一种集成式高精度流量调节机构的设计

李怀兵，刘 鹏，王阿萍，李 琦，聂振金

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

一种集成式高精度流量调节机构的设计

李怀兵，刘 鹏，王阿萍，李 琦，聂振金

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

介绍了一种集成式高精度流量调节机构，针对固体冲压发动机的特殊空间和精度要求，进行了小型化、轻质化设计。将调节机构与控制驱动器进行集成式设计，有效利用空间尺寸；对末级直齿轮进行扇形设计，减小调节机构体积；采用特殊的花键连接和双齿轮消隙结构等连接方式，有效控制调节机构的传动间隙，提高调节机构的传动精度。通过试验验证，该调节机构方案设计合理、可行，并具有较高的传动精度和快速性，可以满足固体冲压发动机特殊空间和高精度的要求。

集成式；高精度；流量调节机构

0 引 言

随着航天飞行器、导弹武器等系统对重量的要求越来越高，固体冲压发动机以其比冲高、体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、储存性好、生产成本低等优点，成为未来航天飞行器等系统的首选动力装置，流量调节是固体冲压发动机的关键技术之一[1～5]。

传统流量调节机构采用步进电机作为动力源，其低频性能差、精度低、体积大，不能满足小型化、高可靠性等要求。

机电伺服式流量调节机构由于其高精度、小型化、高可靠性等优点，适宜应用在发动机流量调节中。本文将调节机构与控制驱动器进行集成式设计，并针对调节机构进行小型化设计，将常规谐波减速器用短杯谐波减速器进行替代，并对直齿轮进行异形扇形设计，有效减小调节机构的体积，以适应发动机的异形空间要求；采用特殊花键连接、增大齿厚的非金属材料的双齿轮消隙结构等连接方式，可有效控制调节机构传动间隙，提高调节机构的运动精度，进一步提高产品性能。

通过理论分析和试验验证，该流量调节机构集成化、小型化设计方案合理、可行，并具有较好的稳定性、快速性和动态特性，能满足发动机对流量调节机构小型化、轻质化、高精度的要求。

1 流量调节机构方案设计

本流量调节机构主要由调节机构和控制驱动器两部分组成。调节机构主要由无刷直流电机、齿轮减速器、谐波减速器、角位移传感器等组成。控制驱动器主要由控制电路、控制软件、外部A/D转换电路、总线通讯专用芯片、复位电路、外部晶振、二次电源变换电路及其滤波电路、功率驱动模块等组成。流量调节结构的组成简图如图1所示[6,7]。

流量调节机构位于燃气发生器的前端，通过花键与流量调节阀连接，因此，流量调节机构需要设计成异形结构以适应发动机的结构。

2 机构设计

2.1 集成一体式设计

针对流量调节机构小型化、轻质化的要求，将调节机构与控制驱动器进行一体式设计，使流量调节机构结构紧凑，减小占用空间尺寸。同时，为了达到输出大负载能力的要求，传动机构选择两级直齿轮前置+谐波减速器+末级异形齿轮传动的大减速比传动方案。末级异形齿轮采用大模数齿轮，用以承载大负载力矩。

控制驱动器根据发动机的外形尺寸，设计成弧形结构，该结构在匹配发动机尺寸的基础上，与伺服机构进行一体式设计，使整体结构紧凑、简单，并利于提高整体可靠性。流量调节机构外形如图2所示。

控制驱动器通过减振组件与调节机构发动机连接，将外部振动、冲击等恶劣环境的影响衰减到可承受范围内；保证在恶劣环境条件下，控制驱动器内部的电子元器件连接可靠，工作正常。

2.2 双齿轮消隙结构设计

为了提高对流量调节机构位置的采集精度，在输出轴和角位移传感器之间增加一级齿轮传动，对输出轴的运动角度进行放大，以提高对输出位置的采集精度。为了消除用来进行角度放大的齿轮传动间隙对输出精度的影响，在输出轴与角位移传感器之间，设计双齿轮消隙结构，将角位移传感器齿轮材料变更为非金属材料，并增大齿轮齿厚。对输出轴角度进行放大的同时，消除齿轮啮合时带来的间隙。

该措施提高了位置检测精度同时减小齿轮啮合间隙对检测精度的影响，可以极大地提高对调节机构输出轴角度采集精度，提高位置控制精度。

2.3 短杯谐波减速器的设计

谐波减速器是利用柔轮、刚轮和波发生器的相对运动，特别是柔轮的可控弹性变形（形状改变）来实现运动和动力的传递。在这3个基本构件中可任意固定一个，其余一个为主动件，一个为从动件。目前中国生产的谐波齿轮传动的柔轮长径比一般为0.8～1.0。谐波减速器轴向尺寸的减小会带来一些问题，柔轮长径比较小的短杯谐波齿轮在波发生器装入柔轮后，短杯柔轮在波发生器长轴方向上较正常柔轮的张角变得更大（见图3）；柔轮所受应力也剧烈增加；同时，随着张角的增大，柔轮轮齿和刚轮轮齿间的啮合面积也将变小，导致谐波减速器承载能力降低。

为解决上述问题，对柔轮轮齿齿形、柔轮筒体壁厚、筒底壁厚、过渡圆半径等进行优化设计，设计出长径比为0.5的短杯谐波齿轮，该短杯谐波齿轮与普通谐波齿轮承载能力几乎一致，应用在流量调节伺服机构中可极大地降低机构的轴向尺寸，如图4所示。

2.4 异形直齿轮设计

根据流量调节伺服机构的输出力矩和输出速度要求，通过理论计算，得出末级齿轮的齿数为 Z1，模数为m，相应的齿轮齿顶圆的直径为D，而根据发动机的空间要求，得出流量调节机构宽度不能超过74 mm。

为满足空间要求，根据流量调节机构的有效工作行程θ，进行异形扇形直齿轮的设计。异形扇形在齿轮结构如图5所示，异形扇形在齿轮的包络角度为θ1，壳体限位空间为θ2（见图6）。扇形齿轮满足输出角度范围要求的同时，减小了流量调节机构的尺寸空间，并且对壳体内部空间进行设计，达到对输出轴最大、最小角度进行机械限位的目的，防止输出轴角度过大或过小时发动机内部压力异常而产生爆炸。异形齿轮在壳体中的安装情况如图6所示。

2.5 可定位的特殊花键设计

发动机燃气发生器内的压力对流量调节机构传动间隙较为敏感，需要控制流量调节机构与外载荷之间的连接间隙；同时，为了传递较大的负载力矩，连接形式需要能够承受足够大的力矩。

综合考虑各种连接方式，由于花键齿数较多，总接触面积较大，可承受较大的载荷，并且较简单的平键连接可有效减小间隙，因此采用花键的连接方式。在流量调节伺服机构输出轴上加工有内花键，在外载荷的滑盘轴上加工有外花键。

为达到输出轴定位和调零的目的，对花键进行特殊设计，设计一个定位基准，将花键中的两个齿合为一个，形成方形键槽，用来进行定位，特殊花键的结构如图5所示；定位和调零过程如图7所示，通过工装保证装配时的初始零位。

3 控制方案

控制算法采用位置闭环+电流限流的控制方案，位置闭环用来进行位置控制，保证位置精度；电流限流对控制驱动器中的母线电流进行控制，避免流量调节机构在工作过程中电流过大损坏控制驱动器内部元器件和在堵转条件下对流量调节机构和发动机进行保护，避免在堵转或者大负载状情况下损坏流量调节机构和发动机。流量调节机构控制方式如图8所示。

控制程序，主要包括：主程序和定时中断程序两部分。主程序主要用来完成对单片机和相关变量的初始化；定时中断程序主要用来完成对角度指令的限幅、角位移传感器模拟量的采集、位置闭环控制和电流限流处理等功能。各程序流程如图9～11所示。

4 试验验证

根据流量调节机构控制方案，搭建流量调节机构的负载测试系统，并建立流量调节机构的系统仿真模型[8]。在最大负载条件（负载为240 N·m）下对流量调节机构的带载能力、快速性、精度进行试验验证和仿真分析，位置特性和阶跃响应曲线分别如图12、图13所示。

通过加载试验验证和仿真分析显示，该流量调节机构的试验验证和仿真分析结果一致性较好，在最大负载下的稳态误差不大于 0.2°，角速度不小于60 (°)/s，满足稳态误差不大于0.4°，角速度不小于20 (°)/s的技术指标要求，具有较高的精度和快速性。

5 结 论

本文为适应发动机特殊的空间尺寸要求和对流量调节机构轻质化、快速性和高精度的要求，将调节机构与控制驱动器进行集成一体式设计，采用短杯谐波减速器、异形直齿轮、双齿轮消隙结构和可定位的特殊花键设计，适应发动机的特殊安装要求，提高流量调节机构的位置精度和带载能力。通过理论分析和试验验证，该流量调节机构可以满足发动机特殊空间安装要求，并满足大负载、快速性、高精度的技术要求。

[1] 何洪庆, 陈旭杨, 孙贵宁, 虞健. 固冲发动机的流量调节技术-流量调节系统设计[J]. 战术导弹技术, 2009(2): 36-40.

[2] 焦继革, 张为华, 夏智勋, 胡建新, 马立坤. 燃气流量可调固体火箭冲压发动机飞行性能分析[J]. 国防科技大学学报, 2011, 33(1): 21-24.

[3] 马立坤. 燃气流量可调固体火箭冲压发动机动态响应过程研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2011.

[4] 孙海刚, 王希亮. 针阀流量调节装置对固冲发动机性能影响的数值研究[J]. 航空科学技术, 2011(3): 52-54.

[5] 兰飞强, 王丽娟, 程翔, 智博. 一种固冲发动机用流量调节装置设计[J].弹箭与制导学报, 2012, 32(3): 148-150.

[6] 黄玉平，李建明，朱成林等. 航天机电伺服系统[M]. 北京：中国电力出版社, 2013.

[7] 李志, 齐蓉, 戴志勇. 一控四电动舵机控制器设计[J]. 微电机, 2013,46(4): 49-52.

[8] 张元. 基于 DSP的小型电动舵机伺服控制系统研究[D]. 江苏: 南京理工大学, 2011.

Design of Integrated and High Precision Flow Regulation Mechanism

Li Huai-bing, Liu Peng, Wang A-ping, Li Qi, Nie Zhen-jin
(Beijing Research Institute of Precise Mechatronic and Controls, Beijing, 100076)

An integrated and high precision flow regulation mechanism is introduced. For the special space and high precision requirement of the solid ramjet, a miniaturization and light-weight flow regulation mechanism is designed. The electronic control driver are integrated into the regulation mechanism, effectively accommodating the installed space. To reduce the volume, the final straight gear is designed to be fan-shaped. By using the special spline connection and double-gear eliminating backlash structure,transmission clearances are well controlled and the transmission accuracy improved. The experimental result shows that the design is reasonable and feasible, having high transmission accuracy and speed and meeting the requirements.

Integrated; High precision; Flow regulation mechanism

V435

A

1004-7182(2017)05-0067-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170516

2016-12-15；

2017-02-05

李怀兵（1985-），男，工程师，主要研究方向为机电伺服系统