集成式起落架收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

□ 周珍明 □ 龍榮利 □ 唐 超 □ 蔡大靜

1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司 貴陽 550081 2.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心 貴陽 550081

1 設(shè)計(jì)背景

隨著飛機(jī)裝備多電化、全電化發(fā)展,集成式電動(dòng)機(jī)構(gòu)的需求迫在眉睫。目前,飛機(jī)起落架基本采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行收放。液壓系統(tǒng)存在一些固有缺點(diǎn),如功耗高、效率低、系統(tǒng)復(fù)雜、故障定位和維護(hù)困難等。電動(dòng)化能夠從根本上解決液壓系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)。因此,筆者設(shè)計(jì)了一種集成式起落架收放電動(dòng)機(jī)構(gòu),通過對電動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析、有限元靜力學(xué)分析,優(yōu)化電動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),使電動(dòng)機(jī)構(gòu)合理可靠,滿足系統(tǒng)使用要求。

2 整體方案

根據(jù)某型飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)的使用需求,設(shè)定集成式起落架收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要指標(biāo)要求,額定輸出扭矩不低于28 N·m,額定載荷轉(zhuǎn)速不低于180 r/min,軸向力為20 000 N,質(zhì)量不大于9 kg。

收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),可以采用電機(jī)直驅(qū)方式或進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)直驅(qū)方式的輸出精度高,無回程間隙,結(jié)構(gòu)簡單。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式引入中間傳動(dòng)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),與電機(jī)直驅(qū)方式相比,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,但由于增大了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比,使電機(jī)本體的輸出力矩減小,大大減小了電機(jī)本體的體積。

收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)要求是輸出負(fù)載大、轉(zhuǎn)速低,經(jīng)分析,需要采用進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)。

常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī),幾種電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)。從收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)體積、效率、額定負(fù)載、速度等方面進(jìn)行綜合考慮,加之系統(tǒng)要求電氣雙余度,由此選用雙余度無刷直流電機(jī)。

考慮收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速、效率、工作時(shí)間等要求,選用兩級NGW型行星減速傳動(dòng)為減速機(jī)構(gòu)的傳遞形式,總傳動(dòng)比初定為31,形成兩級行星減速機(jī)構(gòu)與雙余度無刷直流電機(jī)集成。收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 原理

結(jié)合電機(jī)性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸及傳動(dòng)比要求,綜合考慮選用兩級行星減速機(jī)構(gòu)與雙余度無刷直流電機(jī)集成化的方案。由雙余度電機(jī)輸出高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩,通過兩級行星減速后,由輸出軸輸出低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)力。收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理如圖2所示。

▲圖2 收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理

4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由雙余度無刷直流電機(jī)、行星架、行星輪組件、殼體組件、軸承等組成,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)輸出力矩、輸出轉(zhuǎn)速等要求,結(jié)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中齒輪和軸承等的傳動(dòng)效率、整體結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)比,計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要提供的輸出功率和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。驅(qū)動(dòng)電機(jī)短時(shí)工作,單次連續(xù)工作時(shí)間不短于3 h。

考慮到各級傳動(dòng)的承載情況及體積,以各級傳動(dòng)等強(qiáng)度和獲得最小外廓尺寸為原則,設(shè)定兩級行星傳動(dòng)減速比分別為8.1、3.9,總傳動(dòng)比為31.6。

查機(jī)械手冊選取三個(gè)行星輪,以電機(jī)輸出端行星減速為第一級進(jìn)行計(jì)算。

收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)為短時(shí)大負(fù)載工作制,因齒輪彎曲折斷的隱患遠(yuǎn)高于疲勞磨損,故按齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

(1)

式中:m為齒輪模數(shù);K為接觸強(qiáng)度使用的綜合因數(shù),K=1.3;T為太陽輪傳遞力矩,與電機(jī)輸出額定力矩相等,T=1.2 N·m;φd為齒寬因數(shù),φd=0.6;Z為齒數(shù);YFS為復(fù)合齒形因數(shù),YFS=4.51;σFP為許用彎曲應(yīng)力。

σFP=σFlimYSTYN/SFmin

(2)

式中:σFlim為齒輪齒根彎曲疲勞極限,σFlim=530 MPa;SFmin為彎曲強(qiáng)度最小安全因數(shù),SFmin=1.4;YST為齒輪應(yīng)力修正因數(shù),YST=2;YN為彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算壽命因數(shù),YN=1.2。

將參數(shù)代入式(1),得第一級齒輪的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m1為0.447 mm。

結(jié)合產(chǎn)品尺寸,取第一級齒輪的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m1為0.8 mm。

同理計(jì)算第二級齒輪參數(shù)。經(jīng)過計(jì)算分析,兩級行星減速齒輪參數(shù)見表2、表3。

表2 第一級行星傳動(dòng)齒輪參數(shù)

表3 第二級行星傳動(dòng)齒輪參數(shù)

6 有限元仿真分析

6.1 結(jié)構(gòu)件

將收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件,對幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何清理。為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量,保證有限元仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,將次要特征去除后對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)構(gòu)件材料均為合金結(jié)構(gòu)鋼,彈性模量為206 GPa,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3,采用六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格單元大小為3 mm。結(jié)合其它參數(shù)控制,合理利用軟件的自動(dòng)劃分功能,結(jié)合手工調(diào)整、修改,確保生成合理的網(wǎng)格單元。根據(jù)機(jī)構(gòu)的具體使用環(huán)境施加20 000 N軸向力。結(jié)構(gòu)件有限元分析模型如圖4所示。

▲圖4 結(jié)構(gòu)件有限元分析模型

結(jié)構(gòu)件等效應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可以看出,最大等效應(yīng)力為543.53 MPa,結(jié)構(gòu)件材料屈服強(qiáng)度為930 MPa,材料屈服強(qiáng)度大于最大等效應(yīng)力,因此結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

▲圖5 結(jié)構(gòu)件等效應(yīng)力云圖

6.2 減速機(jī)構(gòu)

行星架和齒輪材料均選用40CrNiMoA,彈性模量為207 GPa,密度為7 870 kg/m3,泊松比為0.254,采用六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格單元大小為3 mm。與結(jié)構(gòu)件模型類似進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到減速機(jī)構(gòu)的有限元分析模型,如圖6所示。

在輸出端施加額定力矩28 N·m,輸出端行星架及行星輪等效應(yīng)力云圖分別如圖7、圖8所示。行星架最大等效應(yīng)力為266.84 MPa,行星輪最大等效應(yīng)力為852.14 MPa。行星架和行星輪均選用40CrNiMoA材料,材料的強(qiáng)度極限為1 080 MPa,屈服極限為930 MPa。行星架和行星輪最大等效應(yīng)力均小于材料屈服極限,因此行星架和行星輪的強(qiáng)度滿足使用要求。

▲圖6 減速機(jī)構(gòu)有限元分析模型

▲圖7 行星架等效應(yīng)力云圖▲圖8 行星輪等效應(yīng)力云圖

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種集成式起落架收放電動(dòng)機(jī)構(gòu),可以取代液壓收放系統(tǒng),避免功耗高、效率低、系統(tǒng)復(fù)雜、故障定位和維護(hù)困難等缺點(diǎn)。通過收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)方案選型設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析,確認(rèn)滿足系統(tǒng)使用需求,為起落架收放系統(tǒng)電動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。