Электромеханический привод руля Российский патент 2024 года по МПК B64C13/34 B64C13/50 H02K7/116 

Изобретение относится к исполнительным устройствам приборов систем управления и предназначено для поворота управляемого звена на заданный угол, в соответствии с управляющим сигналом, а также удержания заданного положения, и применяется в авиации, в частности в приводе аэродинамических рулей беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), обеспечивая точное задание и удержание угловых положений органов управления.

Известен рулевой привод [1], содержащий двигатель, редуктор, включающий размещенную в его корпусе шарико-винтовую передачу в виде ходового винта с ходовой гайкой и реечную зубчатую передачу движения с ходовой гайки на зубчатый сектор вала руля, при этом он снабжен компенсатором деформаций ходового винта, возникающих в зубчатой реечной передаче от воздействия радиальных сил при вращении руля, выполненным в виде подшипника качения, установленного на корпусе редуктора на стороне, противоположной зубчатому сектору, и взаимодействующего с боковой поверхностью ходовой гайки при ее перемещении вдоль ходового винта.

Недостатки данной конструкции - многозвенность привода, сложность и высокая трудоемкость изготовления шарико-винтовой передачи.

Известен электромеханический привод [2], состоящий из электродвигателя, двух цилиндрических зубчатых передач, выходного вала привода и датчика обратной связи, объединенных в едином корпусе, при этом электромеханический привод дополнен самотормозящей однозаходной червячной передачей, состоящей из находящихся в зацеплении червяка и червячного колеса, жестко закрепленного на выходном валу привода, причем червяк установлен на двух опорах качения, каждая из опор качения состоит из пары подшипников, одна из опор качения фиксируется в корпусе с использованием фиксирующей гайки и упорного кольца, а вторая опора качения выполнена с использованием регулирующей гайки и механического фиксатора, выходной вал привода смонтирован на двух подшипниках, закреплен в корпусе с использованием двух корончатых гаек: внешней и внутренней, и механических фиксаторов, выходной вал привода установлен в корпусе с использованием стандартной манжеты и резинового кольца особой формы, установленного в канавке между внешней гайкой и корпусом, две цилиндрические зубчатые передачи состоят из трибки, установленной на валу электродвигателя, промежуточного двухвенцового зубчатого колеса и зубчатого колеса, жестко закрепленного на червяке, причем промежуточное двухвенцовое зубчатое колесо находится в зацеплении с зубчатым колесом, закрепленным на червяке, и трибкой, датчик обратной связи соединен с выходным валом привода за счет плоской пружины, который наиболее близок предлагаемому техническому решению и выбран в качестве прототипа.

Недостатком данной конструкции является высокая трудоемкость сборки, связанная с необходимостью множества регулировок для обеспечения точности сборки. Чтобы правильно выставить плоскость симметрии червячного колеса относительно червяка привод, необходимо прикатать под нагрузкой, разобрать и определить положение пятна контакта. При смещении пятна контакта относительно плоскости симметрии червяка необходимо вновь повторить процедуру. Даже небольшие отклонения в настройках могут повлечь значительное снижение КПД привода. Регулировка осевого люфта червяка требует наличия технологической оснастки и измерительных приборов. Учитывая специфику условий эксплуатации подобных приводов (как правило, температурный диапазон эксплуатации от минус 60 до плюс 60 градусов Цельсия), любая неточность может привести либо к повышенному угловому люфту рулевого вала, либо к заклиниванию подшипников. Червячная передача, установленная на тихоходной ступени привода, имеет низкий коэффициент полезного действия (КПД), обусловленный весьма малой скоростью скольжения в зацеплении червяк - червячное колесо. Кроме того, датчики углового положения с механической измерительной системой обладают низкой точностью. Все это отражается на точности и скорости управления выходным валом привода.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД, упрощение конструкции и повышение надежности и быстродействия электромеханического привода руля.

Техническое решение изобретения достигается тем, что корпус выполнен разъемным, состоящим из двух полукорпусов, червячная передача выполнена ортогональной на быстроходной ступени, в виде эвольвентного червяка, находящегося в зацеплении с косозубой шестерней, взаимодействующей с валом-шестерней, шестерня которого находится в зацеплении с зубчатым колесом, взаимодействующим с выходным валом привода, имеющего на одном конце выходную часть, взаимодействующую с органами управления, задания и удержания угловых положений руля, а на другом конце, с торца закрепленный магнит, бесконтактно воздействующий на бесконтактный магнитный датчик угла поворота, который закреплен на одном из полукорпусе, при этом червяк имеет неразъемное соединение с полумуфтой, взаимодействующей с выходным валом электродвигателя, который закреплен на одном из полукорпусе, и с подшипником, который закреплен с помощью стопорного кольца и является неподвижной опорой червяка на другом конце червяка закреплен подшипник, который закреплен с помощь стопорного кольца и является подвижной опорой червяка, опоры червяка размещены в одном полукорпусе, вал-шестерня взаимодействует с подшипниками, являющимися ее опорами, и контактируют с полукорпусами, при этом вал-шестерня имеет возможность осевой настройки с помощью тарельчатой шайбы, контактирующей подшипником одной опоры и с винтом, который контактирует с полукорпусом, выходной вал привода взаимодействует с подшипниками, содержащими эластичное уплотнение, являющимися ее опорами и контактирующими с полукорпусами без возможности осевого смещения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид электромеханического привода руля с локальным вырезом корпуса до продольной оси червяка, а на фиг. 2 изображен электромеханический привод руля в разрезе по продольной оси выходного вала привода (сечение А-А).

Электромеханический привод руля состоит из разъемного корпуса, имеющий полукорпус 1 и полукорпус 2, входного вала привода3, подшипника 4 с эластичным уплотнением, подшипника 5 с эластичным уплотнением, косозубого колеса 6, стопорного кольца 7, вала-шестерни 8, косозубой шестерни 9, подшипников 10, тарельчатой шайбы 11, винта 12, червяка 13, подшипника 14, подшипника 15, полумуфты 16, стопорного кольца 17, стопорного кольца 18, гайки 19, электродвигателя 20, магнита 21, бесконтактного магнитного датчика угла поворота 22.

Червяк 13 представляет собой эвольвентный червяк в виде косозубого цилиндрического колеса с очень большим углом наклона зуба к образующей цилиндра и с малым числом зубьев, при этом профиль витков-зубьев очерчен эвольвентой. Червяк 13 на одном конце взаимодействует с подшипником 14 и стопорным кольцом 18, фиксирующим подшипник 14 от осевого перемещения по червяку 13. Другой конец червяка 13 неразъемно взаимодействует с полумуфтой 16, которая взаимодействует с подшипником 15 и стопорным кольцом 17, фиксирующим подшипник 15 от осевого перемещения по полумуфте 16. Подшипник 14 представляет собой подвижную опру червяка 13 и контактирует с полукорпусом 2. Подшипник 15 представляет собой неподвижную опору червяка 13 и взаимодействует с полукорпусом 2 и фиксируется относительно него гайкой 19. Полумуфта 16 взаимодействует с выходным валом электродвигателя 20, закрепленного на полукорпусе 2.

Вал-шестерня 8 неразъемно взаимодействует с косозубой шестерней 9, образуя блок шестерен. Концы вала-шестерен 8 взаимодействуют с подшипниками 10, один из которых взаимодействует с полукорпусом 1, а другой подшипник 10 с полукорпусом 2, тарельчатой шайбой 11, которая контактирует с полукорпусом 2 и винтом 12. Винт 12 контактирует с полукорпусом 2 и служит для ограничения возможного осевого перемещения (люфта) блока шестерен. Косозубая шестерня 9 находится в зацеплении с червяком 13. Вал-шестерня 8 находится в зацеплении с зубчатым колесом 6, которое взаимодействует с выходным валом 3.

Выходной вал привода3 взаимодействует с подшипником 4, зубчатым колесом 6, подшипником 5, стопорным кольцом 7, которое воздействует на подшипник 5, фиксируя его, зубчатое колесо 6 и подшипник 4 от осевого перемещения относительно выходного вала привода 3. Подшипник 4 контактирует с полукорпусом 1, а подшипник 5 контактирует с полукорпусом 2. Выходной конец вала 3 взаимодействует с органами управления руля (на фиг. не показано). На противоположном конце выходного вала привода 3, на торце, закреплен магнит 21, который бесконтактно взаимодействует с бесконтактным магнитным датчиком угла поворота 21, закрепленного на полукорпусе 2.

Электромеханический привод руля работает следующим образом. Крутящий момент двигателя 20 передается через полумуфту 16 червяку 13 кинематически связанным с косозубой шестерней 9, которая, в свою очередь, через вал-шестерню 8 передает зубчатому колесу 6, обеспечивая поворот выходного вала привода 3 на заданный угол, задаваемый системой управления и удерживает его. Бесконтактный магнитный датчик угла поворота 22, получая информацию от магнита 21, обеспечивает обратную связь с системой управления, информируя ее об угле поворота выходного вала привода 3.

Ортогональная червячная передача не требует точной установки косозубой шестерни 9 относительно червяка 13, что позволило установить выходной вал привода 3 без возможности осевого смещения.

Размещение червячной передачи на быстроходной ступени электромеханического привода руля дает значительный выигрыш в КПД за счет увеличения скорости скольжения в червячном зацеплении, от которой зависят приведенный коэффициент трения и, в конечном итоге, приведенный угол трения [3].

При одинаковых тактико-технических характеристиках электромеханического привода руля расчетные значения КПД составили для электромеханического привода руля по схеме прототипа - 0,29, а для предлагаемого технического решения - 0,67.

Применение подшипников 4 и 5 с эластичными уплотнениями упрощает конструкцию корпуса в зоне выхода выходного вала привода 3.

Бесконтактный магнитный датчик угла поворота 22 по сравнению с датчиками, принцип действия которых основан на измерении электрического сопротивления, отличается высокой точностью угловых измерений, составляющей не более 0,02 угловых градуса, не зависящей от колебаний температур. Он не требует механической юстировки (совмещение нулевого положения датчика с нулевым положением рулевого вала), не имеет механической связи с выходным валом привода 3. Юстировка бесконтактного магнитного датчика угла поворота 22 простая. Выходной вал привода 3 устанавливается в нулевое положение и подается напряжение питания на систему управления, контроллер системы управления фиксирует его в качестве нулевого значения и сохраняет в памяти.

Таким образом, предлагаемая конструкция значительно проще, позволяет повысить быстроту и точность позиционирования выходного вала привода, снижает энергозатраты привода за счет более высокого КПД и уменьшает трудоемкость сборочных работ.

Источники информации

1. Патент № 2387577 Российская Федерация, МПК B64C 13/00 (2006.01). Руливой привод: № 2009103206, заявл. 02.02.2009, опубл. 27.04.2010 / Богацкий В.Г., Дулькин И.И., Зайцев А.В., Левищев О.Н., Пирязев В.Ф.; заявитель Открытое акционерное общество «Государственное машиностроительное конструкторское бюро «Вымпел» им. И.И. Торопова». - 6 с.: ил. - Текст: непосредственный.

2. Патент № 2465725 Российская Федерация, МПК B64C 13/00, H02K 7/116 (2006.01). Электромеханический привод: № 2019115409, заявл. 20.05.2019, опубл. 14.02.2020 / Апальков В.К., Давыдов А.В., Иванов Б.И., Межирицкий Е.Л., Смирнов Д.Б.; заявитель Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП"). - 12 с.: ил. - Текст: непосредственный.

3. Ваньшин А.И. Расчет червячных передач. / А.И. Ваньшин, А.Ф. Печников. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. - 28 с.

Изобретение относится к области машиностроения. Электромеханический привод руля содержит разъемный корпус, выполненный из двух полукорпусов, эвольвентный червяк, находящийся в зацеплении с косозубой шестерней, взаимодействующей с валом-шестерней, шестерня которого находится в зацеплении с зубчатым колесом, взаимодействующим с выходным валом привода, имеющего на одном конце выходную часть, взаимодействующую с органами управления, задания и удержания угловых положений руля, а на торце другого конца закреплен магнит, воздействующий на магнитный датчик угла поворота, закрепленный на одном полукорпусе. Червяк имеет неразъемное соединение с полумуфтой, взаимодействующей с выходным валом электродвигателя, который закреплен на одном полукорпусе, и с подшипником, который закреплен с помощью стопорного кольца и является неподвижной опорой червяка. На другом конце червяка закреплен подшипник, закрепленный с помощью стопорного кольца и являющийся подвижной опорой червяка. Опоры червяка размещены в одном полукорпусе. Вал-шестерня взаимодействует с подшипниками, контактирующими с полукорпусами, и имеет возможность осевой настройки с помощью тарельчатой шайбы, контактирующей с подшипником одной опоры и с винтом, который контактирует с полукорпусом. Выходной вал привода взаимодействует с подшипниками, содержащими эластичное уплотнение, являющимися опорами и контактирующими с полукорпусами без возможности осевого смещения. Обеспечивается повышение КПД, упрощение конструкции и повышение надежности и быстродействия привода. 2 ил.

Электромеханический привод руля, содержащий корпус, электродвигатель, цилиндрическую передачу, червячную передачу, причем червяк установлен на двух опорах качения, одна из опор качения фиксируется в корпусе с использованием гайки, выходной вал привода смонтирован на двух шарикоподшипниках, датчик обратной связи, отличающийся тем, что корпус выполнен разъемным, состоящий из двух полукорпусов, червячная передача выполнена ортогональной на быстроходной ступени, в виде эвольвентного червяка, находящегося в зацеплении с косозубой шестерней, взаимодействующей с валом-шестерней, шестерня которого находится в зацеплении с зубчатым колесом, взаимодействующим с выходным валом привода, имеющего на одном конце выходную часть, взаимодействующую с органами управления, задания и удержания угловых положений руля, а на другом конце, с торца закрепленный магнит, бесконтактно воздействующий на бесконтактный магнитный датчик угла поворота, который закреплен на одном из полукорпусов, при этом червяк имеет неразъемное соединение с полумуфтой, взаимодействующей с выходным валом электродвигателя, который закреплен на одном из полукорпусе, и с подшипником, который закреплен с помощью стопорного кольца и является неподвижной опорой червяка, на другом конце червяка закреплен подшипник, который закреплен с помощь стопорного кольца и является подвижной опорой червяка, опоры червяка размещены в одном полукорпусе, вал-шестерня взаимодействует с подшипниками, являющимися ее опорами, и контактируют с полукорпусами, при этом вал-шестерня имеет возможность осевой настройки с помощью тарельчатой шайбы, контактирующей подшипником одной опоры и с винтом, который контактирует с полукорпусом, выходной вал привода взаимодействует с подшипниками, содержащими эластичное уплотнение, являющимися ее опорами и контактирующими с полукорпусами без возможности осевого смещения.