Диссертация (Исследование жесткости и прочности волновой передачи с телами качения электромеханического силового привода летательного аппарата)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиКрылов Николай ВалерьевичИсследование жёсткости и прочности волновой передачи стелами качения электромеханического силового приводалетательного аппарата05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машинДиссертацияна соискание учёной степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор,Самсонович Семён ЛьвовичМосква20142ОглавлениеВведение ........................................................................................................................... 4В.1. Обзор силовых приводов вращательного действия летательных аппаратов .

4В.2. Возможности и проблемы создания высокомоментныхэлектромеханических приводов летательных аппаратов на основе волновыхпередач с телами качения .......................................................................................... 13В.3. Постановка задачи исследования ..................................................................... 141. Разработка методики силового расчёта волновых передач с телами качения сучётом упругости её элементов ................................................................................... 161.1.

Физическое и математическое описание волновой передачи с теламикачения с учётом упругости элементов ................................................................... 161.2. Расчёт волновой передачи на прочность и жёсткость .................................. 311.3. Анализ распределения контактных сил и напряжений в жёстком колесе,диске волнообразователя и сепараторе.................................................................... 531.4. Анализ влияния диаметра передачи, передаточного числа и моментанагрузки на её длину, прочность и жёсткость ........................................................ 581.5.

Разработка методики силового расчёта.......................................................... 701.6. Реализация методики расчёта в виде программы для ЭВМ......................... 752. Исследование влияния конструктивных элементов волновой передачи стелами качения на её прочностные характеристики ................................................. 802.1. Анализ влияния типа тел качения на контактную прочность передачи .....

802.2. Анализ влияния формы гнёзд под ролики на прочность сепаратора .......... 812.3. Анализ влияния количества рядов тел качения на прочностьволнообразователя ..................................................................................................... 912.4. Пути увеличения контактной прочности волновых передач .......................

933. Исследование динамических характеристик электромеханического привода наоснове волновых передач с телами качения ............................................................... 973.1. Построение математической модели привода ................................................. 983.2.

Анализ результатов математического моделирования ................................. 10834. Результаты экспериментальных исследований ................................................. 1264.1. Описание разработанных конструкций исполнительных механизмовпривода элерона и створок грузового отсека ........................................................ 1264.2. Описание испытательных стендов................................................................ 1334.3. Результаты испытаний электромеханического привода элерона .............. 136Общие выводы .............................................................................................................

148Список сокращений и условных обозначений ......................................................... 149Список литературы ..................................................................................................... 1504ВведениеВ.1. Обзор силовых приводов вращательного действиялетательных аппаратовОдним их перспективных направлений развития приводной техники вавиацииявляетсяразработкасиловыхэлектромеханическихприводоввращательного действия, допускающих встраивание исполнительного механизма вопорное устройство объекта управления (ОУ).

Узлами летательных аппаратов(ЛА), требующих наличия силовых приводов, являются аэродинамические органыуправления (руль направления, рули высоты, элероны), механизация крыла(закрылки, предкрылки, интерцепторы, спойлеры, флапероны), створки грузовыхотсеков, механизация шасси. Традиционно в качестве силовых приводов ЛАиспользуютсяэлектрогидравлическиеприводыпоступательногодействия.Использование гидравлических систем на борту самолёта обусловлено хорошейизученностью и проработанностью таких систем, высокой надёжностью, высокойудельной мощностью, хорошей динамикой, большим ресурсом.

К недостаткамгидравлики можно отнести низкий КПД, наличие рычага, преобразующегопоступательное движение гидроцилиндра во вращательное движение ОУ,использование двух видов энергии – гидравлической и электрической, высокуюстоимость изготовления и обслуживания. Во многих случаях требуетсяприменениедешёвых,энергоэффективныхипростыхвуправлениииобслуживании силовых приводов с высокой удельной мощностью, например вбеспилотных летательных аппаратах.

В таких случаях целесообразно использоватьэлектромеханическиеприводы,которыеболеедёшевыотносительноэлектрогидравлических приводов, имеют высокий КПД, используют только одинвид бортовой энергии.Применение редкоземельных материалов в современных бесколлекторныхэлектродвигателях, силовых транзисторов, рассчитанных на большие токи, вусилителях мощности и многопарных механических передач в редукторе5позволило увеличить удельную мощность электромеханических приводов так, чтопо этому параметру они стали близки к электрогидравлическим приводам [1].Электромеханический привод включает в себя блок управления, которыйпреобразует и усиливает управляющий сигнал, и исполнительный механизм (ИМ).ИМ силового электромеханического привода представляет собой агрегат,состоящий из электродвигателя, редуктора и датчика обратной связи.

В ИМ можетвходить как по одному из перечисленных узлов, так и по несколько, в зависимостиот конструктивных решений и выполняемых задач. Выходное звено ИМ можетсовершать вращательное или поступательное движение. В случае вращательногодействия, возможна интеграция всего ИМ в шарнир ОУ, что позволяет уменьшитьзанимаемый приводом объём [2] (см.

рисунок В.1).В работе [1] показано, что передачи с соосным расположением входного ивыходного валов и многопарным зацеплением имеют лучшие массогабаритныепоказатели по сравнению с передачами других типов. Вследствие приведённыхвышедостоинств,разработкасиловыхэлектромеханическихприводоввращательного действия на основе соосных передач с многопарным зацеплениемявляется одним из наиболее актуальных направлений для современногоавиастроения.В летательных аппаратах существуют различные ОУ, требующие разногоподхода к компоновке ИМ привода. ОУ может воспринимать движение от ИМчерез один или несколько узлов крепления.

В случае, когда ОУ являетсядлинномерным, необходимо располагать элементы привода, сообщающиедвижение ОУ, в нескольких местах для обеспечения равномерного распределениянагрузки. Использование нескольких ИМ для управления одной поверхностьюхарактерно в современном авиастроении для рулей направления, рулей высоты,элеронов, створок грузовых отсеков. Если для управления этими органамилетательного аппарата используются приводы поступательного действия, то ИМобычно располагаются поперёк оси вращения ОУ, а для преобразованияпоступательного движения выходного звена во вращательное используется рычаг.6Рисунок В.1. ИМ привода вращательного действия, интегрированный вопору рулевой поверхности.В случае же использования электромеханических приводов вращательногодействия, возможно множество вариантов компоновки ИМ, или использованиеодного ИМ с разнесёнными на некоторое расстояние выходными звеньями иливыходными ступенями редуктора. При этом выходные звенья приводасоединяются непосредственно с управляемой поверхностью.

Рассмотрим основныеварианты компоновки ИМ силового привода.71)ИМ состоит из одного электродвигателя, одноступенчатого редуктораи одного датчика обратной связи, соединённых последовательно (см. рисунки В.2,В.3).Рисунок В.2. Функциональная схема привода с одноступенчатым редуктором.Рисунок В.3. Твердотельная модель привода с одноступенчатым редуктором.В силовых приводах с одноступенчатым редуктором чаще используютсятихоходные моментные двигатели, которые позволяют избежать необходимостиустановки промежуточных ступеней.

Такая компоновка применяется, когда отпривода требуется небольшие развиваемые моменты.82)ИМ состоит из одного электродвигателя, редуктора, состоящего изодной или более промежуточных ступеней, выходной ступени, и датчика обратнойсвязи, соединённых последовательно (см. рисунки В.4, В.5).Рисунок В.4. Функциональная схема привода с двухступенчатым редуктором.Рисунок В.5. Твердотельная модель привода с двухступенчатым редуктором.В силовых приводах, ИМ которых рассчитан на большие моменты,используют две и более ступени в редукторе, при этом двигатель часто выбираютвысокоскоростным для уменьшения его габаритов при той же мощности.93)ИМ состоит из одного электродвигателя, одного промежуточногоредуктора, нескольких выходных редукторов, соединённых с промежуточнымобщим валом, и одного датчика обратной связи (см. рисунки В.6, В.7).Рисунок В.6.

Функциональная схема привода с одним промежуточным и тремявыходными редукторами.Рисунок В.7. Твердотельная модель привода с одним промежуточным и тремявыходными редукторами.Данный ИМ привода используется тогда, когда ОУ является длинномерным,что вызывает необходимость применения нескольких выходных ступеней с общимвходным валом для более равномерного восприятия момента нагрузки.104)Привод включает несколько ИМ, каждый из которых состоит изэлектродвигателя,одноступенчатогоилимногоступенчатогоредуктора,соединённых между собой общим валом, и датчика обратной связи (см.

рисункиВ.8, В.9).Рисунок В.8. Функциональная схема параллельно соединённых двухступенчатыхИМ привода, объединённых общим валом.Рисунок В.9. Твердотельная модель параллельно соединённых двухступенчатыхИМ привода, объединённых общим валом.Несколько ИМ, соединённых общих валом, используются, когда ОУ являетсядлинномерным, на нём возникает значительный момент нагрузки и при этомпредъявляются требования к синхронности поворота выходных ступеней.115)Привод включает несколько ИМ, состоящих из электродвигателя,одноступенчатого или многоступенчатого редуктора и датчика обратной связи,соединённых друг с другом электрически через общую систему управления (см.рисунки В.10, В.11).Рисунок В.10. Функциональная схема привода параллельно соединённыхдвухступенчатых ИМ приводов, работающих на общую нагрузку.Рисунок В.11.