双自由度舵机传动机构运动学仿真

王 中, 张雄科, 范 辉, 杨贺然, 王俊昌, 汤伟江

双自由度舵机传动机构运动学仿真

王 中, 张雄科*, 范 辉, 杨贺然, 王俊昌, 汤伟江

(中国船舶集团有限公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

超高速水下航行器在航行过程中工况复杂, 速度跨度大, 舵效变化大, 常规舵机无法满足操舵要求, 而双自由度舵机可以改善操舵性能。文章以该舵机的传动机构作为研究对象, 利用UG软件建立三维实体模型, 并将其导入到ADAMS软件建立基于多体接触理论的机械仿真模型, 仿真得到各级齿轮转速与啮合力。仿真结果表明转速相对误差小于1%, 啮合力相对误差小于6%, 验证了仿真模型的正确性。仿真结果可为传动机构的优化设计提供参考。

超高速水下航行器; 双自由度舵机; 运动学仿真

0 引言

超高速水下航行器利用超空泡技术具有的优良减阻特性, 实现了超高速航行。与常规水下航行器相比, 空泡与航行器之间的非线性作用, 舵板沾湿面积情况的复杂化[1-2]以及航行器从出管到命中目标所经历的全沾湿、局部空泡到超空泡的变化过程[3], 都要求航行器具有性能良好的舵机伺服系统, 以实现稳定控制[4]。

常规舵机舵面处于全沾湿状态, 当航速跨度大时, 舵效变化也大, 舵机伺服系统无法达到操舵要求, 而双自由度舵机伺服系统不仅可以控制舵面偏转改变舵角, 还能通过减小舵面的沾湿面积改变舵效, 满足超高速航行器的控制要求。执行机构是舵机伺服系统中的关键机构, 传动性能影响着整个系统的操舵性能。为了验证执行机构的传动性能, 文中建立了该机构的运动学仿真模型, 通过仿真分析, 验证多级齿轮传动结构的合理性, 为结构的优化设计提供依据。

1 双自由度舵机传动机构

1.1 总体结构

舵机执行机构布置在航行器尾端, 受限于整体设计, 旋转机构的减速箱安装在支架中, 通过输出轴旋转带动舵面偏转, 支架固定安装在壳体上, 而展开机构中电机、制动器以及减速箱都与支架侧面固定连接。展开机构通过2个半轴带动旋转机构与舵板做靠近或远离壳体的展开运动。总体结构装配图如图1所示。

图1 总体结构装配图

1.2 旋转机构

旋转机构由电机、减速器以及电位计组成, 采用了9级齿轮减速机构, 减速比为803。为了节约空间并增大传动比, 对各级齿轮进行了齿形变位[5]。在齿轮组的传动过程中, 除了第1级齿轮外, 其他齿轮都安装在齿轮轴上实现独立传动。传动简图与装配图如图2和图3所示。

图2 旋转机构传动简图

图3 旋转机构装配图

1.3 展开机构

展开机构通过2个短轴带动旋转机构和舵板一起做展开运动, 改变舵板沾湿面积, 由电机、减速器、电位计以及制动器组成, 减速器采用7级齿轮传动, 传动比为117.9。传动中齿轮为标准圆柱齿轮, 为了节省空间并增大传动比, 在减速器的第4、5轴(销轴)上安装第4、第5和第6级齿轮传动, 齿轮与销轴之间通过轴套连接。传动简图及装配图如图4和图5所示。

图4 展开机构传动简图

图5 展开机构装配图

2 传动机构运动学建模

利用ADAMS软件分别建立旋转机构和展开机构运动学模型, 进行仿真分析得到各级齿轮副的转速和齿轮啮合力, 通过与理论计算值对比, 验证传动机构的设计合理性。

2.1 数据转换与载荷添加

将UG中建立的三维实体模型保存为Para- solid格式的文件, 在ADAMS中建立运动学仿真模型, 设置单位并编辑零件属性[6]。

仿真基于赫兹接触理论的冲击函数(Impact)计算轮齿啮合的法向接触力。其函数表达式为

ADAMS采用库伦-摩擦方法计算齿轮啮合的切向力, 各系数计算公式为

2.2 约束与驱动添加

机构中各个部件之间通过约束限制相对运动。在各级齿轮上施加旋转副约束; 齿轮与齿轮轴之间施加固定副; 齿轮副之间施加实体碰撞力; 输入轴上施加转速驱动; 输出轴上施加负载转矩以模拟系统负载。

为模拟电机启动时的实际特点, 保证启动仿真时转速不发生突变, 采用阶跃函数step添加转速驱动。旋转机构中, 转速在0.15 s内从0增加到48 600 (°)/s, 即step(time, 0, 0, 0.15, 48 600), 设置仿真步长为0.001 s, 在输出轴上施加负载转矩27294 N·mm。展开机构中使转速在0.15 s内从0增加到81000 (°)/s, 即step(time, 0, 0, 0.15, 81 000), 仿真步长设置为0.001 s, 在输出轴上施加负载转矩16291 N·mm。

3 仿真分析

3.1 转速分析

旋转机构中典型齿轮转速仿真结果如图6所示, 展开机构中齿轮转速仿真结果如图7所示。

图6 旋转机构各轴转速仿真曲线

图7 展开机构各轴转速仿真曲线

图中, 轴转速为正代表转动方向为顺时针,轴转速为负代表转动方向为逆时针, 两机构各齿轮转向满足外齿轮啮合关系。将转速仿真值与理论值进行比较, 统计结果如表1和表2所示。

两机构转动0.15 s之后, 各级齿轮转速在平均值附近周期性波动, 这是齿轮传动过程中啮合刚度的周期性变化造成的, 齿轮在啮入和啮出时会发生刚度冲击。机构转速较大, 造成了转速波动较大, 也体现了齿轮传动的动力学特性。

表1 旋转机构各轴转速对比

表2 展开机构各轴转速对比

对比理论计算值与仿真值, 两机构中各轴转速相对误差均小于1%。

3.2 啮合力分析

旋转机构和展开机构第7级齿轮啮合力仿真结果如图8和图9所示。

由下式计算得出各传动轴上的转矩

再根据直齿圆柱齿轮的受力情况[9-10], 得

旋转机构中驱动电机的额定功率0.055 kW, 额定转速8100 r/min, 展开电机额定功率0.7 kW, 额定转速13500 r/min, 两机构中齿轮的制造精度均为6级, 每一级传动效率为98%, 根据齿轮参数与相关数据计算得到各传动齿轮啮合力理论值,与仿真计算值对比结果如表3和表4所示。

图8 旋转机构第7级齿轮啮合力

图9 展开机构第7级齿轮啮合力

表 3 旋转机构齿轮啮合力仿真值与理论值对比

表 4 展开机构齿轮啮合力仿真值与理论值对比

在仿真中根据Herz理论计算啮合力时, 接触参数是不断变化的, 而仿真时将各参数均赋予了常值, 同时三维模型从UG导入到ADAMS时, 显示的齿廓会发生细微变化, 所以两机构齿轮啮合力的理论值与仿真值存在一定偏差, 但偏差较为合理, 旋转机构中相对误差小于6%, 展开机构中相对误差均小于4%。

4 结束语

文章提出了一种适用于超高速水下航行器的双自由度舵机执行机构, 建立了该机构三维实体模型和仿真模型, 得到齿轮转速与啮合力。仿真结果表明, 各齿轮轴转速的相对误差小于1%, 齿轮啮合力的相对误差小于6%, 验证了仿真模型的正确性, 仿真结果为机构的优化设计提供了参考依据。超高速水下航行器在加速段时舵面受瞬态冲击载荷, 后续可对旋转与展开机构最后一级齿轮副、输出轴以及齿轮箱进行瞬态动力学分析, 校核该机构在冲击载荷下的强度。

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Kinematics Simulation of Transmission Mechanism of Double DOF Steering Gear

WANG Zhong, ZHANG Xiong-ke*, FAN Hui, YANG He-ran, WANG Jun-chang, TANG Wei-jiang

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

The working conditions of ultra-high-speed undersea vehicles become complicated during navigation, when the speed span is large and the steering changes significantly. Conventional steering gear cannot meet steering requirements, whereas a double-degree-of-freedom steering gear can improve the steering performance. This study considers the transmission mechanism of a steering gear as a research object. Specifically, the study uses UG software to establish a three-dimensional solid model and then imports it into ADAMS software to establish a mechanical simulation model based on the multi-body contact theory. A simulation is then conducted to obtain the gear speed and meshing force. Simulation results show that the relative errors of speed and meshing force are less than 1% and less than 6%, respectively, and the accuracy of the simulation model is verified. The simulation results provide a reference for design optimization of transmission mechanisms.

ultra-high-speed undersea vehicle; double-degree-of-freedomsteering gear; kinematic simulation

TJ630.2; TH132.4

A

2096-3920(2021)01-0124-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.017

王中, 张雄科, 范辉, 等. 双自由度舵机传动机构运动学仿真[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(1): 124-128.

2020-09-02;

2020-12-16.

张雄科(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下航行器制导技术.

(责任编辑: 许 妍)