CN111114758B - 一种异构串联型双余度舵机 - Google Patents

Abstract

本发明属于舵机技术领域，具体涉及一种异构串联型双余度舵机。包括第一电机、减速器、壳体、前端盖、传动齿轮、轴承、滚珠丝杠副、滑块、电磁抱闸器、导向杆、筒式推杆、后端盖组成的机电作动器及第二电机、双向定量泵、阀块、插装阀、蓄能器、液压缸、外部油管组成的电液作动器。其中筒式推杆和液压缸通过法兰盘同轴安装，工作时由丝杠旋转运动转换为筒式推杆的直线运动，带动电液作动单元整体直线运动，同时活塞杆又可相对缸筒直线运动。两单元自成***，可同时配合工作或各自单独工作，实现了电气双余度和机械结构双余度。本发明采用两种不同种类作动器，能很大程度上降低舵机发生故障的概率，具有结构简单、可靠性高的优点。

Description

一种异构串联型双余度舵机

技术领域

本发明属于舵机技术领域，具体涉及一种异构串联型双余度舵机。

背景技术

飞行器的工作环境特殊，一旦发生故障便会造成很大损失甚至是人员伤亡，为此飞行器必须有很高的可靠性，来最大限度地降低其发生故障的概率，这就要求飞行器的每一部分都要有很高的可靠性。舵机是飞行器中的一个重要的执行机构，在飞控计算机的综合控制下，通过控制舵面的偏转实现飞行器的起飞、降落、转弯以及翻转，因而在飞行器正常飞行中发挥着不可替代的作用。

但对于任何***而言，故障发生的可能性总是客观存在的，虽然可通过提高***各组成元件的质量、加强对元件的保护、甚至改良设计等措施来提高***的整体可靠性，但需要付出很大的代价，而可靠性的提高却并不显著。余度技术可以在相对降低对元器件的要求的同时能有效提高***的可靠性。因此，提高舵机***的可靠性的有效途径之一就是增加舵机***的余度。

目前的舵机余度技术大多采用单独的电气余度技术，包括电机本体结构余度备份和控制电路余度备份，而没有对机械结构进行余度备份，专利CN106321770A中只是采用了双余度电机，没有机械结构的余度备份，且机械结构中的行星滚柱丝杠副没有导轨保持，强度较低。此外也有少量文献简单地介绍了机械余度技术，采用的是多轴输入单轴输出的齿轮传动，由于是多轴输入，在使用中容易产生力纷争问题，这在设计时必须予以考虑。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种串连型双余度舵机，包括机电作动单元和电液作动单元，所述电液作动单元与所述机电作动单元的推杆连接，所述电液作动单元的长度方向与所述推杆的轴线平行。

进一步地，所述机电作动单元包括壳体组件、减速器、第一电机、第一传动齿轮、第二传动齿轮、旋转轴、丝杠、丝杠螺母、推杆以及滑块；所述第一电机设置在壳体组件上，所述第一电机和减速器连接，且所述减速器与所述第二传动齿轮连接；所述旋转轴设置在壳体组件上，所述第二传动齿轮通过第二平键连接在所述旋转轴上；所述推杆与所述壳体组件滑动连接，所述推杆上设置有滑块，所述丝杠螺母与所述滑块连接；所述第一传动齿轮通过第一平键设置在所述丝杠上且与所述第二传动齿轮啮合，所述丝杠与所述丝杠螺母配合组成丝杠副；

所述电液作动单元包括第二电机、双向定量泵、液压缸、阀块以及外部油管，所述第二电机设置在所述液压缸的缸筒上，所述双向定量泵输入端和第二电机连接、输出端固定在阀块上、进出油口和阀块内部的油路相通，所述阀块连接在液压缸上；所述外部油管一端连接阀块，另一端连接液压缸的无杆腔，所述阀块内部有通向液压缸无杆腔的油路。所述第一电机、第二电机为伺服电机。

详细的说，所述电液作动单元还包括第一溢流阀、第二溢流阀、第一单向阀、第二单向阀以及蓄能器，所述第一溢流阀、第二溢流阀、第一单向阀、第二单向阀均为插装阀，和蓄能器均通过插装固定在阀块上，所述蓄能器瓶身通过抱箍固定在液压缸的缸筒上。

进一步地，所述壳体组件包括前端盖、壳体和后端盖，所述推杆穿过所述后端盖。

进一步地，所述旋转轴通过第二轴承设置在壳体上，所述丝杠上依次设置有锁紧螺母、第一传动齿轮、垫圈、套筒、第一轴承，所述丝杠通过第一轴承设置在壳体上，所述第一轴承内圈通过套筒和所述丝杠的轴肩固定，其外圈通过垫圈和壳体固定，以保证丝杠不产生轴向移动。

垫圈套在套筒外侧，且垫圈位于前端盖的盖环与壳体之间，垫圈的厚度小于套筒的长度；第二轴承为双列深沟球轴承，除了承受径向负荷外，还可以承受作用在两个方向的轴向负荷。

进一步地，所述壳体组件上设置有若干条导向杆，所述导向杆穿过壳体组件并延伸到外部，通过端部的螺纹和螺母将前端盖、后端盖固定在壳体的前端和后端；所述滑块由直线轴承限制在导向杆上，可沿导向杆轴线方向滑动，所述滑块上设置有电磁抱闸器，所述电磁抱闸器套在导向杆上。

进一步地，所述双向定量泵有三个配流口，第一配流口通过阀块内部油路连接蓄能器，第二配流口通过阀块内部油路连接液压缸的有杆腔，第三配流口通过阀块内部油路和外部油管连接液压缸的无杆腔；第一单向阀一端接液压缸无杆腔油路，另一端接蓄能器油路，第二单向阀一端接液压缸有杆腔油路，另一端接蓄能器油路，第一溢流阀液压油流出端接蓄能器油路，另一端接液压缸无杆腔油路，第二溢流阀液压油流出端接蓄能器油路，另一端接液压缸有杆腔油路。

进一步地，所述壳体上沿长度方向分布有第一限位传感器和第二限位传感器，所述液压缸的缸筒上沿其长度方向分布有第三限位传感器和第四限位传感器；所述液压缸上还设置有位移传感器。第一限位传感器、第二限位传感器、第三限位传感器和第四限位传感器均为LimitlessWGLA无线限位开关，具有低电耗、抗电磁干扰等优点。具体型号本领域技术人员实施本发明时可自行选用，故本说明书不作详细说明。位移传感器为线拉编码器，其安装在液压缸的缸筒上，且拉绳与液压缸的活塞杆连接。

进一步地，所述丝杠、推杆和液压缸的轴线位于同一直线。

进一步地，所述前端盖的盖环上开设有缺口；用于第一传动齿轮与第二传动齿轮连接。

区别于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、发明提出的一种异构串联型双余度舵机，将机电作动器和电动静液作动器相结合，机电作动单元和电液作动单元各自成***，能同时配合工作或一个作动器工作另一个作动器备份，实现了电气双余度和机械结构双余度。该舵机采用两种不同种类的作动器，进行串联连接，很大程度上降低了同时发生故障的概率，结构简单且可靠性高。

2、本发明的机电作动单元壳体内设有导向杆，既能防止滑块及其固连结构转动，又能提高滚珠丝杠副强度，且使筒式推杆运动直线性好，减少卡顿。本发明的滑块上装有电磁抱闸器，在丝杠停转时，电磁铁通电使抱闸片紧紧抱在导向杆上，使导向杆和丝杠同时承受负载力，提高了承载能力。

3、本发明的电液作动器为集成度高的电动静液作动器，且阀和蓄能器采用插装式，除一条外部油管外，均为内部油路，传动链短，结构紧凑。电液作动器为泵控***，回路简单且泄漏量小，其中液压缸为差动缸，减小了轴向尺寸，使用的泵是新型三配流式双向泵，能自动补偿差动缸的两腔不对称流量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的内部半剖视图。

图3是A处的局部放大图。

图4是滑块及滚珠丝杠副的结构示意图。

图5是前端盖的结构示意图。

图6为本发明的控制***图。

图7是电液作动单元的液压回路图。

图中：1-前端盖，101-盖环，2-壳体，3-减速器，4-第一电机，5-后端盖，6-液压缸，7-第二电机，8-双向定量泵，9-第一单向阀，10-第一溢流阀，11-第二溢流阀，12-第二单向阀，13-阀块，14-蓄能器，15-外部油管，16-锁紧螺母，17-第一传动齿轮，18-套筒，19-滑动轴承，20-推杆，21-第三限位传感器，22-第四限位传感器，23-活塞杆，24-第二限位传感器，25-第一限位传感器，26-第一轴承,27-第二轴承，28-第二平键，29-旋转轴，30-第二传动齿轮，31-第一平键，32-导向杆，33-电磁抱闸器，34-滑块，35-丝杠螺母，36-丝杠，37-抱箍，38-垫圈，39-位移传感器；a-第一配流口；b-第二配流口；c-第三配流口。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实发明的具体实施方式。

参见图1—图5，一种异构串联型双余度舵机，由机电作动单元、电液作动单元构成，机电作动单元包括第一电机4、减速器3、前端盖1、壳体2、第一传动齿轮17、垫圈38、第二轴承（单深沟球）27、第二传动齿轮30、锁紧螺母16、第一轴承（双深沟球）26、套筒18、丝杠36、丝杠螺母35、滑块34、导向杆32、推杆20、电磁抱闸器33、第一限位传感器25、第二限位传感器24及后端盖5；其中，第一电机4基座通过螺栓固定在壳体2上，第一电机4和减速器3外壳通过螺钉连接，第一电机4输出轴连接减速器3的输入轴，第二传动齿轮30通过第二平键28连接在旋转轴29上，轴向通过轴肩和轴套固定，旋转轴29由第二轴承27固定在壳体2上，保证第二传动齿轮30上部和减速器3的输出齿轮正确啮合、下部和第一传动齿轮17正确啮合，第一传动齿轮17由第一平键31周向固定在丝杠36上，通过套筒18和锁紧螺母16实现轴向固定，第一轴承26内圈通过套筒18和丝杠36的轴肩固定在丝杠轴6上，其外圈通过垫圈38和壳体2两端固定，以保证丝杠36不产生轴向移动，丝杠螺母35用螺栓固连在滑块34上，滑块34由直线轴承19限制在导向杆32上，可沿导向杆32轴线方向滑动，推杆20通过法兰盘和滑块34固连，并且推杆20穿过壳体2和后端盖5，其运动为沿轴线方向的直线运动，且推杆20轴线和丝杠36轴线在同一条直线上；所述导向杆32穿过壳体2并延伸到外部，通过端部的螺纹和螺母将前端盖1、后端盖5固定在壳体2的前端和后端。

电液作动单元包括第二电机7、双向定量泵（三个配流口）8、液压缸（差动缸）6、阀块13、第一溢流阀10、第二溢流阀11、第一单向阀9、第二单向阀12、蓄能器14、抱箍37、外部油管15、位移传感器39、第三限位传感器21及第四限位传感器22；其中，第二电机7基座固定在液压缸6的缸筒上，双向定量泵8输入端和第二电机7固定，输出端固定在阀块13上，进出油口和阀块13内部的油路相通，阀块13固连在液压缸6的缸筒的输出端处，第一溢流阀10、第二溢流阀11、第一单向阀9、第二单向阀12均为插装阀，和蓄能器14均通过插装固定在阀块13上，蓄能器14瓶身通过抱箍37固定在液压缸6的缸筒上；外部油管15一端连接阀块13，另一端连接液压缸6的无杆腔，阀块13内部有通向液压缸6无杆腔的油路。

参见图7，所述电液作动单元液压控制回路中，所使用的双向定量泵8有三个配流口，第一配流口通过阀块13内部油路连接蓄能器14，第二配流口通过阀块13内部油路连接液压缸6的有杆腔，第三配流口通过阀块13内部油路和外部油管15连接液压缸6的无杆腔；第一单向阀9一端接液压缸6无杆腔油路，另一端接蓄能器14油路，液压缸6无杆腔压力较小时，蓄能器14的液压油可通过打开的第一单向阀9进入液压缸6无杆腔，第二单向阀12一端接液压缸6有杆腔油路，另一端接蓄能器14油路，液压缸6有杆腔压力较小时，蓄能器14的液压油可通过打开的第二单向阀12进入液压缸6有杆腔，第一溢流阀10液压油流出端接蓄能器14油路，另一端接液压缸6无杆腔油路，当无杆腔压力过大时，液压油可通过第一溢流阀10泄回蓄能器14，第二溢流阀11液压油流出端接蓄能器14油路，另一端接液压缸6有杆腔油路，当有杆腔压力过大时，液压油可通过第二溢流阀11泄回蓄能器14，第一溢流阀10、第二溢流阀11均为安全阀；双向定量泵8正转时，第一配流口、第二配流口为进油口，第三配流口为出油口。

参见图1—图7，根据实际工作情况，可将本发明的一种异构串联型双余度舵机工作方式分为以下三种，下面详述本发明的具体工作过程。

（1）、当工作方式为机电作动单元工作，电液作动单元锁住作为备份时，控制模块（控制模块为飞行器控制模块）通过驱动模块发送电信号给第一电机4驱动其运转，通过减速器3和第一传动齿轮17、第二传动齿轮30产生较低转速和较大转矩并输出给丝杠36，丝杠36旋转带动与其配合的丝杠螺母35作直线运动，同时与丝杠螺母35固连的滑块34沿着导向杆32做直线运动，将运动传递给与滑块34固连的推杆20，推杆20相对于壳体2和后端盖5直线伸出，带动与其连接的电液作动单元整体作直线运动，从而推动与液压缸6的活塞杆一端铰接的舵面摆动，控制模块通过驱动模块随时控制第一电机4转动或停止，从而实现对舵面摆角的控制。当第一电机4停转的同时，控制模块同时控制电磁抱闸器33通电，使电磁抱闸器33紧抱导向杆32，锁住推杆20同时分担负载力，舵面停在相应位置。而且，当滑块34到达第二限位传感器24处时，第二限位传感器24将信号反馈给控制模块，来控制第一电机4停转，同时控制模块控制电磁抱闸器33通电，使电磁抱闸器33紧抱导向杆32，锁住推杆20同时分担负载力；返回时，当滑块34到达第一限位传感器25处时，控制模块接收到位反馈信号控制第一电机4停转和电磁抱闸器33通电锁住。在推杆20的运动极限位置处增加第一限位传感器25和第二限位传感器24，与第一电机4伺服***结合做到双重保障，避免推杆20行程过大，造成飞行器舵机***损坏。

（2）、当工作方式为电液作动单元工作，机电作动单元锁住作为备份时，控制模块驱动第二电机7运转，带动双向定量泵8正转，有杆腔的液压油通过第二配流口经过双向定量泵8从第三配流口输出到液压缸6的无杆腔，由于无杆腔需要更多的流量，故蓄能器14中的液压通过第一配流口经过双向定量泵8从第三配流口进入无杆腔，此时无杆腔压力较低，第一单向阀9打开，蓄能器14的液压油也可通过单向阀9直接进入液压缸6的无杆腔，以补偿流量的不平衡，液压油推动活塞杆相对缸筒伸出，推动舵面摆动。返回时控制模块控制第二电机7反转，第二配流口变为进油口，第一配流口、第三配流口变为出油口，出油口（第三配流口）的液压油进入有杆腔，多余的流量从第一配流口流回蓄能器14，活塞杆相对缸筒缩回，舵面反方向摆动。液压缸6的液压杆伸缩时，位移传感器39将液压杆的伸缩距离信息反馈给控制模块，控制模块根据液压缸6的液压杆的伸缩距离信息实现对舵面摆角的控制。而且，当活塞到达第四限位传感器22处时，第四限位传感器22将到位信号反馈给控制模块，控制第二电机7停转，锁住液压缸6；当活塞到达第三限位传感器21时，控制模块接收反馈信号控制第二电机7停转，锁住液压缸6。第一溢流阀10、第二溢流阀11作为安全阀，当液压缸6腔压力过大时，溢流阀打开，流量流回蓄能器14，进行泄压。在液压缸6的伸缩极限位置处增加第三限位传感器21和第四限位传感器22，与第二电机7伺服***结合做到双重保障，避免液压缸6行程过大，造成飞行器舵机***损坏。

（3）、当工作方式为电液作动单元、机电作动单元同时工作时，控制模块控制第一电机4、第二电机7运转，电磁抱闸器33断电打开，筒式推杆20作直线运动，带动电液作动单元整体直线运动，同时，第二电机7带动双向定量泵8运转，液压油推动活塞杆相对缸筒做直线运动，推动舵面摆动。此工作方式可以使舵面快速摆动到目标位置。

在上述3种工作方式。当其中一种作动单元出现故障时，控制模块立即控制另一作动单元启动或继续工作。

尽管本发明 的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明 的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明 并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，包括：机电作动单元和电液作动单元，所述电液作动单元与所述机电作动单元的推杆（20）连接，所述电液作动单元的长度方向与所述推杆（20）的轴线平行；

所述机电作动单元包括壳体组件、减速器（3）、第一电机（4）、第一传动齿轮（17）、第二传动齿轮（30）、旋转轴（29）、丝杠（36）、丝杠螺母（35）、推杆（20）以及滑块（34）；所述第一电机（4）设置在壳体组件上，所述第一电机（4）和减速器（3）连接，且所述减速器（3）与所述第二传动齿轮（30）连接；所述旋转轴（29）设置在壳体组件上，所述第二传动齿轮（30）通过第二平键（28）连接在所述旋转轴（29）上；所述推杆（20）与所述壳体组件滑动连接，所述推杆（20）上设置有滑块（34），所述丝杠螺母（35）与所述滑块（34）连接；所述第一传动齿轮（17）通过第一平键（31）设置在所述丝杠（36）上且与所述第二传动齿轮（30）啮合，所述丝杠（36）与所述丝杠螺母（35）配合组成丝杠副；

所述电液作动单元包括第二电机（7）、双向定量泵（8）、液压缸（6）、阀块（13）以及外部油管（15），所述第二电机（7）设置在所述液压缸（6）的缸筒上，所述双向定量泵（8）输入端和第二电机（7）连接、输出端固定在阀块（13）上、进出油口和阀块（13）内部的油路相通，所述阀块（13）连接在液压缸（6）上；所述外部油管（15）一端连接阀块（13），另一端连接液压缸（6）的无杆腔，所述阀块（13）内部有通向液压缸（6）无杆腔的油路。

2.根据权利要求1所述的一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，所述电液作动单元还包括第一溢流阀（10）、第二溢流阀（11）、第一单向阀（9）、第二单向阀（12）以及蓄能器（14），所述第一溢流阀（10）、第二溢流阀（11）、第一单向阀（9）、第二单向阀（12）均为插装阀，和蓄能器（14）均通过插装固定在阀块（13）上，所述蓄能器（14）瓶身通过抱箍（37）固定在液压缸（6）的缸筒上。

3.根据权利要求1所述的一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，所述壳体组件包括前端盖（1）、壳体（2）和后端盖（5），所述推杆（20）穿过所述后端盖（5）。

4.根据权利要求3所述的一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，所述旋转轴（29）通过第二轴承（27）设置在壳体（2）上，所述丝杠（36）上依次设置有锁紧螺母（16）、第一传动齿轮（17）、套筒（18）、第一轴承（26），所述丝杠（36）通过第一轴承（26）设置在壳体（2）上，所述第一轴承（26）内圈通过套筒（18）和所述丝杠（36）的轴肩固定，其外圈通过垫圈（38）和壳体（2）固定，以保证丝杠（36）不产生轴向移动。

5.根据权利要求3所述的一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，所述壳体组件上设置有若干条导向杆（32），所述导向杆（32）穿过壳体组件并延伸到外部，通过端部的螺纹和螺母将前端盖（1）、后端盖（5）固定在壳体（2）的前端和后端；所述滑块（34）由直线轴承（19）限制在导向杆（32）上，可沿导向杆（32）轴线方向滑动，所述滑块（34）上设置有电磁抱闸器（33）。

6.根据权利要求2所述的一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，所述双向定量泵（8）有三个配流口，第一配流口通过阀块（13）内部油路连接蓄能器（14），第二配流口通过阀块（13）内部油路连接液压缸（6）的有杆腔，第三配流口通过阀块（13）内部油路和外部油管（15）连接液压缸（6）的无杆腔；第一单向阀（9）一端接液压缸（6）无杆腔油路，另一端接蓄能器（14）油路，第二单向阀（12）一端接液压缸（6）有杆腔油路，另一端接蓄能器（14）油路，第一溢流阀（10）液压油流出端接蓄能器（14）油路，另一端接液压缸（6）无杆腔油路，第二溢流阀（11）液压油流出端接蓄能器（14）油路，另一端接液压缸（6）有杆腔油路。

7.根据权利要求1所述的一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，所述壳体（2）上沿长度方向分布有第一限位传感器（25）和第二限位传感器（24），所述液压缸（6）的缸筒上沿其长度方向分布有第三限位传感器（21）和第四限位传感器（22）；所述液压缸（6）上还设置有位移传感器（39）。

8.根据权利要求1所述的一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，所述丝杠（36）、推杆（20）和液压缸（6）的轴线位于同一直线。

9.根据权利要求3所述的一种异构串联型双余度舵机，其特征在于，所述前端盖（1）的盖环（101）上开设有缺口。

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