一种双输入源无缝切换的冗余传动机构的制作方法

本发明属于机械传动技术领域，具体涉及一种双输入源无缝切换的冗余传动机构。

背景技术：

随着军事技术的发展，对弹上、无人机等执行系统的可靠性要求不断提高。大力矩、高速度、高可靠性的多余度伺服执行机构需求旺盛。多余度系统技术将有很大的应用前景。

目前，根据应用领域的不同，可将余度技术分为电气余度技术和机械余度技术。电气余度技术包括输入源本体结构的余度技术和控制电路的余度技术。机械余度技术主要包括齿轮传动装置、液压以及气动等传动系统的余度技术。

输入源本体的余度实现主要为输入源串联和并联；控制电路余度实现主要为双路电路备份；机械余度实现主要采用多轴输入单轴输出的模式，例如离合器控制模式和双绕组电机方案。对于离合器方案：由于两通道均正常工作时，由两电机共同带动舵面旋转，作用在受载上的转矩为两电机转矩之和，因此，需解决负载均衡与力纷争的问题，这对电流检测、控制器的设计和智能控制器的处理速度都提出了较高的要求。对于双绕组电机方案：串联式在一个绕组发生故障时，将成为另一绕组的负载，从而使得电机的机电常数变大，动态性能降低。并联式电机绕组嵌放困难，而且彼此间存在磁场耦合，两套绕组间存在互感，控制结构比较复杂，且无法实现机械传动系统的冗余。

综上所述，目前存在的余度技术各有优缺点，为了能够满足系统的设计要求，就需要研究满足可靠性和使用条件要求的电气余度和最佳机械余度结构型式。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种双输入源无缝切换的冗余传动机构，以行星差动运动合成技术为基础，利用差动原理解决了输入源本体并联之后产生的力纷争问题，实现并联输入源之间结构的无缝切换。

为达到上述目的，本发明所述一种双输入源无缝切换的冗余传动机构，包括第一输入源、第二输入源、第一制动器、第二制动器、冗余差动减速器，第一位置反馈器、直线输出端和冗余控制器；其中，所述第一输入源和第二输入源的输出端分别连接至冗余差动减速器的两个输入端，冗余差动减速器的输出端与丝杠副连接，丝杠副上设置有第一位置反馈器，第一位置反馈器用于将丝杠副直线输出端的位移传输到冗余控制器，冗余控制器用于控制第一制动器和第二制动器；第一制动器用于制动第一输入源，第二制动器用于控制第二输入源。

进一步的，所述丝杠副上还设置有与第一位置反馈器互为冗余的第二位置反馈器。

进一步的，冗余差动减速器包括第一输入齿轮和第二输入齿轮，所述第一输入齿轮用于和第一输入源连接，所述第二输入齿轮用于和第二输入源连接；第二输入齿轮安装在轴套上，第一输入齿轮和太阳轮的外齿啮合，太阳轮的内齿和行星轮啮合；第二输入齿轮与行星轮啮合，行星轮固定在行星架输出齿轮上，通过行星架输出齿轮将第一输入源和第二输入源的动力输出。

进一步的，太阳轮下端面固定连接有齿圈定位环，齿圈定位环包括环形的水平板，水平板外圆上端面连接有第一竖直板，水平板内圆下端面连接有第二竖直板，第二竖直板与轴套之间设置有第二输入齿轮支撑轴承，第二竖直板向内侧伸出有一圈环形凸起，环形凸起上端面与第二输入齿轮支撑轴承外圈的下端面相接。

进一步的，第二输入齿轮支撑轴承第二输入齿轮支撑轴承下端设置有第一轴承挡圈，所述第一轴承挡圈内圈伸入轴套侧壁下端开设的第一凹槽中，第二输入齿轮支撑轴承外圈上端面设置有太阳轮轴承挡圈，太阳轮轴承挡圈外圈伸入第二竖直板内壁开设的凹槽中。

进一步的，行星架输出齿轮通过第一轴承安装在轴套上，所述轴套侧壁上端开设有第二凹槽，第一轴承内圈上端面设置有行星架输出齿轮挡圈，所述行星架输出齿轮挡圈内侧伸入第二凹槽中；所述第一轴承外圈上端面设置有行星架输出齿轮轴承挡圈，行星架输出齿轮轴承挡圈外圈伸入行星架输出齿轮内壁上开设的凹槽中；所述行星架输出齿轮内壁下端向内伸出有凸缘，第一轴承的外圈的下端面和所述凸缘的上端面相接触。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，当某一通道发生故障时，只需用相应的制动器锁住相应的故障通道的输入源即可，隔离故障方便；由于输出轴的输出为两输入轴的机械运动合成，且两输入轴承担的力矩不变，因此只要保证两输出电机转速相同，即可保证两电机间的负载均衡，并很好地解决了力纷争的问题：不需要离合器，有利于提高整机的可靠性。利用差动原理，应用运动合成技术，有效的避免力纷争问题，为无缝余度切换提供了基础。另外，由于功率的叠加原理，可以实现传输的扭矩叠加或者速度的叠加。与离合器方案相比，两个支路的切换平稳，解决了力纷争的问题。与双绕组电机相比，控制系统简单，易于实现。

进一步的，所述第二输入齿轮支撑轴承下端设置有第一轴承挡圈，所述第一轴承挡圈内圈伸入轴套侧壁下端开设的第一凹槽中，第二输入齿轮支撑轴承外圈上端面设置有太阳轮轴承挡圈，太阳轮轴承挡圈外圈伸入第二竖直板内壁开设的凹槽中，在竖直方向上对第二输入齿轮支撑轴承进行限位，防止第二输入齿轮支撑轴承在工作过程中发生位移，提高整个冗余差动减速器的稳定性。

进一步的，行星架输出齿轮通过第一轴承安装在轴套上，轴套侧壁上端开设有第二凹槽，第一轴承内圈上端面设置有行星架输出齿轮挡圈，行星架输出齿轮挡圈内侧伸入第二凹槽中；第一轴承外圈上端面设置有行星架输出齿轮轴承挡圈，行星架输出齿轮轴承挡圈外圈伸入行星架输出齿轮内壁上开设的凹槽中；行星架输出齿轮内壁下端向内伸出有凸缘，第一轴承的外圈的下端面和所述凸缘的上端面相接触，对第一轴承在竖直方向进行限位，防止第一轴承在工作过程中发生位移，提高整个冗余差动减速器的稳定性。

附图说明

图1为冗余系统控制及传动示意图；

图2为双输入源无缝切换的冗余传动机构传动链简图；

图3为双输入源无缝切换冗余传动机构结构图；

图4为一种双输入源无缝切换冗余传动机构的典型应用示例；

附图中：1-第一输入源，2-第二输入源，31-第一制动器，32-第二制动器，4-输出丝杠，5-冗余位置传感器，7-无缝切换冗余传动机构，8-轴套，71-太阳轮，72-行星架输出齿轮，73-第二输入齿轮，74-第一输入齿轮，75-行星轮，76-第二输入齿轮支撑轴承，77-第一轴承挡圈，78-轴套，710-太阳轮定位环，711-太阳轮轴承挡圈，712-行星架输出齿轮轴承挡圈，713-第一轴承，714-第二轴承，715-行星架输出齿轮挡圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种双输入源无缝切换的冗余传动机构包括第一输入源、第二输入源、第一制动器、第二制动器、冗余差动减速器，第一和第二位置反馈器以及冗余控制器。其中，第一输入源和第二输入源的输出端与冗余差动减速器的输入端连接，冗余差动减速器的输出端上设置有第一和第二位置反馈器，第一和第二位置反馈器的输出端与冗余控制器的输入端连接，冗余控制器的输出端与第一制动器和第二制动器连接。第一制动器和第二制动器分别用于制动第一输入源和第二输入源。该机构可实现双输入源单独输入，构成两路具有相同传递函数的独立传动系统，当某一通道发生故障时，故障信号反馈到冗余控制器，冗余控制器控制制动器动作，锁住相应故障通道输入源电机，由正常输入源单独工作。该机构也可实现两路相同输入源同时输入，输出大力矩或高速度；也可实现不同的输入源同时输入，合成新的力矩-转速图。

如图2所示，输入源1输入齿轮1齿数z1，转速n1，输入源2输入齿轮2齿数z2，转速n2。行星轮外齿圈齿数z3，转速n3，内齿圈齿数z′3，行星架小齿轮齿数z4，转速n4，行星架输出齿轮齿数z′4，输出端齿数z5，

根据行星差动减速的计算公式：

1)输入源1抱死，n1＝0(内齿圈3固定，即n3＝0)，太阳轮输入，行星架输出

2)输入源2抱死，n2＝0(太阳轮固定)，内齿圈经一级减速输入，行星架输出

在两种情况下，取z2z3＝z1z′3

则

即：两种输入在相同转速的情况下，输出转速也相同。

如图2所示：该系统的自由度为2，有两个已知输入，可以得出确定的输出。工作中，若第一输入源和第二输入源同时工作，各路输入功率与输入转速相同，两个输入源的负载均衡，在输出扭矩固定的情况下，输出转速为第一输入源和第二输入源分别输入转速经减速之后的速度之和；若某一个支路发生故障时，该支路的制动器工作，将相应的输入源抱死，实现单路输入，输入转速与输入功率为双路输入的一半。

参照图3，冗余差动减速器包括轴套78、第一输入齿轮74、第二输入齿轮73、太阳轮71、行星轮75和行星架输出齿轮72。轴套78上自上至下依次安装有第一轴承713、第二输入齿轮和第二输入齿轮支撑轴承76，其中第二输入齿轮和轴套78固定连接。第一输入齿轮74和太阳轮71的外齿啮合，太阳轮71的内齿和行星轮75啮合，第二输入齿轮73与所有的行星轮75啮合，多个行星轮75固定在行星架输出齿轮72上，最终通过行星架输出齿轮72将动力输出。

太阳轮71下端面固定连接有齿圈定位环710，齿圈定位环710包括环形的水平板，水平板外圆上端面连接有第一竖直板，水平板内圆下端面连接有第二竖直板，第二竖直板向内侧伸出有一圈环形凸起，环形凸起上端面与第二输入齿轮支撑轴承76外圈的下端面相接。第二竖直板与轴套78之间设置有第二输入齿轮支撑轴承76，第二输入齿轮支撑轴承76内圈与轴套78过盈配合，中心轮支撑轴承76下端设置有第一轴承挡圈77，第一轴承挡圈77内圈伸入轴套78侧壁下端开设的第一凹槽中，中心轮支撑轴承76外圈上方设置有太阳轮轴承挡圈711，太阳轮承挡圈711外圈伸入第二竖直板上开设的凹槽中，第二竖直板外侧设置有第二轴承714。

行星架输出齿轮72与轴套78之间设置有第一轴承713，第一轴承713内圈上端面设置有行星架输出齿轮挡圈715，行星架输出齿轮挡圈715内侧伸入轴套78侧壁上端开设的第二凹槽中，第一轴承713外圈上端面设置有行星架输出齿轮轴承挡圈712，行星架输出齿轮轴承挡圈712外圈伸入行星架输出齿轮72内壁上开设的凹槽中。行星架输出齿轮72内壁下端向内伸出有凸缘，第一轴承713的外圈的下端面和该凸缘的上端面相接触。

其中，第一轴承713、第二轴承714和第二输入齿轮支撑轴承76均为深沟球轴承。

图4为双输入源无缝切换冗余传动结构的一种典型应用：双电机冗余电动缸，第一输入源1和第二输入源分别为第一输入电机和第二输入电机，第一输入电机的尾端附带第一制动器31，第二输入电机的尾端附带第二制动器32。第一输入电机的输出轴上连接有第一减速机构8，第二输入电机的输出轴上连接有第二减速机构9，第一减速机构的输出齿轮(即第一输入齿轮)与冗余传动机构的太阳轮71的外齿啮合。第二输入电机的输出轴与轴套78固定连接，第二输入齿轮73与行星轮75啮合。实现了动力输入系统的多方位冗余；工作中，两路电机可同时输入，经冗余传动机构7减速后合并为一路输出，带动末端齿轮旋转，旋转运动通过输出丝杠4转化为直线运动输出，输出丝杠4上设置有冗余位置传感器5，冗余位置传感器5输出位置信息反馈给冗余控制器，冗余控制器通过滑模变结构算法实现闭环控制；当其中一路产生故障后，控制器接收到故障指令后，启动该路制动器，切换为单电机输入，保证系统不失效；两路系统互为备份。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。