一種用于電控瞄準儀微動驅動的離合裝置探析

王超，周如鍇，陳為，任建國

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100000）

1 前言

電控瞄準儀用于為運載火箭提供射前初始方位角。為滿足某型號瞄準系統(tǒng)需求，電控瞄準儀方位微動、俯仰微動需要具有電動和手動兩種驅動模式。這兩種操作模式能實現迅速切換，而且不能對方位角和俯仰角造成干擾。為此需要一種小體積的切換機構實現切換動作，要求操作簡單性能可靠。

2 機構設計

電控瞄準儀方位、俯仰驅動機構設計綜合考慮瞄準系統(tǒng)需求，取消了微動和制緊機構，增加了電驅動微動機構，并集成了手動微動功能。利用摩擦制動技術，分離了微動和大角度轉動，滿足大角度方位、俯仰轉動的快速性要求。

2.1 組成結構

驅動機構由驅動電機、減速齒輪、斜齒輪-蝸桿、手動-電動切換機構組成。斜齒輪與豎軸系同軸定位，通過簧片產生的徑向壓緊力抱緊豎軸系。驅動電機、減速齒輪、蝸桿、手動-電動切換機構固定在儀器身架上。驅動電機經過減速齒輪由蝸桿驅動斜齒輪旋轉，斜齒輪通過簧片徑向壓緊力產生的摩擦力驅動豎軸系旋轉，從而實現儀器電動方位微動。當儀器需要大角度方位轉動時，可以直接轉動身架，克服簧片徑向壓緊力產生的摩擦力實現大角度方位轉動。當需要手動微動時，通過手動-電動切換機構切換到手動方式，旋轉微動手輪通過摩擦輪驅動蝸桿實現手動微動。切換機構具有限位保護功能，可以防止電動工作狀態(tài)下手動微動手輪連帶轉動。

圖1、圖2為本微動驅動的離合裝置的結構示意圖。圖1為于手動驅動模式，圖2為電動驅動模式。

圖1 瞄準儀微動驅動離合裝置手動驅動模式

圖2 瞄準儀微動驅動離合裝置電動驅動模式

基座固定于電控瞄準儀機殼內，電機和蝸桿分別固定于基座上，蝸桿的一端通過一傳動裝置連接于所述電機，摩擦輪設置于蝸桿的另一端。固定套固定于電控瞄準儀機殼上，撥輪有一中心孔，其一端設置于固定套，且撥輪的外表面與固定套的內孔壁設有相配的定位結構。導套與固定套固定連接，導套的一端位于固定套內并與所述撥輪相抵，導套與撥輪相抵的端面分別設有平面部和角度相同的斜面部，即如圖所示的撥輪斜面、撥輪平面、導套平面、導套斜面，通過調整撥輪使導套與撥輪不同面的接觸達到離合裝置不同的驅動模式。撥輪斜面導套斜面為角度相同的斜面，較佳的可以選擇40～50°。

摩擦桿貫穿撥輪及導套，摩擦桿與導套之間設有一彈性機構，彈性機構產生的彈力使摩擦桿的頭部與摩擦輪結合，固定套的設置位置應該滿足，手動位置時，摩擦桿的頭部向導套外部延伸并能夠與摩擦輪結合。手輪固設于摩擦桿的尾部，轉動手輪可以驅動摩擦桿轉動。

手動驅動方式工作時，電機斷電停止轉動。轉動撥輪2至“手動”位置，如圖3所示，撥輪斜面與導套斜面接觸，摩擦桿沿導套向右伸出，在彈性機構的作用下摩擦桿的頭部與摩擦輪結合，轉動手輪驅動蝸桿旋轉實現手動驅動微動工作。

圖3 離合裝置側向視圖

電動驅動方式工作時，轉動撥輪2至“電動”位置，撥輪平面與導套平面接觸，摩擦桿沿導套向左收回與摩擦輪脫開，電機轉動通過大小齒輪傳動帶動蝸桿旋轉，從而實現電動驅動微動工作。

2.2 定位結構

定位結構可以提供多種實施方式，本離合裝置采取的實施方式為：固定套的內孔壁上設有兩個沿軸向的V型槽，如圖4所示，撥輪沿徑向設有凹槽，于凹槽中設置限位彈簧及限位鋼珠，撥輪轉動到相應位置時，限位鋼珠在限位彈簧的作用下進入V型槽而使撥輪可靠定位。

圖4 固定套結構示意圖

定位結構也可以將V型槽設于撥輪上，將凹槽、限位彈簧及限位鋼珠設于固定套的內孔壁上，同樣，撥輪轉動到相應位置時，限位鋼珠在限位彈簧的作用下進入V型槽而使撥輪可靠定位。

2.3 彈性機構

彈性機構可以有多種實施方式，本離合裝置以如圖所示的具體結構為較佳實施方式。導套的內徑與摩擦輪的外徑相對位置，分別通過變截面而形成一容置空間，將容置空間內設置一壓力彈簧。當轉動撥輪使撥輪斜面與導套斜面接觸時，摩擦桿沿導套向右伸出，在壓力彈簧的作用下摩擦桿的頭部與摩擦輪結合。

3 設計計算

3.1 電動驅動

電控瞄準儀的電動驅動功能用來跟蹤運載火箭箭體移動。箭體高53456mm，呈倒圓錐狀擺動，擺幅為±106mm，頻率0.35Hz，因此，周期T按3秒估算。

為簡化計算，將箭體擺動簡化為單擺運動，單擺在最高點時加速度最大，此時擺角θ=arctan（106/53456）=0.114°，其角加速度α為：

電控瞄準儀豎軸回轉部分假定嚴格配平，重心在回轉軸上，此時可將豎軸回轉部分簡化為圓柱體來計算其以豎軸軸線為回轉中心的轉動慣量J：

式中,K為系數；m為豎軸回轉部分質量,kg；D為豎軸回轉部分計算直徑，m.

所以，J=KmD2/4=0.15×15×0.182=0.073kgm2。

電控瞄準儀方位轉動速度按30°/s計算，1秒鐘實現0～30°/s的加速過程，即角加速度α=300/s2=0.52弧度/s2，滿足跟蹤要求，因此按0.52弧度/s2計算瞄準儀豎軸回轉部分的慣性力矩M1：

電控瞄準儀主機身架回轉有害力矩為78～88mN·m，以經驗對比確定電控瞄準儀回轉有害力矩為100mN·m；所以，方位轉動總負載力矩為100+38=138mN·m。

蝸桿蝸輪的傳動效率η=0.7，大小齒輪減速比為3.07，蝸輪蝸桿減速比為800，則需要的電機最小驅動力矩應為：

考慮到低溫工況，驅動力矩要大于計算值的5倍，故電機扭矩不應小于0.08×5=0.4mN·m。

選擇驅動電機為MAXON公司EC-max16無刷直流電機，空載轉速13000rpm，額定轉速5540rpm，最大連續(xù)轉矩3.46mN·m，轉矩滿足要求。

由于方位轉動總負載力矩遠小于驅動電機額定轉矩，電機在接近空載狀態(tài)下運轉，根據電機輸出力矩—轉速圖表確定電機工作轉速為8000rpm。

方位驅動機構總傳動比i=800×3.07=2456，電機輸出軸旋轉1°對應斜齒輪（即豎軸）轉動角度為：

所以，瞄準儀方位轉動速度為：

3.2 手動驅動

摩擦輪產生的摩擦力矩應大于總負載力矩，同時手動切換時不感覺費力?？傌撦d力矩為138mN·m，蝸桿-斜齒輪的傳動效率η=0.7，需要摩擦輪提供的最小力矩應為：

138/i/η=138/2456/0.7=0.08mN·m。

考慮到低溫工況，驅動力矩要大于計算值的5倍，故摩擦力矩不應小于0.08×5=0.4mN·m。考慮轉動手輪時有一定阻尼比較舒服，確定摩擦輪提供的力矩為4.9mN·m（50g·cm）。

圖5中，Q1為驅動輪彈簧施加的預緊力，N；

圖5 摩擦力示意圖

R被動輪球面半徑，m；

Q兩輪之間的法向壓緊力，N；

摩擦輪產生的力矩M3；

式中，M3=4.9×10N?m；

所以，當驅動輪彈簧施加0.55N的軸向力時就可以實現手動方位微動。

4 結語

該離合裝置實現了電控瞄準儀的手動、電動兩種微動模式的切換，具有體積小、操作方便、切換速度快等特點，不增加附加力矩，對方位角和俯仰角無干擾，同時具有限位保護功能，保證切換動作可靠，滿足了瞄準系統(tǒng)對電控瞄準儀的需求。