一种舵机力矩补偿机构及舵面操作系统的制作方法

1.本发明属于航空航天飞行器结构设计领域，更具体地，涉及一种舵机力矩补偿机构及舵面操作系统。


背景技术：

2.目前飞机的舵面操纵一般采用油压或电动舵机，由于整个飞机的姿态改变依靠舵面上气动力的变化，舵面上的气动力一般相对较大，因此需要较大功率和力矩的舵机才能操纵舵面。对液压舵机而言，需要较高的压力；对电动舵机而言，需要较高的电压和电流，高液压和高电流、电压都容易造成舵机故障，降低舵系统的可靠性，并且舵机重量很大，对重量极度敏感的飞机而言，过大的重量无疑降低飞机的性能。例如对太阳能飞机而言，常规舵机不仅重量过大，以力矩大小为代表的力学性能往往难以达到需用要求。因此，需要一种舵机力矩补偿机构，能够减小舵机力矩输出需求，扩大舵机选择范围。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种舵机力矩补偿机构及舵面操作系统，能够减小舵机力矩输出需求，扩大舵机选择范围。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种舵机力矩补偿机构，用于与舵机摇臂铰接，且与舵面摇臂通过舵面连杆铰接，所述舵机力矩补偿机构包括曲面连杆、连杆外壳和滚轮；
5.所述曲面连杆上设有减力曲面，所述连杆外壳内设有连杆孔，所述曲面连杆可滑动地穿设于所述连杆孔内，所述滚轮沿垂直于所述曲面连杆的方向可伸缩地设于所述连杆孔的孔壁，且能够在所述减力曲面上滑动；
6.所述曲面连杆能够在所述舵机摇臂或所述舵面摇臂的带动下在所述连杆孔内滑动，所述滚轮沿所述减力曲面滑动并对所述减力曲面提供反向作用力。
7.优选地，所述舵机力矩补偿机构还包括滑轨，所述滑轨沿所述连杆孔的轴向设于所述连杆孔的孔壁，且与所述曲面连杆同向设置，所述曲面连杆能够沿所述滑轨滑动。
8.优选地，所述滑轨包括多个滑杆，多个所述滑杆沿所述连杆孔的轴向均布，且铰接于所述连杆孔的孔壁。
9.优选地，所述曲面连杆为板形，所述曲面连杆的端部设有滑槽，用于与所述舵机摇臂和所述舵面连杆铰接。
10.优选地，所述滑槽为条形，所述曲面连杆与所述舵机摇臂和所述舵面连杆通过穿过所述滑槽的连接件铰接。
11.优选地，所述曲面连杆的一个侧面中部设有凸起，所述凸起朝向所述滚轮的一侧为弧形，以形成所述减力曲面，所述凸起的两端为矩形，所述凸起与所述滚轮相对的一侧与所述曲面连杆的侧面平齐。
12.优选地，所述舵机力矩补偿机构还包括伸缩轴和弹性元件，所述连杆孔的孔壁中部设有容纳孔，所述滚轮设于所述伸缩轴的顶端，所述容纳孔内设有套筒，所述伸缩轴的底
端通过所述弹性元件弹性连接于所述套筒内。
13.优选地，所述伸缩轴包括固定杆和活动杆，所述固定杆固设于所述套筒内，所述活动杆及所述弹性元件设于所述容纳孔内，所述活动杆上设有插设于所述滚轮的连接柱。
14.优选地，所述连杆外壳上设有安装孔，用于与机身固定连接。
15.本发明还提供一种舵面操作系统，包括上述的舵机力矩补偿机构、以及舵面、舵面摇臂、舵机、舵机摇臂和舵面连杆；
16.所述舵机摇臂铰接于所述舵机，所述舵面摇臂铰接于所述舵面，所述舵面连杆的两端分别铰接于所述舵机摇臂与所述舵面摇臂，所述舵机力矩补偿机构铰接于所述舵机摇臂与所述舵面连杆的连接处。
17.本发明涉及的一种舵机力矩补偿机构，其有益效果在于：利用弹性元件驱动滚轮紧压在曲面连杆上产生的作用力补偿舵面力矩，减小舵机力矩输出需求，扩大了舵机选择范围，从而提高了舵机可靠性、降低了舵机重量；采用弹性元件和减力曲面构成负刚度机构，相对运动部件少，机构的可靠性高。
18.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
19.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
20.图1示出了本发明的一个示例性实施例的舵机力矩补偿机构的安装位置示意图；
21.图2示出了本发明的一个示例性实施例的舵机力矩补偿机构的结构示意图；
22.图3a示出了本发明的一个示例性实施例的舵机力矩补偿机构中曲面连杆的结构示意图，图3b示出了曲面连杆的侧视图；
23.图4a示出了本发明的一个示例性实施例的舵机力矩补偿机构中连杆外壳的截面示意图，图4b示出了连杆外壳的侧视图；
24.图5a示出了本发明的一个示例性实施例的舵机力矩补偿机构中伸缩轴的结构示意图，图5b示出了伸缩轴与滚轮连接的侧视图；
25.图6示出了本发明的一个示例性实施例的舵机力矩补偿机构中减力曲面x处的静力示意图；
26.附图标记说明：
27.1舵机力矩补偿机构，11曲面连杆，111减力曲面，112滑槽，12连杆外壳，121连杆孔，13滚轮，14滑轨，15伸缩轴，16弹性元件，2舵机， 21舵机摇臂，22舵面连杆，23连接件，3舵面，31舵面摇臂。
具体实施方式
28.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
29.为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种舵机力矩补偿机构，用于与舵机摇臂铰接，且与舵面摇臂通过舵面连杆铰接，舵机力矩补偿机构包括曲面连杆、连杆外壳和滚轮；
30.曲面连杆上设有减力曲面，连杆外壳内设有连杆孔，曲面连杆可滑动地穿设于连杆孔内，滚轮沿垂直于曲面连杆的方向可伸缩地设于连杆孔的孔壁，且能够在减力曲面上滑动；
31.曲面连杆能够在舵机摇臂或舵面摇臂的带动下在连杆孔内滑动，滚轮沿减力曲面滑动并对减力曲面提供反向作用力。
32.本发明涉及的舵机力矩补偿机构，利用弹性元件驱动滚轮紧压在曲面连杆上产生的作用力补偿舵面力矩，减小了舵机力矩输出需求，扩大了舵机选择范围，从而提高了舵机可靠性、降低了舵机重量；采用弹性元件和减力曲面构成负刚度机构，相对运动部件少，机构的可靠性高。
33.当舵机和舵面都处于0位时，舵面力矩为0，滚轮处于减力曲面的最高点，舵机力矩补偿机构不提供补偿力矩，舵面在舵机力矩下保持0位状态，即初始状态；
34.当需要操纵舵面时，舵面偏离0位，同时滚轮偏离减力曲面的最高点，并且偏离方向与舵面的偏移方向一致，此时处在减力曲面的倾斜面上的滚轮给曲面连杆与舵面力矩相反的反向作用力，从而减小了舵机力矩需求，随着舵面偏转角度增加，舵面力矩随之增加，同时补偿机构滚轮所处点的倾斜角度越大，从而给曲面连杆的作用力也越大，从而使舵机力矩基本保持平稳，并且处在较低的水平，因此降低了液压或电流、电压需求，提高了舵机可靠性。
35.优选地，舵机力矩补偿机构还包括滑轨，滑轨沿连杆孔的轴向设于连杆孔的孔壁，且与曲面连杆同向设置，曲面连杆能够沿滑轨滑动。
36.优选地，滑轨包括多个滑杆，多个滑杆沿连杆孔的轴向均布，且铰接于连杆孔的孔壁。
37.优选地，曲面连杆为板形，曲面连杆的端部设有滑槽，用于与舵机摇臂和/或舵面连杆铰接。
38.优选地，滑槽为条形，曲面连杆与舵机摇臂和/或舵面连杆通过穿过滑槽的连接件铰接。可选地，连接件为螺栓或销轴，连接件可以在条形的滑槽内滑动。
39.优选地，曲面连杆的一个侧面中部设有凸起，凸起朝向滚轮的一侧为弧形，以形成减力曲面，凸起的两端为矩形，凸起与滚轮相对的一侧与曲面连杆的侧面平齐。凸起的弧形侧最高点为减力曲面的最高点，即减力曲面顶点，滚轮位于该点时，即滚轮位于初始位置。
40.可选地，凸起的弧形面所形成的减力曲面，为抛物线形状的曲面，根据舵机摇臂的行程确定曲面长度，根据拟补偿的力矩载荷大小，确定减力曲面的外形。忽略舵机补偿力矩机构的摩擦力，曲面连杆的减力曲面的外形可以简化成一个二次抛物线型，表达公式为：
41.y＝ax242.其中，x表示滚轮距减力曲面顶点的横向距离，a为抛物线系数，y为减力曲面的位置点；
43.x的最大和最小值由舵机行程确定，则在x位置，曲面倾斜角度为2ax，假设滚轮提供fk的压力，在该点减力曲面上的可产生fd的横向作用力，令fd等于舵面力矩对应的载荷；
44.其力学表达公式为：
45.fd＝fktan(2ax)；
46.fk＝kax2+b；
47.其中k为弹性元件刚度，b为预压缩量；
48.则可获得fd＝k(ax2+b)tan(2ax)；
49.而由于fd为可知量，x为可知量，只有k、a、b是未知量，取三个不同位置x1、x2、x3对应的fd1、fd2、fd3，就可确定k值、a值和b值，得到曲面连杆的减力曲面的二次曲线表达式y＝ax2，并根据此表达式加工获得预设形状的减力曲面。
50.优选地，舵机力矩补偿机构还包括伸缩轴和弹性元件，连杆孔的孔壁中部设有容纳孔，滚轮设于伸缩轴的顶端，容纳孔内设有套筒，伸缩轴的底端通过弹性元件弹性连接于套筒内。
51.可选地，弹性元件为弹簧，弹簧套设于伸缩轴的底端，并对伸缩轴提供弹力。采用弹性元件和抛物线形状的曲面构成负刚度机构，相对运动部件少，机构的可靠性高；利用低摩擦力的滑轨和滚轮，降低了整个机构的摩擦力，进一步降低了舵机力矩输出需求。
52.优选地，伸缩轴包括固定杆和活动杆，固定杆固设于套筒内，活动杆及弹性元件设于容纳孔内，活动杆上设有插设于滚轮的连接柱。
53.弹性元件的选择根据上述获得的k值选定，根据弹性元件对伸缩轴进行加工，以使伸缩轴与弹性元件适配连接。滚轮和滑轨可以选用标准件，根据上述选定的弹性元件的尺寸和伸缩轴的尺寸，对连杆外壳加工使容纳孔和套筒与伸缩轴和弹性元件适配连接。
54.优选地，连杆外壳上设有安装孔，用于与机身固定连接。如采用螺栓将连杆外壳固定于机身上。
55.本发明根据实际需要选取不同材料，例如对飞机而言，重量是敏感因素，就可以选用重量轻和强度较好的金属作为原材料加工各部件。
56.本发明涉及的舵机力矩补偿机构装配时，首先将伸缩轴与弹性元件连接，穿入连杆外壳的容纳孔和套筒内，然后将曲面连杆穿进连杆外壳中，使伸缩轴在弹性元件的弹力下，使滚轮压在曲面连杆的减力曲面上；其次将滑轨连接曲面连杆和连杆外壳，组成完整的曲面连杆机构，曲面连杆的端部与舵机摇臂和通过舵面连杆与舵面摇臂相连接，将连杆外壳固定在机身上；连接时，舵机摇臂或舵面摇臂处于0位，即初始状态，此时滚轮滑动至减力曲面的最高点。
57.使用本发明涉及的舵机力矩补偿机构的工作原理如下：
58.舵机力矩补偿机构的曲面连杆连接舵机摇臂或舵面摇臂后，当舵机和舵面都处于0位时，舵面力矩为0，舵机力矩补偿机构的滚轮处于减力曲面的最高点，此时曲面连杆只承受压力，舵机无力矩输出，舵面在舵机力矩下保持0位状态；
59.当需要操纵舵面时，舵面偏离0位，舵面产生力矩，舵机摇臂随之运动，同时滚轮偏离减力曲面的最高点，并且偏离方向与舵面的偏移方向一致，此时滚轮随舵机摇臂同向运动，在弹性元件的作用下，滚轮压在减力曲面的倾斜面上，对曲面连杆产生曲面连杆的运动方向的作用力，该作用力通过曲面连杆的端部的滑槽，以连杆推力的形式传递给舵机摇臂的连接件，产生与舵机同向的力矩，根据力学平衡条件，不考虑舵面及传导部件的加速度时，曲面连杆的推力和舵机摇臂力矩与舵面摇臂力矩平衡，即曲面连杆的推力可产生的力
矩正好与舵面力矩抵消，而舵机只需要保持位置即可，大大减小可舵机载荷输出需求，以此可以扩大舵机的选择范围。
60.本发明还提供一种舵面操作系统，包括上述的舵机力矩补偿机构、以及舵面、舵面摇臂、舵机、舵机摇臂和舵面连杆；
61.舵机摇臂铰接于舵机，舵面摇臂铰接于舵面，舵面连杆的两端分别铰接于舵机摇臂与舵面摇臂，舵机力矩补偿机构通过连接件铰接于舵机摇臂与舵面连杆的连接处。
62.实施例1
63.如图1至图6所示，本发明提供了一种舵机力矩补偿机构，用于与舵机摇臂21铰接，且与舵面摇臂31通过舵面连杆22铰接，舵机力矩补偿机构包括曲面连杆11、连杆外壳12和滚轮13；
64.曲面连杆11上设有减力曲面111，连杆外壳12内设有连杆孔121，曲面连杆11可滑动地穿设于连杆孔121内，滚轮13沿垂直于曲面连杆11的方向可伸缩地设于连杆孔121的孔壁，且能够在减力曲面111上滑动；
65.曲面连杆11能够在舵机摇臂21或舵面摇臂31的带动下在连杆孔121 内滑动，滚轮13沿减力曲面111滑动并对减力曲面111提供反向作用力。
66.当舵机2和舵面3都处于0位时，舵面3力矩为0，滚轮13处于减力曲面111的最高点，舵机力矩补偿机构不提供补偿力矩，舵面3在舵机2 力矩下保持0位状态，即初始状态；
67.当需要操纵舵面3时，舵面3偏离0位，同时滚轮13偏离减力曲面111 的最高点，并且偏离方向与舵面3的偏移方向一致，此时处在减力曲面111 的倾斜面上的滚轮13给曲面连杆11与舵面3力矩相反的反向作用力，从而减小了舵机2力矩需求，随着舵面3偏转角度增加，舵面3力矩随之增加，同时补偿机构滚轮13所处点的倾斜角度越大，从而给曲面连杆11的作用力也越大，从而使舵机2力矩基本保持平稳，并且处在较低的水平，因此降低了液压或电流、电压需求，提高了舵机2可靠性。
68.在本实施例中，舵机力矩补偿机构还包括滑轨14，滑轨14沿连杆孔 121的轴向设于连杆孔121的孔壁，且与曲面连杆11同向设置，曲面连杆 11能够沿滑轨14滑动。滑轨14包括多个滑杆，多个滑杆沿连杆孔121的轴向均布，且铰接于连杆孔121的孔壁。
69.曲面连杆11为板形，曲面连杆11的端部设有滑槽112，用于与舵机摇臂21和舵面连杆22铰接。滑槽112为条形，曲面连杆11与舵机摇臂21 和舵面连杆22通过穿过滑槽112的连接件23铰接。可选地，连接件23为螺栓或销轴，连接件23可以在条形的滑槽112内滑动。
70.曲面连杆11的一个侧面中部设有凸起，凸起朝向滚轮13的一侧为弧形，以形成减力曲面111，凸起的两端为矩形，凸起与滚轮13相对的一侧与曲面连杆11的侧面平齐。凸起的弧形侧最高点为减力曲面111的最高点，即减力曲面111顶点，滚轮13位于该点时，即滚轮13位于初始位置。
71.凸起的弧形面所形成的减力曲面111，为抛物线形状的曲面，根据舵机摇臂21的行程确定曲面长度，根据拟补偿的力矩载荷大小，确定减力曲面 111的外形。忽略舵机补偿力矩机构的摩擦力，曲面连杆11的减力曲面111 的外形可以简化成一个二次抛物线型，表达公式为：
72.y＝ax2；
73.其中，x表示滚轮13距减力曲面111顶点的横向距离，a为抛物线系数， y为减力曲
面111的位置点；
74.x的最大和最小值由舵机2行程确定，则在x位置，曲面倾斜角度为 2ax，假设滚轮13提供fk的压力，在该点减力曲面111上的可产生fd的横向作用力，令fd等于舵面3力矩对应的载荷；
75.其力学表达公式为：
76.fd＝fktan(2ax)；
77.fk＝kax2+b；
78.其中k为弹性元件16刚度，b为预压缩量；
79.则可获得fd＝k(ax2+b)tan(2ax)；
80.而由于fd为可知量，x为可知量，只有k、a、b是未知量，取三个不同位置x1、x2、x3对应的fd1、fd2、fd3，就可确定k值、a值和b值，得到曲面连杆11的减力曲面111的二次曲线表达式y＝ax2，并根据此表达式加工获得预设形状的减力曲面111。
81.舵机力矩补偿机构1还包括伸缩轴15和弹性元件16，连杆孔121的孔壁中部设有容纳孔，滚轮13设于伸缩轴15的顶端，容纳孔内设有套筒，伸缩轴15的底端通过弹性元件16弹性连接于套筒内。
82.弹性元件16为弹簧，弹簧套设于伸缩轴15的底端，并对伸缩轴15提供弹力。伸缩轴15包括固定杆和活动杆，固定杆固设于套筒内，活动杆及弹性元件16设于容纳孔内，活动杆上设有插设于滚轮13的连接柱。
83.弹性元件16的选择根据上述获得的k值选定，根据弹性元件16对伸缩轴15进行加工，以使伸缩轴15与弹性元件16适配连接。滚轮13和滑轨14可以选用标准件，根据上述选定的弹性元件16的尺寸和伸缩轴15的尺寸，对连杆外壳12加工使容纳孔和套筒与伸缩轴15和弹性元件16适配连接。
84.连杆外壳12上设有安装孔，用于与机身固定连接。采用螺栓将连杆外壳12固定于机身上。
85.本发明根选用重量轻和强度较好的钛合金作为原材料加工各部件。
86.本发明涉及的舵机力矩补偿机构装配时，首先将伸缩轴15与弹性元件 16连接，穿入连杆外壳12的容纳孔和套筒内，然后将曲面连杆11穿进连杆外壳12中，使伸缩轴15在弹性元件16的弹力下，使滚轮13压在曲面连杆11的减力曲面111上；其次将滑轨14连接曲面连杆11和连杆外壳12，组成完整的曲面连杆11机构，曲面连杆11的端部与舵机摇臂21和通过舵面连杆22与舵面摇臂31相连接，将连杆外壳12固定在机身上；连接时，舵机摇臂21或舵面摇臂31处于0位，即初始状态，此时滚轮13滑动至减力曲面111的最高点。
87.使用本发明涉及的舵机2力矩补偿机构的工作原理如下：
88.舵机力矩补偿机构1的曲面连杆11连接舵机摇臂21或舵面摇臂31后，当舵机2和舵面3都处于0位时，舵面3力矩为0，舵机2力矩补偿机构的滚轮13处于减力曲面111的最高点，此时曲面连杆11只承受压力，舵机2 无力矩输出，舵面3在舵机2力矩下保持0位状态；
89.当需要操纵舵面3时，舵面3偏离0位，舵面3产生力矩，舵机摇臂 21随之运动，同时滚轮13偏离减力曲面111的最高点，并且偏离方向与舵面3的偏移方向一致，此时滚轮13随舵机摇臂21同向运动，在弹性元件 16的作用下，滚轮13压在减力曲面111的倾斜面上，对曲面连杆11产生曲面连杆11的运动方向的作用力，该作用力通过曲面连杆11的端部的滑槽
112，以连杆推力的形式传递给舵机摇臂21的连接件23，产生与舵机2 同向的力矩，根据力学平衡条件，不考虑舵面3及传导部件的加速度时，曲面连杆11的推力和舵机摇臂21力矩与舵面摇臂31力矩平衡，即曲面连杆11的推力可产生的力矩正好与舵面3力矩抵消，而舵机2只需要保持位置即可。
90.实施例2
91.本发明提供一种舵面操作系统，包括实施例1的舵机力矩补偿机构1、以及舵面3、舵面摇臂31、舵机2、舵机摇臂21和舵面连杆22；
92.舵机摇臂21铰接于舵机2，舵面摇臂31铰接于舵面3，舵面连杆22 的两端分别铰接于舵机摇臂21与舵面摇臂31，舵机力矩补偿机构1通过连接件23铰接于舵机摇臂21与舵面连杆22的连接处。
93.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。