某电动机构自锁性及结构强度校核计算

李永锋 寇鹏飞 穆菲菲 寇学锋

（陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西 宝鸡721000）

1 概述

1.1 功能

该电动机构配套于某两栖轻型飞机，操纵方向舵调整片的偏转，并将偏转角通过电位器反馈给驾驶员，从而控制飞机航向。

1.2 结构组成及工作原理

电动机构结构组成如图1，由基座体1、电机组件2、卡箍3、齿轮组件4、输出齿轮5、传动轴6、丝杠轴7、力矩螺母8、“瓦”形片弹簧9、铰链轴10、传动杆11、T 型滑块12 等组成。其具有体积小、重量轻、响应速度快、位置反馈准确、环境适应性强，能够在工作行程任意位置自锁等特点，符合飞机的机动性要求。

图1 电动机构结构组成及原理

工作原理：当驾驶员需要调整飞机航向时，给直流永磁电机施加正（负）控制电压，使电机正（反）转，并输出一定的转速和转矩；通过六级减速器使输出轴获得要求的小速度和大转矩，再通过输出轴上的丝杠螺母机构及基座体上T 型滑块导轨机构，将旋转运动转变成直线运动，最终以一定的速度和力度驱动方向舵调整片按要求的方向和角度偏转，同时电位器将偏转角信号反馈给驾驶员，当到达要求航向时，驾驶员将切断电电机电源，此时电动机构自锁功能即可保证飞行按要求航向飞行。

2 技术性能

电动机构主要技术参数见表1。

3 关键功能结构技术分析

3.1 自锁功能结构技术分析

3.1.1 技术要求

电动机构在工作过程任意位置可实现自锁（表1）。

表1 方向舵调整片电动机构主要技术参数

3.1.2 功能结构分析

在设计机械机构时，为使机构实现预期运动，应避免在所需运动方向上发生自锁；相反有些机构的工作又需要其具有自锁的特性，如该千斤顶。该电动机构的自锁特性是通过螺旋输出机构，即丝杠螺母（M6×0.75）来实现的。其自锁特性具体是指只能有正向运动，即将丝杠的旋转运动转化为螺母的直线运动。

3.1.3 结构自锁特性校核计算

a. 丝杠螺旋升角λ

式中：

L- 螺纹导程

d2- 螺纹中径 取5.513

n- 螺纹头数 取1

p- 螺距 取0.75

则螺旋升角

λ＝arctg（np/πd2）＝arctg（0.75/5.513π）=2.48°

b. 螺纹当量摩擦系数fv与当量摩擦角ρv

式中：

F- 钢丝杠/青铜螺母摩擦系数，查表材料手册：0.10～0.15

β- 螺纹牙形斜角30°

而当量摩擦角

式中：

f- 取最小值0.10

c.自锁性判定

当量摩擦角与摩擦系数在给定区间(0.10～0.15) 单调性相同，故当摩擦系数取最小值0.10 时所计算出的当量摩擦角也是最小值，如果最小当量摩擦角都大于螺纹升角，则表明此螺旋机构自锁性良好。

上述计算表明；最小当量摩擦角ρv（6.59°）明显大于螺纹的螺旋升角λ（2.48°）。所以，此螺旋机构自锁性良好。

3.2 螺旋输出机构及电位计超量程保护机构技术分析

电位器工作行为10.35mm，全行程15 mm 。全行程为工作行程加上两上螺母的宽度。设计电位计时其机械行程应大于全行程15 mm，但受空间尺寸及重量限制，故电位计加设超量程保护机构。

此超量保护机构就是对称分布于螺杆两端部分那一小段空刀光杠、挡圈、垫圈和串联结构的“瓦”形片弹簧组。具体工作过程：电位计超量程时，螺旋输出机构将螺母旋移出螺纹，并在输出轴向力作用下使串联结构的“瓦”形片弹簧组发生弹性变形，弹性变形量正好等于1 个螺母的宽度，于是螺母在空刀光杠就无沿轴向相对运动。那么螺母就不能推动与T 型滑块固连的电刷，从而有效防止了电刷超量程发生变形，甚至折断。当电机反转时，串联结构“瓦”形片弹簧组对螺母施以轴向预紧力，快速使螺母旋移到丝杠螺纹上进入正常工作状态。

3.3 过载保护结构分析

当负载力大于螺旋输出机构的输出力时，负载力不可能反向推动螺母，使丝杠发生旋转运动，这同样是由螺旋输出机构的自锁特性来实现的。

4 结构强度校核计算

4.1 传动杆拉伸强度和压缩稳定性的校核计算

此值远大于HB5836-1983 要求的7 倍工作负荷（额定负载55N）的静强度极限负荷值385N。故传动杆在拉伸状态下是足够安全的。

4.1.2 传动杆压缩稳定性分析与校核计算

细长杆件受压，开始时轴线为直线，接着随着力的逐渐增大，但仍小于某一极限值（临界压力Pcr）时，细长杆件一直保持直线形状的平衡，即使有微小的侧向干扰力使其暂时发生轻微弯曲，但干扰力解除后，仍可获复直线状态。当压力超过临界压力Pcr时，细长杆受压状态下的直线平衡变得不稳定，转变为曲线形状的平衡。压杆丧失其直线形状的平稳而过渡为曲线平衡，称为失稳或屈服。杆件失稳后，压力的稍微增加将引起弯曲变形显著增大，杆件已丧失了承载能力。

下面采用安全系数法对细长传动杆受压时的稳定性进行校核计算。

4.2 铰链轴弯曲强度计算

图2 铰链轴工作受力分析图

4.3 丝杠螺母螺纹强度校核计算

螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于丝杠（螺杆），故只需校核螺母的螺纹牙的强度。

图3 螺母螺纹圈的受力

5 结论

通过上述对电动机构自锁性和结构件薄弱环节或危险剖面进行拉伸（压缩）、弯曲、剪切、扭转，稳定性等单一性强度校核或复合性强度校核，表明在120N 最大工作载荷或55N 额定工作载荷下，电动机构在工作行程任意位置可实现自锁，且工作稳定、安全、可靠的。