自驱动智能全动空气舵的制作方法
【专利摘要】本发明一种自驱动智能全动空气舵，包括驱动机构与连接机构。其中，驱动机构采用X型驱动机构，通过两个作动器输出端伸长或缩短L，使驱动机构的输出端产生比L大许多的位移。驱动机构通过连接机构安装在空气舵内；主轴安装在空气舵内；驱动力臂固定安装于主轴上；舵面加强筋固定安装在空气舵内；驱动机构的固定端、输出端分别通过球铰安装在驱动力臂与舵面加强筋上。当驱动机构输出端运动时，会推动舵面加强筋，进而带动舵面绕主轴转动。本发明的优点为：可解决传统复合式舵面操纵机构所遇到机构之间互相影响的问题，从而改善飞行器的操纵性和稳定性；且响应快、精度高、重量轻、体积小等优点。
【专利说明】自驱动智能全动空气舵
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能材料驱动的全动空气舵，可用于导弹及高超飞行器的飞行姿态、飞行轨道控制。
【背景技术】
[0002]全动舵是指一种置在飞行器外部，由舵机带动作整体偏转运动的舵面，产生对飞行器的控制力和力矩。全动空气舵的引入可改善飞行器控制的稳定性，但同时使得飞行器重量增大，故一般局限于低空飞行的战术近程导弹上使用。
[0003]传统的操纵机构按其驱动动力源可以分为气压、液压、燃气、电传等形式。该系列的驱动机构具有驱动功率大，驱动稳定可靠等优点，但其自身重量较大，置于导弹或高超飞行器体内，会极大增加机体的重量，这就会导致有效载重(导弹作战部)的损失。
[0004]按运动方式操纵机构可分为同动机构、差动机构、复合操纵机构(即兼有同动、差动功能)三种。对于安装了两对舵-副翼复合操纵机构的飞行器来说，通常要求其操纵系统具有相对的独立性，即要求机构能同向(起舵的作用)与反向(起副翼的作用)各自独立作用，互不干扰。传统的舵-副翼操纵机构结构复杂，受力不好，占用空间大，重量较大，加工精度要求高，对其更广泛的应用带来了挑战。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明提出一种自驱动智能全动空气舵，采用基于智能材料的内置式舵机驱动舵面转动，包括驱动机构，以及由主轴、驱动力臂、舵面加强筋、两个轴承座、两个球铰构成的连接机构。
[0006]其中，驱动机构采用X型驱动机构，包括内框架、外框架、作动器A、作动器B、转接推杆A、转接推杆B、铰链、转接头A和转接头B。其中，内框架与外框架均包括左侧板、右侧板以及顶端的连接块三个部分；内框架与外框架中左侧板与右侧板底端间分别通过铰链左端与右端相连。上述结构中，需使内框架中左侧板与右侧板均位于外框架中左侧板与右侧板间，且分别与外框架中左侧板与右侧板间存在间隙。作动器A与作动器B均位于内框架中左侧板和右侧板间，且相互平行设置。作动器A的固定端端部通过转接头A与外框架顶端固连，输出端通过转接推杆A与铰链右端相连；作动器B的固定端端部通过转接头B与外框架顶端固连，输出端通过转接推杆B与铰链左端相连。上述结构驱动机构中，作动器A与作动器B作为整个全动空气舵的动力源，施加相应物理场时，作动器A与作动器B会产生相应位移。在作动器A、作动器B的输出端产生位移时，会使铰链中间柔性削弱部分发生变形，进而带动内外框架顶端产生放大的位移；根据本发明中作动器A和作动器B的输出端与铰链左端和右端的连接方式，在作动器A与作动器B的输出端同时伸长或缩短时，会使铰链两端内侧升高或降低，进而使内框架与外框架的顶端同时相对或相反移动，驱动机构对外产生拉力或推力。由此可见，将驱动机构中内框架或外框架顶端分别作为固定端和输出端时，当驱动机构中作动器A与作动器B的输出端同时伸长或缩短位移L时,会使输出端输出的位移比L大许多，实现了输出位移的放大。
[0007]上述驱动机构通过连接机构安装在空气舵内部，具体连接方式为:
[0008]连接机构中，主轴的一端通过轴承安装在位于空气舵舵面之间根部位置的轴承座上，并由此端与飞行器机体固定连接；主轴另一端通过轴承安装在位于空气舵舵面之间顶部位置的轴承座上。所述驱动力臂一侧固定安装于主轴侧壁安装面上。舵面加强筋固定于空气舵两片舵面之间，起增加空气舵强度、刚度作用，同时，为驱动机构安装提供附着。两个球铰分别为球铰A与球铰B ;其中，球铰A的一端固定安装在驱动机构中内框架顶端，另一端固定安装于舵面加强筋上；球铰B —端固定安装在驱动机构中外框架顶端，另一端固定安装于驱动力臂上；使驱动机构中与驱动力臂相连的一端作为固定端，与舵面加强筋固定的一端作为位移输出端。当驱动机构内框架与外框架的顶端相对移动或反向移动时，驱动机构的位移输出端会推动舵面加强筋，产生力矩，驱动舵面绕主轴转动。
[0009]本发明的优点为:[0010]1、本发明自驱动智能全动空气舵，相比传统全动舵的液压电传的驱动方式，智能结构驱动形式具有响应快、精度高、重量轻、体积小等优点；
[0011]2、本发明自驱动智能全动空气舵，舵面内置的智能驱动机构具有完全的运动独立性，即每片舵面的运动完全不影响其他舵面，基本可以完全解决传统复合式舵面操纵机构所遇到机构之间互相影响的问题，从而改善飞行器的操纵性和稳定性；
[0012]3、本发明自驱动智能全动空气舵，主轴与机体固定连接，交变扭矩由智能材料在交变外加物理场下的形变所承担，可以提高整个驱动机构的可靠性；
[0013]4、本发明自驱动智能全动空气舵，可节约飞行器内部空间，从而减轻飞行器重量，进而提升空气舵的应用范围，提升飞行器的飞行品质。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明自驱动智能全动空气舵整体结构示意图；
[0015]图2为本发明自驱动智能全动空气舵中驱动机构结构爆炸图；
[0016]图3为本发明自驱动智能全动空气舵中驱动机构结构示意图；
[0017]图4为本发明自驱动智能全动空气舵整体结构爆炸图。
[0018]图中:
[0019]1-驱动机构101-内框架 102-内框架 103-内框架顶端
[0020]104-外框架顶端105-作动器A 106-作动器B 107-转接推杆A
[0021]108-转接推杆B 109-铰链110-转接头A 111-转接头B
[0022]201-主轴202-驱动力臂 203-舵面加强筋204a_转接片A
[0023]204b-转接片B 205a-根部轴承座205b_顶部轴承座206a_球铰A
[0024]206b-球铰 B
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
[0026]本发明自驱动智能全动空气舵，包括驱动机构1，以及由主轴201、驱动力臂202、舵面加强筋203、两个转接片204、两个轴承座205、两个球铰206构成的连接机构，如图1所/Jn ο
[0027]其中，驱动机构I采用X型驱动机构，包括内框架101、外框架102、作动器A105、作动器B106、转接推杆A107、转接推杆B108、铰链109、转接头BllO和转接头A111，如图2所示。其中，内框架101与外框架102均为一体结构框架，使用线切割加工成型，包括左侧板、右侧板以及顶端的连接块三个部分；内框架中101与外框架102中，左侧板与右侧板底端间分别通过铰链左端与右端端相连。上述结构中，需使内框架101中左侧板与右侧板均位于外框架102中左侧板与右侧板间，且分别与外框架102中左侧板与右侧板间存在间隙。所述作动器A105与作动器B106可使用智能材料作动器(压电材料、磁致伸缩材料)。作动器A105与作动器B106均位于内框架101中左侧板和右侧板间，且相互平行设置。作动器A105的固定端端部通过转接头AllO与外框架顶端103固连,输出端通过转接推杆A107与铰链109右端相连；作动器B106的固定端端部通过转接头Blll与外框架顶端104固连，输出端通过转接推杆B108与铰链109左端相连。上述结构驱动机构I中，作动器A105与作动器B106作为整个全动空气舵的动力源，施加相应物理场时，作动器A105与作动器B106会产生相应位移。在作动器A105、作动器B106的输出端产生位移时，会使铰链109中间柔性削弱部分发生变形,进而,带动内外框架顶端产生放大的位移。根据本发明中作动器A105和作动器B106的输出端与铰链109左端和右端的连接方式，在作动器A105与作动器B106的输出端同时伸长(缩短)时，会使铰链109两端内侧升高或降低，进而使内框架101与外框架102的顶端同时相对或相反移动，驱动机构I对外产生拉力或推力。由此可见，将驱动机构中内框架或外框架顶端分别作为固定端和输出端时，当驱动机构中作动器A与作动器B的输出端同时伸长或缩短位移L时，会使输出端输出的位移比L大许多，实现了输出位移的放大。
[0028]所述作动器A的输出端通过转接推杆A与铰链右端相连；作动器B的输出端通过转接推杆B与铰链左端相连；所述转接推杆A与作动器A输出端的连接，以及转接推杆A与铰链左端的连接位置均与转接推杆A偏心，且位于异侧；同样，转接推杆B与作动器B输出端的连接处以及铰链右端的连接处均与转接推杆A偏心，且位于异侧；且转接推杆A与铰链左端的连接处靠近转接推杆B与铰链右端的连接处。若作动器A105与作动器B106采用压电作动器时，转接推杆A107与转接推杆B108上下两螺纹孔偏心量过大会使压电作动器中的压电叠堆承受弯矩增大，压电作动器破坏的可能性也随之增大。因此要妥善设计该偏心量。
[0029]本发明中，将上述驱动机构I的内框架101、外框架102中的左侧板与右侧板的顶端侧边与底端侧边分别向同侧倾斜，且相互平行，形成菱形结构；且内框架101中左侧板、右侧板的顶端与底端侧边，分别与外框架102中的左侧板、右侧板的顶端与底端侧边相交，使驱动机构I具有更大的输出刚度。
[0030]上述驱动机构I通过连接机构安装在空气舵内部，具体连接方式为:
[0031]连接机构中，主轴201的固定端通过轴承安装在位于空气舵舵面之间根部位置的根部轴承座205a上；且穿过轴承座205，与机体相连接，实现空气舵与机体间的连接。主轴201另一端通过轴承安装在位于空气舵舵面之间顶部位置的顶部轴承座205b上。所述驱动力臂202为板状结构，一侧固定安装于主轴201侧壁上设计的安装面上，位置靠近根部轴承座205a。两个球铰206均采用WJl型球铰，且两个球铰206同轴设置；其中，球铰A206a的一端通过转接片A204a固定安装在驱动机构I中内框架101的顶端103,另一端安装于舵面加强筋203上，舵面加强筋203固定于空气舵舵面之间。球铰B206b —端通过转接片B204b固定安装在驱动机构I中外框架102的顶端104，另一端固定安装于驱动力臂202上，且在驱动力臂的投影位于主轴201在驱动力臂202上的投影轴线外；从而形成本发明自驱动智能全动空气舵。通过上述连接使:使驱动机构I中与舵面加强筋203相连的一端作为输出端，与驱动力臂202固定的一端作为固定端；由此，当驱动机构I内框架101与外框架102的顶端相对移动或反向移动时，驱动机构I的输出端会推动舵面加强筋203，产生力矩带动舵面绕主轴转动。
【权利要求】
1.自驱动智能全动空气舵，其特征在于:包括驱动机构，以及由主轴、驱动力臂、舵面加强筋、两个轴承座、两个球铰构成的连接机构； 其中，驱动机构采用X型驱动机构，包括内框架、外框架、作动器A、作动器B、转接推杆A、转接推杆B、铰链、转接头B和转接头A ;其中，内框架与外框架均包括左侧板、右侧板以及顶端的连接块三个部分；内框架与外框架中左侧板与右侧板底端间分别通过铰链左杜端与右端相连；上述结构中，需使内框架中左侧板与右侧板均位于外框架中左侧板与右侧板间，且分别与外框架中左侧板与右侧板间存在间隙；所述作动器A与作动器B均位于内框架中左侧板和右侧板间，且相互平行设置；作动器A的固定端端部通过转接头A与外框架顶端固连，输出端通过转接推杆A与铰链右端相连；作动器B的固定端端部通过转接头B与外框架顶端固连，输出端通过转接推杆B与铰链左端相连；上述结构驱动机构中，在作动器A与作动器B的输出端同时伸长或缩短时，会使铰链两端内侧升高或降低，进而使内框架与外框架的顶端同时相对相反移动，驱动机构对外产生拉力或推力； 上述驱动机构通过连接机构安装在空气舵内部，具体连接方式为: 连接机构中，主轴的一端通过轴承安装在位于空气舵舵面之间根部位置的轴承座上，并由此端与飞行器机体固定连接；主轴另一端通过轴承安装在位于空气舵舵面之间顶部位置的轴承座上；所述驱动力臂一侧固定安装于主轴侧壁安装面上；舵面加强筋固定于空气舵两片舵面之间，起增加空气舵强度、刚度作用，同时，为驱动机构安装提供附着；两个球铰分别为球铰A与球铰B ;其中，球铰A的一端固定安装在驱动机构中内框架顶端，另一端固定安装于舵面加强筋上；球铰B —端固定安装在驱动机构中外框架顶端，另一端固定安装于驱动力臂上；使驱动机构中与驱动力臂相连的一端作为固定端，与舵面加强筋固定的一端作为位移输出端；当驱动机构内框架与外框架的顶端相对移动或反向移动时，驱动机构的位移输出端会推动舵面加强筋，产生力矩，驱动舵面绕主轴转动。
2.如权要求I所述自驱动智能全动空气舵，其特征在于:所述作动器A的输出端通过转接推杆A与铰链右端相连；作动器B的输出端通过转接推杆B与铰链左端相连；所述转接推杆A与作动器A输出端的连接，以及转接推杆A与铰链左端的连接位置均与转接推杆A偏心，且位于异侧；同样，转接推杆B与作动器B输出端的连接处以及铰链右端的连接处均与转接推杆A偏心，且位于异侧；且转接推杆A与铰链左端的连接处靠近转接推杆B与铰链右端的连接处。
3.如权要求I所述自驱动智能全动空气舵，其特征在于:所述驱动机构的内框架、外框架中的左侧板与右侧板的顶端侧边与底端侧边分别向同侧倾斜，且相互平行，形成菱形结构；且内框架中左侧板、右侧板的顶端与底端侧边，分别与外框架中的左侧板、右侧板的顶端与底端侧边相交。
4.如权要求I所述自驱动智能全动空气舵，其特征在于:所述作动器A与作动器B采用智能材料作动器。
5.如权要求I所述自驱动智能全动空气舵，其特征在于:所述驱动力臂位置靠近根部的轴承座。
6.如权要求I所述自驱动智能全动空气舵，其特征在于:球铰采用WJl型球铰。
7.如权要求I所述自驱动智能全动空气舵，其特征在于:所述两个球铰同轴设置。
8.如权要求I所述自驱动智能全动空气舵，其特征在于:所述球铰B与驱动力臂的连接处位于主 轴在驱动力臂上的投影轴线外。
【文档编号】B64C9/02GK103935507SQ201410136447
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】王浩然, 李琳, 李超 申请人:北京航空航天大学