双螺旋副直旋作动器

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Double Helix Straight-Rotary ActuatorFAN Jinzhu，WANG Weiying，XU Ronghua(Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)Abstract：A kind of the double helix straight-rotary actuator which can transform the straight movement to rotationmovement was designed.The 3 D model of the actuator was built by Pro/E and imported into ADAMS.Based on thevirtual prototype the kinematics simulation was developed.The simulation results show that the movement of the straight-rotary actuator is stable.It provides the theoretical support and technical reference。

Key words：double helix；virtual prototype；ADAMS；kinematics simulation飞机上广泛使用的摆动机构主要有以下两类：①基于曲柄连杆的摆动机构，这类机构工作时，通常由油缸推动曲柄转动，带动输出构件转动，其优点是结构简单，但机构外形不规则，占用空间大；②行星轮系摆动机构，多采用多排行星轮增大力矩，该机构的优点是输出力矩大、适应变形，其缺点为传动路线长、机构复杂，这类系统组成零件数 目有时多达数百个l。j。现代飞机需满足质量轻、高寿命、高可靠性等要求，针对飞机减重要求，必须进行轻量化设计。由于常规摆动机构存在占用空间大 、结构复杂的缺点，文中设计了-种大转矩摆动输出机构--双螺旋副直旋作动器。该作动器是-种以液压油为动力源，将活塞的直线运动转换为旋转运动的摆动机构，具有结构简单、尺寸孝输出扭矩大的优点，可用于飞机的升降翼 、前缘襟翼、方向舵、水平尾翼等部位的摆动机构。

使用 Pro/E和 ADAMS建立了双螺旋直旋作动器的虚拟样机，对作动器的运动情况进行了仿真，为产品的开发提供了理论支持与技术参考，这样可以提高设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间，对直旋作动器的优化设计具有重要意义 引。

1 直旋作动器的结构和工作原理文中设计的直旋作动器结构如图 1所示，主要由固定螺杆、活动螺母、输出螺杆、输出套、活塞、推力球轴承、左端盖、右端盖、各密封件等组成。其中，固定螺杆与右端盖固连，活动螺母左、右两端为两段不同导程的右旋螺纹，且右端螺纹的导程大于左端螺纹。固定螺杆与活动螺母右端螺纹形成第 1级螺旋副，输出螺杆与活动螺母左端螺纹形成第 2级螺旋副，通过这两级螺旋副，将液压力转换成转矩输出。

直旋作动器内部分为左右独立两腔，当P1为进油口，P2为出油口，此时右腔的压力大于左腔，活塞被推动向左运动，活塞与活动螺母利用螺纹紧固联接 ，在第1级螺旋副的作用下，活动螺母同时作直线运动与逆时针旋转运动(从左向右看)；而此时活动螺母与输出螺杆也组成另-级螺旋副，由于其导程大于第 1级螺旋副，因此输出螺杆作逆时针旋转运动(从左向右收稿日期：2012-09-12；修回日期：2012-10-15作者简介：樊金柱(1987)，男 ，江苏常熟人，硕士研究生，主要研究方向为计算机辅助工程。E-mail：13770336863###126.corn· 30· 轻工机械 LightIndustryMachinery 2013年第2期看)。反之，当P2为进油口，P1为出油口时，输出螺杆运动方向相反。

1-左端盖；2-输出螺杆；3-输出套 ；4-活动螺母；5～活塞：6-固定螺杆；7-止推球轴承；8-右端盖；9-平键；lO-圆螺母图 l 直旋作动器结构图Figure 1 Structure chan of the straight.rotary actuator2 直旋作动器的设计计算2.1 运动关系运动关系图如图 2所示 ，假设两级螺旋副中径都为 d，第 1级螺旋副升角为 .，第 2级螺旋副升角为Ot2 o1-输 螺杆 ；2- 活动螺母 ：3～ 固定螺杆图2 运动关系Figure 2 Motion relationship在推力 F作用下，活动螺母移动距离为 5，则由位移三角形可得活动螺母转角 。为(1)对时间 t求导，得活动螺母角速度 tO 为2 / 、∞1 z)输出螺杆转角 为2S(tan 2-tan O/1) ，.、： - (3)对时间 t求导，得输出螺杆的角速度 60，为， ： 二 (4) ： - L斗2.2 输出力矩计算设活塞所受推力大小为 F，活动螺母在第 1级螺旋副上的受力情况如图3所示 J。

活动螺母与固定螺杆间的摩擦系数为 ，力 为接触表面问的正反力 Ⅳl与摩擦力/zN 的合力，P为图3 活动螺母在第 1级螺旋副上的受力分析Figure 3 Force analysis of the movingnut Oil the first screw与Ⅳ 的夹角，称为摩擦角，则在第 1级螺旋副上，使活动螺母旋转的圆周力 F ，为F lF。ltan( l-P) (5)同样，在第 2级螺旋副上，使活动输出螺杆旋转的圆周力 F ，为FnF以tan( 2-p) (6)由F .F 得， F。2 (7) z根据活动螺母所受轴向力关系，可得 tan P ‰tan P (8) ------、--l-二--- ，R、。 (l-)- (2) 。将式(8)代人式(6)，得使活动输出螺杆旋转的圆圈力 F 为 tan P tan P㈩ 晓- (l - )- ( 2- ) 7设直旋作动器传动效率为卵，则输出力矩 为 2tan P t an P ( ，- )- ( 2- ) 、3 直旋作动器三维模型利用三维造型软件 Pro/E建立直旋作动器各零件的三维模型且完成整体的虚拟装配。采用拉伸、旋转、螺旋扫描等命令完成固定螺杆、活动螺母、输出螺杆、活塞、输出套等零件的建模，建模完成后，在 Pro/E中新建-组件，利用配对、对齐、插入等装配约束对直旋作动器的各个零件进行装配，得到其l-维模型如图 4所示 。

4 ADAMS运动学仿真为了运动学分析的简化，只选取直旋作动器的关键零件：固定螺杆 、活动螺母、活塞及输出螺杆作为研究对象～ Pro/E中的装配模型另存为 Parasolid格式，并将此文件导入 ADAMS/View中，定义各零件的质量信息。

4.1 定义运动副根据各构件的运动规律创建运动副，由于固定螺[研究 ·设计] 樊金柱 ，等 ：双螺旋副直旋作动器图4 直旋作动器三维模型Figure 4 3 D model of the straight-rotary actuator杆不运动，因此在固定螺杆上创建其与大地的固定副(Fixed)；活塞通过螺纹与活动螺母联接，故利用布尔和(Merge)将其组成为-体；活动螺母既移动又转动，故在 活 动 螺 母 与 固 定 螺 杆 之 问 创 建 圆 柱 副(Cylindrica1)；输出螺杆只作旋转运动，故创建固定螺杆与大地之间的旋转副(Revolute)；分别创建活动螺母与固定螺杆、输出螺杆与活动螺母之间的螺杆副(Screw)，修改螺杆副的参数，分别将螺杆副的导程设置为80 mm与 120 mm。添加驱动，使活塞作往复直线运动 。

4.2 仿真计算与分析给活塞施加正弦规律的往复直线运动，运动函数为40sin-z -t，取仿真时间为 6 s，步长为 100，得到系统0的仿真结果如图5-图8所示。

图 5 角位移 变化 曲线Figure 5 Curve of angle displacement由仿真结果可知，在 0～3 S内，输出螺杆由0。旋转至 60。，此时，活动螺母的角位移为 180。，线位移为40 mm，达到最大行程。在 3～6 S内，输出螺杆由60。

旋转至0。，此时活动螺母的角位移为0。，线位移也为0，即回到初始位置。因此可以得出，双螺旋副直旋作动器输出螺杆的摆动范围为 0～60。。由速度与加速度曲线可知，运动过程中输出螺杆与活动螺母的角速度与角加速度变化平稳。

.二 嚣 . / -活动螺母角位移变化曲线 .，-，，，- -- - 。 ·/ - ， ， R 鲁量图 6 角速度变化曲线Figure 6 Curve of angular velocity- 输 螺杆角位移变纯 线 .--- 。

- 图7 角加速度变化曲线igure 7 Curve of angular acceleration图8 活动螺母线位移 曲线Figure 8 Curve of the linear displacementof moving nut5 结语利用 Pro/E软件建立了双螺旋副直旋作动器的三维模型，并结合 ADAMS进行了运动学仿真，得到了输出螺杆的角位移、角速度及角加速度随时间变化的曲线，由仿真结果可知，该直旋作动器输出螺杆的摆动范围为0～60。，