含间隙铰链空气舵传动机构动力学仿真分析

宋春雨　陈誉仁　徐方舟

摘  要：以经典空气舵传动机构为研究对象，基于多体动力学软件Adams建立含间隙铰链传动机构动力学模型，针对不同位置间隙铰链及不同数量间隙铰链开展传动机构动态特性分析，为含间隙铰链空气舵传动机构方案优化及控制策略设计提供理论参考。

关键词：传动机构;间隙铰链;动力学仿真

中图分类号：TH113.1 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0015-03

Abstract： Taking the classical air rudder transmission mechanism as the research object， the dynamic model of the hinge transmission mechanism with clearance is established based on the multi-body dynamics software Adams， and the dynamic characteristics of the transmission mechanism are analyzed according to the different position clearance hinges and different number of clearance hinges， which provides theoretical reference for the scheme optimization and control strategy design of the air rudder transmission mechanism with clearance hinges.

Keywords： transmission mechanism; clearance hinge; dynamic simulation

1 概述

空气舵系统作为飞行器姿控系统的重要组成部分，用于调整和稳定飞行器姿态;而传动机构是空气舵系统的机械传动部分，其主要功能是将伺服作动器的直线（或旋转）运动转换为空气舵的偏摆运动。传动机构作为运动部件，要保证系统运转灵活，运动部位间隙的存在不可避免，同时由于加工误差的存在也会导致间隙的存在。间隙的存在又必然影响着机构系统灵敏性，降低传动精度，使系统相位滞后，尤其在空气舵高频运动时，传动机构中含间隙铰链的轴孔间存在剧烈的碰撞与冲击，产生噪声和振动，导致空气舵系统动态响应品质下降，也会加剧传动机构的磨损与破坏[1-3]。

随着飞行器性能的不断提升，对舵传动机构的要求越来越苛刻，高承载、高刚度及高传动精度是其必备要求，间隙的存在破坏了理想机构模型，导致机构实际运动与理想运动间存在误差，为追求高品质空气舵传动机构性能，开展含间隙机构动力学分析十分必要。本文以某飞行器空气舵传动机构为研究对象，以多体动力学软件Adams为平台建立动力学模型，开展含间隙状态下传动机构运动仿真，为传动机构方案优化及控制策略提供理论参考。

2 空气舵传动机构组成

某空气舵传动机构为经典的曲柄摇杆式构型，主要有直线伺服作动器、摇臂、铰链销轴、舵轴及支座组成，其简化模型如图1所示。摇臂与舵轴固连为一体，舵轴通过轴承安装于飞行器结构上，伺服作动器通过铰链销轴分别与摇臂、飞行器结构连接，当伺服作动器接收到运动指定，作动杆输出线位移带动摇臂及舵面绕轴线偏摆。

3 含间隙机构传动特性分析

3.1 仿真分析模型

在多体动力学软件ADAMS/View中建立某空气舵传动机构简化分析模型[4]，摇臂与舵轴固连并与机架铰接，铰链A、B处分别设置接触力约束，分析模型如图2所示。

為分析在不同位置处含间隙铰链及有不同数量含间隙铰链时传动机构的运动特性，设置4种分析状态，如表1所示，仿真参数如表2所示。

3.2 仿真分析

在表2所示仿真参数条件下完成表1中4种状态空气舵传动机构动力学仿真。

铰链A、B处分别单独设置间隙铰链时与理想零间隙状态时，各舵轴偏转角度如图3、图4所示，含间隙铰链时舵轴偏转角度与理想角度偏差如图5所示。从仿真结果来看铰链A、B处单独含间隙时与理想零间隙时舵轴运动趋势一致且几近重合，但舵轴偏转角度仍存在一定误差，说明在单铰链间隙为0.1mm时对舵轴偏转角度的影响较小;对比在不同铰链处设置间隙时舵轴的偏转角度，虽然铰链间隙值一样但两者所产生的角度误差不一样。

当铰链A、B处均含间隙时，与理想零间隙状态相比，舵轴偏转角度误差如图6所示。两处铰链均存在间隙时，舵轴偏转角度较单个铰链存在间隙时误差更大，但并非两个单独间隙铰链运动误差的简单线性叠加，呈现非线性耦合状态;且无论是存在单个还是多个间隙铰链，在运动初始时刻误差均有一个大的跳跃，这是因为间隙的存在使舵轴运动存在一定滞后。

对铰链A、B处均含间隙时舵轴运动速度进行分析，速度曲线如图7所示，相较于间隙对偏转角度的影响，间隙对速度的影响更直接、更明显，间隙的存在使得铰链处于振动冲击状态，舵轴速度波动幅值较大，呈脉冲式响应。

4 结束语

以某飞行器空气舵传动机构为研究对象，建立了动力学模型，开展了含间隙状态下传动机构运动仿真。当舵传动机构中存在间隙铰链时，机构会产生一定的运动滞后与误差，且不同位置处间隙铰链导致的运动误差效果不一样;当机构存在多处间隙铰链时，运动误差幅值增大，但并非单独间隙铰链运动误差的简单线性叠加，呈明显的非线性耦合;相较于间隙对运动角度的影响，间隙对速度的影响更直接、更明显。

参考文献：

[1]何勇，李冬.含间隙的机构动力学研究进展[J].陕西理工学院学报，2006，22（3）：50-54.

[2]聂青，宋磊，刘爱莲，等.基于Adams的飞行器空气舵传动系统动特性间隙敏感度分析[J].导弹与航天运载技术，2017（5）：58-61.

[3]李云涛.空气舵传动机构动态特性分析及实验研究[D].哈尔滨工业大学，2017：1-3.

[4]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].国防工业出版社，2014：67-93.