一种小型导引头的精密钢丝绳传动设计

时光煜，史光普，张 虎，郭营锋，池 冰

（1.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009；2.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

0 引言

进入21 世纪以来，以俄乌战争和亚阿冲突为代表的局部战争与冲突不断，其中小口径的单兵便携式导弹对战争走向发挥着重要作用［1］。为了提高制导精度，现代的单兵便携式导弹大多配备有导引头，因此，结构紧凑、成本低廉的光电导引头具有广泛的应用需求［2-3］。

单兵便携式导弹具有重量轻、直径小（一般72 mm～127 mm 之间）、携行方便的特点，要求导引头在满足尺寸小、重量轻等约束的前提下，尽可能地增大光学口径以提高作用距离。为了能够进一步突破导引头的作用距离，需要研究精密的间接传动方式。

通过比较连杆传动、齿轮传动、钢丝绳传动等间接传动的技术特点，创新性地设计了一种带有张紧轮和末端弹簧的精密钢丝绳传动结构，显著增大了导引头的负载空间，同时有效抵消了钢丝绳在高低温情况下的伸缩量，从而消减了传动空回、提高了控制精度和系统稳定性，满足了小型导引头的技术需求。经过理论计算、结构有限元建模和钢丝绳伸缩量仿真分析，证明了该结构设计的合理性。最后，投产了导引头样机，实际测试了导引头的动态性能，证明能够满足导引头的相关技术指标。

1 精密间接传动技术

1.1 连杆传动结构

连杆传动结构形式如图1 所示，由一组连杆组成平行四边形机构并与探测跟踪装置相连接，通过电机驱动平行四边形机构实现探测跟踪装置的方位、俯仰运动。连杆传动技术可以将驱动电机和测角器件后置，从而可以节省较大的空间。但由于结构上的限制，连杆传动机构的转动角度范围相对较小、传动效率也较低，限制了它的应用范围［4］。

图1 连杆传动结构形式Fig.1 The driving structure of the connecting rod

1.2 齿轮传动结构

齿轮传动结构如图2 所示。外框架设计成圆弧结构，使用4 个滚轮支撑住圆弧框架结构。固定的滚轮约束了圆弧框架的运动轨迹，使外框架只能围绕旋转中心运动。

图2 齿轮传动结构形式Fig.2 The driving structure of gears

齿轮传动技术的优点是可以获得较大的容纳空间和框架角范围，但是在齿轮加工、结构装配、使用磨损等环节会不可避免地引入齿轮传动间隙、传动空回，导致伺服控制系统的精度下降。因此，齿轮传动技术不适用于角度分辨率较高的光学导引头［5］。

1.3 钢丝绳传动结构

从文献［6-8］可知，钢丝绳传动是一种柔性的精密驱动方式，这种传动方式的结构相对简单、使用灵活，能够实现高精度、高刚性、高效率的传动，并具有成本低，质量轻等特点，特别适合于小直径导引头的传动机构。

图3 钢丝绳传动结构形式Fig.3 The driving structure of wire ropes

2 导引头钢丝绳传动系统设计

2.1 钢丝绳传动设计及受力分析

考虑到导引头的结构紧凑及预紧方式的特点，钢丝绳传动系统的设计一端使用螺钉固定，中段设置两个张紧轮进行预紧，末端采用弹簧自适应调节钢丝绳的松紧，消除钢丝绳高低温造成的松弛。

钢丝绳传动系统如图4 所示。为了易于伺服控制，设置主动轮、从动轮的传动比为1∶1，钢丝绳总长为230 mm。

图4 导引头钢丝绳传动设计图Fig.4 The driving design figure of wire ropes of the seeker

对钢丝绳传动系统进行受力分析，设电机输出力为FD，钢丝绳1 张紧力为F1，钢丝绳2 的张紧力为F2，弹簧拉力为FS。

1）当电机输出力FD=0 时，电机折算到驱动轮上的输出力为0，此时钢丝绳1 张紧力F1、钢丝绳2张紧力F2和末端弹簧的预紧力相等，有式（1）成立；

因此，设计的两个张紧轮和末端弹簧具有自调节功能，能够保证钢丝绳始终张紧，减少空回。

2.2 钢丝绳的选取

如图5 所示，钢丝绳的捻制方式分为同向捻、交互捻等。由于钢丝绳的形成结构特殊，决定了其力学与机械特性、单一的实体材料不同。即使捻制钢丝的材料性质完全相同，但钢丝绳的破断拉力、弹性模量和抗拉强度等机械性能与钢丝绳的结构、长度、绳芯、捻制方法及拉力因素等密切相关［9-10］。

图5 钢丝绳的捻制形成结构Fig.5 The formation structure of twisting of wire ropes

本设计中选用的微型钢丝绳的结构为7×7（第1 个7 表示7 股/绳，第2 个7 表示7 根丝/股），直径D=0.6 mm，丝径d=0.04 mm，最大承重215 N，能够满足传动系统的设计需求。

2.3 末端弹簧的设计

由钢丝绳传动的受力分析可知，在设计末端弹簧时应注意以下两点：

1）在钢丝最松弛状态时，弹簧回缩直到钢丝再度张紧，张紧力与弹簧拉力达到新的平衡，此时的弹簧拉力最小，设计时应确保此最小拉力大于电机工作时的最大输出力（折算值）；

2）在钢丝最大热胀绷紧时，弹簧进一步拉伸，此时达到最大拉力，设计时应确保弹簧在此状态下不被破坏。

在导引头的使用中，电机的输出力P1折算到驱动轮上约为0.12 N，考虑到内部空间的限制，末端弹簧的设计值为中径4.0 mm、簧丝直径0.6 mm，弹簧刚度K 按照经验值取8，其工作极限载荷Pj为15.9 N。考虑一定的安全余量后，该弹簧的使用载荷Pn为不超过12.72 N。弹簧的最大变形量设计值为1.57 mm，计算过程参见式（4）。

3 仿真分析

3.1 温度变化对钢丝绳传动系统的影响

环境温度的变化会导致材料热胀冷缩，钢丝绳的长度发生改变。温度变化所造成钢丝绳长度的变化量由式（5）可得：

其中，ΔL 是钢丝绳在温度由T0变化至T1后的长度变化量，也是引起系统空回的主要原因；L 是钢丝绳的总长度，本设计中钢丝绳总长度为230 mm；C1、C2分别为安装法兰盘（材料为铝）、钢丝绳的热膨胀系数，钢丝绳以及钢丝绳法兰盘的材料属性如表1 所示。

表1 材料属性表Table 1 The attribute table of material properties

由于导引头工作时机电元器件会发热，因此，真实的工作条件需要在原有的高低温条件的基础上叠加热仿真分析计算出的相关温升，具体仿真分析条件如表2 所示。

表2 导引头钢丝绳伸缩量热仿真分析条件Table 2 Thermal simulation analysis conditions of expansion of wire ropes of the seeker

将表1、表2 的相关参数代入式（5），可以计算得到钢丝绳在自由释放状态下，高温条件下的理论形变量为0.102 8 mm（膨胀），低温条件下的理论形变量为-0.125 8 mm（收缩）。

3.2 有限元建模仿真

针对高低温情况下钢丝绳热胀冷缩伸缩量的仿真需求，建立导引头钢丝绳传动系统的仿真模型。由于产品部件结构不规则，所以采用四面体网格进行建模。钢丝绳为多股捻制的柔性实心体，线径0.6 mm，建模的时候需要对钢丝绳网格进行特殊加密处理，并与转轴进行网格面对面匹配设置。网格划分结果如图6 所示。

图6 有限元网格划分图Fig.6 The finite element grid division figure

经过有限元仿真计算，在高温条件下钢丝绳的伸长量为0.036 5 mm，钢丝绳的形变云图如图7所示。

图7 高温条件下钢丝绳形变云图Fig.7 The deformation nephogram of the wire rope at high temperature

在低温条件下，钢丝绳的收缩量为0.044 6 mm，钢丝绳的形变云图如图8 所示。

图8 低温条件下钢丝绳形变云图Fig.8 The deformation nephogram of the wire rope at low temperature

3.3 仿真结果分析

由上文可知，式（5）的理论计算结果和有限元仿真分析结果存在差异。

分析其原因，式（5）的理论计算结果是钢丝绳在自由释放状态下的热胀冷缩量值，但实际上钢丝绳还受到法兰盘的约束，因此，钢丝绳在高低温条件下的伸缩量还会受到法兰盘热胀冷缩的影响。钢丝绳法兰盘的热膨胀系数是钢丝绳热膨胀系数的2倍左右，钢丝绳的伸缩量与法兰盘形变量叠加之后的结果才是最终的形变量，会与式（5）的理论计算值存在微小的偏差。

综上，应该以有限元仿真计算的结果为主要依据。即在表2 所示的工作温度环境中，高温条件钢丝绳的伸长量为0.036 5 mm，低温条件钢丝绳的收缩量为0.044 6 mm，远小于式（4）所示的末端弹簧的调整量1.57 mm，满足系统的设计要求。

4 试验验证

导引头采用精密钢丝绳传动设计，有效扩大了光学口径。导引头先后经过高低温试验、摇摆台试验、快速观察台试验等，证明了在高低温下导引头的工作状态良好，在常温下的动态性能测试指标良好。

表3 导引头试验结果Table 3 The test results of the seeker

由以上结果可知，钢丝绳传动在导引头的试验测试中性能良好，满足使用要求。

5 结论

钢丝绳传动是一种高效、轻质、简洁的传动方式，以一种采用钢丝绳精密传动的小型导引头设计为背景，分析了钢丝绳传动的传动性能，并讨论了在传动中所必须考虑的若干问题，为钢丝绳传动在导引头中的应用提供了理论依据。在此基础上，定量分析了温度变化对钢丝绳传动的影响，并给出了消除钢丝传动误差的方法。最后，导引头进行了高低温、摇摆台、快速观察台等试验，通过整理、分析试验数据，进一步证明了该钢丝绳传动设计的可行性。