aircraft. It can also be used in other areas of technology where there is a need for high-speed drives with adjustable speed of movement of the output rod.

Известны изобретения, относящиеся к системам управления самолетов (патенты US №6827311 от 07.04.2003, US №7007897 от 22.06.2004, ЕР №1964771 от 26.02.2008). Система управления каждым аэродинамическим элементом включает гидравлический (или пневматический) и электромеханический приводы.Known inventions related to aircraft control systems (patents US No. 6827311 from 04/07/2003, US No. 7007897 from 06/22/2004, EP No. 1964771 from 02/26/2008). The control system of each aerodynamic element includes hydraulic (or pneumatic) and electromechanical drives.

Недостатком такой системы управления является использование на самолете для управления аэродинамической поверхностью как минимум двух систем генерирования и распределения энергии - электрической и гидравлической (или пневматической) систем, оснащенных аналогичными по функциональному назначению устройствами.The disadvantage of such a control system is the use of at least two energy generation and distribution systems on the aircraft for controlling the aerodynamic surface - electrical and hydraulic (or pneumatic) systems equipped with devices similar in functionality.

Известно изобретение «Привод с винтовой парой с предохранительной муфтой», описанное в патенте РФ №2419010, МПК F16H 25/20, опубликованном 20.05.2011 г. Привод с винтовой парой содержит цельный корпус, в котором гайка ходового винта расположена на ходовом винте. Между гайкой ходового винта и внутренней стороной корпуса образована предохранительная муфта. Предохранительная муфта расцепляется при достижении действующей на ходовой винт шариковой винтовой пары расцепляющей силы. Привод также содержит устройство предварительного натяжения, которое является настраиваемым исполнительным звеном на силу предварительного натяжения и действует на предохранительную муфту через подвижный нажимной элемент. Причем каждый нажимной элемент расположен скользяще на поверхности корпуса и на боковой поверхности гайки ходового винта.The invention is known "Drive with a screw pair with a safety clutch" described in RF patent No. 2419010, IPC F16H 25/20, published on 05/20/2011. The drive with a screw pair contains a one-piece housing in which the lead screw nut is located on the lead screw. A safety clutch is formed between the lead screw nut and the inside of the housing. The safety clutch disengages when the ball screw pair acting on the spindle reaches the release force. The drive also includes a pre-tensioning device, which is a configurable actuating element for the pre-tension force and acts on the safety clutch through a movable pressure element. Moreover, each pressure element is slidably located on the surface of the housing and on the side surface of the screw nut.

Недостатком известного привода является то, что он не обеспечивает возможности блокировки движения выходного штока из-за воздействия внешних сил и обладает сравнительно низкой точностью отработки командных сигналов из-за отсутствия датчика положения ротора. Кроме того, привод не обеспечивает стабильности скорости вращения на различных скоростях вращения электродвигателя и в нем не предусмотрен контроль положения выходного штока привода, что приводит к ухудшению динамических характеристик ЛА и, как следствие, ограничивает использование данного привода в системах автоматического управления легких пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.A disadvantage of the known drive is that it does not provide the ability to block the movement of the output rod due to external forces and has a relatively low accuracy of working out command signals due to the lack of a rotor position sensor. In addition, the drive does not provide stability of the rotational speed at different speeds of rotation of the electric motor and it does not provide control of the position of the output rod of the drive, which leads to a deterioration in the dynamic characteristics of the aircraft and, as a result, limits the use of this drive in automatic control systems for light manned and unmanned aerial vehicles apparatuses.

Известно изобретение «Рулевой привод», представленное в патенте РФ №2387577, МПК B64C 13/00, опубликованном 27.04.2010 г. Рулевой привод содержит двигатель, редуктор, включающий размещенную в его корпусе шарико-винтовую передачу в виде ходового винта с ходовой гайкой, реечную зубчатую передачу движения с ходовой гайки на зубчатый сектор вала руля. Также привод снабжен компенсатором деформаций ходового винта, возникающих в зубчатой реечной передаче от воздействия радиальных сил при вращении руля.The invention is known “Steering drive”, presented in the patent of the Russian Federation No. 2387577, IPC B64C 13/00, published 04/27/2010, the Steering drive includes an engine, gearbox, placed in its housing a ball screw transmission in the form of a lead screw with a spindle nut, rack and pinion gear movement from the driving nut to the gear sector of the steering shaft. The drive is also equipped with a compensator for deformations of the spindle arising in the rack and pinion gear from the action of radial forces during rotation of the steering wheel.

Данный рулевой привод так же, как и описанный выше аналог, не обеспечивает возможности блокировки движения выходного штока из-за воздействия внешних сил, обладает сравнительно низкой точностью отработки командных сигналов из-за отсутствия датчика положения ротора. Привод не обеспечивает стабильность работы на различных скоростях вращения электродвигателя, не контролирует положение выходного штока привода, что приводит к ухудшению динамических характеристик ЛА.This steering drive, like the analogue described above, does not provide the ability to block the movement of the output rod due to external forces, has a relatively low accuracy of working out command signals due to the lack of a rotor position sensor. The drive does not provide stability at different speeds of rotation of the electric motor, does not control the position of the output rod of the drive, which leads to a deterioration in the dynamic characteristics of the aircraft.

Известен также «Рулевой привод» по патенту РФ №2444463, МПК B64C 13/00, опубликованному 15.09.2010 г., принятый нами за прототип. Запатентованное устройство содержит в своем составе двигатель, редуктор, включающий размещенную в его корпусе шарико-винтовую передачу в виде вращающегося винта с ходовой гайкой, реечную зубчатую передачу в виде зубчатой рейки каретки, связанной с ходовой гайкой, и зубчатого сектора вала руля. При этом рулевой привод снабжен блокатором изгибных деформаций ходового винта, выполненным в виде двух пар подшипников качения, закрепленных на каретке ходовой гайки и опирающихся на корпус редуктора. Корпус редуктора в районе качения двух пар подшипников выполнен в виде двух продольных плоских направляющих, образующих между собой угол 120°…160°. Подшипники качения установлены на каретке ходовой гайки с возможностью регулирования их поджатая к продольным плоским направляющим корпуса редуктора, например, с помощью эксцентриков. Устройство предназначено для управления аэродинамическими поверхностями управления беспилотных летательных аппаратов.Also known "Steering drive" according to the patent of the Russian Federation No. 2444463, IPC B64C 13/00, published September 15, 2010, adopted by us for the prototype. The patented device includes an engine, a gearbox, which includes a ball screw in the form of a rotating screw with a spindle nut, a rack gear in the form of a gear rack of a carriage connected with a spindle nut, and a gear sector of the steering shaft. At the same time, the steering drive is equipped with a lead screw bending deformation blocker made in the form of two pairs of rolling bearings mounted on the carriage of the lead nut and resting on the gear housing. The gear housing in the rolling region of two pairs of bearings is made in the form of two longitudinal flat guides, forming an angle of 120 ° ... 160 ° between them. The rolling bearings are mounted on the carriage of the running nut with the possibility of adjusting them pressed against the longitudinal flat guides of the gear housing, for example, using eccentrics. The device is designed to control the aerodynamic control surfaces of unmanned aerial vehicles.

Принятый нами за прототип рулевой привод так же, как и описанный выше аналог, не обеспечивает возможности блокировки движения выходного штока из-за воздействия внешних сил, обладает сравнительно низкой точностью отработки командных сигналов из-за отсутствия датчика положения ротора. Привод не обеспечивает стабильность работы на различных скоростях вращения электродвигателя, не контролирует положение выходного штока привода, что приводит к ухудшению динамических характеристик ЛА. Перечисленные недостатки ограничивает использование данного привода в системах автоматического управления легких пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.The steering drive adopted by us for the prototype, as well as the analogue described above, does not provide the ability to block the movement of the output rod due to external forces, has a relatively low accuracy of working out command signals due to the lack of a rotor position sensor. The drive does not provide stability at different speeds of rotation of the electric motor, does not control the position of the output rod of the drive, which leads to a deterioration in the dynamic characteristics of the aircraft. The listed disadvantages are limited by the use of this drive in automatic control systems for light manned and unmanned aerial vehicles.

Другим недостатком этой конструкции являются ее ограниченные функциональные возможности, в частности с помощью этого привода невозможно управлять исполнительными элементами, обладающими значительным усилием в направлении продольной оси привода такими, как закрылки, створки и т.п., что связано с обеспечением привода только вращательным моментом.Another disadvantage of this design is its limited functionality, in particular with this drive it is impossible to control actuators having significant force in the direction of the longitudinal axis of the drive such as flaps, flaps, etc., which is associated with providing the drive with only torque.

Целью создания полезной модели является обеспечение высоких энергетических и динамических показателей, расширение функциональных возможностей электромеханического рулевого привода и повышение стабильности и точности в широком диапазоне изменения частоты вращения электродвигателя.The purpose of creating a utility model is to provide high energy and dynamic performance, expand the functionality of the electromechanical steering gear and increase stability and accuracy in a wide range of changes in the frequency of rotation of the electric motor.

Для достижения поставленной цели предлагается электромеханический рулевой привод (ЭРП), содержащий электродвигатель, редуктор, шарико-винтовую передачу, отличающийся тем, что в него дополнительно введен датчик положения выходного штока, установленный в корпусе привода и связанный со штоком при помощи безлюфтовой передачи, осуществляемой посредством подпружиненной разрезной шестерни.To achieve this goal, an electromechanical steering actuator (EPG) is proposed, comprising an electric motor, gearbox, ball screw transmission, characterized in that it also includes an output rod position sensor installed in the actuator housing and connected to the rod by means of a backlash-free transmission spring loaded split gear.

Для защиты ротора электродвигателя от вращения под воздействием внешних сил и ограничения его выбега, привод дополнительно снабжен электромеханическим нормально-замкнутым тормозом, размещенным на оконечной части вала электродвигателя.To protect the rotor of the electric motor from rotation under the influence of external forces and to limit its run-out, the drive is additionally equipped with an electromechanical normally-closed brake located on the end of the motor shaft.

Для стабилизации скорости вращения ротора, электродвигатель электромеханического рулевого привода снабжен тахогенератором, установленным на его валу в виде дополнительной секции.To stabilize the rotor speed, the electromechanical steering gear motor is equipped with a tachogenerator mounted on its shaft in the form of an additional section.

Для увеличения точности и надежности отработки управляющего сигнала, электродвигатель электромеханического рулевого привода снабжен датчиком положения ротора, установленным на его волу в виде дополнительной секции.To increase the accuracy and reliability of the control signal, the electromechanical steering gear motor is equipped with a rotor position sensor mounted on its ox in the form of an additional section.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен заявленный электромеханический привод в разрезе, а на фиг. 2 - датчик положения выходного штока и разрезная шестерня.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the claimed electromechanical drive in section, and in FIG. 2 - output rod position sensor and split gear.

В состав электромеханического рулевого привода (ЭРП) входят: электродвигатель 1, в качестве которого используют бесконтактный электродвигатель постоянного тока, тахогенератор 2, являющийся датчиком угловой скорости вращения электродвигателя, датчик 3 положения ротора (ДПР), электромагнитный нормально - замкнутый тормоз 4, двухступенчатый редуктор 5, шарико-винтовая передача 6, датчик 7 положения выходного штока (ДПШ), например потенциометрического типа, выходной шток 8 и разрезная подпружиненная шестерня 9, осуществляющая безлюфтовую передачу между ДПШ 7 и штоком 8.The composition of the electromechanical steering drive (EPG) includes: an electric motor 1, which uses a non-contact direct current electric motor, a tachogenerator 2, which is a sensor of the angular speed of rotation of the electric motor, a rotor position sensor 3 (DPR), an electromagnetic normally closed brake 4, a two-stage gearbox 5 , ball screw 6, sensor 7 of the position of the output rod (DPSh), for example, potentiometric type, the output rod 8 and the split spring-loaded gear 9, which carries out backlashless I see between DPSh 7 and stock 8.

ЭРП выполнен в виде следящего электропривода, обеспечивающего реверсивное поступательное движение выходного звена, являющегося выходным штоком 8, в соответствии с управляющими сигналами. Управление ЭРП осуществляется в режиме отработки сигнала, пропорционального заданному положению штока. Контроль перемещения производится по датчику 7 положения выходного штока.ERP is made in the form of a servo drive, providing reverse translational motion of the output link, which is the output rod 8, in accordance with the control signals. EPF control is carried out in the signal processing mode proportional to the given position of the rod. Motion control is performed by the sensor 7 position of the output rod.

Электродвигатель 1 содержит встроенные в виде дополнительных секций тахогенератор 2 и ДПР 3 на элементах Холла. Ротор электродвигателя оснащен постоянными магнитами.The electric motor 1 contains a tachogenerator 2 and a DPR 3 integrated in the form of additional sections on the Hall elements. The rotor of the electric motor is equipped with permanent magnets.

Бесконтактный электродвигатель постоянного тока обладает высокой удельной энергией. Это позволяет обеспечить минимальную массу и габариты, высокие энергетические характеристики и динамические показатели, широкий диапазон регулирования частоты вращения, повышенную надежность изделия. Отсутствие щеточного коллектора обусловливает значительный ресурс и долговечность данного двигателя.Non-contact DC motor has high specific energy. This allows you to provide a minimum weight and dimensions, high energy characteristics and dynamic performance, a wide range of speed control, increased reliability of the product. The absence of a brush manifold determines the significant resource and durability of this engine.

Для обеспечения возможности блокировки движения со стороны выходного штока в приводе используется электромагнитный нормально-замкнутый тормоз 4, который не позволяет перемещаться штоку 8 привода с выключенным двигателем 1 и обеспечивает затормаживание выходного вала в обесточенном состоянии. Электромагнитный тормоз 4 состоит из корпуса с катушкой, якоря, тормозного диска и пружины (На чертеже не показаны). При включении электродвигателя 1 электромагнитный нормально-замкнутый тормоз 4 осуществляет растормаживание вала электродвигателя.To provide the possibility of blocking the movement from the side of the output rod, the drive uses an electromagnetic normally-closed brake 4, which does not allow the rod 8 of the drive to move with the engine 1 off and provides braking of the output shaft in a de-energized state. The electromagnetic brake 4 consists of a housing with a coil, an anchor, a brake disc and a spring (not shown in the drawing). When you turn on the motor 1, the electromagnetic normally-closed brake 4 performs the braking of the motor shaft.

Электродвигатель 1 приводит во вращение двухступенчатый колесно-зубчатый редуктор 5. Вторая ступень редуктора 5 обеспечивает вращение шарико-винтовой передачи 6, преобразующей вращательное движение в поступательное движение штока 8. Шарико-винтовая передача 6 выполнена в виде вращающегося внутреннего винта с ходовой наружной гайкой в виде цилиндра, которая является выходным штоком 8.The electric motor 1 drives a two-stage wheel-gear reducer 5. The second gear stage 5 rotates the ball screw 6, which converts the rotational motion into translational motion of the rod 8. The ball screw 6 is made in the form of a rotating internal screw with an external outer nut in the form cylinder, which is the output rod 8.

Информационные сигналы о положении ротора электродвигателя 1 от датчика 3 положения ротора и о скорости вращения ротора от тахогенератора 2, а также о положении штока 8 от датчика 7 положения выходного штока используются для управления электродвигателем 1, через систему управления (СУ). Двигатель вращает колесно-зубчатый редуктор 5 вместе с шарико-винтовой передачей 6, обеспечивая требуемые скорости перемещения выходного штока 8 в заданном диапазоне нагрузок. Датчик ДПШ 7 выполняет функцию датчика обратной связи о положении штока 8.Information signals about the position of the rotor of the electric motor 1 from the sensor 3 of the rotor position and about the speed of rotation of the rotor from the tachogenerator 2, as well as about the position of the rod 8 from the sensor 7 of the position of the output rod are used to control the electric motor 1, through the control system (SU). The engine rotates the wheel-gear reducer 5 together with a ball screw transmission 6, providing the required speed of movement of the output rod 8 in a given load range. The sensor DPSh 7 performs the function of a feedback sensor on the position of the rod 8.

Электромагнитный рулевой привод обеспечивает следующие основные функции:The electromagnetic steering gear provides the following main functions:

- перемещение штока в заданное положение и удержание в заданном положении;- moving the rod to a predetermined position and holding it in a predetermined position;

-обеспечение электродвигателем требуемого усилия выходного штока через двухступенчатый колесно-зубчатый редуктор и шарико-винтовую передачу;- providing the electric motor with the required effort of the output rod through a two-stage wheel-gear reducer and a ball screw transmission;

- фиксацию штока по команде от СУ в выключенном (обесточенном) состоянии или при выявлении отказа с помощью срабатывания электромагнитного нормально-замкнутого тормоза;- fixing the rod by command from the SU in the off (de-energized) state or when a failure is detected by means of the operation of an electromagnetic normally-closed brake;

- ограничение перемещения выходного штока в пределах рабочего хода путем отключения питания двигателя и срабатывания электромагнитного нормально-замкнутого тормоза;- limiting the movement of the output rod within the operating stroke by turning off the power of the engine and the operation of an electromagnetic normally-closed brake;

- стабилизацию скорости вращения ротора электродвигателя в заданном режиме;- stabilization of the rotational speed of the rotor of the electric motor in a given mode;

- работу электропривода в следящем режиме в пределах рабочего хода штока без выхода на жесткие упоры винта и гайки;- the operation of the electric drive in a follow-up mode within the stroke of the rod without access to the hard stops of the screw and nut;

- предотвращение несанкционированного перемещения штока путем отключения питания двигателя и срабатывания электромагнитного нормально-замкнутого тормоза.- prevention of unauthorized movement of the rod by turning off the power of the engine and the operation of the electromagnetic normally-closed brake.

Привод работает следующим образом: при включении двигателя 1 вращение его вала передается на первую ступень, а затем с определенным передаточным отношением на вторую ступень колесно-зубчатого редуктора 5. В качестве выходного звена редуктора применена шарико-винтовая передача 6. Вторая ступень редуктора обеспечивает вращение шарико-винтовой передачи, преобразующей вращательное движение в поступательное движение выходного штока 8, положение которого контролируется, установленным в корпусе привода, ДПШ 7. С вращением ротора электродвигателя, одновременно вращается ротор ДПР с магнито-чувствительными элементами и ротор тахогенератора, сигналы которых предназначены для регулирования положения ротора двигателя и для стабилизации скорости вращения. По мере перемещения выходного штока 8 вращается разрезная шестерня 9, посредством которой ДПШ передает сигнал в СУ о положении выходного штока. При отключении электропитания, при выключении электродвигателя и по команде от СУ электромагнитный нормально-замкнутый тормоз 4 блокирует вращение ротора.The drive operates as follows: when the engine 1 is turned on, the rotation of its shaft is transmitted to the first stage, and then with a certain gear ratio to the second stage of the wheel-gear reducer 5. A ball screw gear is used as the output link of the reducer 6. The second gear stage provides rotation of the ball - a helical gear that converts rotational motion into translational motion of the output rod 8, the position of which is controlled, installed in the drive housing, DPSh 7. With the rotation of the electric motor rotor ator simultaneously rotates DPR rotor magneto-sensitive elements and the rotor of the tachogenerator whose signals are used for regulating the motor rotor position and for stabilizing the rotational speed. As the output rod 8 moves, the split gear 9 rotates, by means of which the DPS transmits a signal to the SU about the position of the output rod. When the power is turned off, when the electric motor is turned off, and on command from the control system, the electromagnetic normally-closed brake 4 blocks the rotation of the rotor.

Техническим результатом предложенной полезной модели является обеспечение высоких энергетических и динамических показателей, расширение функциональных возможностей электромеханического рулевого привода и повышение стабильности и точности в широком диапазоне изменения частоты вращения электродвигателя.The technical result of the proposed utility model is to provide high energy and dynamic performance, expand the functionality of the electromechanical steering gear and increase stability and accuracy in a wide range of changes in the frequency of rotation of the electric motor.

Электромеханический рулевой привод может быть использован на всех типах беспилотных и легкомоторных пилотируемых летательных аппаратов.Electromechanical steering gear can be used on all types of unmanned and light-weight manned aircraft.

Claims

1. Electromechanical steering actuator comprising an electric motor, gearbox, ball screw transmission, characterized in that it additionally includes an output rod position sensor installed in the actuator housing and connected to the rod by means of a gearbox without gears by means of a spring-loaded split gear.

2. The electromechanical steering drive according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with an electromechanical normally-closed brake located on the end of the motor shaft.

3. Electromechanical steering gear according to any one of paragraphs. 1, 2, characterized in that the electric motor is equipped with a tachogenerator mounted on its shaft in the form of an additional section.

4. Electromechanical steering gear according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the electric motor is equipped with a rotor position sensor mounted on its shaft in the form of an additional section.