王超，周如鍇，陳為，任建國

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100000）

1 前言

電控瞄準(zhǔn)儀用于為運(yùn)載火箭提供射前初始方位角。為滿足某型號瞄準(zhǔn)系統(tǒng)需求，電控瞄準(zhǔn)儀方位微動、俯仰微動需要具有電動和手動兩種驅(qū)動模式。這兩種操作模式能實現(xiàn)迅速切換，而且不能對方位角和俯仰角造成干擾。為此需要一種小體積的切換機(jī)構(gòu)實現(xiàn)切換動作，要求操作簡單性能可靠。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計

電控瞄準(zhǔn)儀方位、俯仰驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計綜合考慮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)需求，取消了微動和制緊機(jī)構(gòu)，增加了電驅(qū)動微動機(jī)構(gòu)，并集成了手動微動功能。利用摩擦制動技術(shù)，分離了微動和大角度轉(zhuǎn)動，滿足大角度方位、俯仰轉(zhuǎn)動的快速性要求。

2.1 組成結(jié)構(gòu)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪、斜齒輪-蝸桿、手動-電動切換機(jī)構(gòu)組成。斜齒輪與豎軸系同軸定位，通過簧片產(chǎn)生的徑向壓緊力抱緊豎軸系。驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪、蝸桿、手動-電動切換機(jī)構(gòu)固定在儀器身架上。驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速齒輪由蝸桿驅(qū)動斜齒輪旋轉(zhuǎn)，斜齒輪通過簧片徑向壓緊力產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動豎軸系旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)儀器電動方位微動。當(dāng)儀器需要大角度方位轉(zhuǎn)動時，可以直接轉(zhuǎn)動身架，克服簧片徑向壓緊力產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)大角度方位轉(zhuǎn)動。當(dāng)需要手動微動時，通過手動-電動切換機(jī)構(gòu)切換到手動方式，旋轉(zhuǎn)微動手輪通過摩擦輪驅(qū)動蝸桿實現(xiàn)手動微動。切換機(jī)構(gòu)具有限位保護(hù)功能，可以防止電動工作狀態(tài)下手動微動手輪連帶轉(zhuǎn)動。

圖1、圖2為本微動驅(qū)動的離合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1為于手動驅(qū)動模式，圖2為電動驅(qū)動模式。

圖1 瞄準(zhǔn)儀微動驅(qū)動離合裝置手動驅(qū)動模式

圖2 瞄準(zhǔn)儀微動驅(qū)動離合裝置電動驅(qū)動模式

基座固定于電控瞄準(zhǔn)儀機(jī)殼內(nèi)，電機(jī)和蝸桿分別固定于基座上，蝸桿的一端通過一傳動裝置連接于所述電機(jī)，摩擦輪設(shè)置于蝸桿的另一端。固定套固定于電控瞄準(zhǔn)儀機(jī)殼上，撥輪有一中心孔，其一端設(shè)置于固定套，且撥輪的外表面與固定套的內(nèi)孔壁設(shè)有相配的定位結(jié)構(gòu)。導(dǎo)套與固定套固定連接，導(dǎo)套的一端位于固定套內(nèi)并與所述撥輪相抵，導(dǎo)套與撥輪相抵的端面分別設(shè)有平面部和角度相同的斜面部，即如圖所示的撥輪斜面、撥輪平面、導(dǎo)套平面、導(dǎo)套斜面，通過調(diào)整撥輪使導(dǎo)套與撥輪不同面的接觸達(dá)到離合裝置不同的驅(qū)動模式。撥輪斜面導(dǎo)套斜面為角度相同的斜面，較佳的可以選擇40～50°。

摩擦桿貫穿撥輪及導(dǎo)套，摩擦桿與導(dǎo)套之間設(shè)有一彈性機(jī)構(gòu)，彈性機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的彈力使摩擦桿的頭部與摩擦輪結(jié)合，固定套的設(shè)置位置應(yīng)該滿足，手動位置時，摩擦桿的頭部向?qū)淄獠垦由觳⒛軌蚺c摩擦輪結(jié)合。手輪固設(shè)于摩擦桿的尾部，轉(zhuǎn)動手輪可以驅(qū)動摩擦桿轉(zhuǎn)動。

手動驅(qū)動方式工作時，電機(jī)斷電停止轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動撥輪2至“手動”位置，如圖3所示，撥輪斜面與導(dǎo)套斜面接觸，摩擦桿沿導(dǎo)套向右伸出，在彈性機(jī)構(gòu)的作用下摩擦桿的頭部與摩擦輪結(jié)合，轉(zhuǎn)動手輪驅(qū)動蝸桿旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)手動驅(qū)動微動工作。

圖3 離合裝置側(cè)向視圖

電動驅(qū)動方式工作時，轉(zhuǎn)動撥輪2至“電動”位置，撥輪平面與導(dǎo)套平面接觸，摩擦桿沿導(dǎo)套向左收回與摩擦輪脫開，電機(jī)轉(zhuǎn)動通過大小齒輪傳動帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電動驅(qū)動微動工作。

2.2 定位結(jié)構(gòu)

定位結(jié)構(gòu)可以提供多種實施方式，本離合裝置采取的實施方式為：固定套的內(nèi)孔壁上設(shè)有兩個沿軸向的V型槽，如圖4所示，撥輪沿徑向設(shè)有凹槽，于凹槽中設(shè)置限位彈簧及限位鋼珠，撥輪轉(zhuǎn)動到相應(yīng)位置時，限位鋼珠在限位彈簧的作用下進(jìn)入V型槽而使撥輪可靠定位。

圖4 固定套結(jié)構(gòu)示意圖

定位結(jié)構(gòu)也可以將V型槽設(shè)于撥輪上，將凹槽、限位彈簧及限位鋼珠設(shè)于固定套的內(nèi)孔壁上，同樣，撥輪轉(zhuǎn)動到相應(yīng)位置時，限位鋼珠在限位彈簧的作用下進(jìn)入V型槽而使撥輪可靠定位。

2.3 彈性機(jī)構(gòu)

彈性機(jī)構(gòu)可以有多種實施方式，本離合裝置以如圖所示的具體結(jié)構(gòu)為較佳實施方式。導(dǎo)套的內(nèi)徑與摩擦輪的外徑相對位置，分別通過變截面而形成一容置空間，將容置空間內(nèi)設(shè)置一壓力彈簧。當(dāng)轉(zhuǎn)動撥輪使撥輪斜面與導(dǎo)套斜面接觸時，摩擦桿沿導(dǎo)套向右伸出，在壓力彈簧的作用下摩擦桿的頭部與摩擦輪結(jié)合。

3 設(shè)計計算

3.1 電動驅(qū)動

電控瞄準(zhǔn)儀的電動驅(qū)動功能用來跟蹤運(yùn)載火箭箭體移動。箭體高53456mm，呈倒圓錐狀擺動，擺幅為±106mm，頻率0.35Hz，因此，周期T按3秒估算。

為簡化計算，將箭體擺動簡化為單擺運(yùn)動，單擺在最高點(diǎn)時加速度最大，此時擺角θ=arctan（106/53456）=0.114°，其角加速度α為：

電控瞄準(zhǔn)儀豎軸回轉(zhuǎn)部分假定嚴(yán)格配平，重心在回轉(zhuǎn)軸上，此時可將豎軸回轉(zhuǎn)部分簡化為圓柱體來計算其以豎軸軸線為回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量J：

式中,K為系數(shù)；m為豎軸回轉(zhuǎn)部分質(zhì)量,kg；D為豎軸回轉(zhuǎn)部分計算直徑，m.

所以，J=KmD2/4=0.15×15×0.182=0.073kgm2。

電控瞄準(zhǔn)儀方位轉(zhuǎn)動速度按30°/s計算，1秒鐘實現(xiàn)0～30°/s的加速過程，即角加速度α=300/s2=0.52弧度/s2，滿足跟蹤要求，因此按0.52弧度/s2計算瞄準(zhǔn)儀豎軸回轉(zhuǎn)部分的慣性力矩M1：

電控瞄準(zhǔn)儀主機(jī)身架回轉(zhuǎn)有害力矩為78～88mN·m，以經(jīng)驗對比確定電控瞄準(zhǔn)儀回轉(zhuǎn)有害力矩為100mN·m；所以，方位轉(zhuǎn)動總負(fù)載力矩為100+38=138mN·m。

蝸桿蝸輪的傳動效率η=0.7，大小齒輪減速比為3.07，蝸輪蝸桿減速比為800，則需要的電機(jī)最小驅(qū)動力矩應(yīng)為：

考慮到低溫工況，驅(qū)動力矩要大于計算值的5倍，故電機(jī)扭矩不應(yīng)小于0.08×5=0.4mN·m。

選擇驅(qū)動電機(jī)為MAXON公司EC-max16無刷直流電機(jī)，空載轉(zhuǎn)速13000rpm，額定轉(zhuǎn)速5540rpm，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩3.46mN·m，轉(zhuǎn)矩滿足要求。

由于方位轉(zhuǎn)動總負(fù)載力矩遠(yuǎn)小于驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)在接近空載狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)電機(jī)輸出力矩—轉(zhuǎn)速圖表確定電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為8000rpm。

方位驅(qū)動機(jī)構(gòu)總傳動比i=800×3.07=2456，電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)1°對應(yīng)斜齒輪（即豎軸）轉(zhuǎn)動角度為：

所以，瞄準(zhǔn)儀方位轉(zhuǎn)動速度為：

3.2 手動驅(qū)動

摩擦輪產(chǎn)生的摩擦力矩應(yīng)大于總負(fù)載力矩，同時手動切換時不感覺費(fèi)力?？傌?fù)載力矩為138mN·m，蝸桿-斜齒輪的傳動效率η=0.7，需要摩擦輪提供的最小力矩應(yīng)為：

138/i/η=138/2456/0.7=0.08mN·m。

考慮到低溫工況，驅(qū)動力矩要大于計算值的5倍，故摩擦力矩不應(yīng)小于0.08×5=0.4mN·m?？紤]轉(zhuǎn)動手輪時有一定阻尼比較舒服，確定摩擦輪提供的力矩為4.9mN·m（50g·cm）。

圖5中，Q1為驅(qū)動輪彈簧施加的預(yù)緊力，N；

圖5 摩擦力示意圖

R被動輪球面半徑，m；

Q兩輪之間的法向壓緊力，N；

摩擦輪產(chǎn)生的力矩M3；

式中，M3=4.9×10N?m；

所以，當(dāng)驅(qū)動輪彈簧施加0.55N的軸向力時就可以實現(xiàn)手動方位微動。

4 結(jié)語

該離合裝置實現(xiàn)了電控瞄準(zhǔn)儀的手動、電動兩種微動模式的切換，具有體積小、操作方便、切換速度快等特點(diǎn)，不增加附加力矩，對方位角和俯仰角無干擾，同時具有限位保護(hù)功能，保證切換動作可靠，滿足了瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對電控瞄準(zhǔn)儀的需求。