以非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构

1.本发明属于航天航空机械传动设计领域，具体涉及以非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构。


背景技术：

2.随着经济和技术的快速发展以及人们生活水平的提高，近年来国际上大型客机的使用量越来越大，飞机舱门作为飞机上重要的出入口部件，其智能化功能的设计受到了越来越多的重视。目前大型客机舱门大都是通过手动开启，开启过程由多个机构模块共同协作完成。
3.侧开式飞机舱门机构是由多组不同功能的机构组合而成的，包括舱门提升机构、舱门外手柄机构、增压预防机构、扭矩杆机构、飞行锁机构、滑梯预位机构、铰链臂机构、导向槽机构、平行杆机构、阵风锁机构等，侧开式飞机舱门由于多元化的功能、简易的开启方式以及节省空间等特性得以在新机型的设计上得到广泛应用。
4.侧开式飞机舱门开启机构由提升机构和旋转机构组成，其中旋转机构由旋转副3和旋转副4组成，提升机构由提升回路和驱动回路组成，上述由图1所示，通过手动旋转驱动回路输入旋转副1带动提升回路输出旋转副2运动，进而带动飞机舱门向上运动至最高位置，从而实现了飞机舱门的提升过程，并且旋转副1的输入转矩必须符合如图2所示的预定的转矩-时间曲线；从而使得在飞机舱门的提升过程中，舱门密封件布置处任意点的位置距离机身原曲线的距离相等；而在飞机舱门完全提升后，密封件的压缩量为零，保障了飞机舱门的密封安全性。
5.近些年来舱门电动开启功能多用于货舱门、起落架门等安全性要求较低的设备；现有侧开式飞机舱门没有电动提升功能，目前仅有手动提升功能；整个提升过程，提升舱门所需要扭矩变化幅度大；其提升力矩最大位置主要在初始阶段，之后舱门提升力矩逐渐减小，远远小于初始提升过程的扭矩，最小值约为最大值的三分之一。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供以非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构，发明通过齿轮传递实现了恒转矩输入、变转矩输出，从而使得驱动电机的选型过程中可以选择尺寸较小的型号有效的减小了飞机舱门空置空间的占用，且在飞机舱门开启时，输入的恒转矩使得输入功率稳定、功耗较小以及易于控制；并且由恒转矩输入、变转矩输出驱动的提升机构力矩曲线与内手柄手动驱动提升机构力矩曲线相同。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：
8.以非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构，设置在飞机舱门上，用于输出预定变转矩，预定变转矩具有预定转矩-时间曲线，非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构的特征在于，包括：输入单元，包括驱动电机；变转矩输出单元，包括与驱动电机输出耦合的变传动比齿轮对，变传动比齿轮对用于输出预定变转矩，其中，变传动
比齿轮对具有相互外啮合的变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮，将变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮的转轴距作为变传动比中心距，变传动比输入端齿轮的输入端啮合节曲线和变传动比输出端非圆齿轮的输出端啮合节曲线基于变传动比中心距和预定转矩-时间曲线得到。
9.优选地，输入端啮合节曲线和输出端啮合节曲线均基于变传动比齿轮对的瞬时传动比-时间曲线得到，瞬时传动比-时间曲线基于变传动比齿轮对的输入转矩、与预定转矩-时间曲线的对应的多个变传动比齿轮对的输出转矩得到。
10.优选地，变传动比输入端齿轮基于范成法加工形成，在该加工过程中，通过标准圆齿廓加工刀具沿输入端啮合节曲线对变传动比输入端齿轮进行齿廓加工。
11.优选地，变传动比输出端非圆齿轮具有多条输出端啮合节曲线。
12.优选地，变传动比输入端齿轮为非完全齿轮。
13.进一步地，初始状态的变传动比输入端齿轮与变传动比输出端非圆齿轮不啮合，初始状态的变传动比输入端齿轮与变传动比输出端非圆齿轮距离最近的齿具有齿顶修形，从而当初始状态的变传动比输入端齿轮旋转并与变传动比输出端非圆齿轮啮合时，变传动比输入端齿轮与变传动比输出端非圆齿轮不干涉。
14.更进一步地，与预定变转矩耦合的输出轴和套设在输出轴的手动手柄，变转矩输出单元的输出端具有联动块，输出轴具有从动块，当初始状态的变传动比输入端齿轮旋转并与变传动比输出端非圆齿轮啮合时，联动块开始接触并推动从动块旋转，从而带动输出轴进行旋转。
15.更进一步地，飞机舱门上设置有止挡块，当联动块开始接触并推动从动块旋转至预定位置时，止挡块对从动块形成止挡，从而使得从动块不能继续旋转。
16.优选地，输入单元还包括输入蜗杆，变转矩输出单元通过输入蜗杆与驱动电机输出耦合。
17.进一步地，变转矩输出单元还包括输入耦合双联齿轮、恒转矩输入双联齿轮、变转矩输出双联齿轮以及输出耦合齿轮，输入耦合双联齿轮具有输入蜗轮和输入传入齿轮，恒转矩输入双联齿轮具有恒转矩输入齿轮和变传动比输入端齿轮，变转矩输出双联齿轮具有变传动比输出端非圆齿轮和变转矩输出齿轮，输入蜗轮与输入蜗杆啮合配合，输入传入齿轮与恒转矩输入齿轮的输出端啮合配合，输出耦合齿轮与变转矩输出齿轮啮合配合。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1.因为本发明包括输入单元和变转矩输出单元，输入单元包括驱动电机；变转矩输出单元包括与驱动电机输出耦合的变传动比齿轮对，变传动比齿轮对具有相互外啮合的变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮，将变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮的转轴距作为变传动比中心距，变传动比输入端齿轮的输入端啮合节曲线和变传动比输出端非圆齿轮的输出端啮合节曲线基于变传动比中心距和预定转矩-时间曲线得到，在进行机构设计时，若以最高驱动转矩对飞机舱门的驱动电机进行设计，则相应的传动比将变得很大，极易造成传动机构整体质量的显著增大或传动效率明显降低；这是由于需要选用大功率的驱动电机进行驱动，导致此时的驱动电机电机质量大，使得飞机舱门的相应电动机构的机械载荷增大，而采用变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮之后，由于其持续啮合的过程中，变传动比输入端齿轮的输入端啮合节曲线和变传动比输出
端非圆齿轮的输出端啮合节曲线持续外切且啮合点随时间持续改变变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮的啮合半径比，从而使得啮合传动比根据随时间变化，进而使得变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮的输入、输出力矩的比例持续变化，而变传动比输入端齿轮的输入端啮合节曲线和变传动比输出端非圆齿轮的输出端啮合节曲线基于预定转矩-时间曲线得到，从而能够在驱动电机输入恒转矩时，通过变传动比输出端非圆齿轮输出符合预定转矩-时间曲线的预定变转矩，因此，本发明通过变传动比齿轮对实现了恒转矩输入、变转矩输出，从而不必以最高驱动转矩对飞机舱门的驱动电机，使得驱动电机的选型过程中可以选择尺寸较小的型号有效的减小了飞机舱门空置空间的占用，且在飞机舱门开启时，输入的恒转矩使得输入功率稳定、功耗较小以及易于控制；并且由恒转矩输入、变转矩输出驱动的提升机构力矩曲线与内手柄手动驱动提升机构力矩曲线相同。
20.2.因为本发明的输入端啮合节曲线和输出端啮合节曲线均基于变传动比齿轮对的瞬时传动比-时间曲线得到，瞬时传动比-时间曲线基于变传动比齿轮对的输入转矩、与预定转矩-时间曲线的对应的多个变传动比齿轮对的输出转矩得到，通过采用多个离散输出端转矩对预定转矩-时间曲线进行数据拟合，从而得到与预定转矩-时间曲线的对应的多个变传动比齿轮对的输出转矩，因此，本发明仅基于可控的输入转矩与多个期望输出转矩就能得到输入端啮合节曲线和输出端啮合节曲线，不仅相关运算简单，而且运算相关的数据的获取也非常容易。
21.3.因为本发明的变传动比输入端齿轮基于范成法加工形成，在该加工过程中，通过标准圆齿廓加工刀具沿输入端啮合节曲线对变传动比输入端齿轮进行齿廓加工，基于范成法加工进行的齿廓加工能够显著简化变传动比输入端齿轮、变传动比输出端齿轮的非标准啮合线的加工和提高变传动比输入端齿轮、变传动比输出端齿轮的非标准啮合的精度，并且标准圆齿廓加工刀具的应用、加工成本低，因此，本发明对变传动比输入端齿轮的齿廓加工方式使得相关的加工难度更低，啮合精度更好以及加工所需的应用、加工成本更低。
22.4.因为本发明的变传动比输出端非圆齿轮具有多条输出端啮合节曲线，每条输出端啮合节曲线对应一段变转矩输出齿段，即变传动比输出端非圆齿轮具有多段变转矩输出齿段，因此，本发明的变传动比输出端非圆齿轮能够在一段多段变转矩输出齿段耗损后，无需更换直接调整变传动比输出端非圆齿轮的啮合位置，而重新使用一段新的多段变转矩输出齿段，客观实现变传动比输出端非圆齿轮的部件生命周期基于变传动比输出端非圆齿轮的段数而大幅延长。
23.5.因为本发明的变传动比输入端齿轮为非完全齿轮，因此，在变传动比输出端非圆齿轮反转时，本发明的变传动比输入端齿轮能够及时脱开与变传动比输出端非圆齿轮的啮合配合，避免因输入蜗杆方向移动而对驱动电机形成反向冲击。
24.6.因为本发明的初始状态的变传动比输入端齿轮与变传动比输出端非圆齿轮不啮合，初始状态的变传动比输入端齿轮与变传动比输出端非圆齿轮距离最近的齿具有齿顶修形，因此，在本发明中，当初始状态的变传动比输入端齿轮旋转并与变传动比输出端非圆齿轮啮合时，变传动比输入端齿轮与变传动比输出端非圆齿轮不干涉，而且也大幅降低了变传动比输入端齿轮与变传动比输出端非圆齿轮开始啮合时发生的啮合冲击的强度，并且也进一步避免因输入蜗杆方向移动而对驱动电机形成反向冲击。
25.7.因为本发明还包括：与预定变转矩耦合的输出轴和套设在输出轴的手动手柄，
变转矩输出单元的输出端具有联动块，输出轴具有从动块，当初始状态的变传动比输入端齿轮旋转并与变传动比输出端非圆齿轮啮合时，联动块开始接触并推动从动块旋转，从而带动输出轴进行旋转，因此，本发明通过作为电动驱动方式的驱动电机、变转矩输出单元向飞机舱门输出预定变转矩时，驱动手柄能被带动转动；而通过以手动驱动方式的驱动手柄向飞机舱门输出预定变转矩时，变转矩输出单元不会被反向带动，从而启闭飞机舱门时，手动驱动方式不会影响到电动驱动方式。
附图说明
26.图1为背景技术中旋转机构与提升机构的耦合机构简图；
27.图2为背景技术中的预定转矩-时间曲线示意图；
28.图3为本发明的实施例的非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构的立体示意图；
29.图4为本发明的实施例的非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构在飞机舱门的应用示意图；
30.图5为本发明的实施例的输入单元和变转矩输出单元的平面示意图；
31.图6为本发明的实施例的驱动电机的输出扭矩-时间曲线示意图；
32.图7为本发明的实施例的变传动比齿轮对的示意图；
33.图8为本发明的实施例的输入端啮合节曲线和输出端啮合节曲线的示意图；
34.图9(a)为本发明的实施例的首齿修形前的变传动比输入端齿轮无齿顶修形时和变传动比输出端非圆齿轮开始啮合时的干涉示意图；
35.图9(b)为本发明的实施例的首齿修形后的变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮开始啮合时的示意图；
36.图10(a)为初始状态时的变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮的配合示意图；
37.图10(b)为首齿啮合时的变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮的配合示意图；
38.图10(c)为首齿啮合后的变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮在持续啮合过程中的配合示意图；
39.图10(d)为啮合过程终结时的变传动比输入端齿轮和变传动比输出端非圆齿轮的配合示意图；
40.图11为本发明的实施例的瞬时传动比-时间曲线示意图；
41.图12为本发明的实施例的输出耦合齿轮、输出轴以及手动手柄的配合示意图；
42.图13(a)为本发明的实施例的与初始状态的变传动比输入端齿轮对应的联动块、从动块以及止挡块的位置关系示意图；
43.图13(b)为本发明的实施例的电动操作旋转至极限时变传动比输入端齿轮对应的联动块、从动块以及止挡块的位置关系示意图；
44.图13(c)为本发明的实施例的手动操作旋转至极限时变传动比输入端齿轮对应的联动块、从动块以及止挡块的位置关系示意图；
45.图14(a)为与图13(a)对应的输入单元和变转矩输出单元的示意图；
46.图14(b)为与图13(b)对应的输入单元和变转矩输出单元的示意图。
47.图中：100、以非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构，p、飞机舱门，10、输入单元，11、驱动电机，12、输入蜗杆，20、变转矩输出单元，21、输入耦合双联齿轮，211、输入蜗轮，212、输入传入齿轮，22、恒转矩输入双联齿轮，221、恒转矩输入齿轮，222、变传动比输入端齿轮，2221、齿顶修形，23、变转矩输出双联齿轮，231、变传动比输出端非圆齿轮，2311、变转矩输出齿段，232、变转矩输出齿轮，24、输出耦合齿轮，241、联动块，30、输出轴，31、从动块，40、手动手柄，z、止挡块。
具体实施方式
48.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的以非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
49.如图3至图5所示，本实施例中的以非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构100设置在飞机舱门p上，用于输出预定变转矩，预定变转矩具有如图2所示的预定转矩-时间曲线，具体地，飞机舱门p的启闭驱动方式分为手动驱动方式和电动驱动方式，并且两种驱动方式的输出力矩均应符合该预定转矩-时间曲线。
50.非圆齿轮传动的侧开式飞机舱门恒力矩电动提升机构100包括输入单元10、变转矩输出单元20、输出轴30以及手动手柄40，具体地，输入单元10为电动驱动方式的动力源，手动手柄40为手动驱动方式的动力源。
51.输入单元10包括驱动电机11和同轴固设在驱动电机11的输出轴的输入蜗杆12，在本实施例中，驱动电机11的输出转矩如图6所示，近似为恒转矩输出。
52.变转矩输出单元20通过输入蜗杆12与驱动电机11输出耦合，变转矩输出单元20包括输入耦合双联齿轮21、恒转矩输入双联齿轮22、变转矩输出双联齿轮23以及输出耦合齿轮24。
53.在本实施例中，输入耦合双联齿轮21、恒转矩输入双联齿轮22、变转矩输出双联齿轮23以及输出耦合齿轮24的旋转轴相互平行，且与输入蜗杆12的旋转轴垂直。
54.输入耦合双联齿轮21具有输入蜗轮211和输入传入齿轮212，恒转矩输入双联齿轮22具有恒转矩输入齿轮221和变传动比输入端齿轮222，变转矩输出双联齿轮23具有变传动比输出端非圆齿轮231和变转矩输出齿轮232。
55.输入蜗轮211与输入蜗杆12啮合配合，从而构成蜗轮蜗杆机构；输入传入齿轮212与恒转矩输入齿轮221的输出端啮合配合，变传动比输入端齿轮222和变传动比输出端非圆齿轮231相互外啮合，从而构成变传动比齿轮对；输出耦合齿轮24与变转矩输出齿轮232啮合配合，从而变传动比齿轮对与驱动电机11输出耦合且变传动比齿轮对用于将驱动电机11输出的恒转矩输出为预定变转矩，并且输出耦合齿轮24朝向手动手柄40的端面上具有凸出的联动块241，并且联动块241位于变转矩输出单元20的输出端。
56.如图7和图8所示，变传动比输入端齿轮222为非完全齿轮，在飞机舱门p处于符合密封安全性要求的关闭状态时，变传动比输入端齿轮222和变传动比输出端非圆齿轮231的各自位置作为初始位置，初始状态的变传动比输入端齿轮222与变传动比输出端非圆齿轮
231不啮合，初始状态的变传动比输入端齿轮222与变传动比输出端非圆齿轮231距离最近的齿具有齿顶修形2221，从而当初始状态的变传动比输入端齿轮222旋转并与变传动比输出端非圆齿轮231开始啮合时，变传动比输入端齿轮222与变传动比输出端非圆齿轮231不干涉，即具有齿顶修形2221的齿在进入变传动比输出端非圆齿轮231的相邻两齿之间的过程中，变传动比输入端齿轮222并不带动变传动比输出端非圆齿轮231动作。
57.具体地，变传动比输入端齿轮222的齿顶修形2221基于范成法加工形成，在该加工过程中，通过标准圆齿廓加工刀具沿输入端啮合节曲线对变传动比输入端齿轮222进行齿廓加工，齿顶修形2221的形成过程被称为首齿修形，该首齿修形的方法如下：
58.首先，将首齿修形前的变传动比输入端齿轮222和变传动比输出端非圆齿轮231如图9(a)位置，其满足两个齿轮的齿廓在节曲线上相互啮合，且啮合点在两个齿轮的转动中心的连接线上；然后，以变传动比输入端齿轮222的转动中心为圆心，绘制与变传动比输出端非圆齿轮231的齿顶曲线的相切圆；最后，对变传动比输入端齿轮222的首齿进行扫略切割修形，切除相切圆覆盖区域外的部分齿顶，从而实现无干涉初始啮合点，从而实现首齿修形后的变传动比输入端齿轮222和变传动比输出端非圆齿轮231的配合如图9(b)所示。
59.变传动比输出端非圆齿轮231具有多条输出端啮合节曲线，基于多条输出端啮合节曲线，变传动比输出端非圆齿轮231具有多条变转矩输出齿段2311，在本实施例中，变传动比输出端非圆齿轮231具有两条关于变传动比输出端非圆齿轮231的转动中心对称设置的输出端啮合节曲线，及具有两段变转矩输出齿段2311，并且两段变转矩输出齿段2311的相交处不连续，从而实现变传动比输出端非圆齿轮231的两条变转矩输出齿段2311可使得变传动比输出端非圆齿轮231的产品生命周期成倍增加，不仅方便变传动比输出端非圆齿轮231的安装，而且中心对称的设计同时增加了变传动比输出端非圆齿轮231的使用寿命。
60.在本实施例中，变传动比输出端非圆齿轮231的设计能够精确地实现可变的瞬时传动比，并且具有经济成本低、结构紧凑、传动比精确、动力学特性好的特点。
61.将变传动比输入端齿轮222和变传动比输出端非圆齿轮231的转轴距作为变传动比中心距，变传动比输入端齿轮222的输入端啮合节曲线和变传动比输出端非圆齿轮231的输出端啮合节曲线基于变传动比中心距和预定转矩-时间曲线得到，具体地，电动驱动方式时，变传动比齿轮对的啮合过程如图10(a)至图10(d)所示，瞬时传动比-时间曲线如图11所示。
62.输入端啮合节曲线和输出端啮合节曲线均基于变传动比齿轮对的瞬时传动比-时间曲线得到，瞬时传动比-时间曲线基于变传动比齿轮对的输入转矩、与预定转矩-时间曲线的对应的多个变传动比齿轮对的输出转矩得到。
63.具体地，驱动电机11的输出转矩m、飞机舱门的开启转矩m0以及对应的瞬时传动比i具有如下关系：
64.m＝m0/i＝常数；
65.并且由电机输出转矩公式可知，电机的输出转矩m不变、输出转速ω不变，则电机的输出功率p稳定，从而通过使得瞬时传动比i的变化能够使得驱动电机11的的成本及噪音同时降低。
66.p＝m
·
ω；
67.从而飞机舱门p可通过直接调节驱动电机11的电流大小调节舱门转速和输出功
率，使飞机舱门p的电动驱动机构的易控性大大提高。
68.如图12所示，输出轴30与预定变转矩耦合，手动手柄40套设在输出轴30上，具体地，手动手柄40与输出轴30键连接，输出轴30通过轴承与输出耦合齿轮24套接，输出耦合齿轮24能够相对输出轴30转动。
69.输出轴30的周面具有突出设置的从动块31。
70.如图13(a)至图14(b)所示，当输出轴30以预定方向旋转时，飞机舱门p在旋转副和圆柱副的共同作用下进行启闭，联动块241和从动块31的运动路径相互干涉，且联动块241和从动块31沿预定方向依次设置，当以电动驱动方式自驱动电机11输出恒转矩、初始状态的变传动比输入端齿轮222旋转并与变传动比输出端非圆齿轮231啮合时，并通过预定变转矩使得联动块241开始接触并推动从动块31旋转，从而带动输出轴30进行旋转，使得飞机舱门p在旋转副和圆柱副的共同作用下进行启闭；当以手动驱动方式以预定变转矩操作手动手柄40转动并带动输出轴30进行旋转，使得飞机舱门p在旋转副和圆柱副的共同作用下进行启闭；在过程中，从动块31不会与联动块241发生接触，从而不会反向影响变转矩输出单元20和输入单元10。
71.飞机舱门p上设置有止挡块z，当联动块241开始接触并推动从动块31旋转至预定位置、即变传动比输入端齿轮222旋转至极限时，止挡块z对从动块31形成止挡，从而使得从动块31不能继续旋转。
72.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。